Выделение основных реакций

Процесс выделения основных реакции рассмотрим на примере процесса экстракции урановых концентратов с помощью ТБФ (трибутилфосфата). За основу берется соответствующий раздел исходного задания. Прежде всего, необходимо ознакомимся с сутью процесса, определить какие вещества вступают в реакцию и что получается в итоге. Реагенты и продукты как правило указаны в сводной таблице, содержащей массовые или мольные расходы компонентов.

Пример итоговой таблицы

Сразу подчеркнем, что при выполнении проекта не ставится цель проанализировать все возможные представленные реакции. Выбираются лишь те, которые затрагивают вещества, оставшиеся после упрощения технологической схемы (оговаривается заранее с руководителем). Так, например, в качестве экстрагента оставляем только ТБФ, отбрасывая разбавитель. В качестве веществ, вступающих в реакцию, выбираем: UO₂(NO₃)₂ Fe(NO₃)₃ Ca(NO₃)₂ Mg(NO₃)₂ Cu(NO₃)₂ HNO₃. Анализируем продукты реакции и определяем, какие вещества вступили в реакцию, и насколько полно прошла реакция. В предложенном примере не указаны выходные продукты как таковые, а дается лишь разделение компонентов между рафинатом и экстрактом. Как известно рафинат – это водная фаза, обедненная по ценному компоненту, а экстракт – органическая фаза, содержащая ценный компонент. В данном примере в качестве ценного компонента выступает UO₂(NO₃). Соответственно необходимо определить в каком виде вещества присутствуют в экстракте, то есть написать реакции, протекающие в процессе экстракции. Стоит подчеркнуть, что цель проекта является освоение пакета химического моделирования, а не разбор химизма реакций.

В качестве примера рассмотрим реакции.

UO₂(NO₃)₂·2 ТБФ+3 (NH₄)₂CO₃=(NH₄)₄[UO₂(CO₃)₃]+2 NH₄NO₃+2 ТБФ

2 HNO₃+(NH₄)₂CO₃=2 NH₄NO₃+ H₂O+ CO₂↑

После того как составлены реакции, обращаем внимание на степень протекания реакции.

Если процесс протекает в несколько этапов, например, несколько ступеней экстракции, то, с целью упрощения, этим можно пренебречь. Нас, прежде всего, интересует, насколько полно вещества вступают в реакцию. Для получения степени протекания реакции проводится анализ материального баланса операции. Делим количество компонента в продукте (экстракте), выраженное в молях целевого компонента, если химическое состояние элемента изменяется, или в единицах массы, если оно остается неизменным, на исходное количество этого реагента и получаем в долях степень полноты протекания реакции. Расчет осуществляем для каждого из веществ, вступающих в реакцию.

Например: k(UO₂(NO₃)₂) = 11440.83/11455.332=0.99. Получается, что практически весь нитрат уранила переходит в экстракт (во время экстракции именно он вступает в качестве целевого компонента). Не сложно убедится в том, что для прочих реагентов степень экстракции будет мала. Степень протекания реакции указывается в параметре Frac. Conversion стандартного реактора.

Далее необходимо определить агрегатные состояния веществ. В данном случае все вещества находятся в жидком виде в растворах. В том случае, если в реакции присутствуют твердые реагенты, они указываются как твердые, в соответствии со стандартной процедурой добавления твердых реагентов. (Описать процедуру задания твёрдых компонентов) Для задания твердых компонентов открываем диалог ThermoPhisical\PickSolid. Затем выбирает из списка добавленных в проект компонентов те из них, которые должны находиться в твердом агрегатном состоянии. По умолчанию агрегатное состояние компонентов не задано.

В реальном производстве экстракция полезного компонента и примесей идет в одном реакторе. При моделировании в ChemCad при использовании стехиометрического реактора действует правило: одна реакция – один аппарат. Правило распространяется только на реакторы разных видов, и не затрагивает разделительные аппараты (например, центрифуги и фильтры). Реакция заносится в аппарат в соответствии со стандартной процедурой настройки ректора.

Определиться с тем, какие вещества здесь вообще есть, для каждого процесса выделить все реакции превращения. Выделить реагенты и продукты, не обращая внимания на мат баланс. Определить агрегатные состояния вещества. Обратить внимание на то, что одна реакция – один аппарат.

Создание проекта

Теперь настройте режим симуляции. Для этого выберите команду Run (Расчет), Convergence (Конвергенция). На экране появится диалоговое окно «Convergence parameters» (Параметры конвергенции). Задайте параметры согласно примеру: Для того, чтобы начать работу, создайте новый проект (см. 1.1 Создание нового проекта). Создайте рабочую папку в нужной вам директории и сохраните в ней проект (см. 1.3 Указание рабочей папки).

Обычно используется динамический режим симуляции, при котором процесс разделен на отрезки времени и программы выполняет поэтапный расчет. Для того, чтобы задать параметры режима, нажмите на кнопку Set run time (Задать время расчета) на панели инструментов. В появившемся окне Dinamic Run Time Schedule (Расписание динамического времени счета) вы можете задать такие параметры, как продолжительность расчета, количество этапов и их продолжительность, и другие.

Обратите внимание, что во время динамической симуляции процесса, в промежутках между его этапами вы можете изменять параметры химических реакций, но по завершению процесса эти изменения не сохранятся.