Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

АНАЛИЗ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ УДАЛЕНИЯ СОЛЕЙ ЖЕСТКОСТИ ЭНТАЛЬПИЙНЫМ МЕТОДОМ РАСЧЕТА С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРИЛОЖЕНИЯ EXCEL

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.
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:

2НСО3- ↔ СО32- + СО2 + Н2О;

R-CO3 ↔ R-HCО3 + NH3;

2НСO3- + 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 lgКр = f(Т), и сосчитаны ΔН, lgКр в интервале температур.

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

f (1)

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

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

f(2)

где f (3)

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

g (4)

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

f

В соответствии с уравнением изобары химической реакции:

f (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):

f

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:

f(12)

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

f(13)

На основе проведенных преобразований определяем логарифм константы равновесия:

f(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 

Реакция

ΔН288 кДж/моль

ΔG288
кДж/моль

ℓgКр288

ΔН298

кДж/моль

ΔG298

кДж/моль

ℓgКр298

1) 2НСО3- ↔СО32- + СО2 + Н2О

-664,7

-703,6

127,59

-664,8

-705,0

123,55

2) (NH4)2CO3 ↔ NH4HCО3 + NH3

72,2

61,8

-11,21

72,2

61,5

-10,77

3) 2НСO3- +NH4+ + 2Ca+2 +2OH- ↔ 2СаCO3+2H2O+NH3

29,5

-71,2

12,90

29,5

-74,6

13,08

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):

f (15)

где α ‒ степень превращения вещества; k ‒ постоянная, определяющая константу скорости реакции, константа скорости реакции, cогласно поправке Саковича K = n • k1/n ; n ‒ порядок реакции; τ ‒ время контакта.

Таблица 2

Результаты обработки опытных данных по уравнению Казеева ‒ Ерофеева 

t 0C

T 0K

τ

α

(1- α)

lg(1- α)

lg[-lg(1-α)]

f

lg τ

15

288

15

0,65

0,35

-0,4559

-0,341

3,472

1,18

20

0,61

0,28

-0,5528

-0,2574

1,30

45

0,72

0,39

-0,4089

-0,3883

1,65

60

0,63

0,37

-0,4318

-0,3647

1,78

40

313

15

0,72

0,28

-0,5528

-0,2574

3,195

 

20

0,69

0,31

-0,5086

-0,2936

 

45

0,76

0,24

-0,6198

-0,2077

 

60

0,69

0,31

-0,5086

-0,2936

 

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.

p

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 

Тип мешалки

Характеристика мешалки

D/d

H/D

b/d

S/d

Шестилопастная

2,02

0,3

0,12

0,4

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

Куликова М.В., Прокудин И.А., Буллер А.И., Косинцев В.И., Сечин А.И., Бордунов С.В. АНАЛИЗ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ УДАЛЕНИЯ СОЛЕЙ ЖЕСТКОСТИ ЭНТАЛЬПИЙНЫМ МЕТОДОМ РАСЧЕТА С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРИЛОЖЕНИЯ EXCEL // Фундаментальные исследования. – 2010. – № 12. – С. 105-110;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=17441 (дата обращения: 06.05.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074