Теоретические основы неорганических веществ

Вариант № 10

1.  Назначение  конденсационной  колонны   в  производстве аммиака.  Опишите   ее  устройство  и  ход   материальных  потоков  в  ней.  Укажите  технологические  параметры,  материал  изготовления,  габариты колонны.

 

Конденсационная колонна (рисунок  1) предназначена для рекуперации холода, приносимого циркуляционным газом из аммиачного испарителя, и сепарации аммиака, сконденсировавшегося в аппаратах вторичной конденсации.

 

 

Рисунок 1 - Конденсационная  колонна

 

Конденсационная колонна  состоит из корпуса высокого давления и насадки. Насадка включает теплообменник, расположенный в верхней части, и сепаратор, состоящий из корзины с полуфарфоровыми кольцами Рашига и свободного сепарационного объема. Внутренний диаметр колонны 2000 мм. Высота корпуса 16.550 м. Общая высота аппарата 19.95 м. Теплообменник кожухотрубчатый состоит из труб диаметром 14х2 мм имеет поверхность 2120 м².

В сепарационную часть  конденсационной колонны осуществлен  подвод свежего газа в слой жидкого  аммиака для удаления следов углекислоты и влаги. Средняя скорость газа в свободном сечении сепарационной части равна ~0.3 м/с. Запас времени на полное опорожнение ~7 мин и на переполнение (от среднего уровня до максимального) ~1.5 мин. Конденсационная колонна состоит из следующих частей: 1 - корпус; 2 - теплообменник; 3 - отбойник; 4 - сепарационное устройство [1,2].

 

2. Печное  отделение  в производстве  серной  кислоты.  Основные типы печей для обжига серного колчедана,  их  конструкции.

 

Существует несколько  типов печей:

1. Механические полочные печи (подовые)
2. Печи для обжига пылевидного колчедана
3. Печи кипящего слоя
4. Циклонные печи

1. В механических полочных печах измельченный колчедан находится на нескольких подах и сгорает по мере перемещения его гребками с одного пода на другой. Наиболее распространена полочная печь ВХЗ (Воскресенского химического завода), имеющая 8 полок, семь из которых рабочие и одна для сушки колчедана. Общая площадь 140 м²

- интенсивность работы 32-35 т/сутки

- содержание серы в  огарке ~2%

- концентрация SO₂ в обжиговом газе 9-10 % об.

Температура обжига 800-900^° на наиболее горячих подах.

Имеют ряд недостатков:

1. возможность спекания колчедана
2. нужно тщательное регулирование подачи воздуха
3. необходимо интенсивное охлаждение вала и гребков
4. регулярная очистка пересыпных отверстий
5. наличие вращающихся деталей.

2. В печах пылевидного обжига частицы колчедана сгорают во время падения в полой камере. Имеют существенные преимущества по сравнению с подовыми печами, т.к. не имеют вращающихся частей. Высота 10 м, диаметр 4м.

- режим работы не устойчив, концентрация SO₂ колеблется в широких пределах.

- содержание серы в  огарке ~2%

- температура 900-950⁰С

- интенсивность работы 100 т/сутки.

Недостатки:

- в обжиговом газе  много пыли (100 г/м³)

- трудности в равномерности  загрузки колчедана

- нестабильное содержание SO₂ в печном газе.

3. В печах кипящего слоя колчедан поддерживается во взвешенном (псевдоожиженном) состоянии поступающим снизу воздухом и сгорает при интенсивном перемешивании. В печах такой конструкции процессы тепло- и массо-отдачи протекают с большей интенсивностью, чем даже в печах пылевидного обжига. Это достоинство привело к тому, что в настоящее время они используются практически повсеместно.

- интенсивность работы до 500 т/сутки

- содержание SO₂ в печном газе, 14-15%

- температура 750^°С

- содержание серы в  огарке ~1%

Печь КС для обжига колчедана представляет собой вертикальную цилиндрическую футерованную огнеупорным  материалом камеру, в нижнюю часть  которой через подовую плиту (решетку) с большим числом отверстий поступает подаваемый снизу воздух, который равномерно распределяется по всему сечению печи. Скорость воздуха поддерживается таким образом, чтобы поступающий в печь измельченный колчедан поддерживался во взвешенном состоянии и не проваливался через решетку. В печи колчедан очень интенсивно перемешивается с воздухом, что обеспечивает высокую скорость процесса обжига. Температура во всем объеме кипящего слоя почти одинакова (разница составляет лишь 5-10^°С).

В печах КС можно обжигать не только флотационный колчедан, но и более крупный дробленый. Если в таком колчедане отсутствует мелочь, можно увеличить скорость газа и сжигать большое количество колчедана на единицу площади решетки.

Количество пыли, уносимой с обжиговым газом, достигает 90% всего  огарка. Эта пыль выделяется вначале в котле-утилизаторе, затем в циклоне, и окончательная очистка происходит в сухом электрофильтре.

Благодаря высокой скорости горения и интенсивному перемешиванию  в кипящем слое находится не колчедан, а огарок. Содержание серы в огарке в различных точках кипящего слоя примерно одинаково. Высота кипящего слоя определяется высотой, на которой расположено отверстие для удаления огарка из печи.

При обжиге колчедана  температура в печах КС во избежание  слипания частиц сырья не должна превышать 800^°С. Потери тепла в окружающую среду в таких печах невелики (1-2%), поэтому для поддержания в них требуемой температуры необходимо отводить из печи большое количество тепла. Для этого в зоне кипящего слоя располагаются охлаждающие элементы – змеевики для подогрева воды или секции труб парового котла, что позволяет совместить в одном аппарате процессы сжигания колчедана и получение пара.

 

 

Таблица 1. Сравнительный анализ интенсивности  различных печей

Печи	Интенсивность
	Кг/м2 сутки	Кг/м3 сутки
Полочные	250	200
Пылевого обжига	5000	1000
КС	20000	2000

 

4. Циклонные  печи представляют собой вертикальный футерованный цилиндр, в который по касательной подается подогретый воздух со взвешенным в нем тонкоизмельченным колчеданом с большой скоростью и сгорает. Температура высокая 1000-1200^°С. Огарок плавится, отбрасывается центробежной силой к стенке печи и вытекает через специальное отверстие. Циклонные печи широко не использовались, применялись только на полупромышленных установках.

Использование огарка.

Образующийся огарок содержит ~50% железа и представляет собой ценное сырье для получения чугуна, но он содержит серу и цветные металлы выше допустимых норм. Огарок очищают от соединений серы и содержание железа в нем увеличивается до 60-67%. Из огарка известными способами: выщелачиванием, сульфатирующим или хлорирующим обжигом извлекают цветные металлы. Затем огарок гранулируют, т.к. он иногда очень мелкий и подают на загрузку в доменные печи.

Часть огарка используют в цементной промышленности, часть  для получения минеральных пигментов (сурика, мумии). Для этого огарок при нагревании обрабатывают серной кислотой, затем образующийся сульфат железа обжигают в присутствие добавок. В зависимости от температуры обжига и добавок получают пигменты различного оттенка.

 

 

 

 

 

Список использованных источников

1. Кутепов А.М. Общая химическая технология: Учеб. для вузов по спец. хим.-технол. профиля / Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г. - М.: Академкнига, 2003. - 528 с.
2. Производство аммиака / Под ред. В.П.Семенова.-М., Химия, 1985.-385с.Ахназарова С.Л. Оптимизации эксперимента в химии и химической технологии: Учеб. пособие для хим.-технол. спец. вузов / Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. - М.: Высшая школа, 1978. - 319 с.
3. Соколов Р.С. Химическая технология. Учеб. пособие для вузов. Т.1. - М.: Гуманитарный издательский центр ВЛАДОС, 2000. - 368с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.  Рассчитайте   материальный  баланс  абсорбционной   колонны  производства  неконцентрированной азотной  кислоты.  Исходные  данные:  производительность  агрегата  7400  кг/ч 100  % HNO₃; давление  в колонне 1,16 МПа; степень превращения оксидов α =  0,98;  давление  паров воды над 60 %-ной HNO₃ при  30⁰ С составляет 1,37*10³ Па, из промывной колонны в виде конденсата в  абсорбционную  колонну  поступает  70 т/сут (в пересчете на  100 %  HNO₃)  40  %-го конденсата  HNO₃. Состав  нитрозного  газа  на входе в колонну:

газ	NO2	NO	O2	N2	H2O
% об	6.15	0.29	3.88	89.02	0.66

 

 

Решение:

 

В основе материального  баланса лежит закон сохранения массы. Применительно к материальному балансу любого технологического процесса это означает, что масса веществ, поступающих на технологическую операцию – приход, равна массе всех веществ, получающихся в результате этой операции – расход [1].

Теоретический (фиктивный) материальный баланс химико-технологической системы ХТС составляется как по общему массовому расходу вещества, так и по массовому расходу компонентов физических потоков.

Суммарную реакцию синтеза  азотной кислоты в абсорбционной  колонне из нитрозного газа можно  выразить уравнением:

3NO₂ + H₂O = 2 HNO₃ + NO

Уравнение материального  баланса будет выглядеть

Мольный поток вещества рассчитываем по формуле:

где   m_i, M_i – масса и молярная масса вещества; τ – время, за которое подают в реактор или выводят из реактора n_i (моль) вещества.

Производительность агрегата составляет 7400 кг 100% азотной кислоты.

Мольный поток образующейся азотной кислоты

 

где   М (азотной кислоты) = 63 кг/кмоль.

С   учетом того, что часть азотной кислоты поступает с 40 % конденсатом, то рассчитаем мольный поток поступающей с конденсатом кислоты.

Поступление азотной  кислоты с конденсатом составляет 70 т/сут (с перерасчетом на 100% азотную  кислоту) или 2917 кг/час, что составляет

Таким образом в результате химической реакции образуется 7400-2917=4483 кг/ч азотной кислоты (с пересчетом на 100% продукт), что составляет 71,16 кмоль/час.

По уравнению реакции:

на получение 2 моль азотной  кислоты затрачивается

3 моль диоксида азота, соответственно на 71.16 кмоль/ч необходимо 3*71,16/2=106,74 кмоль/ч NO₂

1 моль воды, соответсвенно  на получение 71,16 кмоль/ч необходимо 1*71,16/2 =35,58 кмоль/ч воды.

Рассчитаем количество воды, поступающей с промывными водами, с учетом того, что концентрация азотной кислоты в промывных водых составляет 40%. Т.е. 2917 кг/ч составляет 40%, то расход воды составит 60%*2917/40%= 4376 кг/ч или 4376/18*1=243,1 кмоль/ч.

В результате абсорбционного процесса на выходе из колонны выходит 60% -ная азотная  кислота.

7400 кг/ч составляет 60% раствора

 m (H₂O) составляет 40% раствора

Из данного соотношения  рассчитываем массу воды в растворе котрый уходит из колонны

m (H₂O)=7400*40/60= 4933 кг/ч или 274 кмоль/ч.

Степень превращения – это отношение количества или массы превратившегося реагента к его исходному количеству или массе:

В нашем случае степень  превращения составляет 0,98, и известно, сколько израсходовано диоксида азота на получение  заданного  продукта азотной кислоты. Рассчитываем начальное количество диоксида азота. Для образования нужного количества азотной кислоты затрачивается 106,74 кмоль/ч составляет 106,74*46= 4910 кг/ч

 

Для исходной нитрозной  смеси приведены данные по объемному  содержанию газов. Для пересчета объемного состава в массовый и обратно необходимо знать плотность r_i каждого компонента:

Масса любого газа при  нормальных условиях равна его молярной массе, поделенной на объем, занимаемый одним молем, т.е. , где - плотность газа при нормальных условиях.

 

;

 

Зная массу поступившего в абсорбер диоксида азота можно  рассчитать массу исходной нитрозной  смеси и всех ее компонентов.

Масса диоксида азота  составляет 5010 кг/ч, сто составляет 9,95@10 %,  следовательно масса исходной нитрозной смеси будет равна 5010*100/10=50100 кг/ч. Проводим расчет масс других компонентов нитрозного газа: