Южного казахстана

 
132 
РЕЗЮМЕ 
 
Сатаев М.И. – д.т.н., член-корр. НАН РК, Сатаева Л.М. – к.т.н., доцент,  
Саипов А.А. – магистрант 
ЮКГУ им. М. Ауэзова, г. Шымкент 
 
Получение топливного газа методом мембранной очистки биогаза в нетрадиционной 
энергетике 
 
Проведѐн  обзор  по  проблемам  исследований  на  сегодняшний  день,  направленных  на 
развитие  производства  по  получению  топливных    газов  из  природных  возобновляемых 
источников энергии. Выводятся уравнения для расчета полного потока примеси через границы 
зон  мембраны  с  учетом  фактора  поверхностного  сопротивления  и  пористости.  Предлагаются 
новые  комплексные  параметры,  характеризующие  пропускную  способность  мембраны  с  уче-
том фактора поверхностного сопротивления. Выводится уравнение для расчета общей прони-
цаемости  многослойной  мембраны  и  скорости  движения  концентрации  слоя  в  многослойных 
оболочках. 
 
RESUME 
 
Satayev M.I. – Doctor of Technical Sciences, corresponding member of National Academy of 
Sciences of the Republic of Kazakhstan, Satayeva L.M. – Candidate of Technical Sciences,  
Assistant Professor, Saipov A.A. – Graduate student 
M.Auezov South-Kazakhstan State University, Shymkent 
 
Production of fuel gas by method of membrane clearing of biogas in alternative energetic 
 
A review of research issues, at present aimed at the development of production to manufacture 
fuel gases from natural renewable sources of energy, has been carried out. Equations for the calcula-
tion of the total flow of admixture through the walls of the membrane zones, considering the factor of 
the surface resistance and porosity, are established. New complex parameters, characterizing the carry-
ing capacity of the membrane with the consideration of the surface resistance factor, are suggested. An 
equation to calculate the general permeability of the multilayer membrane and the velocity of move-
ment of the layer concentration in multilayer shells is established.  
 
 
 
УДК 531.31:669.168 
 
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФОСФИДА ЖЕЛЕЗА  С СИЛИЦИДОМ КАЛЬЦИЯ 
 
Г.М. Сержанов –
 
докторант PhD, В.М. Шевко – д.т.н. профессор,  
Г.Е.Каратаева – к.т.н., доцент  
 
 ЮКГУ   им.М. Ауэзова., г.Шымкент 
 
Аннотация 
 
В  статье    приводятся  результаты    исследований  по  взаимодействию  фосфида  железа 
(Fe
2
P) с силицидом кальция (CaSi
2
)  с образованием элементного фосфора. Исследования про-
водились посредством определения  изменения свободной энергии Гиббса (
0
T
G
) с использо-
ванием  полифункционального  программного  комплекса  HSC-5.11  финской  металлургической 

 
133 
компании Outokumpu. Исследованиями    установлено, что температура начала взаимодействия 
в  системах    зависит  от  мольной  доли  Fe
2
P  в  смеси      Fe
2
P  с  CaSi
2
,  увеличиваясь  от  521,4  до 
1660,2К при возрастании  Fe
2
P от 20,0 до 60 моль %; наибольшей вероятностью взаимодействия 
Fe
2
P  с  CaSi
2 
с выделением  газообразного фосфора следует ожидать в температурной области 
1570 – 1760 К при мольных долях Fe
2
P в смеси c CaSi
2  
от
  
44 до 46,2%; в сравнении с получени-
ем  фосфора  из  системы  Fe
2
P-SiО
2
-С,  получение  фосфора  из  системы  CaSi
2
  -  Fe
2
P  начинается 
при более низких температурах  и характеризуется уменьшением затрат энергии в 7,8-25,6 раз в 
сравнении получения  фосфора из Fe
2
P в присутствии SiO
2
 и C. 
 
Ключевые слова: феррофосфор, фосфид железа, силицид кальция,  силициды железа, фосфо-
ра,  программный комплекс HSC-5.11, энергия Гиббса, уравнения регрессии. 
 
Электротермический  феррофосфор,  содержащий  от  14  до  27%  фосфора  [1,  2], 
может стать дополнительным сырьевым источником производства элементного фосфо-
ра. С этой целью предложено несколько методов [3, 4], в частности:  
-
 
переработка феррофосфора с кремнием или со смесью  SiO
2
 и С посредством 
реализации реакций:  
         Fe
2
P + 2Si = 2FeSi + 0,5 P
2
;                                                                                  (1) 
 
         Fe
2
P +  2SiO
2
 + 4C = 2FeSi + 0,5P
2
 + 4CO;                                                         (2) 
 
-
 
вакуумная переработка   
Fe
2
P = 2Fe + 0,5P
2
;                                                                                                  (3) 
 
 
- хлорирование                                                                                          
Fe
2
P + 2Cl
2
 = 2FeCl
2
 + 0,5 P
2
;                                                                                 (4) 
 
Fe
2
P + 3Cl
2
 = 2FeCl
3
 + 0,5 P
2
;                                                                                 (5) 
 
-
 
электрохимическая переработка 
Fe
2
P 
оксиление
электр.
     P
2 
.                                                                               (6)     
 
Однако  эти  способы,  по  мнению  специалистов  Российской  Федерации  и 
Республики Беларусь [3], не являются перспективными, т.к. электрохимический способ 
характеризуется большим расходом электроэнергии и он представляет интерес в случае 
одновременного  получения  других  ценных  продуктов,  например,  металлов 
повышенной чистоты, метод отгонки фосфора из расплава феррофорфора по вакуумом 
требует  применения  специальной  аппаратуры,  которая  могла  бы  работать  при 
температуре 1500
0
С ;   плавка феррофосфора совместно с кремнием и со смесью SiО
2
 с 
С  характеризуется  большим  расходом  электроэнергии  и  использованием 
дорогостоящего  кремния.  Метод  хлорирования,  осуществляемый  при  500-700
0
С,  
требует  существенной доработки, так как неясно  поведение примесей феррофосфора 
(Si,  Ti,  Mn,  V),  неясна  технология  и  разделения    смеси  различных  хлоридов  и 
элементного фосфора.  Поэтому необходим поиск новых, более эффективных методов 
извлечения  фосфора  из  феррофосфора.  В  настоящей  работе  приводятся  результаты 
наших исследований по взаимодействию фосфида железа (Fe
2
P)  с  силицидом  кальция 
(CaSi
2
)  с образованием элементного фосфора. Исследования проводились посредством 
определения    изменения  свободной  энергии  Гиббса  (
0
T
G
)  с  использованием 
полифункционального  программного  комплекса  HSC-5.11  финской  металлургической 

 
134 
компании Outokumpu [4], база данных которого содержит информацию о более 17000 
веществ. 
Исследовались  3  группы  реакций:  1  группа  –  с  образованием  фосфора,  CaSi,   
Fe
3
Si,  Fe
5
Si
3
  и их смесей; 2 группа -  с образованием фосфора, CaSi, FeSi,  Fe
5
Si
3
 и их 
смесей  и  3  группа  –  с  образованием    фосфора,  CaSi,  FeSi,    FeSi
2
  и  их  смесей.  В 
частности   рассмотрены реакции: 
 
1 группа реакций (с образованием Fe
3
Si,  Fe
5
Si
3
  и их смесей) 
  2CaSi
2
+3Fe
2
P=2CaSi+2Fe
3
Si+1,5P
2
                                                       (7) 
  2,5CaSi
2
+3,25Fe
2
P =2,5CaSi+1,75Fe
3
Si+0,25Fe
5
Si
3
+1,625P
2                                                           
(8) 
3CaSi
2
+3,5Fe
2
P=3CaSi+1,5Fe
3
Si+0,5Fe
5
Si
3
+1,75P
2                                                                         
(9) 
3,5CaSi
2
+3,75Fe
2
P=3,5CaSi+1,25Fe
3
Si+0,75Fe
5
Si
3
+1,875P
2                                                      
(10) 
4CaSi
2
+4Fe
2
P=4CaSi+Fe
3
Si+Fe
5
Si
3
+2P
2                                                                                           
(11) 
4,5CaSi
2
+4,25Fe
2
P=4,5CaSi+0.75Fe
3
Si+1,25Fe
5
Si
3
+2,125P
2                                                          
(12) 
5CaSi
2
+4,5Fe
2
P=5CaSi+0,5Fe
3
Si+1,5Fe
5
Si
3
+2,25P
2                                                                   
(13) 
5,5CaSi
2
+4,75Fe
2
P=5,5CaSi+0,25Fe
3
Si+1,75Fe
5
Si
3
+2,375P
2                                                    
(14) 
6CaSi
2
+5Fe
2
P=6CaSi+2Fe
5
Si
3
+2,5P
2                                                                                              
(15) 
 
2 группа реакций (с образованием   Fe
5
Si
3
, 
 
FeSi  и их смесей) 
6CaSi
2
+5Fe
2
P=6CaSi+2Fe
5
Si
3
+2,5P
2  
 
   
                                       (16) 
  4,75CaSi
2
+3,875Fe
2
P=4,75CaSi+1,5Fe
5
Si
3
+0,25FeSi+1,9375P
2 
                                     (17) 
3,5CaSi
2
+2,75Fe
2
P=0,5CaSi+Fe
5
Si
3
+0,5FeSi+3CaSi+1,375P
2 
                                   (18) 
  2,25CaSi
2
+1,625Fe
2
P=2,25CaSi+0,5Fe
5
Si
3
+0,75FeSi+0,8125P
2                                                          
(19) 
1,625CaSi
2
+1,0625Fe
2
P=1,625CaSi+0,25Fe
5
Si
3
+0,875FeSi+0,53125P
2                                        
(20) 
1,3125CaSi
2
+0,78125Fe
2
P=1,3125CaSi+0,125Fe
5
Si
3
+0,9375FeSi+0,390625P
2                     
(21) 
CaSi
2
+0,5Fe
2
P=CaSi+FeSi+0,25P
2                                                                                                     
(22) 
 
3 группа реакций (с образованием FeSi,  FeSi
2
 и их смесей) 
                   CaSi
2
+0,5Fe
2
P=CaSi+FeSi+0,25P
2
 
                                                          (23) 
  1,75CaSi
2
+0,5Fe
2
P=1,75CaSi+0,75FeSi
2
+0,25FeSi+0,25P
2
 
                             (24) 
              1,5CaSi
2
+0,5Fe
2
P=1,5CaSi+0,5FeSi
2
+0,5FeSi+0,25P
2
                                          (25) 
1,25CaSi
2
+0,5Fe
2
P=1,25CaSi+0,25FeSi
2
+0,75FeSi+0,25P
2
                                        (26) 
  2CaSi
2
+0,5Fe
2
P=2CaSi+2FeSi
2
+0,25P
2
 
                                                     (27) 
 
Результаты исследования влияния температуры на изменение энергии Гиббса 
приведены на рисунке 1, из которого следует, что увеличение температуры 
способствует сдвигу равновесия всех реакций вправо. Причем температура начала (Т
н
) 
всех реакций зависит от мольного содержания Fe
2
P в исходной смеси Fe
2
P с CaSi
2 
(таблица 1, рисунок 2). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
135 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ци
фры у ли
ни
й 
– 
ном
ера
 ре
ак
ци
й 
I 
– 
1 груп
па
 ре
ак
ци
й,    
II
- 
2 груп
па
 ре
ак
ци
й,    
III
 -
3 груп
па
 р
еа
кц
ий
 
Р
ис
ун
ок
 1 
– 
В
ли
ян
ие
 те
м
пе
ра
туры н
а и
зм
ен
ен
ие
 эн
ерги
и Ги
ббс
а вз
аи
м
оде
йс
тви
я 
Fe
2
P
 с 
C
aS
i
2
 
 
І 
ІІ
 
ІІІ
 

 
136 
Таблица 1- Влияние мольного содержания Fe
2
P в исходной смеси Fe
2
P с CaSi
2 
на 
температуру начала взаимодействия 1 группы реакций при образовании Fe
3
Si, Fe
5
Si
3  
 
Fe
2
P, 
моль % 
60,0 
56,82 
53,48 
51,72 
50,0 
48,57 
47,36 
43,34 
44,5 
Т
н
, К 
1660,2  1568,8  1498,0  1438,2  1386,1  1339,8  1298,2  1260,9  1227,3 
 
Таблица 2- Влияние мольного содержания Fe
2
P в исходной смеси Fe
2
P с CaSi
2 
на 
температуру начала взаимодействия 2 группы реакций при образовании  Fe
5
Si
3
, 
 
FeSi
  
 
Fe
2
P, 
моль % 
44,5 
44,9 
44,0 
41,93 
39,53 
37,1 
33,33 
Т
н
, К 
1227,3 
1214,4 
1179,3 
1103,9 
1004,5 
898,1 
669,1 
 
Таблица 3 - Влияние мольного содержания Fe
2
P в исходной смеси Fe
2
P с CaSi
2  
на 
температуру начала взаимодействия 3 группы реакций при образовании FeSi, FeSi
2  
 
Fe
2
P, моль % 
33,33 
28,56 
25,0 
22,22 
20,00 
Т
н
, К 
669,1 
642,2 
612,4 
593,4 
521,4 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
I – реакции 1 группы,    II- реакции 2 группы,    III - реакции 3 группы 
 
Рисунок 2 – Влияние мольного содержания Fe
2
P в системах Fe
2
P - CaSi
2
  
на температуру начала взаимодействия в реакциях 7-27 
 
 

 
137 
Из таблицы  1-3 и рисунка 2 следует, что увеличение мольного содержания Fe
2
P 
в исходной смеси приводит к возрастанию Тн от 521,4 до 1660,2К. 
Влияние мольного содержания Fe
2
P от 20 до 60% на температуру начала реакций 
7 – 27 описывается уравнением: 
 
Тн = 1849,6– 129,83 Fe
2
P + 3,9506 Fe
2
P
2
 -0,0307 Fe
2
P
3
       
(28) 
 
Имея  ввиду    сложный  характер  зависимостей 
)
,
(
2
0
P
Fe
T
f
G
T
  (рисунок  1), 
нами    построены  зависимости  в  координатах 
P
Fe
G
Т
2
0
    (рисунок  3),  а    затем  
изоэнергетические  линии 
0
T
G
  (рисунок  4).    Из  рисунка  4  следует,  что    выделение 
фосфора  из    Fe
2
P  в  присутствии  CaSi
2
    возможно  в  области  мольных  долей  Fe
2
P  и 
температуры    ограниченной    фигурой  АВСD.  В  пределах  выбранной  температурной 
области    наибольшую  вероятность  взаимодействия    Fe
2
P  с  CaSi
2
  следует  ожидать  в 
области    LMN,  т.е.    в  температурной  области    1623  –  1773К и  мольного    содержания  
Fe
2
P  от  44  до 48%.  
  
Используя    метод  планирования  исследований  [5],          получаем      следующие 
уравнения регрессии  изменения 
0
T
G
  в области мольных долей Fe
2
P от 20 до 45% и от 
45 до 60 %: 
 
Для Fe
2
P   от 20 до 45 моль %:    
  
Δ
 = -75,53-0,272∙Fe
2
P+13,4∙10
-2
∙T-0,064∙Fe
2
P
2
-5,34∙10
-5
 ∙T
2
 – 2,05∙10
-3
∙Fe
2
P∙T 
 
 
Рисунок 3 – Влияние температуры и  мольного отношения Fe
2
P  
в системах  Fe
2
P - CaSi
2
  на изменение 
0
T
G
 
 
 
 
 
 
 
 

 
138 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 4 – Влияние мольного отношения Fe
2
P в системах  Fe
2
P - CaSi
2
 и 
температуры на изоэнергетические линии (
0
T
G
) 
 
 
Для Fe
2
P   от 45 до 60 моль %:    
  
Δ
 = +100,58+22,936 Fe
2
P – 0,934T- 0,2575 Fe
2
P
2
- 3,81∙ 10
-5
 T
2
 – 9,123 Fe
2
P ∙ T 
 
Необходимо  отметить,  что  в  сравнении  с  реакцией  (2)  взаимодействие  Fe
2
P  с 
CaSi
2 
(например, по реакции 27) начинается на 1319 градусов раньше, а энергозатраты  
для получения 1 моля Р
2
 уменьшаются   в температурном интервале 1673-1873К в 7,8-
25,6 раз (таблица 4). 
 
 
Таблица 4 -   Термодинамические  характеристики взаимодействия Fe
2
P с CaSi
2
  и  Fe
2
P 
с SiО
2
 и С   при получении 1 моля Р
2
  
 
Реакции  Параметры 
Температура, К 
Тн, К 
673 
873 
1073 
1273 
1473 
1673 
1873 
№28 
Δ
, кДж 
+138,3 
+132,0 
+126,2 
+120,1 
+114,4 
+108,8  +390,1 
521,4 
Δ
, кДж 
-0,92 
-41,4 
-80,6 
-118,4 
-155,6 
-191,6 
-259,6 
№2 
Δ
, кДж 
+2888,5  +2869,8  +2851,6  +2825,2  +2808,0  +2792 
+3064,6 
1839,9 
Δ
, кДж 
+1813,4  +1501,6  +1190,2  +883,4 
+579,6 
+278,0  -53,6 
        
                     

 
139 
Заключение 
На основании выполненных исследований по взаимодействию в системах 
 
CaSi
2
 
- Fe
2
P можно сделать следующие выводы:
 
-
 
температура начала взаимодействия в системах  зависит от мольной доли Fe
2
P 
в смеси   Fe
2
P с CaSi
2
, увеличиваясь от 521,4 до 1660,2К при возрастании  Fe
2
P от 20,0 
до 60 моль %; 
-
 
наибольшей вероятностью взаимодействия Fe
2
P  с  CaSi
2 
с выделением  газооб-
разного фосфора следует ожидать в температурной области 1570 – 1760 К при мольной 
доли Fe
2
P в смеси c CaSi
2  
от
  
44 до 46,2%;
 
-
 
в сравнении с получением фосфора из системы Fe
2
P-SiО
2
-С, получение фосфо-
ра  из  системы  CaSi
2
  -  Fe
2
P  начинается  на  1319  градусов  меньше  и  характеризуется 
уменьшением затрат энергии в 7,8-25,6 раз. 
 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
 
1 Ершов В.А. Электротермия фосфора.  – СПб.: Химия, 1996. - 248с.  
2 Ван Везер, Дж. Фосфор и его соединения. -М.: ИЛ. - 1961.-690с. 
3 Тетеревков А.И. и др. Методы переработки феррофосфора. -Л.: НИИТЭХИМ. -1973. -
31с. 
4 Roine A. Outokumpu HSC Chemistry for windows chemical reaction and Equilibrium soft-
ware with extensive thermo chemical data base. –NY, 2002 //http: //www. оutotec. сom. 
5  Ахназарова  С.Л.,  Кафаров  В.В.  Оптимизация  эксперимента  в  химии  и 
химической технологии. – М.: Высшая школа, 1978. -319с.  
 
 
ТҤЙІН 
 
Сержанов Г.М. –
 
PhD докторанты, Шевко В.М. –т.ғ.д., профессор,  
Каратаева Г.Е.– т.ғ.к., доцент  
М.Әуезов атындағы ОҚМУ, Шымкент қ. 
 
Кальций силициді мен темір фосфидінің ӛзара әсерлесуі 
 
Мақалада  элементті  фосфордың  түзілуімен  темір  фосфидінің  (Fe
2
P)  кальций 
силицидімен (CaSi
2
)  ӛзара әрекеттесуі бойынша зерттеу нәтижесі келтірілген. Outokumpu фин 
металлургия  компаниясының  HSC-5.11  жартылайфункционалды  кешенді  бағдарламасын 
қолдана  отырып,  Гиббстің  (
0
T
G
)  бос  энергиясының  ӛзгеруін  анықтау  арқылы  зерттеу 
жүргізілді.  Зерттеу  нәтижесінде:  20,0-ден  60  дейін  моль  %  ӛсуі  кезінде  521,4-тен  1660,2К 
жоғарылап,  Fe
2
P  мен  CaSi
2
  қоспасында  жүйедегі  Fe
2
P  мен  CaSi
2 
газтүріндегі  фосфорды  бӛле 
отырып,  әсерлесудің  дәлдігі  айтарлықтай  болуы;  CaSi
2
-мен 
 
Fe
2
P  ӛзара  маңызды  әсерлесуін 
CaSi
2 
қоспасымен  44-тен  46,2%  дейінгі  Fe
2
P  мольдық  үлесінде  1570  –  1760К  температура 
кеңістігінде  газбейнелі  фосфордың  бӛлініп  шығуымен  күтуге  болады;  Fe
2
P-SiО
2
-С  жүйесінен 
фосфорды  алумен  салыстырғанда  CaSi
2
  -  Fe
2
P  жүйесінен  фосфорды  алу  ӛте  тӛмен 
температурада  басталады  және  энергия  шығыны  SiO
2
  және  C  қатысуымен  Fe
2
P  –ден 
салыстырғанда фосфорды алу 7,8-25,6 есе азаяды.  
 
 

 
140 
RESUME 
 
Shevko V. M. - Doctor of Technical Sciences, Professor, Serzhanov G. M. – PhD,  
Karatayeva G. E. - Candidate of Technical Sciences, docent  
M. Auezov South Kazakhstan State University, Shymkent 

жүктеу/скачать 5,98 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: