Расчетная работа По учебной дисциплине «Теоретические основы защиты окружающей среды», часть 1 (Вариант 14) (стр. 8 )

Общий материальный баланс:

Баланс по МК:

Тогда:

Задание 3.6. Разделение растворов электролитов

1.  Выделить из разбавленного раствора кристаллы вещества А (AgNO3), если количество раствора Ga = 400 кг, начальная концентрация равна ma = 5 (г/1000г Н2О), температура вымораживания растворителя ta = -3˚C, концентрация раствора, подаваемого на кристаллизацию при температуре tкр = 10˚C, равна mв = 7000 .

  1.1. Дать характеристики процессов вымораживания, выпаривания растворителей и кристаллизации растворенного вещества, рассчитать материальные потоки.

  Изобразить на диаграмме состояния процессы, перечисленные в п. 1.1.

2.  Как изменится процесс разделения, если произвести начальное концентрирование раствора методом обратного осмоса при давлении π =100 атм.

  2.1. Дать характеристику мембранных процессов.

  2.2. Рассчитать процесс обратноосмотического концентрирования раствора.

Решение:

Рассмотрим, как можно выделить нитрат серебра из разбавленного раствора с концентрацией ma = 5 (г/1000г Н2О), находящегося при начальной температуре tкр = 10˚C. Строим фазовую диаграмму состояния системы AgNO3 – H2O.

m	132	500	897	1220	2000	4000	6000	8000	9500
tкрист	-2	-3,5	-7,19	0	15	53	80	103	115
tкип	101	102	103	103,5	(105)	(108)	(111)	(114)	(115)

Концентрирование исходного раствора методом вымораживания растворителя.

Сточные воды в большинстве своем имеют очень низкую концентрацию. Поэтому, если ставить цель выделить из них ценный или вредный компонент, то первой операцией должно быть концентрирование раствора. Это может быть достигнуто тремя путями: обратным осмосом, выпаркой и вымораживанием растворителя. Последний упомянутый метод связан с тем, что при концентрациях ниже эвтектической при охлаждении раствора из него кристаллизуется только растворитель, а концентрация раствора повышается вдоль линии ликвидуса. Метод вымораживания растворителя в отечественной технологии кристаллизации применяется редко, вероятно из-за низкого уровня развития холодильной техники.

Если в отстойнике сточные воды имеют ПДК или близкую к ним концентрацию, то замерзание отстойника в зимнее время ведет к вымораживанию растворителя и возможному повышению ПДК в десятки раз.

Охладим исходный разбавленный раствор (точка а), тогда в точке в начнут выделяться кристаллы воды. Температуру начала кристаллизации воды определяем по криоскопической формуле:

Для этого вычисляем входящие в неё величины. Нитрат серебра – сильный электролит:

Молярность раствора:

Криоскопическая константа для воды

Где Т0 = 273 К – температура кристаллизации воды; М1 – молекулярная масса воды; ∆Н0пл – энтальпия плавления льда, Дж/моль.

Таким образом,

При дальнейшем охлаждении раствора до заданной температуры ta = -3˚С из него будут выделятся кристаллы воды (лед), а концентрация раствора будет увеличиваться по линии ликвидуса bdE и в точке d достигнет md = 377 г/кг = 377/170 = 2,2 моль/кг.

Пусть на концентрирование поступает Ga= 400 кг раствора AgNO3, переводим рабочие концентрации в массовые доли г/кг раствора:

Тогда схема материальных потоков будет:

Исходный

раствор

Ga=400 кг

ωа = 4,975 г/кг

 

Лед Конц. раствор

Gл, ωл = 0. Gd, ωd = 273,78 г/кг

Общий материальный баланс:

Материальный баланс по AgNO3

Тогда

Таким образом, методом вымораживания растворителя масса сточных вод снизилась с 400 кг до 7 кг, а концентрация их повысилась в 298,78/4,975= 60 раз.

Концентрирование исходного раствора методом обратного осмоса

Рассмотренный тепло-массообменный процесс концентрирования разбавленного раствора требует затраты большого количества энергии, более экономичными являются мембранные процессы. Осмотическое давление разбавленного раствора AgNO3 можно вычислить по формуле:

При этом концентрация (С) должна быть отнесена к 1 м3 раствора. Принимая плотность раствора равной плотности воды, получаем:

Тогда при температуре Т = 283К

Осмотическое давление концентрированного раствора (md=377г/кг) нельзя рассчитать по такому уравнению, так как введенные упрощения при его выводе корректны только для бесконечно разбавленного раствора. Для раствора любой концентрации в приближении идеального раствора:

Где V01 = 18·10-6 м3/моль – мольный объем воды; x2 – мольная доля AgNO3 в растворе

Тогда:

Схему материальных потоков при обратноосмотическом разделении раствора можно представить в следующем виде:

Ga, ωa Gd, ωd Концентрат

Мембрана

Исходный

раствор

Вода Gл, ωл

Концентрирование раствора AgNO3 методом испарения растворителя (выпаривание)

Полученный после вымораживания или мембранного разделения раствор в количестве Gd = 7,27 кг с концентрацией md =377 г/кг направим на выпаривание. Для этого по линии нагреваем раствор до температуры кипения te. Приближенно эту температуру можно вычислить по эбулоскопической формуле.

Эбулоскопическая константа равна:

Где ∆Н0исп = 40630 Дж/моль – энтальпия испарения воды при температуре кипения Т0 = 373 К

Эта температура несколько ниже экспериментальной величины tв = 101,33˚С, приведенной на графике.

При выпаривании концентрация раствора и температура кипения возрастают по линии еf. В точке f температура кипения составляет 12,5˚ и концентрация раствора достигает заданной величины mf = 7000 г/кг растворителя.

Составляем схему материальных потоков и рассчитываем количества концентрированного раствора Gf и пара:

Исходный раствор

Gd = 7,27 кг

ωd = 273 г/кг

 

Пар Концентрат

W, ωn = 0 Gf; ωf = 0,875

Кристаллизация AgNO3 из концентрированного раствор

Полученный после выпаривания концентрированный раствор AgNO3 в количестве Gf=2,26 кг с концентрацией ωf = 0,875 (mf = 7000 г/кг Н2О) при охлаждении становится насыщенным. Дальнейшее его охлаждение по линии hg сопровождается кристаллизацией AgNO3, а концентрация раствора соответственно понижается по линии ликвидуса hlE. Если кристаллизацию проводить при температуре tg = 10˚C то конечную концентрацию маточного насыщенного раствора найдем на пересечении изотермы (10˚C) и линии ликвидуса: ml = 1740 г/кг

Составим схему материальных потоков и вычислим количества выделенных кристаллов AgNO3 и маточного раствора

Концентрат

Gf=2,26 кг

ωf = 0,875

 

Кристаллы Маточный раствор

Gкр, ωкр = 1 Gl, ωl = 0,635

Маточный раствор можно добавить к раствору, полученному после вымораживания и направить на выпаривание. Тогда на выпаривание будет направлено G кг раствора с концентрацией ω.

Gd = 7,27 кг Gl= 0,774 кг

ωd = 0,273 ωl = 0,635

G = 7,81кг

ω = 0,287

Таким образом, в результате проведенных операций из исходного раствора Ga = 400кг (ωа = 4,975) получен чистый растворитель в виде льда Gл =392,73 кг и пара W = 5,01 кг и кристаллы AgNO3 Gкр =7,27 кг.

В последнем процессе при кристаллизации AgNO3 необходимо отводить теплоту кристаллизации. Мольную теплоту кристаллизации можно определить по приближенному уравнению

Где ха, хв - концентрации (мольные доли) насыщенного раствора при температурах Та и Тв. Для AgNO3 находим параметры насыщенных растворов при температурах, близких к выбранной температуре кристаллизации: ma = 2000 г/кг, ta =15˚С; mв = 1220 г/кг, tв =0˚С.

Переводим концентрации mi раствора в мольные доли:

И подставляем их в уравнение: