microbik.ru
1

Университетские исследования, 2012.

УДК 669; 519.71
Модель вычисления материального баланса процесса
хлорирования редкоземельных металлов

Чечулин В. Л., Сафонова Д. Н.,

Пермский государственный национальный исследовательский университет,

Россия, 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15,

chechulinvl@mail.ru , тел. (342)-2-396-424.
В работе рассматривается модель химико-технологического процесса хлорирования концентратов для расчета массопотока хлора, необходимого для прохлорирования поданного лопаритового концентрата по изменчивому исходному составу концентрата. Так же посредством модели рассчитывается массопоток кислорода, высвобождаемого в результате получения металлов из исходного концентрата, и массопоток углерода, необходимый на связывание кислорода во избежание окисления им полученных металлов.

Ключевые слова: математическая модель, материальный баланс, процесс хлорирования, расчет массопотока процесса по входным данным.

© Чечулин В. Л., Сафонова Д. Н., 2012.
1. Введение.

Рассматривается химко-технологический процесс хлорирования лопаритовых (ниобиевых) концентратов, при составе сырья (концентрата) не являющемся постоянным,— изменчивым1. Поэтому, для управления процессом требуется оперативно рассчитывать потребность в хлоре для процесса хлорирования по исходному составу сырья. Автоматизация этого рассчёта выполнена посредством математической модели процесса, которая реализована в среде MS Exel, что позволяет технологу производить оперативные расчеты, получая данные о составе исходного сырья.

Описание химизма процесса взято из [Error: Reference source not found], [3], [1], а математическая модель построена аналогично математической модели описанной в [5], [6].
2. Модель расчета материального баланса процесса.

Рассчёт массопотока хлора (по массопотоку и составу шихты).

Рассчёт теоретических значений массопотоков, и расчёт теплопотоков.


Основные реакции процесса хлорирования (См. [Error: Reference source not found]), записаны в двустадийной форме: 1) взаимодействие окисла с хлором 2) взаимодействие отъединённого кислорода с углеродом (см. ниже):

Реакции взаимодействия оксидов с хлором:

Ta₂O5 + 5Cl= 2TaCl5 + 2,5O2

TiO2 + 2Cl= TiCl4 + O2

FeO + 1,5Cl2 = FeCl3 + 0,5O2

Al2O3 + 3Cl2 = 2AlCl3 + 1,5O2

CaO + Cl= CaCl2 + 0,5O2

MnO + Cl= MnCl2 + 0,5O2

SiO2 + 2Cl2 = SiCl4 + O2


Таблица 1. Состав лопарита

Комопонент

весовые %

Ta2O5

0,60

Nb2O5

8,34

FeO

0,00

Fe2O3

0,92

MnO

0,07

SnO2

0,05

TiO2

39,05

SiO2

2,03

La2O3

32,95

Al2O3

0,58

CuO

0,06

ZrO2

0,09

CaO

4,47

SrO

3,05

Na2O

7,02

V2O3

0,04

ThO2

0,68

Итого

100,00
V2O3 + 3Cl2 = 2VOCl3 + 2O2

Nb₂O₅ + 5Cl2 = 2NbCl5 + 2,5O2

Fe₂O3 + 3Cl2 = 2FeCl3 + 1,5O2

Sn2O2 + 2Cl2 = SnCl4 + O2

La2O3 + 3Cl2 = 2LaCl3 + 1,5O2

CuO + Cl2 = CuCl2 + 0,5O2

ZrO2 + 2Cl2 = ZrCl4 + O2

SrO + Cl2 = SrCl2 + 0,5O2

Na2O + Cl2  = 2NaCl + 0,5O2

По известному составу шихты и по стехиометрическим соотношениям реакций (при заданных коэффициентах прохлорирования) рассчитать количество требуемого на прохлорирование хлора (100%-го). Степень прохлорирования будем считать равным 100%. (Расчёт выполнить в реальном, текущем).

В текущем времени требуемый массопоток хлора (по массопотоку шихты) вычислить по формуле (См. [5]): , г/с, (1)

где mr(Cl2), г/с,— массопоток хлора (расчётный),

I,— множество индексов хлорируемых оксидов металлов,

m(шихты), г/с,— массопоток шихты (измеренный),

vi (vi [0, 1], ),— относительная массовая доля i-го вещества в шихте.

S(Cl2)i ,— стехиометрический коэффициент i-ой химической реакции при хлоре,

M(Cl2) = 2  35,453 г/моль,— молярная масса хлора,

M(MeO)i г/моль,— молярная масса i-го оксида,

k(прохлорир.)i ,— коэффициент прохлорирования i-го оксида (в простейшем случае k = 1).
Рассчёт массопотока хлоридов и оксидов.

В текущем времени оценку массопотока хлоридов вычислить по формуле (См. [5]):

,г/с, (2)

где mr(MeCl), г/с,— массопоток хлоридов, расчётный,

I,— множество индексов хлорируемых оксидов металлов,

m(шихты), г/с,— массопоток шихты (измеренный),

vi (vi [0, 1], ),— относительная массовая доля i-го оксида в шихте,

S(MeCl)i ,— стехиометрический коэффициент i-ой химической реакции при хлоре,

M(MeCl) г/моль,— молярная масса i-го хлорида,

M(MeO)i г/моль,— молярная масса i-го оксида,

k(прохлорир.)i ,— коэффициент прохлорирования i-го оксида.
Рассчёт массопотока оксидов.

В текущем времени оценку массопотока оксидов вычислить по формуле (См. [5]):

, г/с, (3)

где mr(MeO), г/с,— массопоток оксидов, расчётный,

I,— множество индексов хлорируемых оксидов металлов,

m(шихты), г/с,— массопоток шихты (измеренный),

vi (vi [0, 1], ),— относительная массовая доля i-го оксида в шихте.
Связывание кислорода углеродом.

Связывание углерода килородом при получении как CO так и CO2 рассматривается аналогично процессу хлорирования титаносодержащей шихты [4]. Реакция связывания кислорода углеродом:

O2 + (p + q)C = pCO2 + qCO, (4)

где p + q/2 = 1

p/q = n — отношение молярных потоков CO2 и CO. (n>8 по техническим нормам. В нашем случае p=8, q=1.)

O2 + C = 1 CO2 + CO, (5).

Эта реакция необходима для того, чтобы не допустить окисление металлоконструкций системы конденсации и образования оксихлоридов при конденсации хлоридов.

По известному составу шихты и по стехиометрическим соотношениям реакций (при заданных коэффициентах прохлорирования) рассчитать количество подлежащего связыванию углеродом кислорода.

В текущем времени расчётную величину массопотока кислорода от продуктов хлорирования вычислить по формуле (См. [5]):

, г/с, где (6)

mr(O2), г/с,— массопоток кислорода (расчётный),

I,— множество индексов хлорируемых оксидов металлов,

m(шихты), г/с,— массопоток шихты (измеренный),

vi (vi [0, 1], ),— относительная массовая доля i-го оксида в шихте,

S(O2)i ,— стехиометрический коэффициент i-ой химической реакции при кислороде,

M(O2) = 2  15,9994 г/моль,— молярная масса кислорода,

M(MeO)i г/моль,— молярная масса i-го оксида,

k(прохлорир.)i ,— коэффициент прохлорирования i-го оксида.
Рассчётный массопоток углерода.

Рассчётный массопоток углерода (по общему массопотоку кислорода) в текущем времени вычислим по формуле (См. [5]):

, г/с, (7)

M(С) = 12,011 г/моль,— молярная масса углерода.

Оценка текущего массопотока углерода с шихтой:

,г/с, (8),

v[C],— массовая доля углерода в шихте.
3. Реализация модели.

Модель рассчёта реализована в Ms Exel. Коэффициент прохлорирования принимаем равным единице (аналогично процессу хлорирования титановых концентратов [6], при действительном неединичном коэффициенте на количество хлора вносима систематическая поправка). Фрагмент таблицы рассчёта представлен на рис. 1.
Рис. 1. Фрагмент таблицы рассчёта массопотоков.
При моделировании константами принимаются:

  1. Температура кипения;

  2. Температура плавления;

  3. Теплота испарения; (Данные 1–3 необходимы для 2-го этапа моделирования.)

  4. Молярные массы веществ;

  5. Стехиометрические коэффициенты реакций.

На вход подаются переменные данные такие как:

  1. Процентное содержание оксидов различных веществ в составе лопаритового концентрата (см. табл. 1.).

  2. Массопоток шихты.

На выход подаются результаты рассчётов:

  1. Массопоток хлора;

  2. Массопоток кислорода;

  3. Массопоток углерода;

В правом столбце находятся показатели, которые вычисляется по вышеуказанным формулам (1), (2), (3), (6), по (7) вычисляется углерод в третьей колонке слева.

4. Заключение.

Описана реализация модели рассчётного математического баланса химико-технологического процесса в среде MS Exel, позволяющую оперативно вычислять потребность в хлоре, углероде и кислороде по изменившемуся составу сырья. Аналогичным образом строятся математические модели для широкого класса химико-технологических процессов. Указанная модель является составной частью более сложной модели рассчёта массопотоков в системе конденсации процесса хлорирования.

Библиографический список
1. Дробот Д. В., Чуб А. В., Проблемы применения хлорных методов в металлургии редких металов, М.:Металлургия, 1991.— 191 с.

2. Карелин В. А., Карелин А. И. Фторидная технология переработки концентратов редких металлов: Монография / Томск: Изд-во НТЛ, 2004.– 221 с.

3. Петухов М. А., Исследование процесса хлорирования танталито-колумбитового концентрата и создание технологии совместной переработки танталито-колумбитового и лопаритового концентратов / автореф. дисс. на соиск. канд. техн. наук, Москва, 2010.

4. Сергеев В. В., Галицкий Н. В., и др., Металлургия титана, М. 1971.— 320 с.

5. Чечулин В. Л., Материалы диссертации: Метод моделирования пространства состояний для управления сложными химико-технологическими процессами, Пермь, 2009. (неопубл.)

6. Чечулин В. Л., Метод пространства состояний управления качеством сложных химико-технологических процессов: Монография // Перм. гос. нац. иссл. ун-т. Пермь, 2011.- 114 с.
Calculation model of the material balance of the process of
chlorination of rare-earth metals

Chechulin V. L., Safonova D. N.,

Perm State University (Russia),

Russia, 614990, Perm, Bukirev st., 15.

chechulinvl@mail.ru.
This paper presents a model of chemical-chlorination process of chemical chlorination of concentrates to calculate mass flow of chlorine needed to chloridation filed loparite concentrate on variation from the starting composition of the concentrate. The same model is calculated by the mass flow of oxygen released as a result of metal from the original concentrate and carbon mass flow required for the binding of oxygen to prevent oxidation of the metal to them.

Keywords: mathematical model, material balance, chlorination process, calculation of mass flow process input.

© Chechulin V. L., Safonova D. N., 2012.



1 Тантал и ниобий - важнейшие промышленные материалы, обладающие рядом ценных свойств (тугоплавкость, жаропрочность, пластичность, коррозионная стойкость, магнитная ёмкость). Несмотря на малую распространенность (содержание тантала в земной коре > 2,5·10–4 %, ниобия ≈ 2·10–4 %) эти металлы применяют в ряде областей техники (См. [3]). К достоинствам процесса хлорирования можно отнести возможность переработки сложного сырья и его комплексное использование; глубокое разделение и очистку продуктов методами дистилляции, ректификации, избирательного восстановления; получение из хлоридов металлов, разнообразных соединений для различных отраслей техники. Поэтому исследование и разработка технологии хлорирования лопаритового концентрата представляется актуальным.

2012.10.04 Стр. из Чечулин В, Л., Сафонова Д. Н.