Реферат Курсовая Конспект
Химическая технология - раздел Химия, Федеральное Агентство По Образованию Федеральное Государственное Обр...
|
Федеральное агентство по образованию
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого
Институт сельского хозяйства и природных ресурсов
Факультет естественных наук и природных ресурсов
Кафедра химии и экологии
Химическая технология
Курс лекций
Великий Новгород
Содержание.
1 Человечество и окружающая среда
1.1 Окружающая среда
1.2 Человек – как компонент окружающей среды
1.3 Производственная деятельность человека и ресурсы планеты
1.4 Реакция окружающей среды на антропогенную деятельность
1.5 Биосфера и ее эволюция
2 Химическое производство в системе антропогенной деятельности
2.1 Материальное производство и его организация
2.2 Химическая промышленность
3 Химическая наука и производство
3.1 Химическая технология – научная основа химического производства
3.2 Особенности химической технологии как науки
3.3 Связь химической технологии с другими науками
4 Основные компоненты химического производства
4.1 Химическое сырье
4.2 Ресурсы и рациональное использование сырья
4.3 Подготовка химического сырья к переработке
4.4 Замена пищевого сырья не пищевым и растительного минеральным
5 Вода в химической промышленности
5.1 Использование воды, свойства воды
5.2 Промышленная водоподготовка
6 Энергетика химической промышленности
6.1 Использование энергии в химической промышленности
6.2 Источники энергии
6.3 Классификация энергетических ресурсов
7 Экономика химического производства
7.1 Технико-экономические показатели химического производства
7.2 Структура экономики химической промышленности
7.3 Материальные и энергетические балансы химического производства
8 Основные закономерности химической технологии
8.1. Понятие о химико-технологическом процессе
8.2. Процессы в химическом реакторе.
8.2.1.Химический процесс
8. 2.2 Скорость химической реакции
8.2.3 Общая скорость химического процесса
8.2.4. Термодинамические расчеты химико-технологических процессов
8.2.5. Равновесие в системе
8.2.6 Расчет равновесия по термодинамическим данным
8.2.7 Термодинамический анализ
9 Организация химического производства
9.1 Химическое производство как система
9.2 Моделирование химико-технологической системой
9.3 Организация ХТП
9.3.1 Выбор схемы процесса
9.3.2 Выбор параметров процесса
9.4 Управление химическим производством
Процессы и аппараты химического производства
10.1 Общая характеристика и классификация процессов
10.2 Основные процессы химической технологии и аппаратура для них
10.2.1 Гидромеханические процессы
10.2.2. Тепловые процессы
10.2.3 Массобменные процессы
10.3 Химические реакторы
10.3.1 Принципы проектирования химических реакторов
10.3.2 Классификация химических реакторов
10.3.3 Конструкции химических реакторов
10.3.4 Устройство контактных аппаратов
11 Гомогенные процессы
Характеристика гомогенных процессов
11.1.1 Гомогенные процессы в газовой фазе
Человечество и окружающая среда
Реакция окружающей среды на антропогенную деятельность
Система « человек - окружающая среда» находится в состоянии динамического равновесия, при котором поддерживается экологически сбалансированное состояние природной среды, при которой живые организмы взаимодействуют с окружающей средой и друг с другом и окружающей средой без нарушения этого равновесия. Производственная деятельность человека приводит к нарушению этого состояния и вызывает со стороны окружающей среды ответную реакцию. По глубине реакции окружающей среды различают:
– возмущение, временное и обратное изменение среды;
– загрязнение;
– аномалии.
При длительном воздействии могут наступить:
- кризис среды – состояние, при котором параметры приближаются к допустимым,
- разрушение среды, при котором она становится непригодной для обитания.
Химическое производство в системе антропогенной деятельности
Материальное производство и его организация
В н.в. взаимодействие человека с окружающей средой реализовано в форме крупномасштабного материального производства. Материальным производством является процесс создания материальных благ. Оно является основой всех других видов деятельности человека и включает три основных компонента:
1. Предметы труда – все то, что подвергается обработке, на что направлен труд человека. Они даны природой и являются продуктами труда.
2. Средства труда – машины, аппараты, приспособления, с помощью которых человек воздействует на предметы труда.
3. Живой труд - сознательная целенаправленная деятельность человека.
Процесс материального производства организационно реализуется в форме промышленности.
Основные компоненты химического производства
Химическая технология изучает закономерности проведения химических процессов получения различных по своей природе и назначению продуктов. Независимо от конкретного вида производственной продукции и типа процесса ее получения любое производство включает несколько обязательных элементов: сырье, т.е. объект превращения; энергию, т.е. средство воздействия на объект и аппаратуру, в которой это превращение осуществляется. Особое место в химической промышленности занимает вода. Она не только служит средой, в которой протекают многие химические превращения, но широко используется в процессе, как растворитель, теплоноситель, хладагент, транспортное средство. Поэтому воду правомочно считать четвертым обязательным элементом химического производства.
Вода в химической промышленности
Энергетика химической промышленности
Классификация энергетических ресурсов
ВЭР называется энергетический потенциал конечных, промежуточных и побочных продуктов и отходов химического производства, используемых для энергоснабжения агрегатов и установок. К ВЭР относятся тепловые эффекты экзотермических реакций, теплосодержание отходящих газов процесса, потенциальная энергия сжатых газов и жидкостей.
Важнейшим источником энергии является химическое топливо (ископаемые угли, торф, нефтепродукты, природный газ, технические газы), составляющее в балансе энергоресурсов химической промышленности до 70%. Структура потребления химического топлива: газ - 19.4%, твердое топливо - 30.9%, нефтепродукты - 47.2%.
Второе место по масштабам энергетического вклада занимает гидроэнергия ГЭС и ядерная энергия АЭС.
По энергоемкости химические производства делятся на три класса:
1 класс - производства с расходом УТ более 2т(58 * 103кДж) на 1т продукции. Это производства ацетилена, химических волокон, капролактама, полиэтилена.
2 класс - производства с расходом УТ от 1 до 2 т(29*103-58*103 кДж) на тонну продукции. Это производства аммиака, карбоната натрия, метанола.
3 класс - производства с расходом УТ менее1т (29*103кДж) на тонну продукции. Это производства разбавленной азотной кислоты, уксусной кислоты, этиленгликоля.
В химических производствах энергетические затраты влияют на технико - экономические (ТЭП) показатели процесса. Критерием экономичности использования энергии является коэффициент использования энергии, которым называется отношение количества энергии, теоретически необходимое на производство единицы продукции Wт к количеству энергии, практически затраченной на это Wпр
ηэ = Wт/Wпр
Для высокотемпературных эндотермических процессов коэффициент использования тепловой энергии не превышает 0.7, т.е до 30% энергии уходит с продуктами реакции в виде тепловых потерь.
Степень использования тепла в химико- технологическом процессе выражается тепловым к.п.д., под которым понимается отношение количества тепла, используемого непосредственно на осуществление химической реакции Qт к общему количеству затраченного тепла Qпр
ηт = Qт/Qпр
Тепловой к.п.д. – частный случай коэффициента использования энергии. Для определения теплового к.п.д. аппарата составляется тепловой баланс, который основан на законе сохранения энергии. Он показывает, какое количество тепла поступает в реакционный аппарат и на что это тепло расходуется. Например, в печи для обжига известняка основной химической реакцией является термическая диссоциация карбоната кальция с получением оксида кальция.
В данном случае тепловой к.п.д. - это отношение количества тепла, расходуемого на диссоциацию СаСО3 Qт к общему количеству затраченного тепла Qп. В процентах он равен:
ηт =Qт/Qп *100 = 2850/4390 *100=65%
Количество тепла, теряемое с продуктами, выходящими из печи
(834+ 90 /43990) *100 = 21%
Тепловой баланс известково-обжигательной печи
Приход Расход
Статья кДж/кг Статья кДж/кг
От сгорания топлива 4390 1.На использование
известняка 155
2.На разложение
СаСО3 2850
3. Потери тепла
а) с отходящими газами 834
б) от неполноты сгорания
топлива 197
в) с выгружаемой из печи
известью 90
г) через стенки печи 264
Итого: 4390 Итого 4390
Тепло газообразных продуктов реакции или отходящих газов может быть использовано для предварительного нагрева материалов, поступающих в реакционные аппараты. Например,
Продукты реакции
1
реагенты
Использование тепла продуктов реакции или отходящих газов
1 – теплообменник, 2- реакционный аппарат.
Тепловые потери в окружающую среду составляют 264/4390 *100 = 6%.
В ряде химико-технологических процессов тепловые потери составляют 10-15%. Их уменьшают тепловой изоляцией аппаратуры, конструктивным оформлением аппаратов.
Экономика химического производства
Принципиальная схема ХТП
|
|
|
А' А¢ ®
Д¢
А¢ - сырье до подготовки, А – подготовленное сырье,
В+Д – реакционная смесь, В¢ - выделенный целевой продукт, Д¢ - побочный продукт,
Таким образом, из трех стадий ХТП первая и третья представляют физические процессы, вторая – химический процесс. Общая скорость технологического процесса может лимитироваться скоростью одной из трех стадий. Если наиболее медленно идут химические реакции, и они лимитируют общую скорость, то говорят, что процессы происходят в кинетической области. Если общая скорость лимитируется подготовкой сырья и подводом реагентов или отводом продуктов, то это значит, что процесс происходит в диффузионной области. Эффективность осуществления ХТП требует соблюдения некоторых условий. Поэтому для каждого ХТП разрабатывается технологический режим.
Технологическим режимом называется совокупность параметров, обеспечивающих устойчивое и максимально эффективное проведение ХТП.
Параметром технологического режима называют величину, характеризующую какое-либо устройство или режим работы аппарата, используемую в качестве основного показателя их действия. Параметр – величина количественная и используется для количественной оценки процесса. К основным параметрам ХТП относятся: температура, давление, концентрация реагентов, интенсивность катализатора, время контактирования реагентов, объемная скорость потока реагента, сила тока и т.д. Оптимальные условия проведения ХТП достигаются таким сочетанием его основных параметров, при котором обеспечивается наибольший выход целевого продукта с высокой скоростью и наименьшей себестоимостью. Параметры технологического процесса определяют принципы конструирования соответствующих реакторов. Характер и значения параметров технологического режима положены в основу классификации ХТП.
Однако все параметры взаимосвязаны. Значительное изменение одного из них влечет за собой резкое изменение других. Поэтому выбираются параметры, оказывающие решающее влияние.
Химические реакции подразделяются:
По фазовому (агрегатному) состоянию взаимодействующих веществ: гомогенные (однородные), гетерогенные (неоднородные). Гомогенными системами называются такие системы, в которых все реагентные вещества находятся в одной какой-либо фазе Г, Ж, Т. Гетерогенные системы включают 2 или большее количество фаз: Г-Ж, Г-Т, Ж-Ж (не смешиваются) Ж-Т. В гомогенных системах взаимодействующих веществ реакции происходят обычно быстрее, чем в гетерогенных, механизм всего процесса проще, управление процессом легче, поэтому технологи стремятся к гомогенным процессам. Гетерогенные процессы более распространены в промышленности.
По механизму взаимодействия реагентов на гомолитические и гетеролитические.
По протеканию во времени на обратимые и не обратимые.
По знаку теплового эффекта на экзотермические ( -DH) и эндотермические (+DH).
По использованию катализатора на каталитические и не каталитические.
По значению температур на низкотемпературные и высокотемпературные.
По типу контакта реагентов в гетерогенной системе.
По виду реакции на простые (одностадийные) и сложные (многостадийные). Простыми называются реакции для осуществления которых требуется преодоление только одного энергетического барьера. Сложные реакции включают в себя несколько последовательных или параллельных реакций.
®простые А®В
Химические реакции ® ®последовательные А®В®Д
®сложные® ®В
¯®параллельные А®
®Д
Для исследования ХТП наибольшее значение имеет классификация реакций по фазовому состоянию системы, по условиям протекания, по типу контактов и по наличию катализатора. Именно от типа химической реакции зависит выбор конструкции аппаратов и параметры технологического режима.
8.2. Процессы в химическом реакторе.
Организация химического производства
Организация ХТП
Схема с открытой цепью
Схема включает три подобных линии: производства реагента L из А и В, производство реагента М из С и Д и производство конечного продукта R из L и М.
|
|
|
В®
|
|
|
М
S, L, М
|
|
|
Д МN N
1 –смешение реагентов, 2- химические превращения, 3- разделение продуктов реакции,
К, N, S –побочные продукты
Примером процесса с открытой цепью по газовой фазе может служить технологическая схема отделения кислотной абсорбции нитрозных газов в производстве разбавленной азотной кислоты. По открытой схеме строят производства, включающие в себя необратимые и обратимые процессы, идущие с большим выходом продукта. Если же выход продукта в одном аппарате составляет 4-5 % (синтез спиртов) или до 20% (синтез аммиака) и реагирующая смесь содержит лишь незначительные количества (инертных) примесей, то целесообразно строить производство по циклической схеме.
Циклическая схема предусматривает многократное возвращение в один и тот же аппарат всех реагирующих масс или одной из фаз в гетерогенном процессе вплоть до достижения заданной степени превращения исходных веществ Циркуляционные схемы используют в производствах, в основе которых лежат обратимые процессы, т.е. в которых при существующем режиме и значениях параметров (температура, давление, катализатор) по условиям равновесия не может быть достигнута за один проход через аппарат достаточно высокая степень превращения сырья (например, производство аммиака, метанола).
Циклическая схема
А, В, R
|
|
|
|
В А+В
АВ
,
R
1 – смешение реагентов, 2-химические превращения, 3- разделение продуктов реакции,
4- теплообмен между продуктами реакции и исходными реагентами, А и В – исходные реагенты, R – целевой продукт.
Процессы и аппараты химического производства
Общая характеристика и классификация процессов
Процессы, используемые в химической промышленности для производства продукции, весьма разнообразны и многочисленны.
В них применяется сырье различного агрегатного состояния, разнообразные виды энергии, агрессивные и коррозионно-активные вещества. Управление этими процессами требует высокой степени точности в выборе параметров процесса и автоматизации управления им. Все эти условия определили с одной стороны – многообразие используемых в химическом производстве процессов и аппаратов, а другой – тенденцию к их унификации и общие требования независимо от конкретного химико-технологического процесса.
Процессы химической технологии, в зависимости от кинетических закономерностей, характеризующих их протекание, делятся на 5 групп:
– гидромеханические процессы, скорость которых определяется только законами гидравлики;
– тепловые процессы, скорость которых определяется законами теплопередач;
–массообменные (диффузионные) процессы, скорость которых определяется законами массопередач;
– механические процессы;
– химические процессы, скорость которых определяется законами химической кинетики. Среди последних особую группу составляют процессы, протекающие под воздействием катализаторов.
По организационно-технической структуре процессы химической технологии делятся на периодические и непрерывные.
Для периодических процессов присуще единство места протекания всех стадий процесса, т.е. в них операции загрузки сырья, проведение процесса и выгрузки готового продукта осуществляются в одном аппарате, но в разное время.
Для непрерывных процессов присуще единство времени протекания всех стадий процесса, т.е. в них перечисленные выше операции осуществляются одновременно, но в различных аппаратах.
Характеристикой процесса, позволяющего отнести его к той или иной группе, является степень непрерывности процесса.
Хн = t /Dt, (10.1)
где t - продолжительность процесса, т.е. время необходимое для завершения всех стадий процесса.
Dt - период процесса, т.е. время, протекающее от начала загрузки сырья данной партии до начала загрузки сырья следующей партии.
Для периодического процесса Dt > 0, следовательно, Хн< 1; для непрерывного процесса Dt®0, следовательно, Хн®¥.
Химическая аппаратура, используемая в ХТП, подразделяется на основную – химические реакторы и вспомогательную, назначение которой является подготовка, перемещение и разделение веществ, участвующих в процессе.
Устройство аппаратов зависит от типа осуществляемых в них процессов, но при всем многообразии химической аппаратуры, к ней предъявляется ряд общих требований: простота и дешевизна конструкции; возможность реализации процесса при оптимальных условиях; применение конструкционных материалов, обладающих необходимой коррозионной, термической стойкостью и механической прочностью; возможность контролировать и регулировать параметры процесса.
Для обеспечения стабильности необходимо постоянное поддержание параметров ХТП на заданном уровне, или управление процессом. При этом различают: контроль процесса, т.е. своевременное обнаружение отклонений от режима и быстрое устранение их, и регулирование процессов, т.е. поддержание заданного оптимального режима на каждой стадии процесса.
Основные процессы химической технологии и аппаратура для них
Химические реакторы
Классификация химических реакторов
В основу классификации химических реакторов положены три принципа: организационно- техническая структура операций, осуществляемых в реакторе, характер теплового режима и режима движения компонентов.
По организационно-технической структуре операций химико-технологические реакторы делятся на реакторы периодического действия и ректоры непрерывного действия.
Для реакторов периодического действия характерно падение движущей силы процесса во времени вследствие уменьшения концентрации реагентов в ходе процесса. Это приводит к тому, что режим работы реакторов периодического действия нестационарен во времени и требует изменения параметров процесса (Т, Р и др.) для компенсации этого падения и поддержания скорости процесса на заданном уровне.
Для реакторов непрерывного действия характерно постоянство движущей силы процесса во времени вследствие постоянства концентраций реагентов в ходе процесса. Поэтому режим работы реакторов непрерывного действия стационарен во времени и не требует корректировки параметров процесса.
Режим работы реактора периодического действия Режим работы реактора
непрерывного действия
С, Р, Т С, Р, Т
С0 С0
Сτ
τ τ
С0, Сτ - концентрация реагентов начальная и в момент t,
Т, Р – температура и давление в реакторе.
Производительность реакторов рассчитывается по уравнению:
П = m/ (tр +tз +tв) (10.15)
где: m- масса продукта, полученная за время цикла работы реактора,
tр,tз, tв – время химического процесса загрузки компонентов в реактор и выгрузки продуктов из реактора , соответственно.
Поскольку в непрерывном процессе tз =tв =0, то производительность реакторов непрерывного действия выше таковой реакторов периодического действия при прочих равных условиях.
В некоторых многостадийных производствах сочетаются в едином полунепрерывном процессе периодические (например, в доменном, загрузка шихты, выпуск чугуна) и непрерывные (восстановление оксидов железа и образование чугуна) процессы.
Эффективность работы химического реактора во многом зависит от его теплового режима, влияющего на кинетику, состояние равновесия и селективность процесса , протекающего в реакторе. По тепловому режиму реакторы подразделяются на:
– Реакторы с адиабатическим режимом, в которых действует теплообмен с окружающей средой и тепловой эффект химической реакции полностью затрачивается на изменение температуры в реакторе.
– Реакторы с изотермическим режимом, для которых характерно постоянство температуры в реакторе, что обеспечивается подводом тепла из реактора.
– Реакторы с политропическим режимом, характеризующиеся подводом или отводом тепла из реактора при изменяющейся температуре в нем. За счет этого в реакторе устанавливается заданный тепловой режим и достигается автотермичность процесса. Реакторы этого типа наиболее распространены в химическом производстве.
Реакторы непрерывного действия.
Химические реакторы непрерывного действия по режиму движения компонентов делятся на реакторы идеального вытеснения (РИВ-Н), реакторы идеального смешения (РИС - Н) и реакторы промежуточного типа (РПТ-Н).
Реакторами идеального вытеснения называются реакторы непрерывного действия, в которых осуществляется ламинарный гидродинамический режим. В них поток реагентов движется в одном направлении по длине реактора без перемешивания, обратного или поперечного перемещения. В РИВ-Н параметры, движущая сила процесса и скорость процесса изменяются по длине реактора (во времени). Причем отклонение средней движущей силы от постоянного значения является максимальным.
Реакторами идеального (полного) смешения называются реакторы непрерывного действия, в которых осуществляется турбулентный гидродинамический режим. В них потоки реагентов смешиваются друг с другом и с продуктами химического превращения. В РИС-Н параметры, движущая сила процесса и скорость процесса постоянны по объему реактора (т.е. во времени), причем отклонение средней движущей силы от постоянного значения равно нулю.
Реакторы промежуточного типа занимают по характеру изменения параметров и движущей силы процесса промежуточное место между этими крайними случаями.
На рисунке (1) представлен характер изменения концентрации реагентов, степени их превращения и скорости химического процесса в реакторах типа РИВ-Н и РИС-Н.
Характер изменения движущей силы процесса в реакторах различного типа можно проследить на таком параметре как температура. В данном случае движущая сила процесса равна разности между предельным значением температуры ts и значением действительной (рабочей) температуры t, т.е.
Δt = ts –t
На рисунке 2 представлен характер изменения температуры и движущей силы процесса в реакторах непрерывного действия идеального вытеснения ( РИВ-Н) и идеального смешения ( РИС-Н). Из него следует, что наибольшая величина движущей силы достигается в реакторах типа РИВ-Н, а наименьшая в реакторах типа РИС-Н.
С Сн
С1
Сн
Ск
L(v) L(v)
Х Х
Хк
Хн
Х0 L(v) L(v)
U U
Uн U0
Uк Uк
L(v) L(v)
а б
Рис1. Изменение характеристик в реакторах
а– реактор идеального вытеснения, б- реактор идеального смешения.
Сн и Ск – начальные и конечные концентрации реагентов в реакторе,
Х0 иХк – степень превращения реагентов в начале и конце процесса,
Uн и Uк – начальная и конечная скорость процесса в реакторе.
Повышение движущей силы процесса в реакторе РИС большого объема может быть достигнуто разделением его рабочего объема на ряд секций, в каждой из которых создается режим реактора РИС-Н, или созданием каскадной схемы из нескольких реакторов РИС-Н, суммарный объем которых равен объему одного большого реактора (рис.3). В этом случае при сохранении преимуществ режима реактора РИС-Н, средняя движущая сила возрастает от величины для одного реактора РИС-Н большого объема, чему эквивалентна площадь 2, 3, 4, 5 до величины для каскада реакторов, которой эквивалентна площадь 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. При увеличении числа секций или реакторов в каскаде движущие силы реакторов РИС-Н и РИВ-Н становятся практически равными и каскад реакторов РИС-Н можно рассматривать как единичный реактор РИВ-Н большой производительностью (кривая на рис. 2).
Т
Тн
Тs Т
Тs
Тк Тн
ΔТср
Тн ΔТср
РИВ-Н L(v)
Рис.2 Изменение движущей силы ΔТ в реакторах Рив-Н и РИС-Н
Тs – предельная температура, достигаемая в процессе ( температура теплоносителя),
Тн – начальная температура реагентов в реакторе, L – длина реактора ( его объем)
Тк – конечная температура в реакторе, ΔТ – средняя движущая сила процесса
Т
Тs 3 4
Тк
2 5
8 7
9
10
11 L(v)
Тн
Рис.3.Движущая сила в каскаде реакторов РИС-Н
Гомогенные процессы
Гетерогенные процессы
Каталитические процессы и аппараты
Катализ - наиболее эффективное и рациональное средство ускорения химических реакций. Каталитические процессы применяются в промышленности в большом масштабе. Каталитические реакции подчиняются общим законам химии и термодинамики, но действие катализаторов значительно облегчает практическое осуществление ряда химических реакций. Катализ применяется при получении важнейших химических продуктов: серной и азотной кислот, аммиака, метанола, особенно велико применение катализа в органическом синтезе – в процессах окисления, гидрирования, дегидрирования, гидратации и т.д. На применении катализаторов основаны многие методы переработки нефтепродуктов: каталитический крекинг, риформинг, ароматизация и т.д.
Производство серной кислоты
Серная кислота – один из основных многотоннажных продуктов химической промышленности. Ее применяют в различных отраслях народного хозяйства, поскольку она обладает комплексом особых свойств, облегчающих ее технологическое использование. Серная кислота не дымит, не имеет цвета, запаха, при обычной температуре находится в жидком состоянии. В концентрированном виде не корродирует черные металлы. В то же время серная кислота относится к числу сильных минеральных кислот, образует многочисленные устойчивые соли и дешева.
Общая схема сернокислотного производства
Производство серной кислоты из серусодержащего сырья включает несколько химических процессов, в которых происходит изменение степени окисления сырья и промежуточных продуктов. Это может быть представлено в виде следующей схемы:
S0
Fе[S2]-2 1 2
Н2S –2 [ S+4 ] [S+6],
+4
SО2
1 –стадия получения печного газа (оксида серы (4)),
2 – стадия каталитического окисления оксида серы (4) до оксида серы (6) и абсорбции его (переработка в серную кислоту).
В реальном производстве к этим химическим процессам добавляются процессы подготовки сырья, очистки печного газа, и другие механические и физико-химические операции. В общем случае схема производства серной кислоты может быть выражена в следующем виде:
Сырье подготовка сырья сжигание (обжиг) сырья Очистка печного газа
контактирование абсорбция контактированного газа серная кислота.
Конкретная технологическая схема производства зависит от вида сырья, особенностей каталитического окисления оксида (4), наличия или отсутствия стадий абсорбции оксида серы (6).
Химическая и принципиальная схема производства.
Химическая схема получения серной кислоты из колчедана включает три последовательные стадии:
– окисление дисульфида железа пиритного концентрата кислородом воздуха:
4FеS2 +11О2 = 2Fе2О3 + 8 SО2,
– каталитическое окисление оксида серы (4) избытком кислорода печного газа:
2SО2 + О2 = 2SО3,
– абсорбцию оксида серы (6) с образованием серной кислоты:
SО3 +Н2О =Н2SО4
По технологическому оформлению производство серной кислоты из железного колчедана является наиболее сложным процессом и состоит из нескольких последовательно проводимых стадий.
Принципиальная схема этого производства представлена на рисунке.
1 – получение обжигового газа: 1 – обжиг колчедана, 2 – охлаждение газа в котле-утилизаторе, 3- общая очистка газа, 4 – специальная очистка газа; 11 – контактирование: 5 – подогрев газа в теплообменнике, 6 – контактирование; 111 – абсорбция: 7 –абсорбция оксида серы (6) и образование серной кислоты.
пирит 1 вода 11 111
|
|
|
|
|
|
|
абсорбент воздух пар хвостовые
газы
огарок
Н2SО4
Производство сернистого газа.
Сернистый ангидрид SО2 – это бесцветный газ, в 2.3 раза тяжелее воздуха, с резким запахом. При растворении в воде образуется слабая и нестойкая сернистая кислота
SО2 +Н2О = Н2SО3
Рассмотрим производство сернистого газа обжигом основного сырья – колчедана и затем сжиганием серы.
Окислительный обжиг колчедана.
Обжиг колчедана в токе воздуха представляет необратимый некаталитический гетерогенный процесс, протекающий с выделением тепла через стадии термической диссоциации дисульфида железа:
2FеS2 = 2FеS+ S2 и окисления продуктов диссоциации:
S2 +2О2 = 2SО2, 4FеS +7О2 = 2Fе2О3 +4 SО2,
что описывается общим уравнением:
4FеS2 + 11 О2 = 2Fе2О3 + 8SО2 – ΔH,
где ΔH = 3400 кДж.
Скорость процесса окислительного обжига выражается общим для гетерогенных процессов уравнением:
U = dm/ dτ = КмFΔС.
где: Км - коэффициент массопередачи.
F – поверхность контакта фаз (катализатора),
ΔС – движущая сила процесса.
Таким образом, скорость процесса обжига зависит от температуры (через Км), дисперсности обжигаемого колчедана (через F), концентрации дисульфида железа в колчедане и концентрации кислорода в воздухе (через ΔС).
На рисунке представлена зависимость скорости обжига колчедана от температуры (а) и размеров частиц обжигаемого колчедана (б).
U U
Т диаметр частиц
а б
Увеличение движущей силы процесса обжига достигается флотацией колчедана, повышающей содержание дисульфида железа в сырье, обогащением воздуха кислородом и применением избытка воздуха при обжиге до 30% сверх стехиометрического количества. На практике обжиг ведут при температуре не выше 10000С. т.к. за этим пределом начинается спекание частиц.
В качестве реакторов для обжига колчедана могут применяться печи различной конструкции: механические, пылевидного обжига, кипящего слоя (КС). Печи кипящего слоя отличаются высокой интенсивностью (до 10000кг/м2 *сут), обеспечивают более полное выгорание дисульфида железа. Недостаток - повышенное содержание пыли в газе обжига, что затрудняет его очистку.
В н.в. печи КС полностью вытеснили печи других типов в производстве серной кислоты из колчедана.
Продукты окислительного обжига колчедана – обжиговый газ и огарок, состоящий из оксида железа (3), пустой породы и невыгоревшего остатка дисульфида железа. В состав обжигового газа входят оксид серы (4), кислород, азот и незначительное количество оксида серы (6), образовавшегося за счет каталитического действия оксида железа(3). На практике печной газ содержит 13 –14% оксида серы (4), 2% кислорода, и около 0.1%оксида серы (6). Т. к. в печном газе должен быть избыток кислорода для последующего окисления оксида серы (4), его состав корректируют, разбавляя воздухом до содержания оксида серы(4) 7 –9% и кислорода 9-11%.
Очистка обжигового газа.
Обжиговый газ необходимо очистить от пыли, сернокислотного тумана и веществ, являющихся каталитическими ядами или представляющими ценность как побочные продукты. В обжиговом газе содержится до 300 г/м3 пыли, которая на стадии контактирования засоряет аппаратуру и снижает активность катализатора, а также туман серной кислоты.
Пыль и сернокислотный туман удаляют из обжигового газа в процессе общей очистки газа, которая включает операции механической (грубой) и электрической тонкой) очистки. Механическую очистку газа осуществляют пропусканием газа через центробежные пылеуловители (циклоны) и волокнистые фильтры, снижающие содержание пыли в газе до 10–20 г/м3. После общей очистки обжиговый газ, полученный из колчедана, обязательно подвергается специальной очистке для удаления остатков пыли и тумана и, главным образом, соединений мышьяка и селена, которые при этом утилизируются. В специальную очистку газа входят операции охлаждения его до температуры ниже температур плавления оксида мышьяка и селена в башнях, орошаемых последовательно 50% и 20% серной кислотой, удаления сернокислотного тумана в мокрых электрофильтрах и завершающей осушки газа в скрубберах, орошаемых последовательно 95% серной кислотой. Из системы специальной очистки газ выходит с температурой 1400С.
Технология минеральных удобрений
Минеральные удобрения являются одним из важнейших для народного хозяйства видов продукции химической промышленности. Рост численности населения выдвигает перед всеми странами мира одну и ту же проблему — умелое управление способностью природы воспроизводить жизненные ресурсы и, прежде всего, продовольственные. Задача расширенного воспроизводства продуктов питания уже давно решается путем применения в сельском хозяйстве минеральных удобрений. Научными прогнозами и перспективными планами предусматривается дальнейшее увеличение мирового выпуска минеральных и органоминеральных удобрений, удобрений с регулируемым сроком действия и других видов вносимых в почву добавок.
В нашей стране выпускают практически все известные минеральные удобрения, а также необходимые в сельском хозяйстве кормовые добавки для животноводства и химические средства защиты растений.
Классификация минеральных удобрений
Минеральные удобрения классифицируют по трем главным признакам: агрохимическому назначению, составу и свойствам.
По агрохимическому назначению удобрения делят на прямые, являющиеся источником питательных элементов для растений, и косвенные, служащие для мобилизации питательных веществ почвы путем улучшения ее физических, химических и биологических свойств. К косвенным удобрениям принадлежат, например, известковые удобрения, применяемые для нейтрализации кислых почв, структурообразующие удобрения, способствующие агрегированию почвенных частиц тяжелых и суглинистых почв и др.
Прямые минеральные удобрения могут содержать один или несколько разных питательных элементов. По количеству питательных элементов удобрения подразделяют на простые (односторонние, одинарные) и комплексные.
В простые удобрения входит только один из трех главных питательных элементов: азот, фосфор или калий. Соответственно простые удобрения делят на азотные, фосфорные и калийные.
Комплексные удобрения содержат два или три главных питательных элемента. По числу главных питательных элементов комплексные удобрения называют двойными (например, типа NP или РК) и тройными (NPK); последние называют также полными. Удобрения, содержащие значительные количества питательных элементов и мало балластных веществ, называют концентрированными.
Комплексные удобрения, кроме того, разделяют на смешанные и сложные. Смешанными называют механические смеси удобрений, состоящие из разнородных частиц, получаемые простым тукосмешением. Если же удобрение, содержащее несколько питательных элементов, получается в результате химической реакции в заводской аппаратуре, оно называется сложным.
Удобрения, предназначенные для питания растений элементами, стимулирующими рост растений и требующимися в весьма малых количествах, называются микроудобрениями, а содержащиеся в них питательные элементы — микроэлементами. Такие удобрения вносят в почву в очень небольших количествах. К ним относятся соли, содержащие бор, марганец, медь, цинк и другие элементы
|
Классификация МУ по природе питательного элемента, их числу, содержанию.
Большое значение имеют физические свойства удобрений. Водорастворимые удобрительные соли должны быть сыпучими, легко рассеиваться, не быть сильно гигроскопичными, не слеживаться при хранении; должны обладать такими свойствами, чтобы сохраняться на почве в течение некоторого времени, не слишком быстро вымываться дождевой водой и не сдуваться ветром. Этим требованиям в наибольшей мере отвечают крупнокристаллические и гранулированные удобрения, производство и применение которых непрерывно возрастают. Гранулированные удобрения можно вносить на поля механизированными методами с помощью туковых машин и сеялок в количествах, строго соответствующих агрохимическим требованиям.
Эффективным средством для уменьшения слеживания является обработка поверхности гранул поверхностно-активными веществами. В последние годы стали распространенными способы создания вокруг гранул различных оболочек, которые, с одной стороны, предохраняют удобрение от слеживания, а с другой — позволяют регулировать во времени процесс растворения питательных веществ в почвенных водах, т. е. создавать долговременно действующие удобрения.
Производство калийных удобрений
Сырье
Сырьем для производства калия служит почти исключительно природный минерал сильвинит – смесь сильвина КСl и галита NаСl с содержанием калия 22-25%, считая на К2О. Значительно реже хлорид калия получают из карналлита КСl *МgСl2* 6Н2О, содержащего около 17% К2О.
Сульфат калия получают из лангбейнита К2SО4 *2МgSО4, шенита К2SО4 *2МgSО4 *6 Н2О, каинита КСl *МgSО4 *3 Н2О и других минералов.
Крупнейшее в мире месторождение калийных солей в РФ находится на Урале (Верхнекамское месторождение). Оно представлено сильвинитовыми и карноллитовыми рудами; происхождение его связано с испарением бассейнов древнего пермского моря. Отличительной особенностью Верхнекамского месторождения является большое содержание газов в порах и пустотах породы (Н2, СО2, СН4, N2). Содержание КСl в добываемом сильвините колеблется от 23 до 30%, NаСl – от 65 до 75%, нерастворимых глинистых веществ от 0.5 до 3.0%
Потенциальным источником сырья для производства калийных удобрений может стать Мировой океан, в водах которого концентрация калия достигает 0.07%, что в пересчете на К2О составляет 7*1014 тонн. Сгущенная путем испарения в бассейнах и бессточных водоемах морская вода может явиться источником для промышленного получения солей калия. Таким способом получают, например, хлористый калий из рапы Мертвого моря.
Переработку сильвинитовых и карналлитовых руд на хлористый калий осуществляют:
a. методами растворения и раздельной кристаллизации, основанной на различии температурных коэффициентов растворимости солевых составляющих руды (эти методы называют еще тепловыми или галлургическими;
b. путем механического обогащения породы, главным образом флотацией;
c. комбинацией флотационного обогащения с растворением и кристаллизацией мелких фракций руды.
Аналогичными приемами перерабатываются и сульфатные породы.
В н.в. флотационным методом вырабатывается около 80% всего хлорида калия.
Получение сульфата калия.
Известны следующие пути получения сульфата калия:
1) переработка галургическими методами – растворением и кристаллизацией полиминеральных сульфатнокалийных руд;
2) конверсионный и ионитный способы на основе взаимодействия хлоритсого калия и различных сульфатных солей;
3) комбинирование флотационного обогащения сульфатнокалийных руд с переработкой концентрата галургическим способом;
4) при происзводстве соляной кислоты из хлористого калия и серной кислоты или сернистого газа;
5) гидротермический метод переработки полиминеральных руд или сульфатных солей и хлоритсого калия с получением вкачестве побочного продукта соляной кислоты;
6) переработка водонерастворимых калийных руд.
13.4 Производство силикатных материалов
Общие сведения о силикатных материалах
Силикатными материалами называются материалы из смесей или сплавов силикатов, полисиликатов и алюмосиликатов. Они представляют широко распространенную группу твердофазных материалов, т.е. веществ, обладающих совокупностью свойств, которые определяют то или иное их практическое применение. Так как главным в этом определении материала является признак его применимости, то к группе силикатных материалов относят и некоторые бессиликатные системы, применяемые для тех же целей, что и собственно силикаты.
Силикаты – это соединения различных элементов с кремнеземом (оксидом кремния), в которых он играет роль кислоты. Структурным элементом силикатов является тетраэдрическая ортогруппа [SiО4]-4 с атомом кремния Si+4 в центре и атомами кислорода О-2 в вершинах тетраэдра, с ребрами длиной 2.6 *10-10 м (0.26нм). Тетраэдры в силикатах соединены через общие кислородные вершины в кремнекислородные комплексы различной сложности в виде замкнутых колец, цепочек, сеток и слоев. В алюмосиликатах, помимо силикатных тетраэдров, содержатся тетраэдры состава [АlО4]-5 с атомами алюминия, образующие с силикатными тетраэдрами алюминийкислородные комплексы.
В состав сложных силикатов помимо иона Si+4 входят:
катионы: К+, Nа+, Са++, Мg++, Мn++, В+3, Сr+3, Fе+3, Аl+3, Тi+4 и анионы: О2-2, ОН-, F-, Сl-, SО4-2, а также вода. Последняя может находиться в составе силикатов в виде конституционной, входящей в кристаллическую решетку в форме ОН-, кристаллизационной воды и физической, адсорбированной силикатом.
Свойства силикатов зависят от их состава, строения кристаллической решетки, природы сил, действующих между ионами, и, в значительной степени определяются высоким значением энергии связи между атомами кремния и кислорода, которая составляет 450-490 кДж/моль. Большинство силикатов отличаются тугоплавкостью и огнеупорностью, температура плавления их колеблется от 770 до 21300С. Твердость силикатов лежит в пределах от 1 до 6-7 единиц по шкале Мооса. Большинство силикатов малогигроскопичны и стойки к кислотам, что широко используется в различных областях техники и строительства.
Химический состав силикатов принято выражать в виде формул, составленных из символов элементов в порядке возрастания их валентности, или из формул их оксидов в том же порядке, например, полевой шпат К2Аl2Si6О16 может быть представлен как КАlSi3О8 или К2О*Аl2О3*6SiО2.
Все силикаты подразделяются на природные (минералы) и синтетические (силикатные материалы). Силикаты - самые распространенные химические соединения в коре и мантии Земли, составляя 82% их массы, а также в лунных породах и метеоритах. По происхождению они делятся на кристаллизационные (изверженные) породы и осадочные породы. Природные силикаты используются как сырье в различных областях народного хозяйства:
– в технологических процессах, основанных на обжиге и плавке;
– в процессах гидротермальной обработки;
–в строительстве;
– в металлургических процессах.
Силикатные материалы насчитывают большое количество различных видов, представляют крупномасштабный продукт химического производства и используются во многих областях народного хозяйства. Сырьем для их производства служат природные минералы (кварцевый песок, глины, полевой шпат, известняк), промышленные продукты (карбонат натрия, бура, сульфат натрия, оксиды и соли различных металлов) и отходы (шлаки, шламы, зола).
Классификация силикатов.
|
|
|
|
|
|
|
|
По масштабам производства силикатные материалы занимают одно из первых мест.
Общая характеристика и классификация
Вяжущими материалами называются одно или многокомпонентные порошкообразные минеральные вещества, образующие при смешении с водой пластичную формующуюся массу, затвердевающую при выдержке в прочное камневидное тело. В зависимости от состава и свойств вяжущие вещества подразделяются на три группы.
Воздушными вяжущими материалами называются материалы, которые после затворения водой твердеют и длительное время сохраняют прочность только на воздухе. Гидравлическими вяжущими материалами называются материалы, которые после затворения водой и предварительного затвердевания на воздухе продолжают твердеть в воде.
К кислотостойким вяжущим материалам относятся такие, которые после затвердевания на воздухе сохраняют прочность при воздействии на них минеральных кислот. Это достигается тем, что для их затворения используют водные растворы силиката натрия, а в массу материала вводят кислотостойкие наполнители (диабаз, андезит).
Сырьем для производства силикатных материалов, используемых в качестве вяжущих, служат природные минералы - гипсовый камень, известняк, мел, глины, кварцевый песок, а также промышленные отходы – металлургические шлаки, огарок колчедана, шламы переработки нефелина.
Вяжущие материалы в строительстве применяются в форме цементного теста (вяжущий материал + вода), строительного раствора (вяжущий материал + песок + вода), бетонных смесей (вяжущий материал + наполнитель вода).
Действие вяжущих материалов может быть разбито на три последовательных стадии:
– затворение или образование пластической массы в виде теста или раствора смешением вяжущего вещества с соответствующим количеством воды или силикатного раствора;
– схватывание или первоначальное загустевание и уплотнение теста с потерей текучести и переходом в плотное, но непрочное соединение;
– твердение или постепенное увеличение механической прочности в процессе образования камневидного тела.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Классификация вяжущих материалов.
Важнейшими видами вяжущих материалов являются портланд-цемент (гидравлический цемент) и воздушная (строительная) известь.
13.5.2 Производство портланд-цемента
Портландцементом называется гидравлический вяжущий материал, состоящий из силикатов, и алюмосиликатов кальция различного состава. Основными компонентами портланд-цемента являются следующие соединения:
-алит (трикальцийсиликат) 3СаО* SiО2
-белит (дикальцийсиликат) 2СаО*SiО2
-трикальцийалюминат 3СаО*Аl2О3.
Помимо этих соединений в портланд-цементе содержатся примеси трикальцийалюмоферрита 3СаО*Аl2О3*Fе2О3, оксидов кальция и магния.
Характеристиками портланд-цемента являются «марка» и «модуль».
Маркой цемента называется предел прочности на сжатие образца цемента после затвердевания его в течение двадцати восьми суток, выражаемый в кг/см2. Чем больше марка цемента, тем выше его качество. Существуют марки 400, 500 и 600.
Модулем цемента называется показатель, выражающий соотношение между оксидами в нем. Различают три вида модулей цемента.
1.Силикатный (кремнеземный) модуль – отношение содержания оксида кремния к суммарному содержанию оксидов алюминия и железа.
n = % SiО2 /(% Аl2О3 +% Fе2О3)
2.Глиноземный модуль – отношение содержания оксида алюминия к содержанию оксида железа:
р =% Аl2О3 / % Fе2О3
3. Гидравлический модуль – отношение содержания основного оксида кальция к суммарному содержанию кислотных оксидов кремния, алюминия и железа:
m = % СаО/(% SiО2 +% Аl2О3 +% Fе2О3)
Затвердевание портланд-цемента основано на реакциях гидратации, входящих в его состав силикатов и алюмосиликатов, с образованием кристаллогидратов различного состава:
3СаО * SiО2 +(n+1)Н2О =2СаОSiО2*nН2О +Са(ОН)2
При смешении порошка цемента с водой (затворение) масса затвердевает, процесс затвердевания протекает через ряд последовательных стадий:
– образование насыщенных растворов силикатов;
– гидратация силикатов и образование кристаллогидратов;
– кристаллизация массы (схватывание) и рост кристаллов;
– образование сростков кристаллов и упрочнение массы (твердение).
Для придания цементу определенных свойств в него вводят добавки:
– гидравлические, повышающие водостойкость за счет связывания содержащегося в цементе гидроксида кальция;
– пластифицирующие, повышающие эластичность массы;
– кислотостойкие, придающие цементу коррозионную стойкость к кислым средам;
– инертные, для удешевления продукции (песок);
– регулирующие время схватывания массы (гипс).
Производство портланд-цемента складывается из двух стадий: получение клинкера и его измельчение.
1.Получение клинкера может осуществляться двумя способами – мокрым и сухим, которые различаются методами приготовления сырьевой массы для обжига. По мокрому методу сырье измельчают в присутствии большого количества воды, получая пульпу, содержащую до 45% воды. В этом методе обеспечивается высокая однородность смеси, снижается запыленность, но увеличиваются затраты на испарение воды. По сухому методу компоненты сырья сушат, измельчают и смешивают в сухом виде. Такая технология является энергосберегающей, поэтому удельный вес производства цемента по сухому методу непрерывно возрастает.
Производство клинкера включает операции дробления, размола и корректировки состава сырья и последующей высокотемпературной обработки полученной шихты – обжига. Сырьем в производстве портланд-цемента служат различные известковые породы и глина, а также мергели, представляющие однородные смеси тонкодисперсных известняка и глины.
Для обжига шихты используются барабанные вращающиеся печи диаметром 3.5-5 м и длиной до 185 м. Компоненты сырья, поступающего в печь, последовательно проходят в ней зоны сушки, подогрева, кальцинации, экзотермических реакций образования силикатов, спекания и охлаждения. Выходящий из печи клинкер охлаждается в барабанных холодильниках.
2.Измельчение клинкера. Охлажденный клинкер выдерживают на складе в течение 10-15 суток для удаления свободного оксида кальция, смешивают с добавками и измельчают в дробилках и многокамерных мельницах до частиц размером 0.1 мм и меньше.
Основная масса портланд-цемента используется для изготовления бетона и изделий из него. Бетоном называется искусственный камень, полученный при затвердевании затворенной водой смеси цемента, песка и наполнителя.
|
СаF2 шлам топливо, воздух
глина
известняк
|
|
|
клинкер цемент
добавки добавки
Принципиальная схема производства портланд-цемента
Производство стекла
Состав и классификация стекол
Стеклами называются переохлажденные расплавы смесей оксидов и бескислородных соединений с высокой вязкостью, обладающие после охлаждения механическими свойствами твердого тела.
В структуре стекла существуют аморфные и кристаллические фазы, находящиеся в состоянии неустойчивого равновесия. Вследствие весьма высокой вязкости стеклянного расплава скорость кристаллизации его мала и равновесие почти полностью сдвинуто в сторону аморфной фазы, т.е. стекло имеет преимущественно аморфную структуру. Поэтому стеклам присущи специфические свойства, характерные для аморфных тел: отсутствие четкой температуры плавления и переход из твердого состояния в жидкое в некотором интервале температур, который характеризуется температурой размягчения, а также изотропность оптических свойств.
Состав силикатных стекол может быть выражен общей формулой:
nR2О * mRО *рR2О3 *qRО2,
где n, m, р, q –переменные величины,
R2О – оксиды щелочных металлов Nа2О, К2О, Li2О3;
RО - оксиды щелочно-земельных и других двухвалентных металлов;
R2О3 –кислотные оксиды Аl2О3, В2О3, Fе2О3;
RО2 –оксид кремния SiО2, составляющий до 75% массы.
Всем стеклам присущи некоторые общие свойства: прозрачность, низкая теплопроводность, диэлектрические свойства, высокая химическая стойкость к кислотным реагентам. Свойства стекол зависят от их состава, от соотношения основных и кислотных оксидов.
Оксиды щелочных металлов снижают вязкость, температуру размягчения, механическую прочность и твердость стекол. Оксиды щелочно-земельных металлов позволяют регулировать вязкость стеклянных расплавов в заданных пределах. Кислотные оксиды повышают механическую прочность, термическую и химическую стойкость стекол.
По назначению стекла делятся на строительное, тарное, бытовое, художественное, химическое, оптическое и стекла специального назначения.
Производство керамических материалов
Общая характеристика и классификация материалов
Керамическими материалами или керамикой называют поликристаллические материалы и изделия их них, полученные спеканием природных глин и их смесей с минеральными добавками, а также оксидами металлов и других тугоплавких соединений. Керамические материалы весьма разнообразны и могут быть классифицированы по нескольким признакам.
По составу: кислородсодержащие, в т.ч. силикатные, из оксидов металлов; бескислородные, в т.ч. карбидные, нитридные, боридные, силицидные.
По применению: строительные (кирпич, черепица); огнеупоры; тонкая керамика (фарфор, фаянс); специальная керамика.
По структуре и степени спекания: пористые или грубозернистые (кирпич, огнеупоры, фаянс), спекшиеся или мелкозернистые (фарфор, специальная керамика).
По состоянию поверхности: глазурованные и неглазурованные.
В качестве сырья для производства силикатных керамических материалов используют вещества, обладающие свойством спекаемости. Спекаемость–свойство свободно насыпанного или уплотненного порошкообразного материала образовывать при нагревании до определенной температуры поликристаллическое тело- черепок. Таким сырьем являются:
- пластичные материалы (глины);
- непластичные или отощающие добавки (кварцевый песок);
- плавни и минерализаторы (карбонаты кальция и магния).
13.7.2 Производство строительного кирпича
Сырьем для производства строительного кирпича служат легкоплавкие (строительные) глины состава Аl2О3 *nSiО2 *mН2О, песок и оксиды железа (3). Добавка кварцевого песка исключает появления трещин, вследствие усадки материала, при сушке и обжиге и позволяет получать более качественную продукцию.
Технологический процесс производства кирпича может осуществляться в двух вариантах:
– пластическим методом, при котором смесь подготовленных компонентов сырья превращается в пластическую массу, содержащую до 25% воды;
– полусухим методом, при котором компоненты сырья увлажняются паром (до10%), что обеспечивает необходимую пластичность массы.
Приготовленная тем или иным методом шихта, содержащая 40-45% глины, до 50% песка и до 5% оксида железа, поступает на прессование в ленточный пресс (при пластическом методе) или в механический пресс, работающий под давлением 10-25 МПа (при полусухом методе). Сформированный кирпич направляется на сушку в туннельную сушилку непрерывного действия и затем на обжиг при Т=900-11000С. Для ускорения сушки в глину добавляют электролит (раствор солей).
Рассмотрим принципиальную схему производства строительного кирпича полусухим способом.
ТОПОЧНЫЕ ГАЗЫ ПЕСОК ПАР
|
|
| |||||||
ГЛИНА КИРПИЧ-СЫРЕЦ
СОЛИ
|
|
Общая схема переработки железной руды
конверторная
|
|
|
процесс плавка
электроплавка
|
|
|
ление
|
|
|
таллургия
Общая схема коксохимического производства
|
|
марок Г,Ж,К,ОС
|
Q
|
|
|
ОКГ ПКГ кокс на склад
|
Б КУС
|
Фракции КУС на перера-
Индивидуальные аромати- Н2SО4 ботку
ческие углеводороды (NН4)2SО4
ПКГ – прямой коксовый газ, СБ – сырой бензол, КУС – каменноугольная смола, ОКГ- обратный коксовый газ
Коксование углей представляет собой высокотемпературный химический процесс. Химические реакции протекают сначала в твердой фазе. По мере повышения температуры происходит образование газо-и парообразных продуктов, протекают сложные реакции внутри твердой и газовой фаз, а также происходит взаимодействие между ними. Основным фактором, определяющим протекание процесса коксования, является повышение температуры, которое необходимо для нагрева шихты до температуры сухой перегонки и проведения эндотермических реакций коксования. Коксование проводят в коксовых печах, являющихся реакторами периодического действия с косвенным нагревом, в которых теплота передается к коксуемой угольной шихте через стенку реактора. Поэтому термофизические процессы при коксовании включают:
– теплопередачу от стенки к материалу шихты;
– диффузию продуктов пиролиза через слой шихты;
– удаление этих продуктов из шихты.
Процесс коксования состоит из следующих стадий:
1. Загрузка шихты в камеру печи и разравнивание шихты штангой.
2.Коксование. Производительность коксовой печи определяется периодом коксования – временем от начала загрузки камеры до выдачи кокса, в течение которого происходят все изменения, приводящие к образованию кокса и ПКГ. Период коксования с добавкой времени на операции загрузки и выгрузки шихты называется временем оборота или оборотом печи. Газообразным топливом для обогрева коксовых печей служат ОКГ, доменный газ, их смеси. Технологический режим работы коксовых печей регулируется автоматически.6н
3.Выгрузка кокса (выдача коксового пирога) с помощью коксовыталкивателя в тушильный вагон. Коксовую батарею можно рассматривать как реактор непрерывного действия РИВ-Н, хотя каждая отдельная печь в ней работает периодически.
4. Тушение кокса. Кокс, выгружаемый из печи в коксотушильный вагон, имеет температуру 950-11000С. Чтобы предотвратить его горение на воздухе и обеспечить возможность транспортировки до склада и хранение, кокс должен быть охлажден до 250-1000С, при которой исключается его самовозгорание. Для этого раскаленный кокс интенсивно охлаждают мокрым или сухим методом.
5. Сортировка кокса. Кокс после тушения сортируется по классам крупности на грохотах различной конструкции.
Летучие продукты, выделяющиеся при коксовании и образующие прямой коксовый газ (ПКГ) составляют до 15% от массы коксуемой шихты. В состав ПКГ входят пирогенетическая вода, смесь высококипящих соединений. В цехе улавливания и разделения из ПКГ извлекаются основные компоненты не в виде индивидуальных химических соединений, а в виде их смесей. Выход продуктов коксования зависит от степени углефикации, насыпной плотности и др. факторов.
Переработка продуктов коксования.
Сырой бензол – это сложная смесь соединений, основными компонентами которой является бензол и его гомологи. Цель переработки СБ – получение индивидуальных ароматических углеводородов путем разделения смеси составляющих СБ веществ на отдельные компоненты. Процесс переработки СБ включает следующие стадии
– отделение легкокипящей сероуглеродной фракции и получение бензольно-толуольно - ксилольной фракции (БТК);
– очистка фракции БТК;
– ректификация очищенной фракции БТК и получение индивидуальных ароматических углеводородов.
Каменноугольная смола – смесь веществ, включающая в состав несколько сот органических соединений. Процесс переработки КУС состоит из следующих операций:
– обезвоживание, обессоливание и обеззоливание смолы;
– ректификация с отбором фракций смолы;
– переработка фракций и их очистка от фенолов и пиридиновых оснований;
– получение чистых индивидуальных соединений.
13.10.2. Переработка жидких топлив
Важнейшие жидкие топлива – нефть, а также жидкие продукты, получаемые при ее переработке. Нефтью называется жидкое ископаемое топливо, распространенное в осадочной оболочке литосферы Земли. Свое название нефть получила от персидского слова «нафта» - вытекающая, просачивающаяся. В н.в общепринята теория органического происхождения нефти, согласно которой она образовалась в результате воздействия бактериального и геологического факторов на останки низших животных и растительных организмов, обитавших в толще воды и на дне водоемов.
Большинство нефтей представляют собой маслянистые жидкости от темно-коричневого до темно-бурого цвета, который зависит от содержания в них окрашенных смолистых веществ. Свойства нефти зависят от ее состава. Плотность нефтей составляет 0.82-0.90 т/м3, температура затвердевания от –20 до +200С. Вязкость нефтей значительно выше вязкости воды. Нефть в основном состоит из углерода (83-87%) и водорода (12-14%), входящих в состав сложной смеси углеводородов. Кроме углеводородной части в нефти имеется небольшая неуглеводородная часть и минеральные примеси.
Углеводородная часть нефти состоит из парафиновых (алканов), нафтеновых (цикланов) и ароматических углеводородов. Непредельные углеводороды (олефины), как правило, в нефти отсутствуют, но встречаются в продуктах ее переработки. Газообразные парафиновые углеводороды (от СН4 до С4Н10 включительно) присутствуют в нефти в растворенном состоянии. При выдаче нефти из недр Земли на поверхность, когда давление нефти снижается, газообразные углеводороды выделяются из нее в виде попутных газов. Жидкие парафиновые углеводороды (от С5Н12 до С15Н23 включительно) составляют основную массу жидкой части нефти и жидких фракций, получаемых при ее перегонке. Твердые парафиновые углеводороды (от С16Н34 и выше) растворены в нефти и могут быть выделены. Нафтеновые углеводороды в нефтях представлены, главным образом, производными циклопентана и циклогексана. Ароматические углеводороды встречаются в нефтях в небольших количествах, а также образуются в процессе переработки нефти.
В зависимости от преимущественного содержания в нефтях углеводородов различных классов они разделяются на парафинистые, нафтено-парафиновые, нафтено-ароматические, парафино-нафтено-ароматические.
Неуглеводородная часть нефти состоит из сернистых, кислородных и азотистых органических соединений. Сера входит в состав меркаптанов, сульфидов, дисульфидов жирного ряда. По содержанию серы нефти делятся на малосернистые (до 0.5%), сернистые (от 0.5 до 2.0%) и многосернистые (выше 2.0%). Кислородные соединения нефти составляют нафтеновые кислоты, смолы и асфальтовые вещества. Смолы и асфальты – продукты с высоким молекулярным весом придают нефти темную окраску, они химически неустойчивы и легко при нагревании разлагаются и коксуются. Азотистые соединения нефти представлены производными пиридина, хинолина и аминами. Суммарное содержание кислорода и азота в нефтях 0.5 –1.7%.
Минеральные примеси в нефти: механические примеси, минеральные соли, зола. Вода в нефти находится в двух видах: отделяемая от нефти при отстаивании и в виде стойких эмульсий, которые могут быть разрушены только специальными методами. Минеральные соли растворены в воде, содержащейся в нефти.
Фракционный состав нефтей определяется фракционной перегонкой нефтей, при которой нефть разделяется на фракции по температурам кипения. По доле в нефти фракций, кипящих при одинаковой температуре, нефти классифицируются на легкие и тяжелые.
Продукты переработки нефти используют как в качестве целевых продуктов, так и в качестве сырья для дальнейшей переработки. Все нефтепродукты можно разделить на следующие группы:
1. Моторные топлива, в том числе:
– карбюраторное для поршневых двигателей с зажиганием от электрической искры;
– дизельное для поршневых дизельных двигателей с воспламенением от сжатия.
2. Котельные топлива для топок паровых котлов, генераторных установок, металлургических печей.
3. Реактивное топливо для авиационных реактивных и газотурбинных двигателей.
4. Смазочные масла для смазки трущихся деталей машин с целью уменьшения трения и отвода тепла.
5. Консистентные смазки для уменьшения трения между деталями, защиты от коррозии, герметизации соединений, содержащие загустители.
6. Продукты, используемые для нефтехимического синтеза.
Нефтепродукты, используемые в качестве топлив и смазочных материалов должны удовлетворять определенным требованиям. Так, основными эксплуатационными характеристиками нефтяных смазочных масел являются вязкость, вязкостно-температурные свойства, маслянистость, подвижность при низких температурах, химическая стабильность, защитные свойства. К аналогичным характеристикам топлив для двигателей внутреннего сгорания относятся детонационная стойкость, фракционный состав, химическая стабильность, антикоррозионные свойства, а для дизельных топлив также вязкость, температура застывания и коксуемость.
Фракционный состав характеризует температуру начала и конца кипения фракций, получчаемых при разгонке бензина в интервале температур 25 –2000С.
Важнейшей характеристикой моторных топлив является их устойчивость к детонации – детонационная стойкость.
Детонацией называется особый ненормальный режим сгорания топлива в двигателе, при котором часть топливной смеси, находящаяся перед фронтом пламени, воспламеняется мгновенно, в результате чего скорость распространения пламени достигает 1500-2599 м/сек. Это приводит к резкому скачкообразному возрастанию давления в цилиндре и возникновению ударной детонационной волны. На режиме детонации мощность падает, расход топлива увеличивается и ускоряется износ деталей.
Мерой детонационной стойкости для карбюраторных двигателей является октановое, а для дизельных двигателей цетановое число. В основе их определения лежит принцип сравнения испытуемого топлива со смесями эталонных топлив.
Октановым числом (ОЧ) называется условная единица измерения детонационной стойкости, численно равная содержанию в объемных процентах изооктана в смеси с н-гептаном, которая детонирует при той же степени сжатия в цилиндре карбюраторного двигателя, что и топливо. При этом октановое число изооктана,мало склонного к детонации, принимается равным 100, а н-гептана, чрезвычайно склонного кдетонации, равным 0. Октановое число зависит от класса, молекулярной массы и строения углеводорода.
Октановые числа автомобильных бензинов около 76, авиационные бензины имеют октановое число 100. Для увеличения октанового числа к бензинам добавляют антидетонаторы- тетраэтилсвинец, например. Введение на 1 кг бензина 4 см3 этиловой жидкости повышает октановое число бензина от 70 до 89 единиц.
Цетановым числом называется условная единица измерения детонационной стойкости, численно равная содержанию в объемных процентах цетана (гексадекана) в смеси с α-метилнафталином, которая детонирует при той же степени сжатия в цилиндре дизеля, что и топливо. При этом цетановое число цетана С16Н34 принимается равным 100, а α-метилнафталина равным 0.
Подготовка нефти к переработке.
Подготовка нефти к переработке заключается в удалении из сырой нефти, добытой на промыслах, растворенных газов, минеральных солей, воды и механических примесей – песка и глины. Удаление примесей производится на промыслах и на нефтеперерабатывающих заводах.
Отделение газов осуществляется в аппаратах, называемых трапами, в которых снижается давление и скорость движения нефти, при этом из нее десорбируются попутные газы. Наряду с попутными газами в ряде случаев удаляются смеси легчайших углеводородов, называемых газовым бензином. Газовый бензин отделяется от попутных газов абсорбцией его соляровым маслом или адсорбцией активированным углем.
Минеральные соли удаляются при обессоливании, которое заключается в том, что нефть для растворения солей промывается теплой водой. Образующиеся при промывке эмульсии отделяются от нефти при обезвоживании.
Обезвоживание может производиться длительным отстаиванием нефти, причем наряду с водой отделяются механические примеси. Поскольку вода с нефтью образует стойкие эмульсии, полное обезвоживание может быть произведено при условии разрушения эмульсии введением в нефть деэмульгаторов.
Основные методы переработки и аппаратура.
Методы переработки нефти и жидких нефтепродуктов делятся на две группы: физические и химические.
Физические методы переработки заключаются в том, что из нефти или нефтепродуктов получаются индивидуальные углеводороды или чаще их смеси на основании разницы в их физических свойствах – температуре кипения, кристаллизации, растворимости и т.п. Наибольшее распространение получила так называемая прямая перегонка нефти и нефтепродуктов, основанная на разнице в температурах кипения отдельных фракций нефти.
Химические методы основаны на глубоких химических деструктивных превращениях, которые претерпевают углеводороды, содержащиеся в нефти или нефтепродуктах под влиянием температуры, давления, катализаторов. Наибольшее распространение среди этих методов получили различные виды крекинга.
Аппаратура, применяемая для осуществления физических и химических процессов переработки нефти и нефтепродуктов, должна обеспечить, во-первых, нагревание до высокой температуры и, во-вторых, разделение получаемых продуктов. Для некоторых химических методов переработки, включающих каталитические процессы, необходимы контактные аппараты. Нагревание нефти или нефтепродуктов производится в трубчатых печах, где передача тепла осуществляется от греющих газов к перерабатываемому материалу через стенки радиантных труб. Разделение продуктов нефтепереработки производится ректификацией в ректификационных колоннах различных типов. Наибольшее распространение получили колонны с барботажными колпачками. Особенностью ректификационных колонн нефтеперерабатывающих установок является то, что они как бы представляют собой несколько поставленных друг на друга простых самостоятельных колонн с отбором по высоте жидкости. Жидкость поступает в расположенные вне колонны отпарные секции и обрабатывается в них паром. При этом получают пары низкокипящих фракций, возвращаемых в колонну, и жидкий нефтепродукт, или его дистиллят. Ректификационные колонны работают под повышенным или атмосферным давлением.
Каталитические процессы нефтеперерабатывающих установок осуществляются в контактных аппаратах различных конструкций. Как правило, катализатор в этих процессах очень быстро теряет активность, и потому контактные узлы включают контактные аппараты и регенераторы. Наряду с основными аппаратами на установках имеются теплообменники, конденсаторы, хранилища и т.д.
Физические методы переработки нефти (прямая перегонка).
При перегонке нефти, основанной на разнице в температурах кипения отдельных фракций, получают фракции или дистилляты, состав которых приведен в таблице
дистиллят | Температура отбора, 0С | Примерный выход от массы нефти, % |
бензин | До 170 | 14.6 |
лигроин | 160-200 | 7.5 |
керосин | 200-300 | |
газойль | 300-350 | |
Остаток-мазут | 55.0 |
Каждая из фракций, в свою очередь, может быть разогнана в более узких интервалах температур с получением различных сортов дистиллята. Остаток после перегонки нефти – мазут может быть подвергнут фракционированию. Дистилляты разгонки мазута являются сырьем для получения смазочных масел. Бензины прямой гонки состоят из парафиновых и нафтеновых углеводородов. Октановое число бензинов колеблется от 50 до 78. Добавка этиловой жидкости позволяет получить бензин с октановым числом до 87-95.
Общая схема переработки нефти
|
| |||
|
|
|
|
добыча
вторичные процессы
крекинг риформинг
|
Химические высокотемпературные методы переработки нефти и нефтепродуктов включают деструктивные процессы, при которых происходят более или менее глубокие изменения строения молекул исходного сырья. К таким методам относится крекинг фракций перегонки нефти (от лигроина до мазута). Под крекингом понимают расщепление исходных молекул на более мелкие. При крекинге наряду с распадом молекул происходят вторичные процессы синтеза крупных молекул.
Риформинг – это крекинг низкооктановых бензинов или же лигроинов, применяемый для повышения октанового числа карбюраторного топлива или для получения углеводородов, используемых в органическом синтезе.
Процессы крекинга или риформинга, проводимые при высоких температурах в отсутствие катализатора, называются термическим крекингом или термическим риформингом, в присутствии катализатора – соответственно каталитическим крекингом или каталитическим риформингом. Термический крекинг проводят при температуре 470-5400С и давлении до 60ат. Термический крекинг можно разделить на крекинг, протекающий в двухфазной системе пар-жидкость, так называемый жидкофазный, и крекинг в паровой фазе – парофазный. Бензины термического крекинга обладают более высокой детонационной стойкостью, чем бензины прямой гонки, благодаря тому, что в них имеются ароматические углеводороды и углеводороды разветвленного строения.
Пиролиз керосина или других нефтепродуктов является парофазным крекингом, проводимым при температуре около 650-7500С и давлении, близком к атмосферному. Высокие температуры процесса обусловливают образование большого количества газообразных продуктов, богатых этиленом и другими непредельными углеводородами, и ароматических углеводородов, служащих сырьем для химических синтезов.
Каталитический крекинг дает высокие выходы бензина и дистиллята из тяжелого нефтяного сырья; получаемые бензины имеют высокие октановые числа, одновременно с бензинами достигается большой выход легких углеводородов, являющихся сырьем для синтеза органических продуктов. Присутствие катализатора снижает энергию активации реакций крекинга и благодаря этому скорость каталитического крекинга значительно выше, чем термического. Так, например, каталитический крекинг нафтенов протекает в 500-4000 раз быстрее, чем соответствующий термический. Каталитический крекинг проводят в паровой фазе при температуре 450-5200С, давлении 1-2 ат и времени соприкосновения паров сырья с катализатором-несколько секунд. В качестве катализаторов используются пористые, обладающие высокой адсорбционной способностью алюмосиликаты НАlО2 *SiО2, главным образом, синтетические. Регенерация катализатора заключается в выжиге с его поверхности кокса при продувке воздухом при 550-6000С, после чего катализатор вновь используют для крекинга. Последовательность реакций алканов на алюмосиликатном катализаторе может быть представлена в следующем виде:
1. Протонирование катализатора НАlО2*SiО2 ↔ НАlSiО4 ↔Н+ + АlSiО4-
2. Дегидрирование алкана до алкена под воздействием термического фактора
R –СН2-СН2-СН3 ↔ R-СН= СН-СН3 + Н2
3.Образование вторичного карбкатиона
R-СН=СН-СН3 +Н+ ↔R-СН +-СН2-СН3
4. Превращение вторичного карбкатиона по двум схемам: крекинг до алкена
R-СН+-СН2 -СН3 ↔ R-СН =СН2+ СН3+
изомеризация в стабильный третичный карбкатион через нестабильный первичный карбкатион
R-СН+-СН2-СН ↔ R-СН –СН2+ ↔ R-С+-СН3
СН3 СН3
5. Превращение третичного карбкатиона по реакциям
с алканом R-С+ -СН3 + R-Н- ↔ R-СН-СН3 + R+
СН3 СН3
с алкеном R-С+-СН3 + R-СН=СН2 ↔ R-С=СН2 +R-СН+-СН3
СН3 СН3
с образованием конечных продуктов – изоалкана и изоалкена и вторичного карбкатиона генерирующего цепь.
Технологические процессы каталитического крекинга отличаются друг от друга состоянием слоя катализатора: с неподвижным, фильтрующим слоем катализатора, со взвешенным или кипящим слоем катализатора, с движущимся слоем.
Каталитический риформинг получил большее распространение, чем термический.
Очистка нефтепродуктов необходима потому, что получаемые при перегонке и крекинге продукты, содержат олефины, диолефины, сернистые, кислородсодержащие и азотистые соединения, которые обуславливают нестабильность их свойств. Существуют физико-химические и химические методы очистки. К химическим методам относится очистка серной кислотой; гидроочистка; к физико-химическим – адсорбционные и абсорбционные способы очистки.
Рис. 17.4 Функциональная схема синтеза метанола
Технологические схемы различаются аппаратурным оформлением главным образом стадии синтеза, включающей основной аппарат — колонну синтеза и теплообменник. На рис. 17.5 представлена схема агрегата синтеза высокого давления с так называемой совмещенной насадкой колонны. Сжатый до 32 МПа синтез-газ проходит очистку в масляном фильтре/и в угольном фильтре 2, после чего смешивается с циркуляционным газом. Смешанный газ, пройдя кольцевой зазор между катализаторной коробкой и корпусом колонны 3, поступаетв межтрубное пространство теплообменника, расположенного в нижней части колонны (рис. 17.6). В теплообменнике газ нагревается до 330—340 °С и по центральной трубе, в которой
размещен электроподогреватель, поступает в верхнюю часть колонны и проходит последовательно пять слоев катализатора. После каждого слоя катализатора, кроме последнего, в колонну вводят определенное количество холодного циркуляционного газа для поддержания необходимой температуры. После пятого слоя катализатора газ направляется в теплообменник, где охлаждается с 300—385 до 130 °С, а затем в холодильник-конденсатор типа «труба в трубе» 4 (рис. 17.5). Здесь газ охлаждается до 30— 35 °С и продукты синтеза конденсируются. Метанол-сырец отделяют в сепараторе 5, направляют в сборник 7 и выводят на ректификацию. Газ проходит второй сепаратор 5 для выделения капель метанола, компримируется до давления синтеза турбоциркуляционным компрессором
6 и возвращается на синтез. Продувочные газы выводят перед компрессором и вместе с танковыми газами используют в качестве топлива.
Размещение теплообменника внутри корпуса колонны значительно снижает теплопотери в окружающую среду, что улучшает условия автотермичной работы агрегата, исключает наличие горячих трубопроводов, т. е. делает эксплуатацию более безопасной и снижает общие капиталовложения. Кроме того, за счет сокращения длины трубопроводов снижается сопротивление системы, что позволяет использовать турбо-циркуляционные компрессоры вместо поршневых.
Процесс производства метанола при низком давлении включает практически те же стадии, но имеет некоторые особенности. На рис. 17.7 приведена схема агрегата синтеза метанола при 5 МПа из природного газа мощностью 300 тыс. т/год.
Природный газ сжимается турбокомпрессором / до давления 3 МПа, подогревается в подогревателе 2 за счет сжигания в межтрубном пространстве природного газа и направляется на сероочистку в аппараты 3 и 4, где происходит
каталитическое гидрирование органических соединений серы и поглощение образующегося серо водорода адсорбентом на основе оксида цинка. После этого газ смешивается с водяным паром и диоксидом углерода в соотношении СН4: Н2О : СО2 = 1 : 3,3 : 0,24. Смесь направляют в трубчатый конвертор 5, где на никелевом катализаторе происходит пароуглекислотная конверсия при 850—870 °С. Теплоту, необходимую для конверсии, получают в результате сжигания природного газа в специальных горелках. Конвертированный газ поступает в котел-утилизатор 6, где охлаждается до 280—290 °С. Затем теплоту газа используют в теплообменнике 7 для подогрева питательной воды, направляемой в котел-утилизатор. Пройдя воздушный холодильник 8 и сепаратор 9, газ охлаждается до 35—40 °С. Охлажденный конвертированный газ сжимают до 5 МПа в компрессоре 10, смешивают с циркуляционным газом и подают в теплообменники //, 12, где он нагревается до 220—230 СС. Нагретая газовая смесь поступает в колонну синтеза 13, температурный режим в которой регулируют с помощью холодных байпасов. Теплоту реакционной смеси используют в теплообменниках //, 12 для подогрева поступающего в колонну газа. Далее газовая смесь охлаждается в холодильнике-конденсаторе 14, сконденсировавшийся метанол-сырец отделяется в сепараторе 15 и поступает в сборник 16. Циркуляционный газ возвращают на синтез, продувочные и танковые газы передают на сжигание в трубчатую печь.
Вследствие снижения температуры синтеза при низком давлении процесс осуществляется в условиях, близких к равновесию, что позволяет увеличить производительность агрегата.
На рис. 17.8 изображен колонна синтеза метанола при низком давлении.
Конструкция и изготовление реакторов для проведения процесса при низком давлении проще благодаря более мягким условиям синтеза. При этом применяют реакторы как шахтные, так и трубчатые. В реакторах для синтеза при низком давлении особое внимание уделяют теплосъему, так как медьсодержащие катализаторы по сравнению с цинк-хромовыми значительно более чувствительны к колебаниям температуры. В шахтных реакторах температурный режим регулируют с помощью байпасов, холодный газ вводят через специальные распределительные устройства. В трубчатых реакторах катализатор находится в трубках, охлаждаемых кипящей водой. Температуру катализатора поддерживают постоянной по всей длине реактора с помощью регуляторов давления, причем перегревы катализатора практически исключены. Выгрузка отработанного катализатора протекает тоже достаточно просто — путем снятия колосниковых решеток. Диаметр реакторов достигает 6 м при длине 8—16 м
Новые направления в развитии производства метанола
В последние годы области использования метанола необычайно расширились. Непрерывно растет число продуктов, для получения которых в качестве сырья используется метанол Производство формалина, карбамидных смол, уксусной кислоты, синтетических каучуков, химических средств защиты растений, поливинилового спирта и ацеталей, антифризов, денатурирующих добавок вот далеко не полный перечень областей использования метанола. Значительно возрос интерес к метанолу как к важному и экономически эффективному сырью для получения водорода и синтез-газа, которые широко применяют в металлургии, в производстве аммиака, в процессе обессеривания нефтепродуктов. Существенно расширяется использование метанола для получения уксусной кислоты, для очистки сточных вод от вредных соединений азота, для производства кормового белка. В последнее время предполагают, что метанол найдет широкое применение в качестве источника энергии, газового топлива для тепловых электростанций, моторного топлива и как компонент автомобильных бензинов. Благодаря добавке метанола улучшаются антидетонационные свойства бензина, повышается КПД двигателя и уменьшается содержание вредных веществ в выхлопных газах.
Расширение сферы применения метанола требует энергичных мер по совершенствованию его производства. Можно выделить несколько основных направлений, по которым намечено осуществлять техническое совершенствование процесса. Это укрупнение мощности единичного оборудования, использование бесконверсионной переработки синтез-газа, комбинирование синтеза метанола с производством других продуктов азотной промышленности, применение центробежных компрессоров. Надежность работы центробежных компрессоров, как наиболее сложного и ответственного машинного оборудования технологической линии, является в то же время критерием надежности и стабильности работы агрегата синтеза в целом.
Охрана окружающей среды в производстве метанола
Газовые выбросы в производстве метанола подразделяют на две категории: постоянные и периодические. К постоянным относятся отходящие газы и пары, выделяющиеся из метанола-сырца на стадии дистилляции, а также продувочные газы из емкостей. Основной категорией выбросов в атмосферу являются периодические, которые возникают при остановках агрегатов, отдельных машин, аппаратов, узлов технологической линии. Из остановленных систем выбрасываются при продувке оставшиеся в них газы и пары. Основным направлением уменьшения периодических выбросов газов в окружающий воздушный бассейн является повышение надежности всех узлов системы, сведение количества остановок и пусков агрегатов до минимума, удлинение пробегов между ремонтами.
Источником загрязнения биосферы в производстве метанола являются сточные воды. В них содержится до 0,3 % метанола и других кислородсодержащих соединений углерода. В основном это воды от промывки шламов и емкостей вместе с отходами со стадии очистки метанола. Практически полная очистка сточных вод достигается только при их биологической обработке. Биологическое окисление проводят в аэротенках с активным илом. Предельно допустимая концентрация метанола в сточных водах, поступающих на биохимическую очистку, — до 200 мг/л. Как правило, до поступления на биологические очистные сооружения сточные воды производства метанола многократно разбавляются сточными водами других производств и хозяйственно-бытовыми водами.
Ректификация метанола – сырца.
Продукт, полученный в процессе синтеза, содержит, кроме метанола, примеси. Главные из них вода и диметиловый эфир. Хроматографический анализ метанола - сырца показывает наличие 50 органический кислородсодержащих соединений. Общее количество микропримесей менее 0.1%, в основном это спирты С2 –С6. Однако, те примеси, содержание которых составляет сотые и тысячные доли процентов, определяют качество метанола - ректификата: главные из них непредельные соединения, кетоны, карбонилы железа и соединения азота, серы, отделить эти примеси от метанола трудно, так как большинство веществ имеет температуру кипения близкой к температуре кипения метанола. Поэтому помимо ректификации, которая является основным этапом очистки, применяют адсорбцию и химическую очистку.
Метанол – сырец из промежуточного склада направляется в колонну для отделения диметилового эфира. Перед колонной сырец подогревается в теплообменнике и к нему добавляется раствор гидроокиси натрия (0.5% от веса метанола). Диметиловый эфир отбирается из верхней части колонны обезэфирования в сборник. Кубовый остаток из колонны после охлаждения в теплообменнике направляется на 40-ю тарелку колонны предварительной дистилляции . Перед этой колонной в метанол вводится паровой конденсат для разрушения азеотропных смесей, что благоприятствует отделению примесей от спирта.
Сверху из колонны предварительной дистилляции отбирается фракция, являющаяся отходом производства. Метанол, собирающийся в кубе этой колонны, проходит теплообменник и поступает на перманганатную очистку в реактор, снабженный мешалкой. Здесь метанол обрабатывается 0.5-0.7% раствором перманганата калия. При этом присутствующие в метаноле - сырце альдегиды, вторичные спирты, непредельные и другие органические примеси окисляются, образуя кислоты, которые связываются в калийные соли и далее отводятся с марганцевым шламом. Из реактора раствор передается в отстойник, также снабженный мешалкой. После отстаивания шлам отделяется на фильтр прессе.
После перманганатной очистки метанол, подогретый в теплообменнике, поступает на 20-ю тарелку колонны основной дистилляции. Сверху из колонны отбирается фракция, часть которой после конденсации метанола направляется на орошение колонны, остальная часть передается на перманганатную очистку. С 7-ой и 27-ой тарелок колонны отводится фракция изобутилового масла. Метанол-ректификат отбирается с 68-й тарелки. Кубовый остаток, пройдя теплообменник, разбавляется водой и сбрасывается в канализацию. Перманганатная проба – показатель, характеризующий наличие легкоокисляемых примесей, как более летучих, так и менее летучих, чем сам метанол. По этому показателю определяется процесс работы колонны ректификации, так как степень загрязнения метанола – ректификата легкоокисляемыми примесями зависит от качества метанола – сырца, режима работы колонны основной ректификации и схемы ректификации.
Качество полученного метанола-ректификата должно соответствовать требованиям ГОСТ 2222-78:
внешний вид бесцветная прозрачная жидкость без нерастворимых
примесей
плотность 0.791 – 0.792
температурные пределы
предел кипения, 0С 64.0-65.0
99% продукта перегоняется в пределах
0С, не более 0.8-1.0
испытание с КМ О4
(перманганатная проба), мин. н/б 60-30
содержание.5 (масс), н/б
воды 0.05-0.08
свободных кислот в пересчете
на муравьиную кислоту 0.0015
альдегидов и кетонов в пересчете
на ацетон 0.003 – 0.008
летучих соединений железа 0.0001 –0.0005
аммиака и аминосоединений 0.00001
хлора 0.0001
серы 0.0001
этанола 0.01
( пределы показаны для высшего и первого сортов).
Производство мономеров
– Конец работы –
Используемые теги: Химическая, Технология0.037
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Химическая технология
Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов