Теоретические основы процесса конденсации титансодержащих материалов
|
Образующиеся в процессе хлорирования титансодержащих материалов продукты представляют собой сложную систему, состоящую из паров хлоридов и газов. Температура парогазовой смеси на выходе из хлоратора может составлять 600—900 °С и зависит от типа хлоратора и его производительности. При этой температуре часть хлоридов может находиться в парообразном, твердом или жидком состоянии. Хлориды, температура кипения которых ниже температуры парогазовой смеси, а также газы увлекают из хлоратора часть высококипящих хлоридов магния, марганца, хрома, кальция, натрия, калия. Для разделения хлоридов и выделения главного продукта — тетрахлорида титана — применяют широко распространенный в химических производствах прием — конденсацию. Под процессом конденсации понимают переход вещества из парообразного состояния в жидкое. Если вещество из парообразного состояния сразу переходит в твердое, минуя жидкое состояние, то такой процесс называется асублимацией. Например, пары FеCl3 и AlCl3 при охлаждении и нормальном давлении сразу переходят в твердое состояние. При конденсации и асублимации всегда выделяется тепло. Так, теплота конденсации паров TiCl4 равна 36,21 кДж/моль (это же количество тепла необходимо для испарения 1 моля жидкого TiCl4). Если конденсация хлорида происходит при температуре, меньшей температуры его кипения, то необходимо учитывать тепло, которое выделяется при охлаждении хлорида от температуры кипения до заданной. При асублимации хлорида также необходимо учитывать тепло, которое выделяется при охлаждении хлорида.  Замкнутое пространство над конденсируемыми веществами всегда заполнено их парами. Давление паров вещества называется равновесным, когда количество молекул, осаждающихся из паров, равно количеству молекул, переходящих в парообразное состояние. Если снизить температуру в системе, то пары вещества будут конденсироветься или асублимировать, понизится равновесное давление пара. Равновесное давление паров зависит от температуры. На рис. 26 приведены зависимости равновесного давления паров хлоридов, наиболее часто встречающихся в титановом производстве, от температуры. В смеси нескольких газов или паров температура перехода вещества из парообразного в жидкое или твердое состояние зависит от парциального давления его паров в парогазовой смеси. Теоретически переход наcтупеет при достижении точки росы. В замкнутом объеме, заполненном парами нескольких веществ и газами, общее давление смеси равно сумме парциальных давлений паров и газов, составляющих смесь: Pобщ = р1 + р2 + р3 + ... pn. Парциальное давление можно определить по формуле: pi = ni/n1+n2+n3+ ... nк где ni — число молей данного пара или газа. Эта и последующие формулы справедливы в том случае, если поведение газов и паров подчиняется закономерностям идеального газа. Обычно реальные газы и пары в областях умеренных температур и давлений до нескольких мегапаскалей подчиняются закономерностям идеального газа. Зная парциальное давление паров вещества при данной температуре, можно вычислить количество этого вещества в паре по уравнению состояния идеального газа: PV = nRT, где n — число молей парообразного вещества; R — газовая постоянная; V — объем пара. Число молей вещества можно определить, если известно количество вещества Q и молекулярная масса вещества М. Тогда n = q/M. На практике наиболее часто определяют Q как количество граммов вещества в 1 л или килограммов в 1 м3 газа при заданной температуре. Для перехода к парциальному давлению, кПа. можно использовать формулу: p = q * 101 * 22,4 (1 + αt) M, где α — температурный коэффициент объемного расширения газов, α = 1/273 = 0,00366; 22,4 — объем 1 моля ... или 1 кмоля, м3; M — молекулярная масса вещества. Количество парообразного вещества, входящего с потоком газов из конденсатора в единицу времени, определяют из соотношения:  где Мп — молекулярная масса паров конденсируемого вещества; nп — количество молей конденсируемого вещества, выходящего из конденсатора в* единицу времени с газовым потоком; — равновесное парциальное давление пара конденсируемого вещества над конденсированной фазой при температуре отходящего газа; Тотх — температура отходящего газа. Количество парообразного вещества на входе в аппарат можно вычислить по аналогичной формуле. Общее давление парогазовой смеси в аппарате равно сумме парциальных давлений газов и паров конденсируемых соединений. Тогда:  Суммарная молярная доля всех газообразных веществ (неконденсирующихся в данных условиях газов) в выходящей из конденсатора парогазовой смеси равна:  Зная объем газов, выходящих из аппарата в единицу времени, определим соответствующий объем парогазовой смеси:  где Voтх.г — объем газов, выходящих в единицу времени из аппарата; Vотх.г — объем тех же газов, отнесенный к нормальным условиям; 101 — давление, кПа. Величину Vотх.г подсчитывают, суммируя объемы газообразных продуктов, образующихся в соответствии с уравнениями реакций хлорирования каждого компонента. Если известен состав хлорирующего газа, подаваемого в хлоратор, и состав отходящих газов, то можно вычислить степень использования хлора и суммарное количество воздуха, поступающего в конденсационную систему и в хлоратор из-за негерметичности аппаратуры. |
