Технико-коммерческое предложение по модернизации производства бисульфита натрия

Министерство образования  Российской Федерации

 

Санкт-Петербургский Государственный  Университет Технологии и Дизайна

 

Кафедра инженерной химии и промышленной экологии

 

 

 

 

 

 

 

 

ТЕХНИКО-КОММЕРЧЕСКОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ  ПО МОДЕРНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА БИСУЛЬФИТА НАТРИЯ

 

 

Курсовая работа по дисциплине

«Промышленная экология»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент:           Березина Д.В.

Группа:             3-ХД-5

Преподаватель:            Чупалов В.С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2011

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Бисульфит натрия NaHSO₃  представляет собой кислую соль сернистой кислоты. Он устойчив только в водном растворе. С повышением температуры растворимость его в  воде увеличивается. Водный раствор бисульфита натрия имеет запах сернистого газа и окрашен в желтый цвет.

При охлаждении насыщенного  раствора из него выпадают кристаллы пиросульфита натрия Na₂S₂O_5.

Бисульфит натрия способен легко окисляться и поэтому является хорошим восстановителем. Как восстановитель он находит широкое применение: в  текстильной промышленности – для  крашения и беления тканей; в пищевой  промышленности – как консервирующее средство; в кожевенной промышленности – для дубления кож. Бисульфит натрия является исходным сырьем для получения всех солей сульфитного ряда.

Бисульфит натрия получают путем поглощения сернистого газа раствором  соды. Это сложный химический процесс, состоящий из нескольких отдельных реакций. В начале процесса поглощения сернистый газ, взаимодействуя с раствором соды, образует бикарбонат и сульфит натрия по реакции:

2Na₂CO₃ + SO₂ + H₂O=2NaHCO₃ + Na₂SO₃

Бикарбонат в свою очередь вступает во взаимодействие с сернистым газом, образуя сульфит натрия и углекислый газ по реакции:

2NaHCO₃ + SO₂ = Na₂SO₃ + H₂O + 2CO₂

После разрушения всего  бикарбоната сернистым газом  в растворе остается только сульфит  натрия. Если продолжать поглощение сернистого газа, то он будет взаимодействовать с сульфитом, переводя его в бисульфит натрия по реакции:

Na₂SO₃ + SO₂ + H₂O = 2NaHSO₃

Таким образом, получение  бисульфита натрия путем поглощения сернистого газа раствором соды происходит с образованием, в качестве промежуточных продуктов, бикарбоната и сульфита натрия.

Образование бикарбоната  и разрушения его сернистым газом  идет одновременно, но с разной скоростью, чем его взаимодействие с сернистым  газом. Выпадение бикарбоната в  осадок затрудняет работу аппаратуры. Чтобы этого избежать, поглощение сернистого газа ведут в условиях, в которых образование бикарбоната не происходит. Для этого сернистый газ пропускают не в раствор соды, а  в раствор сульфита натрия, который поучают добавлением к раствору соды готового бисульфита натрия. При смешении образуется сульфит натрия по реакции:

2NaHSO₃ + Na₂CO₃ = 2 Na₂SO₃ + H₂O + CO₂

В раствор сульфита пропускают сернистый газ и получают бисульфит  натрия.

 

Расход сырья

На производство 1 т  стандартного бисульфита натрия расходуют следующие количества сырья:

Сода кальцинированная (95%-ная) - 205  кг;

Сернистый газ ( в пересчете  на 100%-ю серную кислоту) -  383 кг;

Серная кислота (100%-ная) – 20 кг;

Электроэнергия – 10 кВт/ч;

Пар – 0,21 т (или 0,13 Мкал);

Вода – 17 м³

 

Схема производства представлена на рис.1. Установка состоит их двух последовательно расположенных поглотительных (абсорбционных) башен 1 и 4. Каждая башня имеет свой бак-сборник 2 и 5 и обслуживается отдельным центробежным насосом 3 и 6 для подачи раствора из сборника на верх башни для орошения. Башни заполнены насадкой из керамиковых колец, орошаемой сульфит-бисульфитным раствором. Сернистый газ подают снизу на первую поглотительную башню. Здесь он частично поглощается сульфитом натрия, стекающим по насадке сверху вниз навстречу газам, и далее поступает во вторую башню.

Первая по ходу газа башня  называется бисульфитной, так как  в ней получается концентрированный  стандартный раствор бисульфита натрия. Вторая башня, называемая хвостовой, служит для улавливания остатков сернистого газа. Вытекающий из башни 1 сульфит-бусильфитный раствор несколько раз возвращают на орошение, пока не получается стандартный раствор бисульфита натрия, который периодически из сборника 2 перекачивают в хранилища готового продукта для отправки потребителям. После этого в сборник 2 перекачивают насосом 6 часть сульфит-бисульфитного раствора из сборника 5 хвостовой части. К оставшемуся в сборнике 5 сулфит-бисульфитному раствору добавляют свежий раствор соды, который, реагируя с бисульфитом натрия, образует сульфит натрия.

Раствор соды приготовляют в отдельном аппарате-содорастворителе 10 путем растворения кальцинированной соды в воде или маточном растворе от производства сульфита натрия. Отсюда раствор центробежным насосом 9 перекачивают в расходный бак 8 и периодически, по мере надобности, спускают на смешение в сборник 5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Технологическая, операторная и  функциональная схемы производства

 бисульфита натрия

Рис.1 Технологическая  схема производства бисульфита натрия периодическим способом:

1,4,11поглотительные башни; 2,5-сборники; 3,6,8-центробежные насосы; 7,12-вентиляторы; 8-расходный бак; 10-содорастворитель; 13-абсорбер; 14-нагреватель; 15-холодильник.

 

Рис.2 Операторная схема  производства бисульфита натрия периодическим  способом

 

 

Рис.3 Функциональная схема  производства бисульфита натрия периодическим  способом

 

 

 

Критика действующей схемы и  предложение по ее модернизации

 

На приведенной схеме  есть точки, где происходят потери ресурсов и энергии.

Путем снижения экономии себестоимости продукции может  стать экономия энергии. В частности, можно использовать параллельную технологическую связь, тем самым уменьшить сопротивление поглотительной башни. Включив в схему производства дополнительную поглотительную башню, можно уменьшить затраты энергии на перемещение сернистого газа с сохранением мощности и прочих характеристик производства.

Примем производительность бисульфита натрия равной 500000 т/год. Для производства этого количества бисульфита натрия потребуется 307692 т/год или 9,7кг/с сернистого газа. Скорость воздуха в данной установке равна 1 м/с. Объемный расход газа будет равен:

,

 

где 2,86 - плотность сернистого газа, кг/м .

Примем концентрацию сернистого газа равной 90%, тогда расход газа в данной установке:

 

Оценим сопротивление:

,

 

где ξ - коэффициент местных сопротивлений;

λ- коэффициент трения;

l - длина трубопровода, м;

d - диаметр труб, м;

ρ - плотность воздуха, кг/м ;

ω- скорость воздуха, м/ч.

 

Затраченная мощность составит, кВт:

 

,

где Q - расход газа, м³/с;

η - к.п.д., доли ед.

 

 

При введении в схему  дополнительной параллельно-установленной башни, скорость воздуха снизится в два раза, тогда сопротивление агрегата будет равно:

 

 

После модернизации потребляемая мощность вентиляторов составит:

 

 

 

Таким образом, экономия мощности составит 91,3-22,6=68,7Вт=0,0687 кВт, т.е. себестоимость может быть снижена на

 

руб.,

 

где 2,5 - цена 1 кВт·ч, руб;

8000 - число рабочих часов в году.

 

Экономия ресурсов.

В частности, в данной схеме производства не отражены вопросы  утилизации газов. В производстве бисульфита натрия, вследствие активного поглощения сернистого ангидрида содой, можно использовать газ с любым его содержанием, начиная с 0,3% SO_2. Возможность применения газа с малым содержанием сернистого ангидрида позволяет экономично вырабатывать бисульфит натрия и использовать бедные сернистые (выхлопные и отбросные) газы, которые в большом количестве выпускаются в атмосферу. Улавливание газов будет происходить в абсорбционной установке с последующим нагреванием и охлаждением реагентов.

Будем улавливать 1% сернистого газа, что составит 307,7 тонн.

 

Брутто эффект составит:

 

,

 

где 1000 - цена за 1 тонну  сернистого газа, руб.

 

100 г воды улавливает 10 г сернистого газа, следовательно,  чтобы уловить 307,7 тонн сернистого  газа необходимо воды:

 

 

 

 

 

Расход воды:

 

Затраты на осуществление  данного мероприятия будут складываться из затрат энергии насоса, затрат энергии на подогрев и выделение сернистого газа и затрат энергии на охлаждение.

Примем сопротивление  насоса равным 100000 Па.

 

Затраченная мощность насоса составит:

 

 

 

 

Затраты на подогрев:

 

,

 

где C - теплоемкость воды, кДж/кг;

Δt - разность конечной и начальной температур, Сº;

G - расход воды, м³/с.

 

 

,

 

где ΔH_раств.- тепловой эффект растворения сернистого газа, кДж/кг ;

G - расход сернистого газа, кг/с.

 

 

 

,

где 500 - цена за 1 Гкал, руб.

 

 

Затраты на охлаждение:

 

 

 

 

Все затраты на осуществление  данного мероприятия составят:

 

 

Таким образом без  учета капитальных затрат на модернизацию данного производства ожидаемое снижение себестоимости позволит получить годовой ожидаемый эффект:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

 

1. Вассерман И.М.  Производство минеральных солей - Л.:Госхимиздат, 1962.
2. Чупалов В.С. Методические обоснования по выполнению курсовой работы по дисциплине «Промышленная экология» - СПб, 2010.