Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса твердофазного синтеза перманганата калия Кузьмин Александр Петрович

Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса твердофазного синтеза перманганата калия
<
Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса твердофазного синтеза перманганата калия Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса твердофазного синтеза перманганата калия Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса твердофазного синтеза перманганата калия Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса твердофазного синтеза перманганата калия Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса твердофазного синтеза перманганата калия Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса твердофазного синтеза перманганата калия Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса твердофазного синтеза перманганата калия Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса твердофазного синтеза перманганата калия Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса твердофазного синтеза перманганата калия Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса твердофазного синтеза перманганата калия Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса твердофазного синтеза перманганата калия Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса твердофазного синтеза перманганата калия
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Кузьмин Александр Петрович. Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса твердофазного синтеза перманганата калия : диссертация ... кандидата технических наук : 05.17.08 / Кузьмин Александр Петрович; [Место защиты: Тамб. гос. техн. ун-т]. - Тамбов, 2008. - 127 с. : ил. РГБ ОД, 61:08-5/296

Содержание к диссертации

Введение

1 Обзор литературы 8

1.1 Применение перманганата калия 9

1.2 Современное состояние производства перманганата калия 10

1.3 Пути совершенствования роизводства 15

1.4 Недостатки существующего способа получения перманганата калия' 20

1.5 Задачи исследования 20

2 Теоретические основы твердофазного способа получения перманганата калия 21

2.1 Химизм процесса 21

2.2 Эксергетический анализ традиционного способа получения перманганата калия 24

2.3 Свойства исходных веществ и продуктов реакции 33

2.4 Термодинамика процесса 35

2.5 Кинетика процесса твердофазного синтеза перманганата калия 45

2.6 Диффузия компонентов 68

3 Техника и методика эксперимента 78

3.1 Методика измерений 78

3.1.1 Методика анализа перманганата и манганата калия при их совместном присутствии 78

3.1.2 Методика измерения удельной поверхности 79

3.2 Методика твердофазного синтеза 83

3.3 Экспериментальное исследование кинетики 85

3.4 Экспериментальное определение термодинамичеких параметров процесса 91

3.5 Определение теплопроводности компонентов 92

4 Математическое моделирование 100

5 Аппаратурно-технологическое оформление 105

5.1 Аппаратурное оформление 105

5.2 Эксергетический анализ твердофазного синтеза перманганата

калия 107

Выводы 112

Список цитированной литературы

Введение к работе

Диссертационная работа направлена на разработку процесса и поиск эффективных параметров режима синтеза перманганата калия (КМПО4) из отходов сахаринового производства (Мп02) и супероксида калия (К02). В настоящее время в мировой практике общепринят электрохимический способ получения перманганата калия из пиролюзита (Мп02) и щёлочи (КОН).

Актуальность работы

После распада СССР производство КМп04 в России отсутствует. Перманганат калия применяется как окислитель в органическом синтезе, для химического анализа как реактив, как антисептик, компонент пиротехнических составов, как исходный продукт для получения активного диоксида Мп02 - для промышленности гальванических элементов, как компонент составов для очистки газов.

Особенно актуальным является использование отходов производства для получения полезного продукта — в связи с увеличивающейся остротой экологических проблем.

Предлагаемый способ имеет технологические преимущества перед имеющимися - синтез в одну стадию, а по традиционному способу их две (основных). Исследована кинетика твердофазной реакции

К02 + Мп02 = КМп04 изучена зависимость выхода целевого продукта от параметров режима, выданы рекомендации по аппаратурному оформлению процесса. В связи с этим проведенные в данной работе исследования синтеза КМп04 имеют актуальное научное и практическое значение.

Цель работы

Диссертационная работа посвящена исследованию кинетики процесса, разработке аппаратурного оформления и определению эффективного режима синтеза перманганата калия КМпС 4 из диоксида марганца Мп02 и надпероксида калия К02. В связи с этим в задачу данной работы; входили:

• анализ современного состояния процесса и оборудования для получения КМп04;

• исследование кинетики взаимодействия Мп02 с К02;

• определение эффективных параметров режима синтеза перманганата;

калия;

• математическое моделирование процесса с целью максимизации выхода целевого продукта;

• разработка технических решений, реализующих предложенный способ синтеза КМп04;

Научная новизна

Исследован твердофазный- способ синтеза, перманганата калия (КМпОд) из диоксида марганца Мп02 и супероксида калия К02 в одну стадию. При этом можно использовать отход сахаринового производства;. По результатам кинетического исследования установлено, что процесс описывается уравнением Гинстлинга-Броунштейна для случая, когда лимитирующей стадией является химическая, реакция первого порядка. Разработана математическая модель процесса, определены оптимальное время смешения компонентов и время реакции.

Экспериментально исследованы зависимости выхода, целевого» продукта от параметров проведения процесса. Параметры процесса: давление кислорода PQ2 температура Т, время реакции т. Установлено, что выход; целевого продукта монотонно возрастает с повышением давления; Уже при25,0 МПа достигается высокий выход KMh04.

Практическая ценность

Разработан способ получения перманганата калия в одну стадию из отхода производства. Разработанная математическая модель кинетики по- зволяет подобрать эффективные параметры режима процесса и получить продукт заданной чистоты.

Проведены исследования на опытной установке и выданы рекомендации по организации процесса в промышленных условиях.

По результатам работы возможна организация производства перманганата калия на предприятиях, имеющих реакторы высокого давления кислорода.

Выпущена опытная партия перманганата на ОАО «Росхимзащита». Выпуск опытной партии подтвердил правильность полученных в результате работы рекомендаций.

Объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения, содержит 125 страниц основного текста, тридцать шесть рисунков, 12 таблиц и список цитированной литературы из 126 источников.

Автор защищает:

1) одностадийную твердофазную технологию производства перманганата калия из диоксида марганца и надпероксида калия.

2) математическую модель кинетики процесса, позволяющую рассчитывать эффективные параметры режима для получения перманганата калия с заданным выходом.

3) рекомендации для аппаратурно-технологического оформления предложенного способа синтеза перманганта калия в промышленных условиях.

Современное состояние производства перманганата калия

До распада СССР перманганат калия производился на заводе в городе Саки (Украина, Крым). После распада СССР в России отсутствует производство перманганата калия, несмотря на его важную роль в промышленности. Мировое производство КМп04 достигает 30...40 тысяч тонн в год [19].

Исторически первый способ получения перманганата калия [20] 1 синтез манганата (VI) калия из пиролюзита и щелочи по реакции с кислородом при прокаливании на воздухе: 2Мп02 + 02 + 4КОН = 2K2Mn04 + 2Н20. (1.2.1)

Затем полученный плав выщелачивали водой и в полученном щёлоке проводили превращение манганата калия в перманганат. Стадия превращения манганата в перманганат может включать: 1) Кипячение раствора: образование перманганата калия проис ходит в результате диспропорционирования манганата (VI) по уравнению реакции 3K2Mn04 + 2Н20 = 2KMn04 + Mn02 + 4КОН. (1.2.2) 2) При обработке раствора С02 процесс диспропорционирования ускоряется, реакция протекает по уравнению: ЗК2Мп04 + 2С02 = 2КМп04 + Мп02 + 2К2С03. (1.23)

Вследствие образования Мп02 процесс невыгоден и необходимо регенерировать КОН из образующегося поташа по реакции: К2С03 + Са(ОН)2 = КОН + СаСОэ. (1.2.4) 3) Окисление манганата хлором по реакции: 2К2Мп04 + С12 = 2KMn04 + 2КС1. (1.2.5) тоже невыгодно вследствие потерь калия в виде КС1, регенерация КОН из которых электролизом дорога. Поэтому развивается электрохимический способ превращения манганата в перманганат.

В настоящий момент общепринята технология получения перманганата калия комбинированным (двухстадийным) способом.

На первой стадии пиролюзит смешивают с КОН и подвергают сплавлению в прокалочных котлах, реакция протекает по уравнению (1.2.1). Тонко размолотый в шаровой мельнице высокосортный пиролюзит и 50 % раствор КОН сплавляют при 473...543 К. При более высоких тем 12 пературах (748...1233 К) манганат (VI) разрушается до манганата (V) калия с выделением кислорода по уравнению 3K2Mn04 = 2K3Mn04 + Мп02 + 02. (1.2.6) и часть по реакции 2К2Мп04 = 2К2Мп03+ 02. (1.2.7)

Полученный по реакции (1.2.6) диоксид теряет часть кислорода и фактически находится в плаве в виде оксида состава MnOi)8-i,75; Манганат получают во вращающихся тарельчатых печах и других аппаратах непрерывного действия или в плоских чугунных котлах с мешалками скребкового типа.

В печи загружают влажную пасту Мп02 после второй стадии и пиролюзит, подсушивают, затем малыми порциями добавляют КОН (50 % раствор); массовое отношение /иМпо-, кон = 1:1,45; мольное отношение: VMno2:vKoii = 1:2,25. В некоторых случаях пиролюзит со щёлочью смешивают в смесителях, а потом загружают смесь в прокалочные котлы. Операция плавки продолжается около суток при непрерывном перемешивании.

Выход манганата не превышает 60 %. Состав плава: 30...35 % К2Мп04, 25 % КОН, много Мп02, имеются карбонат калия и другие примеси. Такие примеси, как А1203 и Si02 - образуют с КОН низкоплавкие растворимые соединения, что приводит к увеличению липкости плава. Иногда плавку проводят в закрытых котлах, в которые вдувается воздух в два приёма, с предварительным измельчением плава в шаровых мельницах, при этом расход КОН - 210 %, К2Мп04 - 150 % от теоретического.

На второй стадии плав выщелачивают и полученный раствор подвергают электролизу. При этом на аноде окисляется ион Мп04 : MnOf-e - MnO;. (1.2.8) а на катоде образуются щёлочь и водород: 2 Н20 + 2е- = Н2 + 20Н-. Суммарное уравнение

Недостатки существующего способа получения перманганата калия'

В литературе описана реакция, проходящая при обычном давлении и температуре 673 К [32]: Мп02 + 2К02 = К2Мп04 + 02; (2.1.1) в этом случае образуется манганат (VI) калия. Реми [33] приводит только реакции, известные ранее — получение перманганата калия в две стадии: окислительное сплавление диоксида марганца со щелочью, в присутствии кислорода воздуха, затем окисление манганата действием хлора, или дис-пропорционирование его под действием диоксида углерода.

По реакции, (2.1.1) теряется надпероксидный кислород и образуется манганат калия (VI). Для тяжёлого аналога марганца - рения описана реакция [34] диоксида рения и надпероксида калия. В токе кислорода в молярной пропорции 1:3 смесь нагревают три часа при температуре 673 К. Мезоперренат (ренат (VII)) калия количественно образуется по уравнению: Re02 + 3K02 = K3Re05 + 3/2 02. (2.1.2)

Наряду с образованием мезоперрената выделяется кислород. Рентгенограмма подтвердила, что весь оксид рения (IV) вступил в реакцию. При этом выделение кислорода обусловлено стехиометрическим фактором, так как для рения более устойчивы соли с большим координационным числом его атома. В случае соотношения 1:1 можно ожидать образования мета-перрената калия - KRe04 без выделения кислорода: Re02 + К02 = KRe04. (2.1.3)

Известно, что, в отличие от марганца, для рения характерна устойчивость, высших степеней окисления. Стандартный электродный потенциал реакции восстановления перренат-иона по уравнению (2.1.4) равен + 0,422 В. Это значительно ниже величины для перманганат-иона + 1,54 В. ReO; + 8ИҐ + 4е" = Re3+ + 4Н20. (2.1.4)

Следовательно, реакция, подобная реакции диоксида рения (2.1.3), для. диоксида марганца затруднена. В работе [35] проведён термодинамический анализ ряда оксидов FeOx, вычислены и сопоставлены энтальпии образования высших оксидов железа. Показано, что оксид Fe02 неустойчив по отношению к Ре20з: 4Fe02 - 2Fe203 + 02. (2.1.5) Д#о = -71кДж, AG= -125 кДж, оксид Fe02 получается при давлении выше 2,00-10 МПа. Но ферриты IV устойчивы; например, BaFe03. Также синтезированы ферраты (VI): K2Fe04 [36]. Феррат калия образуется при окислении металлического железа нитратом калия, либо по реакции оксида железа III с надпероксидом калия: Fe203 + 4 К02 = 2K2Fe04 + 3/202. . (2.1.6)

Поскольку окислительные свойства ферратов (VI) выражены сильнее, чем у перманганатов - электродный потенциал реакции (30) равен +1,70 В [37], Fe04 2 +8Н++ Зе" = Fe3+ + 4Н20, (2.1.7) что выше, чем потенциал восстановления перманганат-иона в кислой среде: Е = +1,54 В, то можно ожидать получения КМп04 в условиях, аналогичных условиям проведения реакции (2.1.6).

Возможность проведения реакции синтеза перманганата калия по-реакции с надпероксидом калия вытекала из реакций ближайших соседей марганца по периоду - железа и по группе — рения.

Автором настоящей работы предложено получать перманганат калия реакцией в твёрдой фазе из надпероксида калия К02 и диоксида марганца Мп02 под высоким давлением кислорода. При этом целевой продукт образуется в одну стадию. Процесс протекает по уравнению [38]: К02 + Мп02 = КМп04. (2.1.8)

В литературе не обнаружено сообщений об осуществлении такой реакции. Высокое давление кислорода смещает равновесие реакции (2.1.1) в сторону исходных веществ и не препятствует образованию перманганата по реакции (2.1.8). Возможно также протекание реакции разложения образующегося перманганата: 2KMn04 = К2Мп04 + Мп02 + 02. (2.1.9)

Эта реакция протекает при температуре выше 513 К и-обычном давлении кислорода. В условиях высокого давления кислорода равновесие реакции диссоциации перманганата калия по уравнению (2.1.9) сдвинуто в сторону исходного вещества. В [38] приведен другой вариант реакции разложения: Г0КМпО4 = 3K2Mn04+ 2K2O7Mn02 + 602. (2.1.10)

Термическая устойчивость КМп04 и кинетика реакции (2.1.9) его разложения изучалась различными авторами, например, Кабановым [40], Брауном и сотрудниками [41].

Твердофазным реакциям посвящена обширная литература. У Реми [33] имеется глава, посвященная общим закономерностям реакций твердых веществ. Такие реакции называются топохимическими. Основной особенностью топохимических реакций является важная/роль поверхности разде- . ла между фазами и определяющее значение диффузии в твердом теле. Для этого процесса формально справедлив закон Фика: dn dc ,„ , ,, ч — = -Ds—, (2.1.11) ЙТ dx где dn — количество вещества, диффундирующее за время dx; D - коэффициент диффузии; S - площадь поверхности раздела фаз; dcldx - градиент концентрации. А температурная зависимость коэффициентов диффузии выражается формулой:

Эксергетический анализ традиционного способа получения перманганата калия

Надпероксид калия К02: мольная масса К02 Mr = 71,10 [49], Тпл = 808 К [50]. а-модификация К02 устойчива при температурах 231...395 К, мольный объем 33,0 см3, коэффициент преломления а - К02 п = = 1,412 и л = 1,583; молекулярная рефракция 8,65; сингония - тетрагональная; тип решетки - СаС2; пространственная группа - I4/mmm; параметры решетки: а = 5,704 ± 0,005 А, с = 6.699 ± 0,005 А; плотность р = 2,158 ± ± 0,001 г/см3, число молекулярных масс в ячейке z = 4, ион К+ окружён 10-ю атомами кислорода.

Оценка межатомных расстояний по Бокию[53]: с?мп-2о = 1,86 А; для четырёх атомов кислорода dMn - ло — 1,89 А. Постоянная Маделунга для Мп02 равна-А =4,816 (тип рутила для координационных чисел Мп +(6), О " (3)). Радиусы ионов Мп+7 - 0,46 А; 0,25 А [55]; Мп+4 - 0,60 А; Мп+2 - 0,80 А [51].

КМп04, перманганат (манганат (VII)) калия: фиолетовые кристаллы, ромбическая сингония, тип решётки барита (BaS04); пространственная група Pbnm; параметры решётки: а = 7,4114 А; Ъ = 9,0992 А; с = 5,70759 А [52]. При нагревании разлагается, Гразл 513 К. Плотность р = 2,70-10 кг/м3; мольный объём VM= 58,53 см3/моль; Ср= 117,57 Дж/(моль-К); «термохимический» радиус ионов МпО"4 - 2,40 А [51].

Кислород, 02: Мг = 31,998; Гпл = 54,5 К; Гкип = 90,2 К; р = 1,4276 кг/м3; ( = 29,37- -, СР = 31,46 + 3,39-10"3Г- bZZl L. Потенциал моль-К г ионизации /0г = 12,08 эВ; сродство к электрону А0г = - 0,44 эВ; энергия диссоциации Е0г = 498 -. /(0.0) = 1,21-Ю"10 м, надпероксид-ион: ; М МОЛЬ Ео-г =397 ко-о)= 1,34-10"10м пероксид-ион: /(0.0) = 1,50-10"10м, крити ческая температура Гкр0з = 154,6 К, критическое давление РКр02 = 5 04 МПа (49,7 атм), удельный объем V = 73,4-: Реакция твердофазного синтеза перманганата калия протекает экзотермично. Тепловой эффект реакции (2.1.8) К02 + Мп02 = КМп04 Д#= -25 iS L. и изменение свободной энергии Гиббса AG0 = -26 - рас моль моль считаны по закону Гесса из справочных данных (таблица 2.4.1).

Повышение температуры в результате реакции (2.1.8) в условиях от сутствия теплообмена с окружающей средой: АГад = = 212,6 К. Ср Для реакции (2.1.1), протекающей при обычном давлении 2К02 + Мп02 = К2Мп04 + 02, лсТ\ лс эффект составляет АН = -92 . Адиабатическое повышение температу моль ры, обусловленное выделением энергии в процессе реакции зависит как от изменения энтальпии, так и от теплоёмкости реакционной массы. Теплоёмкость, в свою очередь, зависит от состава смеси, а следовательно, и от степени превращения а. Влияние степени превращения а на теплоёмкость смеси можно рассчитать следующим образом: для единицы массы по закону аддитивности получаем следующее выражение: CCM=N,Cpl+N2Cp2, (2.4.1) где Ссм, Срі, СР2 - удельные теплоёмкости смеси, первого и второго компонентов, соответственно; Nj и N2 - числа молей исходных веществ. По стехиометрии мольное отношение реагентов равно единице, JVi = iV2 = N В момент времени, когда степень превращения составляет а, количества компо-нентов регирующеи смеси принимают значения: диоксида марганца и надпероксида калия - JV(l-a), перманганата калия - Мх. Для текущей теплоёмкости получается выражение Ca = N(l - a ( Ср, + Ср2) + Na-Cp3. (2.4.2) Удельный тепловой эффект запишется следующим образом: Q = Na-AH. Адиабатическое повышение температуры как функцию от а находим из уравнения:

Константы равновесия реакции диссоциации твердых растворов окислов металлов изучались в [57]. Диссоциация магнетита: -L-Fe304 = 7- Ре01+8 + І02; (2.4.5) 1—Зо 1-36 I а - дефектность вюститной фазы, постоянная при данной температуре. Константа химического равновесия реакции (2.1.9) в соответствии с законом действующих масс и с учетом того, что термодинамические активности чистых фаз равны единице выражается следующим образом: #, = 2. (2-4-6)

Для расчета равновесия 2КМп04 - К2Мп04+ Мп02+ 02 необходимы значения величин AG298 образования веществ. Такая величина не известна для манганата (VI) калия. Поэтому требуется её определение.

Известны различные методы расчета свободной энергии Гиббса. Метод расчета по значениям абсолютных энтропии, изложенный у Карапетьянца [58], основан на уравнении АСТ=АЯТ0-ГА5Т0, (2-4-7) с учетом зависимостей АНти Аг от температуры: АСР AGT = Atf98 -AS29S + $AC?dT \ dT . (2.4.8) 298 298 После подстановки АСР и интегрирования получают температурную зависимость для расчета энергии Гиббса при любой температуре: AGT = Д#98 -АаТ\пТ- АЬТ2 --Ас 1! 1 +/,Г-/2, (2.4.9) где /; = 6,69 Аа+29%АЬ-5,6Ъ-т6Ас-А 2 ; 12 = 298Аа+4,44-104Д6-3,356- 1()-3Дс . По методу Темкина и Шварцмана вместо (2.4.7) используется уравнение: AGT = Д#298 - 7М298 - Т(М0Аа + МХАЬ + М.2Ас ). (2.4.10) Коэффициенты Mo, Mi и М_2 зависят только от температуры, их значения табулированы. Также можно рассчитать термодинамические характеристики с помощью таблиц приведенных энергий Гиббса Ф; и ф". По определению: Г - 7 Г"0 — 7 Фт=-Т ; Ф"т=-Т 29g. (2.4.11) Для вычисления AGj и К? служат уравнения: А(?=АН?98-ДФ;Г, (2.4.12) и р R ґ АФг- Т \ 1 J (2.4.13) Изменения приведенных энергий Гиббса ДФГ в результате реакций находятся по закону Гесса. Для манганата (VI) К2Мп04 в литературе отсутствуют Данные ПО AG 298? У 298 и Фт.

Экспериментальное исследование кинетики

Исследования на лабораторной установке проводились при нескольких режимах, при этом изменялись температура, давление и время проведения процесса. Реакция начинается с заметной скоростью при температуре 395 К - температуре фазового перехода ос(К02) — 3(К02). При этом зона реакции в адиабатических условиях может разогреться до 608 К. Результаты эксперимента (смотри в приложении таблицу П. 1) представлены на рисунке 3.3.1. На графике можно выделить три периода:

1. Индукционный период реакции — совокупность стартовых изменений системы — покрывание, переориентация частиц.

2. Период роста скорости реакции связан с образованием и ростом ядер продукта в реакционной зоне.

3. Период уменьшения скорости реакции. После образования сплошного слоя продукта контакт исходных веществ нарушается и дальнейшее взаимодействие протекает за счет диффузии реагентов через слой продукта. При этом скорость реакции непрерывно уменьшается. Зави симость скорости от приведённого времени приведена в таблице П. 5 при ложения и показана на рисунке 3.3.2.

График показывает интенсивный рост скорости в начальный период реакции, затем быстрое уменьшение скорости и медленную реакцию в остальное время. Ход зависимости можно объяснить образованием и нарастанием слоя продукта реакции, а затем сменой механизма или наложением различных факторов таких, как растрескивание слоя образующегося пер-манганата калия и перенос реагентов по границам разломов.

Описание твердофазных реакций выполняется с помощью различных моделей. Для установления механизма лимитирующей стадии полученную кинетическую кривую a = Дт) обрабатывают в координатах F(a) - т. Этот метод включает подстановку экспериментальных значений а при данном т в различные уравнения - Праута-Томпкинса, Лидера, Аврами-Ерофеева, Гин-стлинга-Броунштейна, Валенси-Картера. Получают значения (а) при различных значениях времени и строят зависимость F(a) = kz. Если получается прямая, то экспериментальные данные подчиняются данному уравнению. Результаты обработки по этим моделям (смотри таблицу П. 5 приложения) представлены на рисунках 3.3.1-3.3.7. Относительные погрешности линеаризации приведены в таблице 3.3.1. Как видно из графиков, различные модели не дают линейной зависимости от времени в начале реакции. Все зависимости выведены в предположении, что изменяется радиус одного из реагентов - покрываемого. Однако реакция может проходить с изменением размера частиц обоих реагентов. График на рисунке 3.3.7, а также сравнение величин погрешностей моделей кинетики, приведённых в таблице 3.3.1, позволяет заключить, что процесс хорошо описывается моделью для случая, когда скорость процесса лимитирует химическая реакция первого порядка при изменении поверхностной концентрации одного из реагентов - уравнение Гинстлинга-Броунштейна для химической реакции (3.3.1). Перенос компонентов через слой1 продукта осуществляется как обычным путём, например, ионов калия К+, так и посредством химической реакции - перенос ионов марганца Мп . Изменение концентрации на поверхности контакта может быть связано с образованием раствора. Причём раствор может иметь различную «природу - либо жидкий, образованный из смеси исходных веществ, продуктов реакции и примесей - карбоната калия, щёлочи и воды. Эти примеси всегда сопутствуют надпероксиду калия. Также возможна некоторая растворимость одного из реагентов в сверхкритическом кислороде. Для диоксида марганца возможно образование при высоком давлении кислорода неустойчивого оксида МпОз который обладает высокой летучестью. Этот оксид образуется, например, в реакции разложения перок-сида водорода на диоксиде марганца как промежуточное соединение [33].

В начальный период, когда сплошной слой продукта реакции либо ещё не сформировался, либо очень тонкий (находится в нанометровом диапазоне), действуют различные закономерности: линейная, логарифмическая, кубическая и четвёртой степени. Возможно действие сразу нескольких механизмов и влияние неизотермичности. Затем происходит смена механизма и лимитирующей стадией оказывается химическая реакция на поверхности раздела реагент - продукт. Для описания процесса на этой стадии пригодно уравнение (1-а)_1-1 = /ст, (3-3.1) Где а — степень превращения, доли единицы, к = 1,09-10"4 с"1 - константа скорости. В литературе отсутствуют данные по свободной энергии Гиббса образования манганата (VI) калия. Эта величина необходима для расчёта константы равновесия реакции разложения перманганата калия. Знание численного зачения этой константы необходимо для выбора эффективного режима процесса. Поэтому константа равновесия была определена экспериментально. Разложение протекает по уравнению КМпОд =-К2Мп04+-Мп02+-02. 4 2 2 2

В результате выдерживания перманганата калия под давлением 40,0 МПа в течение 48 часов мольное отношение составило у(КМпР4) =38 Соответственно, выразив v(KMn04) и v(K2Mn04) через v(K2Mn04) 1-а степень дисссоциации, получим: ——- = 38 и а = 0,05. Константа химией 2 ческого равновесия реакции: К р = Pl0 . Согласно уравнению изотермы химической реакции AG = -RTinK получается значение изменения энергии Гиббса -11,8 кДж/моль.

Похожие диссертации на Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса твердофазного синтеза перманганата калия