Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова

Куликова М.В., Прокудин И.А., Буллер А.И., Косинцев В.И., Сечин А.И., Бордунов С.В.

В результате кинетических и термодинамических расчетов установлена вероятность протекания возможных независимых реакций удаления солей жесткости с применением щелочного раствора. Для ускорения процесса вычислений термодинамических параметров составлена программа в редакторе Ехсеl. Предложена методика расчета аппарата удаления солей жесткости с применением щелочного раствора при интенсивном перемешивании.

Статья в формате PDF

312 KB

энтальпия

энергия Гиббса

константа равновесия

соли жесткости

щелочной раствор

интенсивность перемешивания

Конечной целью любого исследования является реализация в металле опытного образца (изделия), которое дало бы ожидаемый конечный результат, то есть получение качественного продукта. А для разработки опытного образца необходимы исходные данные, которые бы послужили основой для проектирования химического производства. Как показывает практика, основные сложности возникают при анализе физико-химических основ химических процессов. Для этого необходимо определить из множества химических реакций действительно независимые и для них произвести термодинамические расчеты: рассчитать их ΔН (энтальпия), ΔG (энергия Гипса), lgKp (логарифм константы равновесия) в зависимости от температуры [1-3].

Нередко вычисление термодинамических параметров связано со сложными вспомогательными расчетами, занимающими много времени и труда. Расчет термодинамических параметров можно ускорить при использовании приложения Ехсеl. Программа «Расчет равновесия химических реакций в широком интервале температур энтальпийным методом» (на программу расчета получено Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009611006) предназначена для расчета термодинамических параметров химических процессов при постоянном давлении и может применяться при определении возможности протекания процесса, моделировании химического процесса с последующей постановкой эксперимента для определения исходных данных при проектировании аппаратов.

В статье рассмотрен расчет физико-химических параметров процесса удаления солей жесткости с использованием щелочного раствора при использовании энтальпийного метода расчета в редакторе Ехсеl. Процесс удаления солей жесткости необходим как в промышленности, так и в быту, поскольку высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус, и отрицательно сказывается на здоровье человека, а также на теплообменном и массообменном оборудовании. В России, согласно СанПиН, норматив жесткости воды ‒ 7,0 мг-экв/л. По американской классификации (для питьевой воды) при содержании солей жесткости менее 2 мг-экв/л вода считается мягкой, от 2 до 4 мг-экв/л ‒ нормальной (для пищевых целей), от 4 до 6 мг-экв/л ‒ жесткой, а свыше 6 мг-экв/л ‒ очень жесткой.

Таким образом, прежде чем заняться решением проблемы, необходимо рассчитать теоретически, будет ли равновесие реакций удаления солей жесткости с применением щелочной загрузки сдвинуто в сторону образования нерастворимого осадка.

При расчетах термодинамических параметров необходимо знать термодинамические свойства простых веществ каждого участвующего во взаимодействии вещества.

В процессе удаления солей жесткости рассмотрены возможные реакции взаимодействия, и с помощью определителя Грамма установлены независимые реакции:

2НСО^3- ↔ СО₃^2- + СО₂ + Н₂О;

R-CO₃ ↔ R-HCО₃ + NH₃;

2НСO^3- + R⁺ +2Ca⁺² + 2OH^- ↔ 2СаCO₃ + 2H₂O + R.

Методика расчета

Остановимся подробнее на методе расчета равновесия, учитывающем зависимость ΔН = f(Т), с помощью которого были введены уравнения lgК_р = f(Т), и сосчитаны ΔН, lgК_р в интервале температур.

Влияние температуры на константу равновесия описывается уравнением Вант-Гоффа [1].

 (1)

где ΔН⁰ ‒ стандартный тепловой эффект реакции; R ‒ универсальная газовая постоянная; T ‒ температура в ⁰К; К_р ‒ константа равновесия.

В случае точного расчета учитывается зависимость теплового эффекта реакции от температуры. Для этого используется уравнение Кирхгофа [1]:

(2)

где  (3)

Таким образом, получим ΔН = f(Т) в конечной формуле:

 (4)

Сочетая уравнение (1) с уравнением (4), получим:

В соответствии с уравнением изобары химической реакции:

 (5)

где J=4,575 • J´´ в уравнениях 3-5 неизвестными величинами являются Δа, Δb, Δс, Δс´, ΔН₂₉₈, Δ G₂₉₈, ΔН⁰, J, которые находятся в соответствии с уравнениями (2):

Для нахождения ΔН₀, которые являются экстрополяционной константой, подставим в уравнение (4) значения Δа, Δb, Δс, Δс´ при Т = 298 ⁰К и ΔН₂₉₈ получим в случае высоких температур:

(12)

Для нахождения J подставим значения ΔН₀, ΔG₂₉₈ и Т = 298 ⁰К в уравнение (5), получим:

(13)

На основе проведенных преобразований определяем логарифм константы равновесия:

(14)

В результате расчетов определены термодинамические параметры, характеризующие направление процесса, т.е. ΔН (энтальпия), ΔG (энергия Гиббса), lgKp (логарифм константы равновесия) в зависимости от температуры.

Результаты расчета представлены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты термодинамических расчетов для реакций процесса удаления солей временной жесткости 

При комнатной температуре процесса для реакций (1), (3) значения ΔG имеют отрицательные значения, что свидетельствует о возможности протекания процесса. Осуществление процесса, протекающего по реакции (2), невозможно. Значения lgKp в этом же температурном интервале для реакции 1 и 3 указывают на то, что равновесие химических реакций сдвинуто в сторону образования продуктов реакции (солей жесткости).

Термодинамика указывает на возможность протекания химической реакции, а кинетика ‒ их реальное олицетворение.

Исследование кинетики процесса удаления солей жесткости с применением щелочного раствора при интенсивном перемешивании проводилось с помощью уравнения Казеева-Ерофеева с поправкой Саковича и полученных экспериментальных данных (табл. 2):

 (15)

где α ‒ степень превращения вещества; k ‒ постоянная, определяющая константу скорости реакции, константа скорости реакции, cогласно поправке Саковича K = n • k^1/n ; n ‒ порядок реакции; τ ‒ время контакта.

Таблица 2

Результаты обработки опытных данных по уравнению Казеева ‒ Ерофеева 

Учитывая максимальную степень умягчения воды 72 % (полученную опытным путем), определен порядок реакции, что говорит о протекании процесса в диффузионной области.

Согласно уравнению Аррениуса (16) проведен расчет энергии активации процесса удаления солей жесткости для процессов интенсивного перемешивания с добавлением щелочного раствора:

K = K₀ • e^-E/RT ,  (16)

где Е ‒ энергия активации; R ‒ универсальная газовая постоянная; Е = 29,5 кДж/моль.

На основе полученных данных предложена методика расчета аппарата в зависимости от интенсивности перемешивания. Схема установки по очистке воды от солей жесткости с применением щелочного раствора и интенсивного перемешивания представлена на рисунке.

В камеру смешения (1) поступает раствор водопроводной воды и из дозатора (2) подается необходимое количество щелочного раствора. Полученный раствор поступает в аппарат интенсивного перемешивания (3), где происходит обработка воды в течение 45 секунд. Затем раствор поступает в камеру отстаивания обработанной воды (4), после чего для удаления образовавшегося осадка раствор проходит через волокнистый полимерный фильтр из полипропилена (5) (ТУ 9081-001-46632946-00), который является хорошим сорбентом для углеводородов, взвешенных веществ, применяется для обезжелезивания, имеет плотность, в 3 раза меньшую, чем песчано-гравийные загрузки, и высокую химическую стойкость. Завершающей стадией является снижение концентрации щелочной загрузки при прохождении раствора через цеолит.

Схема очистки воды от солей жесткости

При реализации в металле опытного образца применим метод геометрического подобия. Для этого используют ряд геометрически комплексов. В случае механического перемешивания в жидкой среде применяется критерий Рейнольдса. В рассматриваемом варианте критерий Рейнольдса находится в диапазоне чисел от 57976 до 597323.

В табл. 3 представлена характеристика аппарата интенсивного перемешивания с лопастной мешалкой для аппаратов по удалению солей жесткости с использованием щелочной загрузки.

Таблица 3

Характеристика аппарата интенсивного перемешивания 

Примечание: D ‒ диаметр сосуда; d ‒ диаметр мешалки; H ‒ высота слоя жидкости в мешалки; b ‒ ширина лопасти мешалки; S ‒ шаг винта 

В результате проведенных исследований снижение жесткости водопроводной воды происходит на 56-72 % с остаточным содержанием солей жесткости в пределах 1,5-2 мг-экв/л (мягкая вода) при исходной жесткости водопроводной воды 6,27-6,32 мг-экв/л.

Выводы

В результате проведенных вычислений определены независимые реакции и установлена возможность протекания процесса при заданной температуре. Вследствие проведенных вычислений установлены характеристики аппарата интенсивного перемешивания для удаления солей жесткости с применением щелочной загрузки. Установлены критерии, необходимые для снижения солей жесткости на 72 % и соответствующие параметрам мягкой воды.

Список литературы:

1. Карапетьянц М.Х. Химическая термодинамика. ‒ М.: Госхимиздат, 1953. ‒ 611 с.
2. Мухленов И.П. Расчеты химико-технологических процессов. ‒ М.: Химия, 1982. ‒ 248 с.

Рецензент:

Федорчук Ю.М., д.т.н., профессор кафедры ЭБЖ Института неразрушающегося контроля Томского политехнического университета.

Библиографическая ссылка