WWW.MASH.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - онлайн публикации
 

«высшего профессионального образования Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого Факультет естественных наук и природных ресурсов Кафедра химии и экологии ГРАФИЧЕСКИЕ ...»

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого

Факультет естественных наук и природных ресурсов

Кафедра химии и экологии

ГРАФИЧЕСКИЕ ПОСТРОЕНИЯ И РАСЧЕТЫ

ПО ДИАГРАММАМ ТРОЙНЫХ СИСТЕМ

Методическое пособие

Великий Новгород

2007 г .

Грошева Л. П. Графические построения и расчеты по диаграммам тройных систем. Методическое пособие .

Методическое пособие предназначено для студентов, обучающихся приемам расчетов в химической технологии по диаграммам состояния .

В методическом пособии рассмотрены основные принципы построения диаграмм солевых систем и методы расчетов различных процессов в трехкомпонентных системах. Приведены конкретные примеры использования фазовых диаграмм в неорганической технологии. Даны контрольные задания для выполнения .

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Пространственные диаграммы растворимости тройных систем

1.1 Изображение тройных систем

1.2 Политерма растворимости тройных систем в прямоугольных координатах

2. Плоские диаграммы растворимости тройных систем

2.1 Диаграммы растворимости в треугольнике состава

2.2 Правило рычага и правило соединительной прямой для тройных систем 10



2.3 Диаграмма растворимости в прямоугольном треугольнике

3. Расчет процессов испарения и кристаллизации по диаграммам тройных систем

3.1 Расчет процесса изотермического испарения по треугольной диаграмме 13

3.2 Расчеты процесса испарения в системе КСl – NаСl – Н2О

3.3 Расчеты процесса кристаллизации в системе КСl – NаСl – Н2О................ 18 Контрольные задания

ВВЕДЕНИЕ

Выбор рациональных методов переработки солевых систем невозможен без применения физико-химических диаграмм состояния. Физико-химические диаграммы фазовых превращений водно-солевых систем являются основой для технических расчетов, позволяют критически рассмотреть существующие схемы и наметить новые пути совершенствования технологическихпроцессов .

Овладение методами расчета с помощью диаграмм состояния, является одним из важных этапов в подготовке специалиста-химика .

Данное пособие преследует цель помочь студентам в овладении методами расчета и оптимизации химико-технологических процессов с помощью фазовых диаграмм растворимости на примере солевых процессов, характерных для химической технологии. В пособии приведены пространственные и плоские изображения диаграмм растворимости тройных солевых систем. В пособии рассмотрены методы расчетов по диаграммам тройных систем процессов испарения и кристаллизации, процессов кристаллизации при охлаждении растворов тройных систем и систем, образующих кристаллогидраты .

1. Пространственные диаграммы растворимости тройных систем

1.1 Изображение тройных систем

Растворы двух солей с общим ионом являются типичными тройными системами вида А–В–Н2О. Для таких систем тремя независимыми переменными будут температура и концентрации двух солей. Для тройной системы максимальное число степеней свободы F = 3 + 2 – 1 = 4. Число степеней свободы ненасыщенных растворов составляет (фазы: пар и раствор) F = 5 – 2 = 3 .



В такой системе можно изменять одновременно температуру и концентрации обоих компонентов А и В, причем в известных переделах раствор остается ненасыщенным. Насыщенный раствор в присутствии твердой фазы составляет двухвариантную систему и число степеней свободы F = 3 + 2 – 3 = 2. Если же температура принята постоянной, то остается одна степень свободы, т.е. система будет условно одновариантной. Это позволяет произвольно изменять, например, концентрацию того компонента, по отношению к которому раствор является ненасыщенным .

Таким образом, для раствора, насыщенного одним из компонентов при постоянной температуре, каждому значению концентрации этого компонента отвечает определенная концентрация другого компонента и наоборот .

Графически эти изменения изображаются соответствующими ветвями кривой растворимости компонентов А и В .

Физико-химическая диаграмма системы, находящейся при постоянной температуре, называется изотермической. Изотерма растворимости позволяет производить расчеты различных процессов. Совмещение нескольких изотерм в одной диаграмме дает картину равновесного состояния системы при различных температурах – политерму. Физико-химическая диаграмма системы при переменной температуре называется политермной диаграммой. Политерма определяет растворимость одного вещества в присутствии другого и позволяет производить расчеты некоторых процессов, протекающих с изменением температуры. Политерма тройных систем может быть изображена, например, в прямоугольной или треугольной системе координат .

1.2 Политерма растворимости тройных систем в прямоугольныхкоординатах

Политерма тройных систем трехмерна; если она строится в системе трех взаимно перпендикулярных координат, то имеет вид трехгранной призмы .

Форма основания зависит от способа выражения концентрации. В случае выражения концентрации в вес.% в основании призмы лежит равносторонний треугольник, прямоугольный равнобедренный или же с произвольной длиной катетов .

На рис. 1.1. по трем взаимно перпендикулярным осям координат х, y и t отложены концентрации компонентов А и В (в вес.% ) и температура .

Поскольку пользоваться политермой трудно, ее проектируют на одну из координатных плоскостей (горизонтальную или вертикальную); для этого фиксируют один из независимых параметров – температуру или концентрацию одного из компонентов .

Практически используют плоские изотермические сечения и политермические ортогональные проекции (водные) и проекции на боковые грани призмы (безводные) .

Для получения проекции политермы на горизонтальную или вертикальную плоскости применяют ортогональный или клинографический споосбы проектирования. Проектирование на горизонтальное основание производят перпендикулярами, опускаемыми из проектируемых точек, т.е .

ортогонально. Проектирование на вертикальные плоскости производят прямыми, лежащими в горизонтальных плоскостях и проходящими через ребро, которое отвечает составу воды и проектируемые точки, т.е .





клинографически .

Построим на трех координатных плоскостях tх, ty и хy перпендикулярным проектированием ортогональные проекции диаграммы – горизонтальные и вертикальные (рис. 1.1.б) .

Рис. 1.1. Ортогональные проекции на координатные плоскости ху, ty, tx .

На плоскостях tх (11) и ty (111) получаем ортогональные проекции политермных кривых с5с0О и d5d0О растворимости солей А и В (точки с0 и d0 – криогидратные) и проекции эвтонических кривых е5е0d0 и е5е0с0 насыщения двумя компонентами. Последние разграничивают поля однократного насыщения, а также ледяное поле. На поверхности насыщения компонента В (11) пунктиром НМ намечен путь политермной кристаллизации от температуры t5 до t1. Проекция луча кристаллизации на плоскостях tх и ty не является прямой линией, так как это проходит по кривой поверхности насыщения .

Поэтому применение этих политермных проекций для графических расчетов процесса политермной кристаллизации неудобно .

Лучи испарения на этих проекциях являются перпендикулярами к оси t .

Графический расчет процесса испарения также неудобен, ибо точка пересечения луча испарения с соответствующим полем однократного насыщения для данной температуры может быть определена с помощью дополнительной проекции этого луча на координатную плоскость хy .

Политермные проекции дают наглядное изображение полей кристаллизации и их пограничных линий, что существенно, когда в системе образуется несколько гидратов и двойных солей. разрезы политермы по двухмерным плоскостям равных температур изображают изотермы системы, по которым можно рассчитать по правилам рычага и соединительной прямой процессы политермической и изотермической кристаллизации, испарения, растворения, смешения .

Весьма сходным образом изображают пространственную диаграмму в прямоугольных координата, когда концентрация соли выражена в молях или граммах на определенное количество растворителя .

2. ПЛОСКИЕ ДИАГРАММЫ РАСТВОРИМОСТИ ТРОЙНЫХ СИСТЕМ

2.1 Диаграммы растворимости в треугольнике состава

Плоские диаграммы (проекции) тройных систем получаются при сечении пространственных диаграмм плоскостями; вид их зависит от принятого способа выражения состава – в прямоугольных или косоугольных координатах .

Существует несколько методов графического изображения тройных систем в виде равностороннего или прямоугольного треугольника, называемого треугольником состава системы (концентрационным треугольником) .

Плоские диаграммы строят по табличным данным растворимости компонентов независимо от объемной фигуры, которая дает общее наглядное представление о системе в целом .

Рассмотрим диаграмму в форме треугольника (рис. 2.1), где сумма координат любой фигуративной точки равна постоянной величине. Так, точка на стороне АВ (рис.2.1а) дает состав двойной смеси из компонентов А и В в любых соотношениях, точка внутри треугольника – состав смеси, состоящей из трех компонентов .

Известны два способа определения состава систем, изображенных на треугольнике, которые дают совпадающие результаты .

Рис. 2.1. Способы определения составов тройной системы .

1. По одному способу (рис. 2.1.а) используют известной свойство равностороннего треугольника: сумма трех перпендикуляров, опущенных из любой точки внутри треугольника на его стороны есть величина постоянная;

она равна высоте треугольника, принимаемой за единицу или 100% .

Концентрации компонентов являются дробными числами, так как их сумма равна единице (100%) и может быть представлена высотой треугольника .

Так, точка Н внутри треугольника отвечает составу раствора из компонентов А, В и О (Н2О). Опустим из точки Н перпендикуляры на стороны треугольника; сумма Нn +Нm +Не =ВD. Длина каждого перпендикуляра равна относительному количеству компонента, указанного в вершине треугольника, лежащей против стороны, на которую опущен перпендикуляр. Например, длина перпендикуляра Нm, опущенного на сторону треугольника, лежащую против вершины В, равна концентрации компонента В и составляет 0.2 (20%) высоты треугольника .

Определение состава упрощается, если нанести на диаграмму сетку или начертить ее отдельно. Для этого следует три высоты треугольника разделить на 10 (100) равных частей и через точки деления провести линии, перпендикулярные высотам и параллельные отдельным сторонам треугольника .

Например, для определения концентрации А, отвечающей точке Н, через последнюю проводим прямую m'n', параллельную стороне треугольника, лежащей против угла А. На пересечении высоты, опущенной из вершины угла А, и прямой m'n' находим величину 0.3 (30%) .

Итак, состав смеси, описываемый точкой Н, равен: А =0.3 (30%), В =0.2 (20%), О =0.5 (50%) .

Для правильного отсчета концентрации того или иного компонента тройной системы следует помнить, что прямые, параллельные сторонам треугольника, лежат против углов, представляющих соответствующий компонент .

2. Другой способ чтения составов (рис.2.1б) основан на ином свойстве равностороннего треугольника: если через любую точку, лежащую внутри треугольника, провести прямые, параллельные сторонам треугольника, то сумма отрезков, отсеченных на его сторонах, равна стороне треугольника .

Проведем через точку Н три прямые, параллельные сторонам треугольника. Эти прямые отсекут на сторонах треугольника отрезки Оm, Ое и Вn, сумма которых равна стороне треугольника; длину стороны принимаем за 1 (100%). Это позволяет отсчитывать непосредственно на сторонах треугольника процентное содержание компонентов. Так, отрезок Оm (или Аm) соответствует концентрации компонента В 0.2 (20%), отрезок Вn (или Ое) – концентрации компонента А 0.3 (30%); отрезок Ас (или Вk) – концентрации компонента О 0.5 (50%) .

Для построения точки, отвечающей заданному составу тройной смеси из а, b и с% компонентов А, В и О, делят стороны треугольника на 10(100) равных частей и откладывают на соответствующих сторонах: отрезок Ос = а%; отрезок Оm = b%; отрезок Ас = с% .

Из точек с, m и е проводят линии, параллельные соответствующим сторонам треугольника; точка их пересечения Н изображает искомый состав тройной смеси. Для определения соотношения трех компонентов достаточно провести дае прямые из трех. Например, требуется нанести на диаграмму точку Н1, отвечающую составу раствора: 60% А, 30% В, 10% О. Для этого откладывают 60% от вершин А и В по направлению к вершине О и проводят прямую е'k, параллельную стороне АВ. Затем откладывают 30% от О и А по направлению к вершине В и проводят прямую k'k", параллельную стороне ОА;

точка их пересечения Н1 отвечает заданному составу комплекса .

При изотермическом испарении ненасыщенного раствора Н (30% А, 20% В и 50% Н2О) состав его меняется по направлению луча испарения, проведенного из вершины О (Н2О) через точку Н до пересечения с кривой насыщения сЕ в точке Н2. По кривой СЕ выпадает соль А; состав раствора при этом меняется по направлению к точке Е. В этой точке состав раствора становится насыщенным относительно обеих солей; дальнейшее испарение воды вызовет совместное их выделение .

2.2 Правило рычага и правило соединительной прямой для тройныхсистем

Рассмотрим систему, содержащую u % компонента А и z % компонента В (точка К) (рис. 2.2). Допустим, что эта система, вес которой равен Р вес.ч., может быть разложена на два произвольных комплекса М и N, расположенных на одной прямой. Весовое количество комплекса N равно Р1, а комплекса М –Р2 частей. Координаты фигуративной точки комплекса N –u1 и z1, а комплекса М – u2 и z2 .

Покажем, что фигуративная точка системы К лежит на прямой, проходящей через фигуративные точки комплексов, и делит эту прямую на части, обратно пропорциональные весовым количествам составляющих комплексов .

Вес системы К равен сумме весовых количеств комплексов М и N, т.е .

Р = Р1 + Р2. Таким же образом запишем уравнение материального баланса. Для компонентов А и В: Рu = Р1u1 + Р2u2 и Рz = Р1z1 + Р2z2 .

Из этих уравнений находим:

Р/Р1 = z2 – z1/z2 – z = u2 – u1/u2 – u; Р/Р2 = z2 – z1/z – z1 = u2 – u1/u – u1;

Следовательно:

Р/Р1 = МN/МК; Р/Р2 = МN/NК; Р2/Р1 = NК/МК Рис. 2.2. Правило рычага для составов, расположенных (а) и не расположенных (б), на одной прямой .

Правило рычага распространяется и на систему из трех и более компонентов. Для применения этого способа следует знать координаты трех точек, из которых задают обычно одну или две, а местонахождения других определяют, исходя из данных условий .

2.3 Диаграмма растворимости в прямоугольном треугольнике

Для графических расчетов тройных систем диаграмму растворимости практически удобно изобразить в прямоугольных координатах при выражении состава в вес.% в виде равнобедренного прямоугольного треугольника (рис. 2.3). Этот прямоугольный треугольник состава является ортогональной проекцией на плоскость хy призмы при постоянной температуре. Вершина прямого угла является фигуративной точкой воды. Так как состав системы выражен в %, то сумма компонентов А + В + Н2О = 100%; поэтому положение любой фигуративной точки определяется на изотерме двумя координатами х и y. Для прямоугольного треугольника с произвольной длиной катетов координаты х и y могут быть разномасштабными, что является преимуществом этого метода построения. На гипотенузе откладывают составы двойных систем из двух твердых фаз .

Рис. 2.3. Изотерма растворимости системы А — В — Н,0 в прямоугольном треугольнике Точки на прямой ОР соответствуют постоянному отношению двух компонентов, т.е. по этой прямой изменяется содержание воды, иными словами, она является лучом испарения. Прямые, исходящие из вершин треугольника, представляющих 100%-ное содержание компонента А (В), являются лучами кристаллизации; по ним изменяется содержание в растворе компонента А (В) при кристаллизации, противоположные концы лучей кристаллизации изображают состав насыщенных растворов (кривая bес) .

Прямые линии, соединяющие фигуративные точки состава выпадающей твердой фазы с точками состава насыщенного раствора, будут лучами кристаллизации. По этим прямым изменяется состав комплекса при выделении твердой фазы из насыщенных растворов .

По общему правилу лучи кристаллизации исходят из точки состава выпадающей твердой фазы: прямые ВМ, АМ' и КЕ – лучи кристаллизации компонентов В, А и А–В. При выпадении совместно А и В точка пересечения луча кристаллизации с гипотенузой (точка К) обозначает соотношение в твердой фазе компонентов А и В .

При выражении состава системы в % изотерма является замкнутой фигурой, состав компонента имеет конечное значение; такое же значение имеют и лучи испарения и кристаллизации. Поэтому здесь применимы правила соединительной прямой и рычага для графических расчетов процессов изотермической и политермической кристаллизации, испарения, растворения, смешения, высаливания .

3. РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ ИСПАРЕНИЯ И КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПО

ДИАГРАММАМ ТРОЙНЫХ СИСТЕМ

3.1 Расчет процесса изотермического испарения по треугольнойдиаграмме

Для треугольных диаграмм применимо правило соединительной прямой, согласно которому лучи кристаллизации компонента исходят из точки состава выпадающей твердой фазы А (В), а лучи испарения начинаются в точке состава воды, т.е. в точке начала координат. Так как состав системы выражается в вес.%, то координаты точек состава компонентов принимают конечное значение, т.е. диаграмма является замкнутой фигурой. Следовательно, длины лучей кристаллизации и испарения имеют конечное значение. Поэтому здесь применимо правило рычага для графического расчета процессов кристаллизации и испарения .

Рассмотрим процесс изотермического испарения воды из ненасыщенного раствора Н (рис.3.1). В начале испарения количество и соотношение солей А и В в растворе Н остается постоянным, так как удаляется только вода. Поэтому по мере испарения раствора фигуративная точка системы скользит вдоль луча испарения ОР. Луч испарения пересекает кривую растворимости соли А в точке m1 и поле кристаллизации (11). С момента, когда точка системы попадает в точку m1, при последующем испарении воды из раствора начинается выделение соли А .

–  –  –

Когда в процессе испарения состав насыщенного раствора достигнет эвтонической точки Е, общий состав системы изобразится точкой k3. Раствор становится насыщенным относительно обеих солей и испарение воды вызовет совместную кристаллизацию солей А и В. При этом состав раствора будет неизменным и его фигуративная точка Е будет неподвижной до полного высыхания раствора .

В той последовательности, в которой рассматривается процесс, осадок будет обогащаться солью В; поэтому точка твердой фазы, состоящей из двух солей А и В, начнет перемещаться из вершины А по стороне АВ в направлении Р. Фигуративная точка системы перейдет в область АЕВ, соответствующую возможным механическим смесям насыщенного эвтонического раствора состава Е и солей А и В в твердой фазе, которые находятся в различных количественных соотношениях .

Когда система находится в точке k4, фигуративная точка жидкой фазы занимает положение Е; состав осадка солей А и В характеризует точка F.

При этом количество воды испарившейся от начала процесса, определяется по правилу рычага:

Количество испарившейся воды Н k4 .

= Количество оставшейся системы ( раствор + осадок ) ОН

–  –  –

3.2 Расчеты процесса испарения в системе КСl – NаСl – Н2О .

Расчеты изотермического испарения рассмотрим на примере системы КСl–NаСl–Н2О, лежащей в основе переработки сильвинита для получения КСl (рис. 3.2). Политермная кривая насыщения ВЕ имеет различный наклон к координатным осям, т.е. с повышением температуры концентрация NаСl в эвтоническом растворе понижается, а концентрация КСl в системе возрастает .

При испарении воды при 600С (рис.3.2.б) состав раствора Р непрерывно меняется по направлению луча испарения ОР до точки Р, в которой раствор насыщен КСl; последний выпадает в осадок. Состав раствора Р1 изменяется по направлению Р1с60 до эвтонической точки с60 .

В точке с60 при дальнейшем испарении начнется выделение смеси двух солей вплоть до усыхания раствора. Путь изменения состава раствора Р при выделении из него воды и КСl изобразится ломаной линией РР1с60 .

Рис. 3.2. Политерма растворимости системы KCl-NaCl-H2O от 0 до 110° С:

а - объемная диаграмма; б - плоская диаграмма

–  –  –

3.3 Расчеты процесса кристаллизации в системе КСl – NаСl – Н2О Пример 3.1 (рис. 3.3). При 1000С растворяют сильвинит состав: 25% КСl и 75% NаСl; получен насыщенный щелок (1000кг) состава Е1: 21.5%КСl, 16.9%NаСl и 61.6% Н2О. Раствор Е1 охлаждают до 250С; состав маточного раствора К: 11.2%КСl, 20.4%NаСl и 68.4% Н2О. Определить количество КСl и расход сильвинита .

–  –  –

1. Дать определения понятий: изотермической и политермной диаграммы .

Привести примеры .

2. В каких координатах строится политерма растворимости тройных систем?

3. Привести два способа определения состава систем с использованием диаграммы растворимости в треугольнике состава .

4. Сильвинит (25% КСl, 75% NаСl) растворяют при 1000С; затем из раствора выпадает при охлаждении до 250С КСl. Требуется рассчитать процесс с применением диаграммы (рис. 3.4) .

–  –  –






Похожие работы:

«Учреждение образования "Брестский государственный университет имени А.С. Пушкина" В.Е. Гайдук, И.В. Абрамова ЭКОЛОГИЯ ПТИЦ ЮГО-ЗАПАДА БЕЛАРУСИ. ВОРОБЬИНООБРАЗНЫЕ Монография Брест БрГУ имени А.С. Пушкина УДК 59(035.3) ББК 28.693.35+20.1 Г12 Рекомендовано редакционно-издательским советом учреж...»

«Контрольно-измерительные материалы по биологии для _8_ класса Учитель: Кондакова Е.С. Часть 1. Описание работы . Назначение работы Контрольная работа предназначена для оценки уровня общеобразовательной подготовки...»

«Планируемые результаты освоения программы внеурочной деятельности по курсу "Экологическая тропа исследований" в 1 классе Личностными результатами освоения программы являются: развитие любознательности и формирование интереса к изучению природы методами искусства и естественных наук;развитие интеллектуальных и творческих способ...»

«Услуги Все Включено действительны до 24:00 РЕСТОРАНЫ 1. Cosmos Главный ресторан, где подают блюда средиземноморской и Международной кухни (Корпус Maris) Открыт ежедневно Ранний завтрак (по запросу за день...»

«Учреждение образования "БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" В. Н. Леонтьев, О. С. Игнатовец ХИМИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ Электронный курс лекций для студентов специальности 1-48 02 01 "Биотехнология" Минск 2013 УДК 577.1(075.8); 615.011.5 ББК 22.239я73; 52.81я73 Л47...»

«Journal of Siberian Federal University. Biology 1 (2012 5) 43-51 ~~~ УДК 630*181.65 630*561.24 Влияние снежного покрова и температурного режима мерзлотных почв на радиальный прирост деревьев Центральной Якутии А.Н. Николаева,б*, Ю.Б. Скачковб Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова, а Россия 67700...»

«Департамент образования, науки и молодежной политики Воронежской области государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Воронежской области "Борисоглебский дорожный техникум" (ГБПОУ ВО "БДТ") П олож ен и е об учебной и 1. Положение об учебной и производственной практике студенто...»

«Лекторий "Ученые детям" Секция "Химия" Лекторы: Тамара Владимировна Левандовская, к.х.н., доцент кафедры химии и химической экологии ИЕНиТ и Любовь Григорьевна Таскаева, к.п.н., доцент кафедры химии и химической экологии ИЕНиТ...»




 
2019 www.mash.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.