Основные направления рационального и комплексного использования сырья и энергии в химической промышленности

 В общей химической технологии  рассматриваются печи, предназначенные для осуществления различных химико-технологических процессов. С этой точки зрения наиболее удобно относить печи к тому или иному типу по принципу их устройства и работы. Примерная, классификация печей по этому принципу приведена в табл.  1.  

 

Наиболее распространены шахтные, барабанные, вращающиеся, ванные и электрические печи.

Шахтные печи представляют собой топливные печи прямого нагрева с выделением теплоты в самом нагреваемом материале за счет окисления твердого топлива, входящего в состав сырьевой смеси (шихты). Шихта образует в печи фильтрующий слой и движется противотоком дутью – газам, реагирующим с шихтой на поверхности и в порах кусков. Обе фазы находятся при режиме, близком к идеальному вытеснению.

Типичным представителем шахтных печей служит доменная печь.   Доменные печи состоят из следующих основных частей: засыпного аппарата, колошника, шахты, распара, заплечиков, горна, фурм и лещади. При помощи засыпного аппарата шихту загружают в колошник каждые 10 – 15 мин. Из колошника через газоотводы отводят газ. Сырьевая шихта движется вниз по шахте, имеющей вид усеченного конуса, подогревается, после чего происходят процессы восстановления железа. В горн через фурмы вдувают горячий воздух для горения топлива. В области фурм температура достигает 1600 – 18000С. Восстановленное в области распара (9000С) и заплечиков (10000С) металлическое железо проходит зону высоких температур, плавится, насыщается углеродом и стекает в горн в виде чугуна. Шлак и чугун периодически выводятся из печи через летки. Стальной кожух доменной печи футеруется огнеупорным шамотным кирпичом. Огнеупорная футеровка охлаждается   специальными    холодильниками.     Производительность доменных печей повышается увеличением их рабочего объема. Современные доменные печи имеют объем до 5000 м3 и обеспечивают выплавку стали до 4 млн. т в год. Печъ такой производительности расходует свыше 10 железнодорожных эшелонов сырья в сутки.

Барабанные вращающиеся печи – топливные печи прямого нагрева, обогреваемые соприкосновением обжигаемого материала с факелом сгорания топлива и раскаленными топочными газами. Обжигаемые материалы подаются в загрузочную часть печи, а со стороны разгрузочной части через форсунки подается пылевидное, жидкое или газообразное топливо. Развитие реакционной поверхности и перемешивание твердого и газообразного реагентов происходит за счет вращения печи.

Примером барабанных вращающихся печей может служить  обжиговая цементная вращающаяся печь. Современные цементные вращающиеся печи представляют собой мощные,  высокопроизводительные агрегаты диаметром до 5 и длиной до 200 м. Печь состоит из стального барабана, футерованного огнеупорным кирпичом,  загрузочного,  разгрузочного и приводного устройств. Нагрев печи осуществляется сжиганием топлива при помощи форсунок; температура в зоне факела достигает  16000С.   Обжигаемый материал и горячие дымовые газы движутся противотоком друг другу. Приблизительно по такому же принципу устроены и другие барабанные печи (кальцинации, спекания в производстве глинозема, сушилки и т. п.). Однако некоторые из них (например, печь для кальцинации соды) могут работать и по принципу прямотока.

 Ванными  называются печи, в которых твердый материал плавится и подвергается дальнейшей термической и химической переработке в жидком состоянии. Это топливные печи прямого нагрева; теплота передается нагреваемому материалу конвекцией от горения газов и лучеиспусканием от факела горения топлива, раскаленных стен и свода печи.

Ванные печи широко применяются в производстве сталей, цветных металлов, в стекловарении. В наиболее распространенных ванных отражательных печах, теплопередача осуществляется «отражением» теплоты от факела горящего топлива и нагретого свода к нагреваемому материалу. Примером таких печей может служить стекловаренная печь.

Электрические печи подразделяются на печи сопротивления, дуговые, комбинированные и индукционные. В печах сопротивления проводником тока, обладающим большим сопротивлением, может служить или обжигаемый материал (прямой нагрев), или специальные проводники (косвенный нагрев). В дуговых печах нагрев материала осуществляется за счет теплоты дуги, которая образуется или между электродом и нагреваемым материалом (прямой нагрев), или между двумя электродами (косвенный нагрев). Комбинированные печи работают на сочетании обоих принципов, т. е. с использованием дуги и сопротивления материала. Так, например, электродуговая печь прямого нагрева для производства карбида кальция представляет собой металлический корпус, выложенный огнеупорным кирпичом. В свод печи вставлены электроды. Нижний под печи, имеющий уклон к месту выгрузки карбида, выложен угольными блоками. Около электродов расположены отверстия для подачи шихты. Реакционные газы отводятся через патрубки, а расплав карбида – через летку. Мощность современных карбидных печей достигает 40 тыс. кВт.

Циклонные печи представляют собой высокоинтенсивные агрегаты с тангенциальным движением обрабатываемого материала и воздуха, подаваемого на сжигание. Благодаря этому происходит сильное завихрение потока, резкое ускорение процессов тепло- и массопереноса, за счет чего развиваются очень высокие температуры.

 

                                                   Задача 1.

Определить массу известкового молока для умягчения воды заданного состава.

Исходные данные	Номер примера 8
Общая жесткость воды, ммоль – экв/л	9,4
Постоянная жесткость воды, ммоль – экв/л	5,4
Массовая доля Са(ОН)2 в известковом молоке, %	10
Массовая концентрация СО2, мг/л	14,3
Объемный расход воды, м3/ч	100

 

 

 

                                          Решение:

Для определения массы извести находим величину карбонатной жесткости:

Жк = Жо – Жп = 9,4 – 5,4 = 4,0ммоль – экв/л или 4,0 моль – экв/м3

Масса Са(ОН)2 , необходимая для устранения временной жесткости:

   m Са(ОН)2 = Жк ∙ М (1/2 Са(ОН)2 ) ∙V = 4,0 ∙ 74/2 ∙ 10-3 ∙ 100 = 14,8 кг

Содержащийся в воде СО2 также реагирует с Са(ОН)2

Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3↓ + Н2О

В 100 м3 содержание СО2 составит:

100 м3 ∙ 14,3г/м3 = 1430 г = 1,43 кг

На реакцию с 44 кг СО2 идет 74 кг Са(ОН)2, а с 0,792 кг:

74 ∙ 1,43 / 44 = 2,405 кг

Общая масса Са(ОН)2 : 14,8 + 2,405 = 17,205 кг.

Масса известкового молока: 17,205 ∙ 100 / 10 = 172,05 кг

 

                                           Задача 2.

Хрустальное стекло имеет состав, масс. доля: Na2O – 0,06; PbO – 0,64; SiO2 – 0,30. Его получают путем плавления шихты, состоящей из соды(Na2CO3), минерала церуссита(PbCO3) и кварцита(SiO2).

Состав исходных ингредиентов, масс.доля, %:

Сода: Na2CO3 – 100,0;

Церуссит:PbCO3 – 95,0; SiO2 – 5,0 ;

Кварцит: SiO2 – 98,0 ; PbO – 2,0.

В каких массовых соотношениях необходимо смешать указанные ингредиенты, чтобы выполнить условие Х?

В расчетах следует учесть потерю массы вследствие декарбонизации.

 

Исходные данные	Номер примера 8
Расчет произвести на:
1000 кг шихты
1000 кг стекла	Х
1000 кг соды
1000 кг церуссита
1000 кг кварцита

 

                                                  Решение:

Рассчитываем массовую долю Na2O в соде.

Мr(Na2O) = 62; Мr (Na2СO3) = 106

    ω(Na2O) = 62/106 = 0,585

Рассчитываем массовую долю PbO в PbCO3

Мr(PbO) = 223; Мr (PbCO3) = 267

    ω(PbO) = 223/267 = 0,835

Пусть Х1 – масса соды, Х2 – масса церуссита, Х3 – масса кварцита.

Массы компонентов:

m(Na2O) = 0,585Х1 кг

m(PbO) = 0,95 ∙ 0,835Х2 + 0,02Х3  = 0,79Х2 + 0,02Х3  кг

m(SiO2) = 0,05 Х1 + 0,98 Х3 кг

Составим систему уравнений:

Х1 + Х2 + Х3 = 1000   (1)

(2)

(3)

Решаем систему уравнений (1),(2) и (3):

Х1 = 87,10 кг

Х2 = 688,2 кг

Х3 = 224,7 кг

 

                                              Задача 3.

Составить материальный баланс производства раствора фосфатов натрия из экстракционной фосфорной кислоты и соды:

Н2SО4 +  Na2СO3  = Na2SО4 + СО2 + Н2О   (1)

Н3РО4 +  Na2СO3  = Na2НРО4 + СО2 + Н2О   (2)

Н2SiF6 +  Na2СO3  = Na2SiF6 + СО2 + Н2О   (3)

Поступает кислота, содержащая Н3РО4, Н2SiF6 и Н2SО4. Нейтрализация осуществляется кальцинированной содой (99% Na2СO3). Определить расход фосфорной кислоты и соды на 1 т продукта, содержащего 2,5% влаги.

 

Исходные данные	Номер примера 8
Расход кислоты, кг/ч	1500
Состав кислоты, масс. доля,% : Н3РО4                                                        Н2SiF6                                                        Н2SО4	33 1,8 3,0

 

                             Решение:

Выразим состав кислоты в кг:

 m(Н3РО4) = 1500 ∙ 0,33 = 495 кг

m(Н2SiF6) = 1500 ∙ 0,018 = 27 кг

m(Н2SО4) = 1500 ∙ 0,030 = 45 кг

Согласно уравнению(1) на 98 кг Н2SО4 необходимо 106 кг Na2СO3, на 45кг Н2SО4   необходимо 106 ∙ 45/ 98 = 48,67 кг Na2СO3.

Из 98 кг Н2SО4 образуется 142 кг Na2SО4, 44 кг СО2 и 18 кг Н2О. Тогда из 45кг:  m(Na2SО4) = 45 ∙ 142 / 98  = 65,20 кг;

m(СО2) = 45 ∙ 44 / 98 = 20,20 кг;

m(Н2О) = 45 ∙ 18 / 98  = 8,27 кг.

Согласно уравнению(2) на 98  кг Н3РО4 необходимо 106 кг Na2СO3, на 495 кг Н3РО4   необходимо 495 ∙ 106 / 98 = 535,41 кг Na2СO3.

Из 98 кг Н3РО4 образуется 142 кг Na2НРО4,  44 кг СО2 и 18 кг Н2О. Тогда из 495 кг:  m(Na2НРО4) = 495 ∙ 142 / 98  = 717,2 кг;

m(СО2) = 495 ∙  44 / 98 = 222,24 кг;

m(Н2О) = 495 ∙ 18 / 98  = 90,92 кг.

Согласно уравнению(3)

m(Na2СO3) = 27 ∙ 106/ 144 = 19,88 кг

m(Na2SiF6) = 27 ∙ 188 / 144 = 35,25 кг

m(СО2) = 27 ∙ 44 / 144= 8,25 кг

m(Н2О) = 27 ∙ 18 / 144 = 3,38 кг

Всего образовалось:

48,67 + 535,41 + 19,88 = 603,96кг Na2СO3;

20,20 + 222,24 + 8,25 = 250,69 кг СО2;

8,27 + 90,92 + 3,38 = 102,57 кг Н2О.

Масса соды: 603,96 ∙ 100 / 99 = 610,01 кг

 

                                    Материальный баланс:

 

приход		расход
статья	кг	статья	кг
Н3РО4	495	Na2НРО4	717,2
Н2SiF6	27	Na2SО4	65,20
Н2SО4	45	Na2SiF6	35,25
Na2СO3	603,96	СО2	250,69
		Н2О	102,57
		Примеси(сода)	6,05
итого	1170,96	итого	1176,96

Расхождение баланса : (1170,96 – 1176,96) / 1170,96 = 0,0051 или 0,51%, что допустимо.

Масса твердых продуктов: 717,2 + 65,20 + 35,25 + 6,05 = 823,7 кг. Расход кислоты на это количество составляет 1500кг. Расход на 1000 ∙ 97,5 / 100 = 975 кг продукта составит 975∙1500 / 823,7 = 1775,53 кг/ч.

На получение 823,7 кг продукта расходуется 610,01 кг соды. Расход на 975 кг: 610,01 ∙ 975 / 823,7 = 722,06 кг.

 

                                        Задача 4.

Аммиак образуется из азотоводородной смеси стехиометрического состава по реакции

N 2 + 3Н2 = 2NН3 ; ΔНт = – 89 кДж/моль.

Определить количество отводимого тепла, если смесь поступает с температурой Т1, а выходит из аппарата с температурой Т2 и содержит Х,% аммиака.

Исходные данные	Номер примера 8
Расход азотоводородной смеси	300 кг/с
Содержание аммиака на выходе из колонны, Х	23%, об.доля
температура Т1 ,К	690
температура Т2 ,К	790

 

                     Средние теплоемкости газов, Дж /(моль  ∙ град)

Т,К	N 2	Н2	NН3
690 – 710	30,01	29,15	41,71
790 – 810	30,22	29,28	43,09

 

                        Решение:

Найдем массовый состав газа:

N 2: 300/4 = 75кг

Н2: 75 ∙ 3 = 225 кг

Найдем мольный состав газа:

N 2: 75/28 = 2,68 кмоль = 2680 моль

Н2: 225 /2 = 112,5 кмоль = 112500 моль

Уравнение теплового баланса Qпр.г  + Qх.р=  Qух.г + Qтепла

Qпр.г =  (2680 ∙ 30,01 + 112500 ∙ 29,15) ∙690 = 2318263242 Дж

Из 2,68 кмоль N2 образуется 2,68 ∙ 2 = 5,36 кмоль NН3 или 5,36 · 17 = 91,12 кг

Qх.р=  5360 ∙ 89000 = 477040000Дж

Содержание аммиака на выходе:

91,12 ∙ 0,23 = 20,9576 кг или 20,9576 / 17 = 1,23 кмоль = 1230 моль

Содержание азота и водорода на выходе: