Исследование металлотермического способа получения кальция

Рисунок 22 – Стабилизация поверхности твердой фазы методом секущей плоскости

 

Рисунок 23 – Определение порядка реакции (14) по тангенсу угла наклона

 

Порядок реакции по реагенту равен 0,26, из этого можно сделать вывод, что лимитирующей стадией является химическая реакция;

в) кинетические кривые протекания реакции с концентрацией по Na₂O = 300 г/л, LiCl = 30 г/л и 40г/л.

 

С1 – концентрация Na₂O = 300 г/л, концентрация LiCl = 30 г/л;

С2 – концентрация Na₂O = 300 г/л, концентрация LiCl = 40 г/л.

Рисунок 24 – Кинетические кривые протекания реакции (14)

 

Рисунок 25 – Стабилизация поверхности твердой фазы методом секущей плоскости

 

Рисунок 26 – Определение порядка реакции (14) по тангенсу угла наклона

 

Порядок реакции по реагенту равен 0,69, из этого можно сделать вывод, что лимитирующей стадией является химическая реакция;

г) кинетические кривые протекания реакции с концентрацией по Na₂O = 120 г/л, LiCl = 30 г/л и 40г/л.

 

С1 – концентрация Na₂O = 120 г/л, концентрация LiCl = 30 г/л;

С2 – концентрация Na₂O = 120 г/л, концентрация LiCl = 40 г/л

Рисунок 27 – Кинетические кривые протекания реакции (14)

 

Рисунок 28 – Стабилизация поверхности твердой фазы методом секущей плоскости

 

Рисунок 29 – Определение порядка реакции (14) по тангенсу угла наклона

 

Порядок реакции по реагенту равен 0,78, из этого можно сделать вывод, что лимитирующей стадией является химическая реакция.

Определение энергии активации:

а) кинетические кривые протекания реакции с концентрацией по Na₂O = 120 г/л, LiCl = 30 г/л. Энергию активации процесса проще всего рассчитать в том случае, когда скорость процесса представлена как функция одной переменной – температуры.

Уравнение кинетики (6) процесса имеет вид:

 

,      (6)

 

где А – множитель Аррениуса.

Логарифмируем уравнение (6) и получаем уравнение (7):

 

.    (7)

 

Определение Е_а возможно по тангенсу угла наклона прямой, построенной в координатах .

 

Т1 – температура процесса 95 °С, Т2 – температура процесса 90 °С;

концентрация Na₂O = 120 г/л, концентрация LiCl = 30 г/л;

Рисунок 30 – Кинетические кривые процесса (14)

 

Рисунок 31 – Стабилизация поверхности твердой фазы методом секущей плоскости

 

Рисунок 32 – Определение энергии активации по тангенсу угла наклона

 

Энергия активации равна 2,63 кДж/моль, из этого можно сделать вывод, что лимитирующей стадией является диффузия;

б) кинетические кривые протекания реакции с концентрацией по Na₂O = 300 г/л, LiCl = 30 г/л.

 

Т1 – температура процесса 95 °С, Т2 – температура процесса 90 °С;

концентрация Na₂O = 300 г/л, концентрация LiCl = 30 г/л;

Рисунок 33 – Кинетические кривые процесса (14)

 

Рисунок 34 – Стабилизация поверхности твердой фазы методом секущей плоскости

 

Рисунок 35 – Определение энергии активации по тангенсу угла наклона

 

Энергия активации равна 1,51 кДж/моль, из этого можно сделать вывод, что лимитирующей стадией является диффузия;

в) кинетические кривые протекания реакции с концентрацией по Na₂O = 120 г/л, LiCl = 40 г/л.

 

Т1 – температура процесса 95 °С, Т2 – температура процесса 90 °С;

концентрация Na₂O = 120 г/л, концентрация LiCl = 40 г/л;

Рисунок 36 – Кинетические кривые процесса (14)

 

Рисунок 37 – Стабилизация поверхности твердой фазы методом секущей плоскости

 

Рисунок 38 – Определение энергии активации по тангенсу угла наклона

Энергия активации равна 1,05 кДж/моль, из этого можно сделать вывод, что лимитирующей стадией является диффузия;

г) кинетические кривые протекания реакции с концентрацией по Na₂O = 300 г/л, LiCl = 40 г/л.

 

Т1 – температура процесса 95 °С, Т2 – температура процесса 90 °С;

концентрация Na₂O = 120 г/л, концентрация LiCl = 40 г/л;

Рисунок 39 – Кинетические кривые процесса (14)

 

 Рисунок 40 – Стабилизация поверхности твердой фазы методом секущей плоскости

 

Рисунок 41 – Определение энергии активации по тангенсу угла наклона

 

Энергия активации равна 0,15 кДж/моль, из этого можно сделать вывод, что лимитирующей стадией является диффузия.

На основании изучения кинетики процесса получения ГМАЛ, можно сделать вывод, что в данном случае процесс смешанный. Для ускорения протекания процесса необходимо:

а) увеличить температуру  для перемещения кинетической области;

б) снять внешнедиффузионные ограничения.

2.4 Описание установки

 

Термостат ТЖ – ТС – 01/16 – прибор, предназначенный для точного поддержания температуры при проведении измерений физико – химический свойств веществ в научно – исследовательских и промышленных лабораториях в диапазоне температур /23/.

Схема экспериментальной  установки представлена на рисунке 42.

 

 

 

1 – источник питания; 2 – термостат; 3 – магнитная мешалка; 4 – контрольная лампа; 5 – термозадатчик; 6 – термостатированный сосуд; 7 – крышка; 8 – регулятор скорости вращения мешалки; 9 – мешалка; 10 – контрольный термометр; 11 – шланг.

Рисунок 42 – Схема экспериментальной установки

2.5 Материалы

 

В качестве исходных материалов использовали моногидрат лития – LiOH·H₂O марки «х.ч.» (таблица 7), гидроксид натрия – NaOH марки «чда.» (таблица 8), гидроксид алюминия – Al(OH)₃ марки «чда.» (таблица 9), соляную кислоту – HCl.

 

Таблица 7 – Характеристика моногидрат лития марки «х.ч.» /24/

Наименование характеристики	Характеристика
Внешний вид	белый кристаллический порошок, бесцветные кристаллы моноклинной  сингонии.
Плотность	1,46 (25 °C) г/см³
Температура плавления	462 °C

 

Таблица 8 – Характеристики гидроксид натрия марки «чда.» /25/

Наименование характеристики	Характеристика
1	2
Внешний вид	Чешуированная масса белого цвета. Допускается слабая окраска
Плотность	1,59 г/см³

Продолжение таблицы 8

1	2
Температура плавления	323 °C
Химический состав: - едкий натр, % (по массе) - примеси, % (по массе): углекислый натрий хлористый натрий железа в пересчете на Fe2O3	98,500   0,800 0,050 0,004

 

Таблица 9 – Характеристики гидроксид алюминия марки «чда.» /26/

Наименование характеристики	Характеристика
Внешний вид	Чешуированная масса белого цвета
Химический состав: - гидроксид натрия, % - углекислый натрий, % - азот, %	98,0000 1,0000 0,0005

 

 

3 Сравнительный анализ способов алюминотермического получения лития по экономическим параметрам

 

Для объективной оценки себестоимости 1 т металлического Li полученного алюминотермическими способами, расчет был проведен на годовую производительность – 66 тонн металлического лития.

3.1 Алюминотермическое получение лития из моноалюмината лития

 

Технологическая схема получения  металлического лития с «заиксованными» потоками и значениями распределения металла представлена на рисунке 43.

 

 

Рисунок 43 – Технологическая схема алюминотермическое получение лития из моноалюмината лития

 

На шихтовку поступает  карбонат лития Li₂CO₃ (ТУ 95.1951-89, чистота Li₂CO₃ – 99,4 %,), ГОДАЛ. Материальный баланс операции шихтовка представлен в таблице 10.

 

Таблица 10 – Материальный баланс операция шихтовка

Приход			Расход
Название	Масса, кг	Литий, кг	Название	Масса, кг	Литий, кг
Карбонат лития (х1)	558,54	105,67	Шихта (х3)	3800,11	210,28
Годал (х2)	3260,67	105,67	Пыль (х4)	19,09	1,05
Итого	3819,21	211,34	Итого	3819,21	211,34

 

Потери на этой стадии брикетирования обусловлены труднопрессуемостью шихты и составляют по практическим данным 0,5 %. Материальный баланс операции брикетирование представлен в таблице 11.

 

Таблица 11 – Материальный баланс операции брикетирование

Приход			Расход
Название	Масса, кг	Литий, кг	Название	Масса, кг	Литий, кг
Шихта (х3)	3800,11	210,28	Брикеты (х5)	3781,11	209,23
			Пыль (х6)	19,00	1,05
Итого	3800,11	210,28	Итого	3800,11	210,28

 

Синтез протекает согласно реакции (21), материальны баланс операции синтез представлен в таблице 12:

 

Li₂CO₃+Li₂O·2Al₂O₃·11H₂O=4LiAlO₂+CO₂+11H₂O.   (21)

 

Таблица 12 – Материальный баланс операции синтез

Приход			Расход
Название	Масса, кг	Литий, кг	Название	Масса, кг	Литий, кг
Брикеты (х5)	3781,11	209,23	Моноалюминат лития (х7)	1972,75	209,23
			Газы	1808,36	-
Итого	3781,11	209,23	Итого	3781,11	209,23

 

Материальный баланс операции измельчения представлен в таблице 13.

 

 

 

 

Таблица 13 – Материальный баланс операции измельчение

Приход			Расход
Название	Масса, кг	Литий, кг	Название	Масса, кг	Литий, кг
Моноалюминат лития (х7)	1972,75	209,23	Моноалюминат лития (х9)	1962,89	208,18
			Пыль (х8)	9,86	1,04
Итого	1972,75	209,23	Итого	1972,75	209,23

 

Материальный баланс операции шихтовка представлен в таблице 14.

 

Таблица 14 – Материальный баланс операции шихтование

Приход			Расход
Название	Масса, кг	Литий, кг	Название	Масса, кг	Литий, кг
Моноалюминат лития (х9)	1962,89	208,18	Шихта (х10)	2219,40	207,14
Порошок алюминия	267,66	-	Пыль (х17)	11,15	1,04
Итого	2230,55	208,18	Итого	2230,55	208,18