CC BY
28
3. Hong-Bo Chen. Novel multi-walled nanotubes-supported and alkali-promoted Ru catalysts for ammonia synthesis under atmospheric pressure /Hong-Bo Chen, Jing-Dong Lin et al. // Applied Surface Science, 180, 2001, c. 328-335.
4. W. Mahdi. Application of Ru exchanged zeolite-Y in ammonia synthesis. / Hong-Bo Chen, Jing-Dong Lin et al. //Catalysis Letters, 14, 1992, c. 339-348.
УДК 628.163
М.А. Ерохин, А.М. Саввинова, Н.П. Какуркин
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ИЗУЧЕНИЕ ДИНАМИКИ РАСТВОРЕНИЯ КАРБОНАТНОГО ПЕСКА В РАСТВОРЕ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ
The process of dissolution carbon sand in a solution of sulfuric acid in the column device is considered. Necessary time of contact and number of filters - conditioners for receive of potable water of required quality is found.
Рассмотрен процесс растворения карбонатного песка в растворе серной кислоты в аппарате колонного типа. Найдено необходимое время контакта и количество фильтров-кондиционеров для получения питьевой воды требуемого качества
После обратноосмотического опреснения морской воды, получаемый пермеат нельзя использовать для питья в связи с его низким солесодержанием. Поэтому возникает необходимость в проведении искусственной минерализации опресненной воды [1,2]. Одним из способов минерализации является растворение материалов, содержащих карбонат кальция, в слабых растворах кислот, например, в растворе серной кислоты. Подобный способ готовится к реализации на заводе опреснения морской воды в г. Актау По этой технологии часть опресненной воды (второй пермеат), подкисляется серной кислотой и пропускается через фильтры-кондиционеры, представляющие собой аппараты колонного типа, загруженные карбонатным песком, и затем смешивается с остальной частью второго пермеата [2].
Процесс протекает по общей реакции:
СаСОз + H2SO4 = CaSÜ4 + Ca(HCÜ3)2 (0), которая включает в себя быструю реакцию СаСО3 с серной кислотой
СаСОз + H2SO4 = CaSÜ4 + H2CO3 (1)
и значительно более медленную реакцию с угольной кислотой
СаСОз + H2CO3 = Ca(HCÜ3)2 (2)
Также возможно прохождение реакции взаимодействия СаСО3 с водой:
СаСО3 + Н2О = Са2+ + НСО3- + ОН- (3)
Поскольку к качеству получаемой питьевой воды предъявляются довольно жесткие требования (содержание Са2+ не менее 30 мг/л, значение рН - 8.00 - 8.30), то для обеспечения возможности их прогнозирования требуется создание динамической модели. Для этого необходимо провести серию опытов, основной целью которых является
2+ -
получение зависимостей концентраций Са , НСО3 и значения рН от времени контакта раствора серной кислоты с карбонатным песком.
Изучение протекания процесса в динамическом режиме проводилось на лабораторной установке, состоящей из колонки (герметично закрытая стеклянная трубка длиной 2 м с внутренним диаметром 18 мм), емкости с исходным раствором серной кислоты (рН 2.50) и насоса-дозатора. Колонка заполнена карбонатным песком фракции 1 - 2.5 мм, состава, показанного в таблице 1. Высота засыпки менялась в разных сериях
опытов, сначала с шагом 0,3 см до окончания реакции (I), а затем с шагом 3 см до полного заполнения колонки. Раствор кислоты из емкости, с помощью насоса, прокачивался через слой карбонатного песка сверху вниз. Расход серной кислоты менялся для каждой высоты загрузки в диапазоне от 10 до 110 мл/мин, что соответствует изменению скорости потока от 0,00026 до 0,00289 м/с (при порозности загрузки равной 0,4). Таким образом, путем изменения высоты слоя загрузки и расхода кислоты менялось время контакта раствора с карбонатным песком.
Таблица 1. Химический состав карбонатного песка [2]
Показатели Содержание, %
СаО 52,9з
8102 2,09
ЛЬОз 0,98
М§0 о,бз
Бе20з 0,57
№20 о,зз
К2О 0,20
Т102 Следы
Потери при прокаливании 41,95
Сумма 99,7з
Основной вещественный состав
СаСОз 94.1
МвС0з 1.з
SiО2 + АЬОз + Fе2Оз з.64
По полученным данным были построены зависимости изменения концентрации
кальция, гидрокарбонатов и рН от высоты слоя загрузки карбонатнокальциевого мате-
2+
риала (рис. 1 - 3). Кроме того, получены зависимости мольного отношения НСОз/Са от рН (рис. 4) которые демонстрируют, что реакция (I) протекает до значения рН раствора ~ 4.50, а далее начинает протекать реакция (II). Также из рис. 4 видно, что процесс в колонке в условиях опыта не протекает до конца т.к. не достигается мольного отношения равного единице. На каждом рисунке даны зависимости для пяти расходов раствора серной кислоты.
Ранее нами было показано, что для того чтобы получить питьевую воду требуемого качества по технологической схеме завода в Актау, значение рН воды после колонки должно составить 7.20, а концентрация Са2+ не менее 170 мг/л [3]. По рис. 1 и 3 этим значениям соответствуют расходы подкисленного раствора ниже 50 мл/мин, и высота загрузки свыше 134 см. Представленные данные получены для лабораторной колонки указанных размеров. В производстве используются колонки (фильтры) имеющие другие геометрические размеры. При этом минерализованная вода должна быть требуемого качества. Размеры фильтра сказываются на высоте слоя загруженного карбонатного песка, а это в свою очередь влияет на время контакта. По сути время контакта является определяющей величиной от которой зависят параметры выходящей из фильтра воды. Поэтому представляется необходимым нахождение этих зависимостей.
Время контакта было рассчитано по формуле (1) с учетом порозности слоя - 0.4.
Н
т = —, с (1)
Ж к ;
где Н - высота слоя загрузки карбонатного песка, м; W - скорость потока, м/с.
Зная необходимые параметры воды, по графику (рис. 5) можно определить время контакта раствора серной кислоты с карбонатным песком. Для колонки другого размера, в которой будет проходить реакция, считаем скорость пропускания раствора, задавшись его расходом:
Ж = 0, I / п (2)
з
где Q - расход серной кислоты м/с, S - сечение колонки в которой планируется осуществить реакцию, м2.
220 210 200 190 180 170 160 150 140 О 130 120 110 100 90 80 70 60 50
20 мл/мин 30 мл/мин 50 мл/мин 70 мл/мин 90 мл/мин
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120130 140 150 160170 180 высота, см
Рис. 1. Изменение концентрации Са2+ в воде по высоте слоя загрузки ► Рис. 2. Изменение концентрация НСО3- в воде по высоте слоя загрузки ►
Рис. 3. Изменение рН воды по высоте слоя загрузки ► Рис. 4. Изменение мольного соотношения HCOз"/Ca2+ в зависимости от рН раствора ►
Высоту слоя загрузки карбонатного песка определяем из формулы (1). Из рис. 5 видно, что вести процесс надо при времени контакта 25 мин. При этом достигаются необходимые концентрации Са на выходе из фильтра - 170 мг/л и значение рН - 7.20.
Рис. 5. Изменение концентрации Са2+ и рН воды от времени контакта раствора серной кислоты с начальным значением рН 2.50 с карбонатным песком фракции 1-2.5 мм ►
После смешения такого потока с исходным пермеатом (рН 9.60) в соотношении 1: 5 будут получены необходимые концентрации Са и значения рН продукционной воды. При проектной производительности завода 20000 м /сут соотношение потоков составит 3333 м3/сут - на фильтры-кондиционеры к 16666 м3/сут - мимо них.
Для проведения растворения карбонатного песка может быть рекомендован стандартный фильтр марки ФОВ 3.4-0.6 ПМ диаметром 3.4 м, представляющий собой вертикальный одномерный цилиндрический аппарат. Скорость пропускания раствора через слой загрузки составит 0.0106 м/с. Необходимая высота слоя загрузки 15.9 м. Поскольку высота загрузки одного фильтра составляет 2 м, то потребуется 8 фильтров, работающих последовательно. На участке кондиционирования можно установить 12 фильтров - это позволит проводить дозагрузку карбонатного песка, не останавливая процесса. Концентрация кальция на выходе из фильтра - 170 мг/л, что в пересчете на СаСО3 составит 425 мг/л. Время контакта при выбранном расходе в одном фильтре составит: 25/8 = 3.12 мин. Наибольший расход карбонатного песка будет в первом фильтре - 300 кг/сут и именно он будет чаще других выводится на дозагрузку.
Таким образом, на основе проведенных нами исследований, было найдено необходимое время контакта раствора серной кислоты с карбонатным песком для получения питьевой воды требуемого качества, рассчитано количество фильтров-кондиционеров и расход карбонатного песка в первом фильтре как наиболее высокий.
Работа выполнена при финансовой поддержке фонда содействия развитию малого предпринимательства и ЗАО «Экоинжком».
Список литературы
1. Кондиционирование опресненной дистилляцией воды / И.Г. Вахнин, В.И. Максимов, Ю.А. Рахманин и др.; Под ред. А.Т. Пилипенко.; АН УССР. Ин-т коллоид. химии и химии воды им. А.В. Думанского. - Киев : Наук. думка, 1990. - 248 с.
2. Коротеев, А.С. Использование космических технологий для опреснения морских и солоноватых вод/ А.С. Коротеев, А.В. Десятов// Технологии и оборудование для опреснения морской воды применительно к условиям каспийского региона. Материалы международной научно-практической конференции, Актау, 2003. -С.14-26.
3. Ерохин, М.А. Программы расчета минерализации воды/ М.А. Ерохин, Н.П. Какур-кин, А.В. Десятов // Питьевая вода, 2006, -№ 4.- С.18-23.
