Расчет и оптимизация технологий с использованием HSC Chemistry

 
 
Г. И. Мальцев, К. Л. Тимофеев  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
РАСЧЕТ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ 
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ HSC CHEMISTRY  
 
 
 
 
 
Допущено учебно-методическим объединением по образованию 
в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов высших 
учебных заведений, обучающихся по направлению «Металлургия» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 

УДК 669.04:004.9 
ББК 34.3 
М21 
 
 
Рецензенты: 
кафедра металлургии цветных металлов ФГАОУ ВО «Уральский федеральный 
университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина»  
(зав. кафедрой д-р техн. наук, с. н. с. С. В. Мамяченков); 
кафедра химической технологии древесины, биотехнологии и наноматериалов 
ФГБОУ ВО «Уральский государственный лесотехнический университет»  
(канд. техн. наук, доц. А. В. Свиридов) 
 
 
Мальцев, Г. И. 
М21  
Расчет и оптимизация технологий с использованием HSC Chemistry : 
учебное пособие / Г. И. Мальцев, К. Л. Тимофеев. - Москва ; Вологда : 
Инфра-Инженерия, 2023. - 212 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1227-8 
 
Приведены примеры расчета термодинамических, теплотехнических и технологических практических задач. Для решения задач по разработке новых и оптимизации существующих технологий использованы возможности пакета прикладных программ HSC Chemistry. Решение примеров позволяет поэтапно реализовать алгоритм 
расчета: от постановки задачи, ее записи средствами программ пакета до решения и 
получения результатов, их правильной интерпретации в терминах химической технологии и металлургии.  
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 
«Металлургия» и «Химическая технология», магистрантов, аспирантов и специалистов, работающих в области металлургии цветных, редких, рассеянных металлов и 
элементов, для выполнения практических задач защиты окружающей среды от загрязнений.  
 
УДК 669.04:004.9 
ББК 34.3 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1227-8 
” Мальцев Г. И., Тимофеев К. Л., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
Ϯ 
 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5 
ГЛАВА 1. Основные сведения .................................................................................. 8 
               1.1. Физический смысл H, S, C и G 
............................................................. 9 
ГЛАВА 2. Формулы веществ и уравнения реакций 
.............................................. 17 
         2.1. Одно химическое вещество ............................................................... 18 
         2.2. Уравнения реакций ............................................................................. 21 
ГЛАВА 3. Тепловой и материальный баланс ........................................................ 28 
        3.1. Основная процедура расчета .............................................................. 30 
        3.2. Спецификация групп веществ (потоков) 
........................................... 33 
        3.3. Формулы в ячейках 
.............................................................................. 35 
        3.4. Элементный состав 
.............................................................................. 36 
        3.5. Дополнительный лист ......................................................................... 37 
        3.6. Целевой диалог .................................................................................... 39 
        3.7. Графика ................................................................................................. 40 
         3.8. Зоны баланса ........................................................................................ 43 
        3.9. Общие вопросы .................................................................................... 48 
        3.10. Примеры теплового баланса 
............................................................. 50 
ГЛАВА 4. Тепловые потери .................................................................................... 53 
        4.1. Основная процедура расчета .............................................................. 54 
        4.2. Примеры тепловых потерь 
.................................................................. 57 
               4.3. Подробное описание программы 
....................................................... 62 
ГЛАВА 5. Модуль равновесия ................................................................................ 77 
               5.1. Определение элементов 
...................................................................... 79 
               5.2. Предоставление исходных данных ................................................... 81 
               5.3. Равновесие в растворе 
......................................................................... 89 
         5.4. Общие вопросы ................................................................................... 91 
         5.5. Ограничения ........................................................................................ 93 
         5.6. Процедуры расчета ............................................................................. 95 
               5.7. Построение диаграмм равновесия 
..................................................... 97 
         5.8. Примеры диаграмм равновесия 
....................................................... 104 
         5.9. Давление пара 
.................................................................................... 107 
         5.10. Образцы модуля равновесия HSC ................................................. 110 
ГЛАВА 6. Равновесие ячеек .................................................................................. 124 
         6.1. Модуль ячейки .................................................................................. 126 
ГЛАВА 7. Формула веса ........................................................................................ 128 
ϯ 
 

ГЛАВА 8. Eh-pH  диаграммы (диаграммы Пурбе) ............................................. 130 
               8.1. Вступление 
......................................................................................... 130 
        8.2. Технические характеристики химической системы ...................... 132 
        8.3. Меню диаграммы Eh-pH ................................................................... 135 
        8.4. Нормальные диаграммы Eh-pH 
........................................................ 139 
        8.5. Характеристики комбинированных диаграмм ............................... 142 
        8.6. Комбинированные диаграммы Eh-pH ............................................. 146 
              8.7. Результаты расчета комбинированных диаграмм .......................... 146 
        8.8. Диаграммы Eh-pH на практике ........................................................ 148 
ГЛАВА 9. Примеры ЕР-рН .................................................................................... 149 
ГЛАВА 10. Диаграммы H, S, C, G 
......................................................................... 160  
ГЛАВА 11. Графика диаграмм .............................................................................. 164 
         11.1. Объекты графики ............................................................................ 164 
               11.2. Форматирование диаграммы 
.......................................................... 167 
         11.3. Редактирование и объединение диаграмм ................................... 171 
ГЛАВА 12. Диаграммы фазовой устойчивости 
................................................... 174 
        12.1. Модуль Диаграммы Трр 
.................................................................. 175 
        12.2. Диаграммы Трр ................................................................................ 177 
        12.3. Модуль и меню диаграммы Lpp 
..................................................... 178 
ГЛАВА 13. Минералогические итерации (циклы) 
.............................................. 182 
ГЛАВА 14. Преобразования композиции ............................................................ 188 
ГЛАВА 15. Модуль элементов .............................................................................. 189 
ГЛАВА 16. Вода 
...................................................................................................... 191 
               16.1. Основная процедура расчета 
.......................................................... 192 
         16.2. Примеры расчетов .......................................................................... 196 
         16.3. Подробное описание 
....................................................................... 198 
ГЛАВА 17. Модуль единиц измерения ................................................................ 201 
ГЛАВА 18. Функции добавления Excel ............................................................... 204 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 209 
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ................................................. 210 
 
 
 
 
 
 
ϰ 
 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Многие химические и технологические процессы производства соединений металлов и их сплавов описываются совокупностью химических реакций 
в растворах и расплавах, сопровождающихся тепловыми эффектами, в ходе 
которых могут образовываться новые фазы. В одну из таких фаз, являющуюся 
товарным продуктом, стремятся как можно полнее извлечь ценный компонент 
из исходного сырья, в другие ௅ перевести сопутствующие примесные компоненты.  
Разрабатывая новый или оптимизируя существующий технологический 
процесс, необходимо проанализировать протекание в системе возможных реакций (окисление, восстановление, сульфидирование и др.) между взаимодействующими компонентами и задаваемыми вспомогательными материалами 
(флюсами) в условиях, которые могут иметь место в действующих технологических аппаратах; количество и состав полученных продуктов; равновесные 
составы контактирующих фаз; суммарный температурный баланс процесса.   
В случае гидрометаллургических процессов необходимо предусмотреть 
возможность  образования осадков при очистке растворов от примесей, контролируя величины рН и окислительно-восстановительных потенциалов, компонентов потенциальных реакций.  
Результаты электрохимических процессов прогнозируют на основе расчетов электродных потенциалов и требуют проведения термодинамических расчетов, базирующихся на законах физической химии. Помимо того, что такие 
расчеты довольно трудоемки и многостадийны, они требуют исходных термодинамических данных. На любой стадии расчета возможны определенные неточности, способные привести к ошибочным результатам и выводам.  
HSС Chemistry предназначена для расчетов различных видов химических 
реакций и равновесий. Стандартная версия содержит четырнадцать расчетных 
модулей, отображаемых в виде четырнадцати опций в главном меню HSC: 
1. Уравнения реакций  
2. Тепловые и материальные балансы  
3. Расчеты тепловых потерь  
4. Равновесные композиции  
5. Электрохимические равновесия  
6. Формула (выражение) весов  
7. Eh-pH диаграммы 
8. Диаграммы H, S, C и G 
ϱ 
 

9. Диаграммы фазовой устойчивости  
10. Минералогические итерации (последовательное приближение) 
11. Преобразования композиции 
12. Элементы  
13. Таблицы насыщенного водяного пара 
14. Единицы (комплектность) 
 
Название программ объединяет то обстоятельство, что все они автоматически используют одну и ту же обширную термохимическую базу данных, содержащую сведения по энтальпии (H), энтропии (S) и теплоемкости (C) для 
более чем 17 000 химических соединений.  
Задача HSC заключается в том, чтобы сделать обычные термодинамические расчеты быстрыми и простыми для выполнения с помощью персональных компьютеров, вследствие чего HSC имеет широкие перспективы применения в образовательном процессе, промышленности и научных исследованиях. Термохимические расчеты полезны, как при разработке новых, так и оптимизации существующих химических процессов. HSС Chemistry является полезным инструментом для учреждений образования в области химической 
практики и исследований. 
Традиционные термодинамические расчеты, основанные на экспериментальных или оценочных данных, использовали функции устойчивости, приведенные в различных термодинамических справочниках и статьях в научных 
журналах. Затрудненная стадия поиска и сложные вычисления, а также несоответствия, возникающие из-за различных выборов стандартных и эталонных 
состояний, сделали эту процедуру расчета довольно трудоемкой. 
HSС Chemistry предлагает эффективные методы расчета для изучения влияния различных переменных на равновесную химическую систему. Если задать состав и количество сырья, другие условия практически любого химического процесса, программа рассчитает количество готового продукта. HSC 
также осуществляет расчеты теплового и материального баланса различных 
процессов гораздо проще, чем любой традиционный метод. Вариант диаграмм 
Eh-pH HSC также предлагает экспресс-способ изучения растворения и коррозионного поведения различных материалов. 
Конечно, HSС не решает всех химических задач, поскольку не учитывает 
кинетику (скорость) протекания химических реакций и неидеальность растворов. В этой связи с его помощью невозможно прогнозировать производительность технологических процессов. Такие расчеты необходимо делать вне пакета, иными средствами. По этой же причине термодинамические прогнозы, 
ϲ 
 

получаемые при использовании пакета, следует понимать как предварительные, требующие уточнения. 
Однако во многих случаях это очень недорогой и полезный инструмент, 
который помогает найти оптимальные условия реакции и направления для 
экспериментальных исследований с минимальным количеством установочных 
опытов. 
 
 
 
 
ϳ 
 

 
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ 
 
HSС Chemistry предназначена для расчетов многих различных видов химических реакций и равновесий. Текущая версия содержит 14 вариантов расчета: 
1. Уравнения реакций  
2. Тепловые и материальные балансы  
3. Расчеты тепловых потерь  
4. Равновесные композиции  
5. Равновесие электрохимических элементов  
6. Формула весов  
7. Диаграммы фазовой устойчивости (Тpp- и Lpp-версии)  
8. Eh-pH диаграммы с концентрационными и температурными переменными  
9. Энтальпия, энтропия, теплоемкость, энергия Гиббса и диаграммы Эллингема 
10. Минералогические итерации  
11. Преобразования состава  
12. Мармиты воды и диаграммы Mollier  
13. Преобразование единиц измерения  
14. Свойства элементов в табличном и графическом формате 
 
Название программ основано на том факте, что все четырнадцать вариантов 
расчета автоматически используют одну и ту же обширную термохимическую 
базу данных, содержащую данные по энтальпии (H), энтропии (S) и теплоемкости (Cp) для более чем 17 000 химических соединений. 
Программное обеспечение HSС Chemistry позволяет моделировать химические реакции и процессы на термохимической основе. Этот метод не учитывает 
все необходимые факторы, такие как скорость реакций, вопросы тепло- и массообмена и др. Однако во многих случаях чисто термохимический подход может легко дать полезную и разностороннюю информацию для разработки новых химических процессов и оптимизации существующих. 
Абсолютное моделирование процессов означает, что любой химический 
процесс может быть полностью спроектирован в компьютере в отсутствие экспериментальной работы. Однако это цель далекого будущего, поскольку нет 
полной общей теории или базовых данных, которые могли бы успешно сочетать термодинамику, неидеальность решений, а также динамику (кинетику) для 
всех процессов. Близкое к идеальному моделирование может быть достигнуто 
для одной отдельной стадии процесса путем экспериментального измерения 
ϴ 
 

всех необходимых параметров для моделей решения, кинетических моделей, а 
также для моделей течения и теплообмена, что требует нескольких месяцев или  
лет работы, чтобы иметь возможность имитировать одну единственную ступень 
процесса. Довольно часто требуется быстрый базовый (mainframe) компьютер. 
С помощью HSС Chemistry можно рассчитать химические равновесия между чистыми веществами и идеальными, а также, в некоторой степени, неидеальными растворами. Для этих расчетов необходимы только данные по энтальпии (H), энтропии (S) и теплоемкости (Cp) для всех преобладающих соединений 
или чистых веществ. Во многих случаях эти результаты расчетов могут имитировать реальные химические реакции и процессы с достаточной точностью для 
практического применения. Важным преимуществом является также то, что 
спецификация химической системы, поиск данных и окончательные расчеты 
могут быть выполнены на обычных персональных компьютерах «Intel Pentium» 
в течение нескольких минут. 
Для проверки полученных результатов необходима экспериментальная работа, поскольку HSС не учитывает кинетические явления. Однако HSС помогает 
минимизировать количество установочных опытов, поскольку она быстро и легко дает своего рода ключ к пониманию влияния технологических параметров на 
продукты реакции и условия процесса. Обычно термохимические расчеты показывают, что физически возможно, а что невозможно, что является весьма ценной 
информацией при составлении планов экспериментальных исследований. 
При термодинамическом равновесии скорости реакций и обратных реакций 
могут быть интерпретированы как имеющие одинаковую скорость, т. е. это состояние является лишь частным случаем кинетических явлений. Доступны некоторые программы, которые учитывают ряд кинетических аспектов. Однако 
они не являются общими, как коды термодинамического равновесия ௅ они 
обычно действительны только для определенных геометрий и сред. 
В литературе имеется ряд моделей решений для описания неидеальности 
фаз смеси. Практическая проблема довольно часто заключается в отсутствии 
достоверных данных для параметров решения. Хотя модели растворов не были 
интегрированы в HSС Chemistry, неидеальность растворов может быть в определенной степени учтена в расчетах равновесия путем включения постоянных 
коэффициентов активности или простых формул коэффициентов активности в 
программу решения уравнения равновесия Гиббса. 
 
1.1. Физический смысл H, S, C и G 
 
Термохимические расчеты основаны на значениях энтальпии H, энтропии S, 
теплоемкости Cp или энергии Гиббса G для химических процессов. Все они моϵ 
 

гут быть математически вычислены из экспериментальных данных. Изложим 
краткое и упрощенное, но наглядное представление о термохимических количествах и методах. 
Энтальпия H: абсолютные значения энтальпии H веществ не могут быть 
измерены, но разность энтальпий между двумя температурами может быть 
определена с помощью калориметра. Теплоемкость Cp при постоянном давлении (удельная теплоемкость) может быть рассчитана по этим данным с помощью уравнения (1.1): 
 
 
Cp  =  (dH / dT)P,n                                    
          (1.1) 
 
Уравнение (1.1) позволяет вычислить энтальпию как: 
 
 
H(T)  =  Hf (298,15)  ׬
ܥ௣݀ܶ
்
ଶଽ଼ǡଵହ
  ™Htr ,                       (1.2) 
 
где Hf (298,15) ௅ энтальпия образования при 298,15 К; Htr ௅ энтальпия превращения вещества. Калориметрические измерения при различных температурах 
дают кривую энтальпии цинка (рис. 1.1). 
 
Рис. 1.1. Энтальпия чистого Zn при 0௅1400 К по отношению к твердому Zn 
гексагональному при 298,15 К: solid ௅ твердый; liquid ௅ жидкий;  
gas ௅ газообразный 
 
 
ϭϬ