1. hsc chemistry қолданбалар пакеті туралы жалпы ақпарат
Тепе-теңдік құрамы модулі
жүктеу/скачать 8,77 Mb.
|
| 2.2. Тепе-теңдік құрамы модулі
Модуль технологиялық процестерге қатысатын жанасу фазаларының тепе-теңдік құрамын есептеуге арналған. Шынында да, металлургиядағы кез келген технологиялық процесті кем дегенде екі фазаның – мақсатты және қосымша өнімнің қалыптасу процесі ретінде қарастыруға болады. Нақты процестерде фазалардың саны екіден көп болуы мүмкін, мысалы, күкірт мыс концентратын штейнге балқыту кезінде мақсатты өнім – штейн, сонымен қатар жанама өнімдер – шлак, шаң және газдар түзіледі. Металлдың (немесе бірнеше металдардың) өнімдер арасында таралуы жанасу фазаларындағы заттар арасындағы қайтымды химиялық реакциялардың тепе-теңдік шарттарымен анықталады. Мұндай реакциялар сульфидтену, тотығу, тотықсыздану және т.б. Мысалы, қождағы мыс оксид (Cu2O) түрінде болуы мүмкін, ал шлакпен жанасатын штейнде сульфид [FeS] түріндегі темір болуы мүмкін. Мыстың штейн мен шлак арасындағы тепе-теңдік таралуы бұл жағдайда қайтымды реакцияның тепе-теңдік шарттарына байланысты (дөңгелек жақшалар шлакта заттың бар екенін көрсетеді, төртбұрышты жақшалар штейнде заттың бар екенін көрсетеді). Реакцияның тепе-теңдігі (4) термодинамикалық факторларға - қысымға, температураға, қатысатын заттардың концентрациясына байланысты. Пештегі қысым іс жүзінде тұрақты және атмосфералық қысымға тең. Температура белгілі бір диапазонда өзгеруі мүмкін (егер мыс штейнін алу туралы айтатын болсақ, 1200-1350 ° C), оны аз немесе көп тұрақты ұстауға тырысады. Қождағы мыс құрамын қалай азайтуға болады? Бір ғана жауап бар - күңгірттегі [FeS] мазмұнын арттыру арқылы. Бұл тәжірибеге сәйкес келеді: құрамында [FeS] көп мөлшері бар мыс нашар штейн алу арқылы нашар шлактар алынады. Тәжірибеде металдың өнімдер арасында таралуы бірқатар басқа факторларға да байланысты екеніне қарамастан (кинетикалық, реакция жылдамдығына байланысты; гидродинамикалық, фазалардың бір-бірінен бөлінуіне әсер ететін; термофизикалық, температураның өзгеруіне әсер ететін және т.б.) т.б.), тепе-теңдіктің таралуын технологиялық процесс жүретін жүйе ұмтылатын белгілі бір физикалық және химиялық шек ретінде қарастыруға болады. Термодинамикалық модельдеу әдісі жеткіліксіз зерттелген жүйелер үшін технологиялық процестің нәтижесін бастапқы бағалау үшін ақпарат көзі ретінде қызмет етеді, егер біз мақсатты өнімге металдың күтілетін алынуын бағалау туралы айтатын болсақ. Біз мырыш концентратын қуыру мысалында тепе-теңдік құрамы модулімен жұмысты қарастырамыз. Концентраттың негізгі компоненті мырыш сульфиді ZnS берілген жарылыстың оттегімен әрекеттесіп, реакцияларға сәйкес мырыш оксиді ZnO немесе ZnSO4 сульфатын түзе алады. Қуырудың мақсаты қышқылда және суда еритін мырыш қосылыстарын алу. (5) және (6) реакциялардың дамуы неғұрлым көп болса, процестің нәтижесі соғұрлым жақсы болады. Сульфат күкіртінің белгілі бір мөлшері сілтісіздендіру контурындағы қышқылдың жоғалуын өтеу және ерітінділерді қоспалардан тазарту үшін қажет. Сульфидті күкірттің қалдық құрамы тотықпаған ZnS бөлігінің бар екенін білдіреді, ол сілтілеу сатысында мырыш тортына айналады, одан қосымша технологиялық әдістермен бөліп алуға тура келеді. Тепе-теңдік құрамдары (Теңдік құрамдар) модулін пайдаланып, өзгеретін термодинамикалық жағдайларда түзілген шлак пен газ фазасының тепе-теңдік құрамдарын есептейміз. (5) және (6) реакцияларының тепе-теңдік шарттары бастапқы қатты және газ фазаларындағы әрекеттесуші заттардың температурасы, қысымы және концентрациясы арқылы анықталады. Күйдіру жағдайында пештегі қысым тұрақты дерлік болады, өйткені пеш ауа өткізбейтін және атмосфералық қысымда жұмыс істейді. Қарастырылып отырған мысал жағдайларындағы бастапқы қатты фазаның құрамы ZnS молекуласындағы стехиометриялық қатынаспен анықталады. Шын мәнінде, қуыру үшін FeS2, CuFeS2, PbS, SiO2 және басқа қосылыстары бар концентраттар жеткізіледі. Қатты фазада күйдіру нәтижесінде мырыш оксиді мен сульфат, ал нақты процесте сонымен қатар феррит пен мырыш силикаты, мыс сульфаты, қорғасын сульфаты және басқа заттар түзіледі. Бұл мысал тек ZnO және ZnSO4 түзіледі деп болжайды. Қуыру әдетте 900–980 °С температурада жүргізіледі, қажетті температураға (5) және (6) реакциялардың экзотермиялық әсері арқасында қол жеткізіледі. Осылайша, бұл жұмыста қатты және газ тәрізді фазалардың тепе-теңдік құрамын есептеу арқылы 600–1000 °C аралығындағы күйдіру нәтижесіне температураның әсерін бағалау қажет. Тиісті батырмада тышқанның сол жақ батырмасын басу арқылы буманың негізгі менюінен Equiblrium Compositions модулін іске қосамыз. Ашылған панельде (13-сурет) Жаңа енгізу файлын құру (Түрлерді беру) таңдаңыз (Берілген заттарды пайдаланып жаңа кіріс файлын жасаңыз). Сурет. 13. Енгізу файлын жасаңыз Ашылған бос жұмыс терезесінде Файл (Файл), Жаңа (Жаңа) тармағын таңдап, тапсырма шарттарын қалыптастыруға өтіңіз. Біз тұтас фазаны жасаймыз, ол үшін мәзірдің Кірістіру (Вставка) командасын қолданамыз, содан кейін тізімнен Фазаны (Фаза) таңдаймыз. Пайда болған панельде латын әліпбиін пайдаланып фазаның атын орнатыңыз. Фаза атауы түспен бөлектелген жолда көрсетіледі. Әрі қарай, келесі жолдарда қатты фазаның құрамына кіретін қосылыстарды көрсету қажет. Бастапқыда бұл ZnS, одан күйдіру кезінде ZnSO4 және ZnO түзіледі. ZnS мөлшері 2 кмольге тең (5) теңдеуіне сәйкес Сома, кмоль, (Сома, кмоль) бағанында көрсетіледі. (5) реакцияға сәйкес ZnS толық тотығу үшін оттегінің мөлшері 3 кмоль. Газ фазасын құрайық (қатты фазаға ұқсас), оның құрамында O2, N2 және SO2 болады. Бұл компоненттер сәйкес жолдарда газ фазасының құрамында көрсетілген. Газ фазасындағы берілетін оттегінің мөлшері реакцияның (5) стехиометриялық қатынасы негізінде және ФБ пештерінде мырыш концентратын қуыру жағдайында (сұйық қабаттағы пеш) болатын артық факторды ескере отырып белгіленеді. 1,3 немесе одан да көп. С6 ұяшығына =С2*3/2*1,3 формуласын жазамыз, С6 ұяшығындағы есептеулер нәтижесі 3,900 моль. С2 ұяшығында ZnS моль саны 2. Егер атмосфералық ауа тотықтырғыш ретінде пайдаланылса, онда N2 моль саны =C6*79/21 формуласымен анықталады, мұндағы 79/21 көлем ( және моль) ауадағы N2/O2 қатынасы. Азоттың моль саны 14,671. Есептің шарттары бар жұмыс парағы суретте көрсетілген. 14. Одан кейін Параметрлер жұмыс парағы қойындысына өтіңіз (Cурет 15). Мұнда біз «Температураны арттыру» жанындағы құсбелгіні қою арқылы өзгертетін параметрді көрсетеміз және температура диапазонының шекараларын орнатамыз, мысалы, 600–1000 °C. Пакет белгілі бір қадаммен есептеулерді орындайды, оның өлшемі температура диапазонына және қадамдар санына байланысты. Әдепкі бойынша, бұл сан 21, сондықтан 400 ° C температура диапазоны 20 ° C 20 қадамға бөлінеді. Қажет болса, қадамдардың басқа санын (Қадамдар саны) көрсетуге болады. Біз қысымды 1 бар деп көрсетеміз, өйткені пеш атмосфералық қысыммен жұмыс істейді. Біз түрлер (заттар) парағына ораламыз, онда мәселенің шарттары көрсетілген. Есептеулер алдында тағайындалған шарттарды (оның ішінде опцияларды) дискідегі файл ретінде сақтау қажет, ол үшін жұмыс парағының төменгі жағындағы оң жақтағы Сақтау түймесін басамыз. Ашылған панельде шарттар сақталатын файлдың атын көрсетіңіз. Содан кейін Гиббс түймесін басыңыз. Гиббс бағдарламасы.igi атты бастапқы шарттар файлымен жұмыс істейді, оның жұмысының нәтижелері бірдей атпен, бірақ .ogi кеңейтімімен шығыс файлында сақталады. Монитор экранындағы панельде (Cурет 16) Есептеу түймесін басыңыз, Барлығы есептелді хабарынан кейін Диаграмманы салу түймешігін басыңыз! («Есептер аяқталды, Диаграмма түймешігін басыңыз») Диаграмманы салу түймешігін басыңыз. Сурет. 14. Есептің шарттары жазылған жұмыс парағы Сурет. 15. Опцияларды тағайындау: температура диапазоны, қысым, есептеу қадамдарының саны Сурет. 16. Гиббс бағдарламасының панелі. Фазалардың тепе-теңдік құрамын есептеу График құру үшін X және Y осьтерінің бойымен қандай параметрлер көрсетілетінін көрсету керек (17 және 18-сурет). Өзгертілетін параметр көрсеткімен белгіленеді (оны бағдарлама жасайды). Оны басу керек, содан кейін ол көк түспен бөлектеледі. Сурет. 17. X осінде көрсетілетін мәндерді таңдау Сурет. 18. Y осінде көрсету үшін мәндерді таңдау Y осінде біз есептеулердің нәтижелерін көрсетеміз: сома (киломоль немесе килограмм), немесе мазмұн (моль немесе массалық пайызбен). Соңғы жағдайда графикті құру кезінде бір фазадағы барлық қосылымдар көрсетілуі керек, әйтпесе нәтиже дұрыс емес болады. Бізді ең алдымен қатты фазаның тепе-теңдік құрамы қызықтырады, сондықтан біз барлық қосылыстарды таңдаймыз (тінтуір меңзерін формулалардың үстіне апару арқылы). Біз оларға меңзерді қойып, Ctrl пернетақта пернесін басып тұрып тінтуірдің сол жақ батырмасын басу арқылы қажет еместерін алып тастаймыз. Осьтер бойымен көрсетілетін мәндерді таңдау төменгі оң жақ бұрыштағы OK түймесін басу арқылы расталады (Cурет 17, 18). Келесі панель (19-сурет) осьтер бойымен нақты не көрсетілетінін егжей-тегжейлі көрсетуге арналған. Біздің жағдайда, X осі - Цельсий градусындағы температура, 3 зат үшін Y осі қатты фазадағы мазмұнды массалық пайызбен көрсетеді. Қажет болса, заттардың тепе-теңдік мөлшерін килограммен немесе киломольмен көрсетуге болады. Бұл жағдайда қосқыштардың (нүктелердің) сәйкес орнын тінтуірдің меңзерімен өзгерту керек. Содан кейін Диаграмма түймешігін басыңыз (20-сурет). Сурет. 19. X және Y осі бойынша деректерді көрсетуге арналған егжей-тегжейлі панель Сурет. 20. Температураның жоғарылауымен қатты фаза құрамының өзгеруі Графиктен көрініп тұрғандай, 600 °С температурада қатты фазаның құрамында ZnSO4 басым болады, ал ZnO мөлшері 5%-дан аспайды. 950°С температурада қатты фазаның тепе-теңдік құрамында шамамен 37% сульфат және 63% мырыш оксиді болады. ZnS тепе-теңдік мазмұны соншалықты төмен, ол графикте көрсетілмейді. Қатты фазаның тепе-теңдік құрамын есептеу нәтижелері сияқты, газ фазасының тепе-теңдік құрамын есептеу нәтижелерін байқауға болады. Ол үшін Y осі бойынша заттарды таңдау панеліне оралыңыз (18-сурет) және газ фазасының құрамдастарын таңдаңыз, содан кейін егжей-тегжейлі панельде Сома ауыстырғышының орнын кмольге өзгертіңіз. Газ фазасының құрамының өзгеруін көрсететін график суретте көрсетілген. 21. Алынған деректер әдетте мырыш концентраттарын қуыру тәжірибесіне сәйкес келеді. Сурет 21. Газ фазасының құрамының өзгеруі (мольдік немесе көлемдік пайызбен) Нақты ату нәтижелері термодинамикалық модельдеу барысында алынған нәтижелерден өзгеше болуы мүмкін. Оның екі себебі бар: 1) концентраттың құрамы күрделірек, біздің есептеуімізде ескерілмеген қосылыстардың айтарлықтай мөлшері бар; 2) термодинамикалық заңдылықтардан басқа кинетикалық заңдылықтар (реакциялардың жылдамдығы, процестің шектеулі ұзақтығы) көрінеді. Дегенмен, термодинамикалық модельдеу берілген жүйе ұмтылатын белгілі бір физикалық-химиялық шектерді бағалауға мүмкіндік береді. Суретте көрсетілгендей. 20, 1000°С температурада күйдірілген қатты өнімдегі ZnSO4 мөлшері 20%-дан аспайды, ZnO – 80%-ға жуық. Температураны төмендету ZnSO4 мөлшерінің жоғарылауына және ZnO төмендеуіне әкеледі. ZnS мазмұны әлдеқайда төмен болғандықтан, ол графиктерде көрсетілмейді. Практикада күкірттің біраз бөлігі алынған шлакта сульфат түрінде, бұл жағдайда ZnSO4 түрінде қалатындай етіп қуыруды жүргізуге бейім. Белгілі бір температурада, мысалы 960°С сульфатты күкірттің мөлшері қандай? Бұл сұраққа батырмалардың төменгі қатарындағы «Кесте» түймесін басу арқылы жауап беруге болады (20-суретті қараңыз) және тепе-теңдік концентрацияларын есептеу нәтижесінің кестесіне сілтеме жасай аласыз, соған сәйкес 2-суреттегі графиктер құрастырылған. 20. Кесте терезесі суретте көрсетілген. 22. Сурет. 22. Тепе-теңдік құрамының кестесі Кестенің сол жағында, кему ретімен қатты фазаның (шлак) құрамына кіретін заттардың концентрациясы берілген, олардың мазмұны сурет сызбаларында көрсетілген. 20. E және F бағандары біз таңдаған 600–1000°C температура диапазонына сәйкес келетін ең төменгі және ең жоғары концентрацияларды көрсетеді. D бағанында қосылыстардың молярлық массасы берілген. G бағанынан басталатын кестенің оң жағында заттардың температурасы мен тепе-теңдік концентрациясы бар. Біз Параметрлер парағында есептеулер санын 21 деп көрсеткендіктен (15-суретті қараңыз), айнымалының интервалы (біздің мәселеде бұл температура) 20 бөлікке бөлінеді, осылайша тепе-теңдік құрамдарын есептеу үшін орындалады. 20°C қадаммен 600–1000 ° C аралығындағы температуралар: (1000-600)/20 = 20. G бағанында 600°C тепе-теңдік концентрациясы, 960°C үшін Y бағанында: ZnSO4 үшін қалдық концентрация 3,29E+01 немесе 32,9%, ZnO үшін, 6,71E+01 немесе 67,1%. , ZnS 1,48 үшін E-12 немесе 1,48 10–12% шын мәнінде нөлге тең. Демек, күкірттегі сульфатты күкірт мөлшері 32,9 32,06/161,438 = 6,53%, мұндағы 32,06 күкірттің атомдық массасы; 161,438 - мырыш сульфатының молярлық массасы. Қарастырылған мысалда айнымалы параметр температура болды. Бірақ егер технологиялық процесс тұрақты температурада жүргізілсе, бірақ бастапқы жүйенің химиялық құрамы өзгерсе ше? Әрине, бұл жағдайда тепе-теңдік құрамы да өзгереді және оны тепе-теңдік құрам модулі арқылы есептеуге болады. Мырыш сульфиді концентратын 950°С температурада және әртүрлі мөлшердегі жарылыста қуыруды қарастырайық. Бұл процесс үшін негізгі реакция (3) сәйкес стехиометриялық қажетті жарылыс мөлшері 2 моль ZnS үшін 3 моль O2 құрайды. Күйдіру тәжірибесінен жарылыс артық, әдетте шамамен 30% жеткізілетіні белгілі, бұл материалдың сұйықтыққа айналуын және сұйық қабаттың болуын қамтамасыз ету үшін қажет. 2 мольге тең күйдірілген ZnS мөлшерін таңдап алайық, ал үрлеу кезінде берілетін оттегінің мөлшері 2,9-дан 3,9 мольге дейін өзгереді, бұл оттегі мөлшерінің төменгі мәні кезінде стехиометриялық талап етілетін үрлеудің белгілі бір жетіспеушілігіне сәйкес келеді. және стехиометриялық талап етілетін мөлшерден асып кету, берілген оттегінің көбірек мөлшерімен 30% құрайды. Айнымалы параметрдің (3,9–2,9) = 1 моль интервалын 20 қадамға бөліп, тепе-теңдік құрамдарының 21 есебін орындайық. Бұл жағдайда берілген оттегінің мөлшері үшін Қадам параметрін өзгерту қадамы 0,05 мольге тең болады. Атмосфералық ауаны жарылыс ретінде пайдаланса, онда оның мольдегі мөлшері берілген оттегінің мөлшерімен анықталады: 2,9·79/21 = 10,910 моль. Тапсырманы сипаттау файлын құрайық (23-сурет). Сурет. 23. Есептің шарттары жазылған жұмыс парағы Салыстыру сур. 23 және сур. 14, мынаны ескеріңіз. Екі жағдайда да қатты және газ тәрізді фазалардың құрамындағы бірдей заттарды көрсеттік. ZnS бастапқы мөлшері бірдей және 2 мольге тең. Суреттегі оттегінің мөлшері. 23 0,05 моль қадамымен 2,9 мольден 3,9 мольге дейін өзгереміз. Бұл жағдайда берілетін азот мөлшері де 0,188 моль қадамымен 10,910 мольден өзгереді, бұл атмосфералық ауадағы оттегі/азот қатынасына 79/21 тең. Параметрлер парағына қажетті өзгерістерді енгізейік (Cурет 24). Суреттен айырмашылығы. 14, мұнда айнымалы температура болса, бұл жағдайда жарылысқа берілетін оттегінің (және азоттың) мөлшері өзгереді. Осы себепті біз Көбейту сомасына құсбелгі қоямыз. Қадамдар саны бойынша есептеулер саны әдепкі бойынша 21 болып табылады және біз қабылдаған есептеу қадамына сәйкес келеді. Оны өзгеріссіз қалдырайық. Сурет. 24. Опцияларды тағайындау Процесс температурасы өзгермейді, оның мәнін Температура диапазоны жолында минималды және максимум ретінде 950 °C орнаттық. Жүйедегі қысым 1 бар. Қажетті есептеу опциялары орнатылған. Есептің қабылданған шарттарын файл ретінде сақтаймыз, оған ерікті атау береміз (тек латын әріптері қолданылады). Гиббс түймесін басып, тепе-теңдік композицияларын есептеу бағдарламасын іске қосыңыз. Гиббс бағдарламасының панелінде (16-суретті қараңыз) ешқандай айырмашылық жоқ. Есептеулерді орындағаннан кейін Диаграмманы салу түймешігін басып, графиктерде X және Y осі бойымен көрсетілетін параметрлерді тағайындауға өтіңіз, бұл жағдайда оттегі мөлшерінен түзілген заттардың тепе-теңдік мөлшерінің өзгеруі көрсетіледі. жарылыспен қамтамасыз етілген (25, 26-суретті қараңыз). Сурет Сурет. 25. X осі жарылыспен қамтамасыз етілген оттегінің мөлшерін көрсетеді. Сурет. 26. Y осінде көрсету үшін мәндерді таңдау Суретте. 25 көрсеткі өзгертілетін параметрлерді белгілейді. Олардың екеуі бар: оттегінің мөлшері және азот мөлшері (есептеу нұсқаларында біз жеткізілетін жарылыс мөлшерін өзгертетінімізді көрсеттік). Технологиялық процестің мәнінен оның нәтижесіне әсер ететін айнымалы параметр оттегінің мөлшері екендігі шығады. Суретте. 26 Y осі бойымен түзілген заттардың тепе-теңдік мөлшерін мольмен көрсетеміз. Әрі қарай, біз X және Y осі бойынша тепе-теңдік композицияларының диаграммасында көрсетілген параметрлердің сипаттамасын егжей-тегжейлі көрсетуге көшеміз (27-сурет). Салыстыру сур. 19 және сур. 27, соңғысында айнымалы параметр жеткізілетін Input Fmount затының мөлшері екенін және сурет. 19 - температура. Сондай-ақ, біз Y осінде заттардың мөлшерін мольмен көрсететін боламыз (19-суретте біз массалық мазмұнды пайызбен көрсеттік). Диаграмма осьтері бойындағы параметрлерді егжей-тегжейлі көрсету тақтасының қалған элементтері бірдей. Диаграмма батырмасын басу арқылы диаграмманы құруға көшеміз (28-сурет). Сурет. 27. Диаграмма осьтері бойынша параметрлерді егжей-тегжейлі көрсету Суреттегідей. 28, берілген ауаның мөлшерін көбейту түзілетін мырыш сульфатының мөлшерін арттырады және оксид мөлшерін азайтады. Үрлеу кезінде берілетін оттегінің мөлшері (3) реакцияға қажетті стехиометриялық деңгейден аз аймақта күкіртті мырыштың бір бөлігі тотықпаған күйде қалады, ал сульфат мөлшері нөлге тең. Сурет. 28. Заттардың тепе-теңдік мөлшерінің өзгеруі жарылыспен қамтамасыз етілген оттегінің мөлшеріне байланысты. 950 °C температурада шлактағы күкірт сульфатының құрамын және стехиометриялық талап етілгеннен 1,3 артық коэффициентке сәйкес келетін жарылыс мөлшерін анықтау керек делік. Бұл жағдайда шлактағы ZnO тепе-теңдік мөлшері 1,5 мольден сәл артық, ал ZnSO4 0,5 мольден аз. «Кесте» батырмасы арқылы кестеге сілтеме жасай отырып, біз мынаны көрсетеміз: ZnO тепе-теңдік мөлшері - 1,54 моль, ZnO - 0,456 моль, ZnS қалдық мөлшерін елемеуге болады, өйткені ол 2,05 10-15 моль. Шлактағы өнімдердің массасы: ZnO 1,54 81,38 = 125,32 кг, ZnSO4 0,456 161,43 = 73,62 кг, барлығы 198,94 кг болады. Мырыш сульфатында күкірттің массасы 73,62 32,06/161,43 = 14,62 кг болады. Шлактағы сульфат күкіртінің массалық мөлшері 14,62/198,94 100 = 7,35% болады. Жоғарыда келтірілген мысалдардағы термодинамикалық модельдеу нәтижелері температураға немесе симуляцияланған химиялық жүйенің бастапқы құрамына байланысты газ фазасының тепе-теңдік құрамын анықтауға мүмкіндік береді. Жүйенің тепе-теңдік құрамына әсер ететін тағы бір термодинамикалық параметр қысым болып табылады. Бұл факторды қолдану салыстырмалы түрде сирек кездеседі, өйткені түсті металлургиядағы технологиялық аппараттардың көпшілігі герметикалық емес, олар атмосферамен шикізатты тиеуге және алынған өнімді түсіруге арналған саңылаулар арқылы байланысады және нәтижесінде олардағы қысым іс жүзінде атмосфералық қысымнан айырмашылығы жоқ. Соңғысы азды-көпті тұрақты, оның мәні 1 бардан аз ғана ерекшеленеді. Гидрометаллургияда қолданылатын автоклавтар және ұшқыш қоспаларды кетіру арқылы металл балқымаларын тазарту үшін қолданылатын вакуумдық жабдық мұндай аппараттардан ерекшелік болып табылады. Вакуумды тазартудың мысалын қарастырайық. Құрамында еріген мырыш қоспасы бар қорғасын болсын. Бастапқы қорытпаның құрамы, масс. %: Pb 97; Zn 3. Қолданылатын жабдық 600 °С температурадағы балқыманың үстіндегі қысымды 0,05 барға дейін төмендетуге мүмкіндік берсе, қорытпадағы мырыш мөлшерін қандай шамаға дейін төмендетуге болады? Балқыма температурасын 700 °C дейін арттырса, мырыштан қорғасынды тазарту нәтижесі жақсы бола ма? Берілген температуралар мен қысымдардағы балқымадағы және газ фазасындағы мырыштың тепе-теңдік мөлшерін есептеу арқылы бұл сұрақтарға жауап беруге болады. Мұндай есептеуді тепе-теңдік құрамдары модулінің мүмкіндіктерін пайдалану арқылы өте тиімді жүргізуге болады. Бұл жұмыс есеп шарттарының сипаттамасы бар файлды құрудан басталады (29-сурет). Жүйе екі фазадан тұрады: сұйық қорытпа (мырыш қоспасы бар металл қорғасын) және газ (азот және қорғасын мен мырыш булары). Бірінші фаза – 1 моль (207,2 кг) қорғасынның массасына сәйкес келетін, құрамында мырыштың массасы бойынша 3% болатын қорытпа, онда мырыш 0,098 моль немесе 6,41 кг еріген. Балқыманың үстінде мырыш пен қорғасынның булары бар газ фазасы түзіледі. Бұл жағдайда HSC пакетін пайдаланып есептеудің ерекшелігі инертті газдың белгілі бір мөлшерін қосу қажет, әйтпесе есептеу мүмкін емес. Газ фазасының құрамына 1 моль азот қосайық. Сурет. 29. Есептің шарттары жазылған жұмыс парағы Параметрлер қойындысында өзгертілетін шарттарды көрсетіңіз. Жүйедегі қысым 0,05-тен 0,4 барға дейін өзгереді. Қысым диапазоны 0,35 бар болады. Есептеулер саны 36-ға тең болады, содан кейін қадам 0,01 барға тең болады. Температураны 600 °C-қа қоямыз. Бұл шарттар суретте көрсетілген. Содан кейін бастапқы файлды белгілі бір атпен сақтаңыз және Гиббс түймесін басыңыз. Гиббс бағдарламасының панелінде (Cурет 16) «Барлығы есептелді, Диаграмманы салу түймешігін басыңыз!» хабарынан кейін Есептеу түймесін басыңыз. («Есептеулер орындалды, диаграмма салу үшін түймені басыңыз») - Диаграмманы сызу. Келесі панельдерде X және Y осі бойынша қандай мәндер көрсетілетінін көрсетеміз: X бойымен - қысым (қысым), Y бойымен - газ фазасындағы мырыштың тепе-теңдік мөлшері (тепе-теңдік мөлшері) Zn(g) және Zn балқымасындағы киломольмен. Барлық атрибуттарды көрсеткеннен кейін біз Диаграмма түймесін басамыз және суретте көрсетілген нәтижені аламыз. 31. Сурет. 30. Қорғасынды тазарту мәселесіндегі өзгермелі жағдайлар Сурет. 31. Балқыма және газ фазасындағы мырыштың тепе-теңдік мөлшері Суретте көрсетілгендей. 31, балқымадан жоғары қысымды төмендету балқымадағы еріген мырыш мөлшерінің азаюына және мырыштың газ фазасына өтуіне ықпал етеді. 0,4 бардан асатын қысымда балқымадағы мырыш мөлшері іс жүзінде бастапқыдан ерекшеленбейді, ал ең төменгі қысым 0,05 бар аймағында ол шамамен 0,075 мольге жетеді. Газ фазасына шамамен 0,021 моль мырыш өтеді. Бұл сұрақтың жауабын нақтылау үшін «Кесте» түймесін басу арқылы есептеу нәтижелерінің кестесіне жүгінейік. Қажет болған жағдайда қорытпаның құрамын ең төменгі қысымда және берілген 600°С температурада анықтау оңай. Ол үшін диаграмма осі бойынша көрсетілген параметрлерді және олардың атрибуттарын өзгерту керек. Ось (Осьтер) түймесін басыңыз, содан кейін келесі панельде Түрлер (заттар) қысымды X-де қысымды, Y-де - қорытпаның тепе-теңдік құрамын, яғни сұйық фазадағы Zn және Pb мазмұнын көрсетуді таңдаңыз. Атрибуттарда қысымды (Қысым) барларда, тепе-теңдік құрамын (Тең-теңдік құрамы) массалық пайызбен (кг) көрсетіңіз. «Кесте» түймесін ары қарай басу арқылы біз 0,05 барда қорытпадағы мырыш мөлшері 2,34% болатын кестеге өтеміз. 600 °C температурада толық тазартуға қол жеткізу мүмкін емес екені анық. Тапсырманы сипаттау файлында температураны 700 °C-қа орнату және есептеудің және диаграмманың барлық қадамдарын бірізділікпен қайталау арқылы балқымадағы шекті мырыш құрамын бірдей қысымда 1,15% дейін төмендетуге болатынын анықтаймыз. Күңгірт және газды атмосферамен жанасатын шлактағы мыс құрамының тепе-теңдік күйіне штейн құрамының әсерін бағалайық. Тапсырманың сипаттамасы бар есептеу парағын (32-сурет) құрайық. Жүйеде 4 кезең бар: құрамында SO2, N2, O2 бар газ; шлак, оның құрамына 2FeO SiO2, магнетит Fe3O4, бос кремний диоксиді мен мыс Cu2O оксиді түріндегі; құрамында Cu2S, FeS, Fe3O4 бар сульфидті фаза (матовый); қатты ағын, кремний диоксиді SiO2. Күңгірттегі Cu2S/FeS молярлық қатынасы 1:1 болсын, ол шамамен 50% мыс массасына сәйкес келеді. Бұл құрамның штейнін, атап айтқанда, Ванюков пешінде (PV) және басқа да автогенді балқыту түрлерінде алады, оның құрамы осы мағынада тән. Сурет. 32. Күңгірт – шлак – газды фаза жүйесін модельдеу Күңгіртпен жанасатын шлак - бұл балқу жағдайында өмір сүруге қабілетті күшті қосылыс, фаялит 2FeO·SiO2 негізіндегі силикат балқымасы. Мыс оксиді Cu2O және магнетит Fe3O4 сұйық қожда ерітілген. Күңгірт пен қож арасындағы интерфейсте реакция болуы мүмкін (төртбұрышты жақшалар — күңгірт фаза, дөңгелек жақшалар — шлак фазасы). нәтижесінде мыс сульфиденіп, күңгірт фазаға өтеді, ал темір тотығады және қожға өтеді. Қож фазасында болашақта бос SiO2 болған жағдайда фаялит 2FeO SiO2 түзілуі мүмкін, фаялит түзілудің баламалы реакциясы FeO-ның Fe3O4 магнетитіне одан әрі тотығуы болып табылады. Магнетиттің пайда болуы қалаусыз, өйткені ол қождың тығыздығы мен тұтқырлығының жоғарылауына, сайып келгенде, механикалық жоғалтулар түріндегі шлакпен мыстың жоғалуының жоғарылауына әкеледі. Бұл жүйені термодинамикалық модельдеу міндеттерінің бірі берілген тотықтырғыш — жарылыс оттегі мөлшерінің ұлғаюымен мыс және темір қосылыстарының әрекетін бағалау болып табылады. Қождағы Cu2O бастапқы мөлшерін конвертер қожының типтік құрамына сәйкес қабылдаймыз, ондағы мыс мөлшері 3% жетуі мүмкін, ол қождың салмағын есепке алғанда 0,05 кмоль береді. Қож құрамында магнетит де бар, оның мөлшері 16–20% аралығында. Магнетиттің бастапқы массасын 0,1 кмоль деп аламыз. Қож компоненттерінің тепе-теңдік мөлшері есептеу барысында анықталады. Тағы бір мәселе, нәтижесінде пайда болатын газ фазасының тепе-теңдік құрамын анықтау болып табылады, яғни SO2, N2 және O2 бар пайдаланылған газдар. Біздің жағдайда айнымалы параметр - берілген құрам мен салмақтың штейнін тотықтыру үшін берілетін жарылыс мөлшері. Жарылыс құрамындағы оттегінің мөлшері 1 кмольден 2 кмольге дейін өзгереді, бұл біз қарастырып отырған негізгі реакцияларды жүзеге асыру үшін жеткілікті. Пакет әдепкі бойынша 21 есептеуді орындауды ұсынатынын ескере отырып, біз оттегі массасын (2–1)/20 = 0,05 кмольге тең өзгерту қадамын жасаймыз. Бұл өзгерту қадамын тапсырманы сипаттау парағына орнатайық (32-суретті қараңыз). Атмосфералық ауа тотықтырғыш ретінде пайдаланылғандықтан, молярлық (және көлемдік) азот/оттегі қатынасы 79/21 деп есептеледі. Осыған сәйкес азоттың бастапқы мөлшері 3,762 кмоль, ал азот мөлшерін өзгерту қадамы 0,05 79/21 = 0,188 кмоль. Газ фазасының құрамындағы SO2 мөлшері есептеу процесінде анықталады. «Опциялар» қойындысына өтейік, онда «Мөлшерді көбейту» құсбелгісін қою арқылы айнымалы параметр реагенттің мөлшері (сорғыш оттегі) болатынын көрсетеміз. Біз есептеулер санын 21-ге тең қалдырамыз, температураны 1250 ° C және жүйедегі қысымды 1 барға орнатамыз. Содан кейін біз тапсырманы сипаттау файлын сақтаймыз, оған таңдалған атауды береміз және Гиббс энергиясын азайту бағдарламасына өту үшін Гиббс түймесін басыңыз. Гиббс бағдарламасының панелінде (16-суретті қараңыз), содан кейін Есептеу түймесін басып, «Барлығы есептелді, Диаграмманы салу түймешігін басыңыз!» хабарынан кейін. («Есептер аяқталды, диаграмманы құру үшін түймені басыңыз») Диаграмманы салу (диаграмманы салу) түймесін басу арқылы диаграмманы құруға өтіңіз. Пайда болған Жүйе түрлері панелінде X осі бойынша көрсету үшін оттегінің мөлшерін таңдаймыз (ол және азот мөлшері көрсеткілермен белгіленеді), содан кейін Y осі бойымен көрсету үшін - барлық қож құрамдас бөліктері (Cурет 33) , сол жақ түймені басқан кезде тінтуір меңзерін олардың үстіне апару. Содан кейін біз OK түймесін басамыз. Сурет. 33. Y осінде көрсетілетін заттарды таңдау Диаграмманы салу үшін көрсетілетін параметрлердің мәліметтері суретте көрсетілген. 27. Диаграмма түймешігін басып, берілген тотықтырғыштың (жарылыс оттегі) мөлшеріне байланысты қождағы заттардың тепе-теңдік мөлшерін есептеу нәтижелерін алыңыз (34-сурет). Берілген жарылыстағы оттегі мөлшерінің 1,6 кмоль-ден жоғары ұлғаюы мыстың тотығуына және оның Cu2O оксиді түріндегі қожға өтуіне әкеп соғатындығы суреттен шығады; жарылыстағы оттегі аз мөлшерде болса, барлық дерлік мыс. сульфидтенеді және күңгіртке айналады. Есептеу көрсеткендей, магнетит түзілген кезде темірдің тотығу шарттары жақсарады, соңғысының мөлшері арта бастайды. Фаялиттің түзілу жағдайлары нашарлайды, соның нәтижесінде шлактағы бос кремнезем мөлшері артып, фаялит мөлшері азаяды. Не болып жатқанының себептері жарылыспен берілген оттегі мөлшерінің өзгеруімен штейннің тепе-теңдік құрамын есептеуді көрсететін диаграмманы құрастырғаннан кейін анық болады (35-сурет). Сурет. 34. Шлактағы заттардың тепе-теңдік мөлшері Сурет. 35. Жарылыста берілген оттегінің мөлшеріне байланысты штейннің тепе-теңдік құрамы Диаграмманың сол жақ бөлігі (1,6 кмоль оттегіге дейін) темірдің тотығуына, оның силикатының түзілуіне және соңғысының шлакқа өтуіне сәйкес келеді. Cu2S мөлшері 90%-ға дейін өсуде. Темір сульфидінің одан әрі тотығуы кезінде күңгіртте темір сульфиді дерлік қалмайды, бірақ магнетит мөлшері артады. Қожды кетіру қажеттілігі анық, әйтпесе қождағы тотыққан мыс пен магнетиттің мөлшері тез артып, мыс шығынын арттыруға жағдай жасалады. Келесі мысал Будуар-Белл реакциясының дамуына температура мен қысымның әсерін бағалауға мүмкіндік береді қалпына келтіру сипаты бар технологиялық процестерде үлкен практикалық маңызы бар. Жүйеде бастапқыда 1 кмоль оттегі және 3,762 кмоль азот бар ауамен байланыста болатын 2 кмоль көміртек болсын, бұл көміртектің СО2-ге дейін толық жануы үшін жеткіліксіз. Алайда көміртегі жанған кезде оттегін толық пайдалану шартында 1 кмоль көмірқышқыл газы СО2 түзіледі және ол Будуар-Белл реакциясы бойынша қалған қатты көміртегімен әрекеттесуге қабілетті. Алынған газдың тепе-теңдік құрамы қандай? Температура бұл құрамға қалай әсер етеді? Жауапты Тепе-теңдік құрамдары модулін пайдаланып, температура диапазонындағы (мысалы, 0–1000 °C) тепе-теңдік газ құрамын есептеу арқылы алуға болады. Алынған бастапқы деректер негізінде тапсырманы сипаттау файлын қалыптастырамыз (36-сурет). Параметрлер қойындысына өту арқылы өзгермелі шарттарды тағайындаймыз. Есептеулер санын әдепкі бойынша 21-ге тең қалдырайық, содан кейін температура қадамы диапазонның 5% немесе 50 °C-қа тең болады. Өзгертілетін параметрді орнатыңыз - температура, Температураны арттыру (Температураны өзгерту) күйіне құсбелгі қойыңыз. Қысым 1 барға орнатылған. Файлды алдын ала сақтаған соң, біз Гиббс түймесін басамыз, содан кейін Гиббс бағдарламасының панелінде «Есептеу және диаграмма салу» батырмаларын кезекпен басамыз. Келесі панельде осьтер бойынша көрсетілетін параметрлерді таңдаймыз: X - температура, Y - CO, CO2, O2, N2 концентрациялары. Көрсетілген параметрлердің егжей-тегжейлі тақтасында Тепе-теңдік құрамы (Тең-теңдік құрамы) және Көлемі кмоль (Сома, кмоль) таңдаңыз. Сурет 36. Будуар-Белл реакциясы бойынша тепе-теңдік газ құрамын есептеу Біз газ фазасының барлық құрамдастарын таңдағандықтан, бағдарлама Y осі бойымен графикті құру кезінде фаза құрамындағы компоненттердің мольдік пайызын көрсетеді. CO, CO2, O2, N2 қасиеттері бойынша идеал газдарға ұқсас болғандықтан, моль пайыздары аталған газдардың көлемдік құрамымен бірдей деп болжауға болады. Газ фазасының құрамы туралы түсінік суреттегі диаграммада берілген. 37. 400 °С төмен көміртектің жануы көмірқышқыл газының пайда болуына және ауамен қамтамасыз етілген оттегінің толық тұтынылуына әкеледі. 21% CO және 79% N2 болатын газ қоспасы түзіледі. Жоғары температурада (1000 °С) барлық көмірқышқыл газы оксидке дейін тотықсызданады, газ қоспасы түзіледі, онда 1 кмоль СО және 2 кмоль азот, мұндай қоспаның құрамы 33% көміртегі тотығы, 77% азот. 400–900°С аралығында газ қоспасының құрамы өзгереді: СО мөлшерінің жоғарылауы және СО2 мен N2 мөлшерінің төмендеуі байқалады. Тепе-теңдік құрамы модулін қолданудың тағы бір мысалы - қыздыру кезінде жоғары мыс пен темір сульфидтерінің әрекетін талдау. Жоғары сульфидтер халькопирит CuFeS2, борнит Cu5FeS4, ковеллит CuS, пирит FeS2 мыс кені мен концентратының минералды құрамдас бөліктері болып табылады. Инертті атмосферада қыздырған кезде олар неғұрлым тұрақты төменгі сульфидтердің түзілуімен және күкірттің бір бөлігінің элементтік күкірт буы түрінде бөлінуімен диссоциациялануға бейім. Жоғары сульфидті молекулалардың беріктігі қосылыстардың әрқайсысы үшін жеке болғандықтан, олардың диссоциациялануы әртүрлі температурада басталады және мыс шикізатын күйдіру мен балқытуға тән жеткілікті жоғары температура диапазонында да толық болмауы мүмкін. Жоғарыда аталған сульфидтер үшін диссоциацияның басталу температурасын және оның аяқталу дәрежесін анықтайық. Сурет 37. Будуар-Белл реакциясы бойынша газ фазасының құрамы. Тепе-теңдік құрамдары модулін пайдалана отырып, біз сульфидтердің әрқайсысы үшін 200–1400 °C температура диапазонында есептейміз, бұл қуыру және балқыту үшін практикалық маңызды. Бұл мәселені шешу реті жоғарыда сипатталған және келесі қадамдарды қамтиды: 1) тапсырманы сипаттау файлын құру, параметрдің (температураның) диапазонын және есептеулер санын орнату, файлды сақтау; 2) Гиббс бағдарламасын іске қосу, жүйенің тепе-теңдік құрамын есептеу; 3) диаграмманың Х және У осі бойынша бейнеленетін параметрлерді анықтау; 4) диаграмма осьтері бойынша көрсетілетін параметрлерді егжей-тегжейлі көрсету. Конденсацияланған фазадағы сульфидтің тепе-теңдік мөлшерінің температураға тәуелділігінің графиктері түрінде алынған нәтижелер сурет. 38. Сурет 38. Халькопирит (а), борнит (б) диссоциациялану дәрежесінің температураға тәуелділігі. Суретте көрсетілгендей. 38, жоғары сульфидтің екі есе ыдырауына сәйкес температура CuFeS2 - Cu5FeS4 - CuS - FeS2 қатарында сәйкесінше 960, 1070, 600, 740 ° C тең. Сонымен, диссоциацияға төзімділігі бойынша борнит ең төзімді, халькопирит пен пирит аз төзімді, ал ковеллит ең аз төзімді. Жоғары сульфидтердің диссоциациялану қабілетіне қатысты қорытындылар термодинамикалық есептеулердің нәтижелерінен алынғанын есте ұстаған жөн. Практикада диссоциациялану реакцияларының барысы диссоциацияның толықтығын айтарлықтай өзгерте алатын және жоғары сульфидтердің ыдырауына сәйкес келетін температура мәндерін екі есе өзгерте алатын кинетикалық факторлармен де анықталады. Өкінішке орай, HSC Chemistry пакетін пайдаланып кинетикалық сипаттамаларды есептеу мүмкін емес. Дегенмен, күйдіру және балқыту кезіндегі шикізат компоненттерінің мінез-құлқын алдын ала бағалау үшін термодинамикалық есептеулердің нәтижелері жеткілікті. Тепе-теңдік Cjmpositions модулімен жұмыс істеу әдістерін шолуды аяқтай отырып, штейнді балқыту пешіндегі мыс штейнімен және газ тәрізді атмосферамен жанасатын шлактың тепе-теңдік құрамын есептеу мысалын қарастырайық. жүктеу/скачать 8,77 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|