2 Эксперимент и его результаты
2.1. Равновесное состояние плотной жидкости при 25 °c
Для получения равновесного состояния была использована поворотная водяная ванна, регулируемая с помощью термореле, оснащенная держателем с восемью стеклянными стаканами на 90 мл. Система работала в температурных пределах от 10 до 90°C с точностью 0,1 °C.
Известная масса этанола, воды и гидроксида лития, которого было в избытке для обеспечения насыщенности растворов, была измерена с помощью химико-аналитических весов фирмы Mettler Toledo Co., модель AX204, с точностью 0,07 мг. Этанол был последним реагентом, добавленным в раствор, чтобы избежать его испарения.
Образцы взбалтывались в течение 48 часов для достижения равновесного состояния при необходимой температуре. После этапа взбалтывания образцы еще 24 часа переливались из одного сосуда в другой. Чистая жидкость была взята из колб с помощью мембранных фильтров Versapore с номинальным размером пор 0,25 мкм. Концентрация солей была определена путем химического анализа. Во всех случаях эксперименты проводились трижды для каждой температуры. В настоящей работе представлены значения для каждого образца.
Измерения плотности раствора проводились трижды с помощью вибрационного денсиметра фирмы Mettler-Toledo, модель DE50, с точностью 5 x 10-5 г см-3 и разрешением ±1 x 10-5 г см-3. Температура регулировалась с помощью термореле до ± 0,01°C. Воспроизводимость значений плотности была выше ±3,8 x 10-4 г см-3.
3. Разработка концепции
3.1 Drowning Out процесс кристаллизации
Описание процесса и материальный баланс. Был разработан drowning-out процесс кристаллизации для очистки гидроксида лития с помощью этанола в качестве drowning-out агента (Рисунок 1a). На Рисунке 1b показана диаграмма состояния для тройной системы H2O – этанол – LiOH. В Таблицах 1 и 2 собраны материальный баланс и данные по теплосодержанию для двух процессов.
Р
Вода
Растворитель
Фильтр
Нерастворимые
вещества
Вода
Фильтр
Суши-
тель
Вода
Смешанный
Доп. смесь этанола
и воды
Мешалка-кристаллизатор
ис.
1. (a)
Блок-схема
процесса очистки LIOH
путем drowning
out
кристаллизации с помощью этанола в
качестве drowning
out
агента, и (b)
процесс
на изотермической диаграмме состояния
при 25°C.
В ходе этого процесса выработается 6,27 тонн/ч чистого моногидратного гидроксида лития с этанолом в качестве анти-растворителя. 6,34 тонн/ч неоднородных кристаллов моногидратного гидроксида лития подается в смеситель. Вместе с рециркуляционным потоком 5, поток 3 обладает расходом гидроксида лития 10,34 тонн/ч. Выходящий из смесителя поток (поток 3) фильтруется для удаления нерастворимых частиц, которые, как предполагается, должны быть единственными примесями в системе. Дополнительный поток 90 wt% водяного раствора этанола (поток 7) добавляется в соляной раствор (поток 6) для стимуляции выделения осадка LiOH.H2O в кристаллизаторе. Нисходящий процесс состоит из фильтра и сушителя. Шлам (поток 8) отделяется с помощью силы тяжести в wet crystal product поток (поток 8), а поток маточного раствора (поток 12) отделяется путем фильтрации. Шлам (поток 8) разделяется на wet product поток (поток 9) и на фильтрат путем фильтрации. Поток фильтрата и поток маточного раствора кристаллизатора (поток 12) смешиваются (поток 14) и направляются в дистилляционную колонну, в которой в виде осадка собирается 74,26 тонн/ч при 9,1 % растворенного гидроксида лития. Осадок (поток 5) возвращается в смеситель.
Продукт дистилляции, содержащий 95,6 wt% этанола (поток 15), возвращается в смеситель после охлаждения. И наконец, после сушки получается чистый гидроксид лития. В Таблице 1 приведены данные по тепловой функции, вычисленные с использованием машинного кода (HSC chemistry для windows). Потребность в энергии на этапе дистилляции составляет 5437,4 Мкал/ч. В настоящем исследовании не предпринималась попытка интеграции энергии.
Таблица 1: Материальный и энергетический баланс процесса этанола.
|
|
|
|
w/w% |
Тепл. ф-ция, Q |
|||
|
LiOH·H2O(s) |
LiOH(a) |
C2H6O |
H2O |
Mкал/ч |
|||
|
1 |
25 |
6,34 |
99,25 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
28315,10 |
|
2 |
100,0 |
0,36 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
1317,46 |
|
3 |
80,83 |
80,96 |
0,00 |
12,78 |
0,00 |
87,16 |
314292,73 |
|
5 |
82,00 |
74,26 |
0,00 |
9,09 |
0,00 |
90,91 |
284660,16 |
|
6 |
40,00 |
80,90 |
0,00 |
12,78 |
0,00 |
87,22 |
317313,34 |
|
7 |
73,64 |
14,80 |
0,00 |
0,00 |
95,62 |
4,38 |
21409,98 |
|
8 |
42,67 |
9,58 |
65,00 |
2,66 |
5,54 |
26,81 |
39608,03 |
|
9 |
50,00 |
6,73 |
92,59 |
0,56 |
1,17 |
5,67 |
29552,70 |
|
10 |
68,00 |
0,46 |
0,00 |
17,26 |
0,00 |
82,74 |
1501,64 |
|
11 |
68,00 |
6,27 |
99,34 |
0,60 |
0,00 |
0,00 |
28096,98 |
|
12 |
42,67 |
86,12 |
0,00 |
7,59 |
15,82 |
76,60 |
299115,29 |
|
13 |
50,00 |
2,85 |
0,00 |
7,59 |
15,82 |
76,60 |
10650,32 |
|
14 |
42,67 |
88,98 |
0,00 |
7,59 |
15,82 |
76,60 |
309030,59 |
|
15 |
82,00 |
14,72 |
0,00 |
95,60 |
0,00 |
4,40 |
18933,03 |
|
16 |
78,30 |
14,72 |
0,00 |
0,00 |
95,60 |
4,40 |
21254,80 |
|
17 |
78,30 |
0,08 |
0,00 |
0,00 |
100,0 |
0,00 |
108,26 |