Синтез и анализ ХТС в производстве азотных удобрений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

«Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А.»

Физико-технический институт

Кафедра «Химия и химическая технология материалов»

Курсовая работа

На тему: «Синтез и анализ ХТС в производстве азотных удобрений»

по дисциплине: «Общая химическая технология»

Саратов 2021

Аннотация

В первом параграфе изложена общая информация о окиси этилена, приведены статистические данные, поставлена цель работы.

Во втором параграфе дается характеристика исходного продукта, ГОСТ, ОСТ, ТУ, маркировка и получение исходного сырья.

В третьем параграфе рассмотрены два основных способа получения окиси этилена, ХТС производства, технологическое описание процесса.

Во второй главе три параграфа, в которых представлены ХТС современного производства серной кислоты, расчеты материального и теплового балансов печи для обжига колчедана КС-450.

Содержание

• Введение
• 1. Технологическая часть
• 1.1 Характеристика окиси этилена
• 1.1.1 Физические свойства
• 1.1.2 Химические свойства и применение
• 1.1.3 Физиологическое действие на человека и животных
• 1.2 Характеристика исходного сырья и способы получения целевого продукта
• 1.2.1 Характеристика исходного сырья и материалов
• 1.2.2 Способы получения окиси этилена
• 1.3. Технологическая схема производства целевого продукта
• 1.3.1. производства окиси этилена хлоргидринным способом
• 1.3.2 Окисление этилена кислородом
• 2. Производство серной кислоты
• 2.1 Производство серной кислоты из железного колчедана
• 2.2 Материальный баланс печи КС-450
• 2.3 Тепловой баланс
• Заключение
• Список используемых источников
• Введение
• Окись этилена - важнейшее сырьё органического синтеза, получаемое на основе этилена.
• Сырье используется в производстве крупнотоннажной химической продукции, являющейся основой для большого числа разнообразных товаров народного потребления во всех промышленно развитых странах.
• Сама окись этилена используется в качестве дезинфицирующего, стерилизующего средства и фумиганта. Его наиболее важным роизводным является этиленгликоль, который используется в антифризах и для производства полиэфирных волокон. Другие производные окиси этилена (этаноламины, поверхностно-активные оксиэтилированные вещества) нашли широкое применение для синтеза текстильных веществ, синтетических каучуков и пластических масс, взрывчатых веществ, при добыче и переработке нефти, для очистки природных газов и газов нефтепереработки. Такой большой объем использования требует производства окиси этилена в огромных количествах.
• Изучение путей получения и использования окиси этилена является актуальной темой, так как согласно современных данных производство окиси этилена составляет около 5 млн. тонн и масштабы производства ее возрастают [1].
• Поэтому перед современной химической промышленностью стоит задача разработать методы и пути интенсификации получения окиси этилена, улучшения качества продукта, уменьшения затрат на ее производство.
• Цель работы: определить основные способы получения окиси этилена в современных условиях, их позитивные и негативные стороны, рассмотреть использование окиси этилена в химическом синтезе.
• 1. Технологическая часть

1.1 Характеристика окиси этилена

1.1.1 Физические свойства

Окись этилена C2H4O -- бесцветный газ (при 25 °C) или подвижная жидкость (при 0 °C) с характерным эфирным сладковатым запахом. Хорошо растворим в воде, спирте, эфире и многих других органических растворителях. Температура кипения: 10,7 °C; температура плавления: ?111,3 °C; плотность жидкой окиси этилена при температуре 10 °C относительно воды при той же температуре: 0,8824.Относится к циклическим простым эфирам. Структурная формула окиси этилена:

Основные термодинамические характеристики:

-стандартная молярная теплоёмкость вещества, Сop = 48,19 Дж/(моль·К);

-стандартная энтальпия образования, ДHo298 = ?51,037 кДж/моль;

-стандартная энтропия, So298 = 243,4 Дж/(моль·К);

-стандартная энергия Гиббса образования, ДGo298 = ?11,68 кДж/моль;

-теплота сгорания, ДHoсгор. = ?1306 кДж/моль.

При обычной температуре и давлении окись этилена находится в газообразном состоянии, при низких температурах представляет собой легколетучую бесцветную жидкость со специфическим эфирным запахом. Окись этилена обладает бактерицидными свойствами. Чистая окись этилена не является проводником электрического тока, но, растворяя соли (например, хлористый натрий и особенно азотнокислый калий), образует токопроводящие растворы [2].

азотное удобрение окись этилен

1.1.2 Химические свойства и применение

Окись этилена - одно из самых реакционноспособных органических соединений. Благодаря легкости размыкания напряженного трехчленного эпоксидного цикла окись этилена может присоединять вещества, содержащие подвижный атом водорода, образуя -оксиэтилпроизводные, а также может полимеризироваться.

При нагревании до 500°С без катализаторов или до 150 - 300°С в присутствии некоторых катализаторов (активная окись алюминия, фосфорная и соляная кислоты, фосфаты) окись этилена необратимо изомеризуется в ацетальдегид с выделением большого количества тепла. Путем гидратации окиси этилена получается этиленгликоль. Окись этилена способна полимеризироваться под влиянием третичных аминов, хлорного олова и некоторых других катализаторов с образованием твердой белой массы, представляющей собой смесь полимергомологов состава . При полимеризации выделяется очень большое количество тепла, и процесс может протекать со взрывом

Далее будут рассмотрены наиболее типичные химические реакции с участием окиси этилена.

Присоединение воды и спиртов: Водные растворы окиси этилена довольно устойчивы и могут длительное время существовать без заметного протекания химической реакции, однако добавление небольшого количества кислоты сразу же приводит к образованию этиленгликоля даже при комнатной температуре:

(CH2CH2)O + H2O > HO-CH2CH2-OH

Реакцию можно проводить и в газовой фазе, используя в качестве катализатора соли фосфорной кислоты. Аналогично протекает реакция со спиртами, в результате чего образуются эфиры этиленгликоля (целлозольвы):

(CH2CH2)O + C2H5OH > HO-CH2CH2-OC2H5

2(CH2CH2)O + C2H5OH > HO-CH2CH2-O-C2H5- OC2H5

Реакция с низшими спиртами протекает менее активно, чем с водой, требует более жёстких условий (нагревание до 160 °C, давление до 3 МПа) и присутствия кислотного или щелочного катализатора. Реакция окиси этилена с высшими жирными спиртами, используемая для получения поверхностно-активных соединений, протекает в присутствии металлического натрия, гидроксида натрия или трифторида бора.

Присоединение карбоновых кислот и их производных:

При взаимодействии окиси этилена в присутствии катализаторов с карбоновыми кислотами получаются неполные, а с ангидридами кислот -- полные эфиры гликолей:

(CH2CH2)O + CH3COOH > HO-CH2CH2-OCOCH3

(CH2CH2)O + (CH3CO)2O > CH3COO-CH2CH2-OCOCH3

Присоединение окиси этилена к высшим карбоновым кислотам производят при повышенной температуре (обычно 140--180 °C) и давлении (0,3--0,5 МПа) в инертной атмосфере в присутствии щелочного катализатора (концентрация: 0,01--2 %) -- гидроксида или карбоната натрия (калия).

Присоединение аммиака и аминов:

Окись этилена вступает в реакцию с аммиаком, образуя смесь моно-, ди- и триэтаноламина:

(CH2CH2)O + NH3 > HO-CH2CH2-NH2

2(CH2CH2)O +NH3 > (HO-CH2CH2)2NH

3(CH2CH2)O + NH3 > (HO-CH2CH2)3.N

Применение окиси этилена

Окись этилена -- важнейшее сырьё, используемое в производстве крупнотоннажной химической продукции, являющейся основой для большого числа разнообразных товаров народного потребления во всех промышленно развитых странах.

Основные направления использования окиси этилена:

-этиленгликоли -- используются в качестве антифризов, в производстве полиэстера, полиэтилентерефталата (ПЭТ -- сырьё для пластиковых бутылок), агентов для осушения газов, жидких теплоносителей, растворителей и пр.;

-полиэтиленгликоли -- используются в производстве парфюмерии и косметики, фармацевтических препаратов, лубрикантов, растворителей для красок и пластификаторов;

-эфиры этиленгликоля -- входят в состав тормозных жидкостей, моющих средств, растворителей лаков и красок;

-этаноламины -- применяются в производстве мыла и моющих средств, очистки природного газа и аппретирования тканей;

-этоксилаты -- используют в производстве моющих средств, в качестве сурфактантов, эмульгаторов и диспергаторов [2].

1.1.3 Физиологическое действие на человека и животных

Действие на микроорганизмы

Окись этилена подавляет развитие микроорганизмов (дезинфицирующие свойства), а в достаточной концентрации их полностью уничтожает. Сильные алкилирующие свойства делают этиленоксид универсальным ядом для протоплазмы: вещество вызывает свёртывание белка, дезактивацию ферментов и других биологически важных компонентов живого организма. Против бактерий (особенно -- грамположительных) окись этилена действует сильнее, чем против дрожжей и плесеней.

Дезинфицирующее действие окиси этилена по своему эффекту схоже с температурной стерилизацией, с тем различием, что окись этилена воздействует на объекты преимущественно поверхностно из-за его ограниченной проникающей способности.

Действие на человека и животных

Окись этилена -- алкилирующий агент; обладает раздражающим, сенсибилизирующим и наркотическим действием. Хроническое воздействие окиси этилена обладает мутагенным эффектом.

Этиленоксид вызывает острое отравление, сопровождающееся следующими симптомами: лёгкое сердцебиение, подёргивание мышц, покраснение лица, головные боли, нистагм, понижение слуха и ацидоз, рвота, головокружение, кратковременная потеря сознания, сладкий привкус во рту. При острой интоксикации: сильная пульсирующая головная боль, головокружение, неуверенность при ходьбе, затруднение речи, расстройство сна, боль в ногах, вялость, скованность, потливость, повышенная мышечная возбудимость, преходящий спазм сосудов сетчатки, увеличение печени и нарушение её антитоксической функции.

Этиленоксид обладает сильной резорбционной способностью, легко проникая через одежду и обувь, вызывая раздражение кожи, дерматит с образованием пузырей, повышением температуры и лейкоцитозом. [2]

1.2 Характеристика исходного сырья и способы получения целевого продукта

1.2.1 Характеристика исходного сырья и материалов

Сырьем для получения окиси этилена является этилен С2Н4 и кислород O2

Этилен - химически активное вещество. Так как в молекуле между атомами углерода имеется двойная связь, то одна из них, менее прочная, легко разрывается, и по месту разрыва связи происходит присоединение, окисление, полимеризация молекул. Этилен при нормальных условиях это бесцветный горючий газ со слабым запахом. Частично растворим в воде (25,6 мл в 100 мл воды при 0 °C), этаноле (359 мл в тех же условиях). Хорошо растворяется в диэтиловом эфире и углеводородах. Содержит двойную связь и поэтому относится к ненасыщенным или непредельным углеводородам. Молекула имеет плоскостное строение: CH2=CH2

Кислород О2 - сильный окислитель, взаимодействует практически со всеми элементами, образуя оксиды. Как правило, реакция окисления протекает с выделением тепла и ускоряется при повышении температуры. Кислород это химически активный неметалл, является самым лёгким элементом из группы халькогенов. Простое вещество кислород при нормальных условиях -- газ без цвета, вкуса и запаха, молекула которого состоит из двух атомов кислорода (формула O2), в связи с чем его также называют дикислород. Жидкий кислород имеет светло-голубой цвет, а твёрдый представляет собой кристаллы светло-синего цвета [3].

1.2.2 Способы получения окиси этилена

Этиленоксид раньше получали хлоргидриновым способом. Однако этот метод больше не используется в промышленных масштабах. Хотя селективность этого процесса (80 %) была удовлетворительной, практически весь использованный хлор терялся в виде хлорида кальция и образовывались нежелательные хлорсодержащие побочные продукты. Это было не только неэффективно, но и вызывало проблемы с загрязнением окружающей среды, поэтому в настоящее время этот метод был заменен процессом прямого окисления.

Этиленоксид был открыт в 1859 году французским химиком-органиком Шарлем Адольфом Вюрцем действием гидроксида калия на 2-хлорэтанол:

Cl-CH2CH2-OH + KOH > (CH2CH2)O + KCl + H2O

Учёный был первым, кто исследовал свойства этого вещества, измерив температуру его кипения, а также обнаружил его способность вступать в реакцию c солями металлов и кислотами. Вюрц ошибочно предположил, что окись этилена обладает свойствами органического основания. Это заблуждение продержалось до 1896 года, пока учёные Георг Бредиг и Усов не обнаружили, что этиленоксид не является электролитом.Резкое отличие вещества от простых эфиров и, в частности, склонность его к реакциям присоединения аналогично непредельным соединениям, долгое время было причиной дискуссий химиков вокруг молекулярной структуры окиси этилена. Только в 1893 году была предположена гетероцикличная трёхчленная структура этиленоксида с искажёнными углами по сравнению с другими кислородсодержащими органическими соединениями.

Первый способ получения окиси этилена долгое время оставался единственным, несмотря на многочисленные попытки учёных, включая самого Вюрца, синтезировать соединение напрямую из этилена. Только в 1931 году французский химик Теодор Лефорт разработал метод прямого окисления этилена в присутствии серебряного катализатора. Это способ в конце XX века стал основным методом современного промышленного производства окиси этилена [3].

1.3 Технологическая схема производства целевого продукта

1.3.1 производства окиси этилена хлоргидринным способом

Технологический процесс производства окиси этилена хлоргидринным способом включает три основные стадии:

-получение этиленхлоргидрина;

- получение окиси этилена взаимодействием этиленхлоргидрина

с едкой щелочью;

- очистку окиси этилена.

В первой стадии процесса хлор и этилен пропускают в воду. При этом хлор гидролизуется:

Cl2 + H2O > HClO + HCl

Таким образом, при пропускании хлора в воду получается хлорная вода, содержащая соляную кислоту, хлорноватистую кислоту и молекулярный хлор, относительное количество которого увеличивается по мере поглощения хлора водой. Если в воде растворяется малое количество хлора, он гидролизуется почти полностью, с увеличением концентрации хлора в воде степень его гидролизе уменьшается.

Образующаяся хлорноватистая кислота присоединяется к этилену, давая этнленхлоргидрин:

HClO + CH2=CH2 > CH2Cl-CH2OH

При пропускании этилена в хлорную воду всегда протекают одновременно две реакции: образование этиленхлоргидрина в ре­зультате взаимодействия с этиленом хлорноватистой кислоты и образование дихлорэтана при взаимодействии с эти­леном растворенного (молекулярного) хлора:

Cl2 + CH2=CH2 > CH2Cl-CH2Cl

Относительное количество образующегося дихлорэтана будет возрастать по мере увеличения концентрации этиленхлоргидрина в воде, так как одновременно повышается концентрация хлористого водорода, а следовательно, увеличивается количество недиссоциированного хлора, реагирующего с этиле­ном с образованием дихлорэтана.

Несмотря на значительную разницу температур кипения этиленхлоргидрина (129°С) и воды разделить их обычной ректификацией невозможно, так как они образуют азеотропную смесь, содержащую 41% этиленхлоргидрина и кипящую при 98°С. Поэтому путем ректификации в лучшем случае удается отделить 41%-ный водный раствор этиленхлоргидрина. На практике во второй стадии процесса при получении окиси этилена непосредственно используют разбавленные растворы этиленхлоргидрина.

Окись этилена образуется при взаимодействии этиленхлоргидрина со щелочью:

CH2Cl-CH2OH + NAOH > C2H4O + NaCl + H2O

Схема производства окиси этилена непрерывным методом через этиленхлоргидрин представлена на рисунке.2.1.

Первоначально процесс гипохлорирования этилена был осуществлен в двухколонном аппарате 3. В первой колонне производилось насыщение воды хлором, во второй - гипохлорирование этилена, впоследствии для процесса гипохлорирования были рекомендованы колонные аппараты современной конструкции.

Концентрация этиленхлоргидрина, вытекающего из верхней части колонны 5, поддерживается равной 4,5-4,7%, чтобы обеспечить образование минимального количества побочных продуктов - дихлорэтана и дихлордиэтилового эфира. Выходящие из колонны 5 газы, содержащие 10-20% этилена, охлаждаются водой и нейтрализуются щелочью. Часть этих газов возвращается в аппарат 5, а остальные во избежание накапливания в системе инертных примесей сбрасываются в атмосферу. Сбрасываемые газы для очистки, а также для улавливания дихлорэтана проходят через угольный адсорбер 1.

Рисунок. 2.1. Схема производства окиси этилена непрерывным методом через этиленхлоргидрин.

1- угольный адсорбер; 2--щелочная колонна; 3-емкость для промежуточных продуктов; 4-емкость для этилена; 5-колонна синтеза этиленхлоргидрина; 6- емкость для этиленхлоргидрина: 7-обратный холодильник; 8-омылитель; 9-холодильник для окиси этилена; 10-ректификационные колонны; 11-дефлегматоры; 12-холодильник для дихлорэтана; 13-разделитель; 14-емкость дли дихлорэтана; 15-емкость для окиси этилена.

В стальной реакционной колонне 3, футерованной кислотоупорными плитками, производится гипохлорирование этилена с образованием этиленхлоргидрина. Колонна снабжена двумя боковыми соединяющимися отводами (верхним и нижним). Газообразный хлор подается через диффузор в нижний отвод и распыляется в поступающей сверху воде, а этилен вводится снизу в основную часть реакционной колонны. Благодаря такому устройству аппарата реакционная жидкость интенсивно циркулирует и перемешивается; условия гидролиза хлора и взаимодействия хлорноватистой кислоты с этиленом улучшаются, а, следовательно, уменьшается возможность образования дихлорэтана.

Образующаяся при гипохлорировании этилена реакционная смесь, кроме этиленхлоргидрина и соляной кислоты, содержит дихлорэтан, дихлордиэтиловый эфир, хлор и хлорноватистую кислоту. В отходящих из реактора газах, кроме непрореагировавшего этилена, имеются хлор, пары дихлорэтана и другие хлорсодержащие вещества. Эти жидкие и газообразные продукты реакции соприкасаются со стенками аппаратов при сравнительно высокой температуре. Поэтому вопрос подбора материалов для создания аппаратуры производства этиленхлоргидрина является достаточно сложным, так как нужно, чтобы эти материалы были стойкими к коррозионному действию соляной кислоты, к действию растворителей (дихлорэтан и др.), к хлорирующему и окислительному действию хлора и хлорноватистой кислоты и т. д.

Для повышения выхода этиленхлоргидрина в колонну 3 вводят большой избыток этилена против стехиометрически требуемого количества. Отходящий из ко­лонны избыточный этилен после очистки возвращают в производственный цикл. Кроме этилена в отходящем из колонны газе содержатся пары дихлорэтана и хлористый водород, нейтрализуемый в насадочном скруббере 1 холодным раствором щелочи. При этом одновременно конденсируется большая часть паров дихлорэтана, который вместе с отработанной щелочью выводят из скруббера в разделитель 2. После расслаивания жидкостей дихлорэтан направляют на очистку, а отработанную щелочь сливают. Чтобы в циркулирующем газе не накапливались инертные примеси, часть газа непрерывно отбирают, очищают от остатка паров дихлорэтана в угольном адсорбере и далее используют как топливо.

Существенными недостатками процесса получения окиси этилена через этиленхлоргидрин являются большой расход хлора и извести, а также значительные капитальные затраты. [4]

1.3.2 Окисление этилена кислородом

Для проведения реакции прямого окисления этилена было предложено большое число высокоактивных катализаторов. Почти все они содержат в качестве основного компонента серебро. Применяемые катализаторы можно разделить на две основные группы:

· сплошные серебряные катализаторы;

· активное серебро на носителе (трегерные катализаторы).

Катализаторы первой группы представляют собой металлическое серебро, которое обычно гранулируют и гранулы обрабатывают кислотами, что увеличивает поверхность катализатора и повышает его активность.

Трегерные катализаторы готовят нанесением активного серебра на носитель (окись алюминия, карборунд, силикагель, пемза). Для приготовления трегерного катализатора чаще всего пропитывают носитель растворами некоторых соединений серебра (например, водным раствором нитрата серебра) с последующим восстановлением до металлического серебра.

При получении окиси этилена можно использовать в качестве окислителя технический кислород. Несмотря на применение более дорогостоящего кислорода, преимущества этого метода состоят в повышении селективности окисления до 70-75%, снижении потерь этилена с отходящим газом, разбавленным азотом воздуха, уменьшении габаритов аппаратуры.

Технологическая схема получения этиленоксида окислением этилена кислородом приведена на рисунке.2.2

При окислении этилена кислородом также осуществляют рециркуляцию газа после абсорбции из него этиленоксида, причем проводят реакцию при избытке этилена по отношению к кислороду и при степени конверсии этилена 10% за один проход через реактор. Содержание инертных примесей в этилене и кислороде незначительно, поэтому для поддержания постоянного состава смеси требуется отдувать только небольшую часть газа, что определяет возможность работы с одним реактором. Однако ввиду образования СО2 циркулирующий газ нужно очищать от СО2, чтобы сохранить его постоянную концентрацию в рециркуляте.

Рисунок.2.2 Технологическая схема получения этиленоксида окислением этилена кислородом:

1-реактор; 2,8,10-теплообменники; 3- парогенератор; 4- холодильник; 5,6,13- абсорберы; 7-циркуляционный компрессор; 9-десорбер; 11-отпарная колонка; 12,14- ректификационные колонны; 15-насосы; 16-дроссельный вентиль; 17-конденсаторы; 18-сепараторы; 19-кипятильники.

Рециркулирукщий газ дожимают до рабочего давления (2 МПа), подогревают в теплообменнике 2 за счет горячего реакционного газа и смешивают со свежим этиленом и кислородом. Полученная смесь, поступающая в реактор 2, содержит 20-30 % (об.) этилена, 7-8 % (об.) кислорода и 4-5% (об.) СО2; остальное - инертные примеси (N2, Аг и др.) из исходных газов. Окисление осуществляют в трубчатом реакторе 1 с охлаждением промежуточным теплоносителем; в парогенераторе 3 продуцируется пар с давлением 2 МПа. Горячие реакционные газы, содержащие 1,8-2% (об.) этиленоксида, охлаждают в теплообменнике 2, холодильнике 4 и подают в абсорбер 5, где поглощают водой весь этиленоксид и часть СО2. Газ после абсорбера разделяют на два потока; один идет прямо на рециркуляцию, а другой - в абсорбер 6 на очистку от СО2 водным раствором карбоната калия.

На холоду под давлением карбонат поглощает из газа СО2, и этот очищенный газ возвращают в реактор после дожимания компрессором 7 до рабочего давления. Полученный в абсорбере раствор подогревают в теплообменнике 8 обратным потоком абсорбента, дросселируют и направляют в десорбер 9, где при нагревании отгоняется СО2. Регенерированный абсорбент насосом возвращают через теплообменник 8 в абсорбер 6.

Водный раствор этиленоксида и СО2 из куба абсорбера 5 дросселируют до 0,5 МПа и через теплообменник 10 подают в отпарную колонну 11, где отгоняются этиленоксид, СО2 и часть воды. Основная масса воды остается в кубе, и после охлаждения в теплообменнике 10 ее возвращают в абсорбер 5. Пары из отпарной колонны 11 направляют в ректификационную колонну 12, где отгоняют СО2 и часть этиленоксида. Оксид поглощают из газа водой в абсорбере 13, возвращая водный раствор в колонну 11. Кубовая жидкость колонны 12 поступает в ректификационную колонну 14, где получают чистый этилен-оксид.

При прямом окислении расход этилена несколько выше, чем при хлоргидринном методе. Однако этот недостаток вполне окупается другими достоинствами метода прямого окисления, который следует считать весьма перспективным. [5]

2. Производство серной кислоты

2.1 Производство серной кислоты из железного колчедана

Концентрированная серная кислота является сильным окислителем. Проведение окислительно-восстановительных реакций с участием H2SO4 обычно требует нагревания, часто продуктом восстановления является SO2

S + H2SO4 > ЗSО2 + 2Н2O

С + 2H2S04 > 2SO2 + CO2 + 2Н2O

При работе с серной кислотой следует соблюдать особую предосторожность: попадание ее на кожу приводит к тяжелым ожогам. При приготовлении раствора серной кислоты ее осторожно при постоянном перемешивании приливают тонкой струёй в воду, а не наоборот. Образование гидратов обуславливает сильное водоотнимающее действие H2SO4.Концентрированная серная кислота обугливает органические вещества. Серная кислота при нагревании реагирует почти со всеми металлами (исключая Au, Pt, Ru , Rh)

Cu+ 2H2 SO4 > CuSO4 + SO2 + 2H2O

При взаимодействии с более активными металлами например с цинком продуктами взаимодействия могут быть SO, S, Н2S Холодная концентрированная серная кислота пассивирует железо, поэтому ее перевозят в железной таре.

Разбавленная серная кислота обладает химическими свойствами, характерными для всех кислот: взаимодействует с основаниями, с основными и амфотерными оксидами, с солями.

При взаимодействии разбавленной серной кислоты

металлами, стоящими в ряду стандартных электродных потенциалов левее водорода, образуются соли серной кислоты (сульфаты) и выделяется водород, например:

Zn + H2SО4>ZnSО4 + Н2

Сырьем для получения оксида серы (IV) в нашей стране в основном является серный колчедан (пирит). Образующийся при обжиге колчедана оксид железа (III) может быть использован для получения железа.

Для увеличения скорости реакции процесс обжига проводят с измельченным пиритом при высокой температуре, зависящей от природы, состава колчедана и от конструкции печи.

4FeS2 +11O2 >2Fe2О3 + 8SO2

При температурах 850-1000°С материал в печи начинает спекаться. Высокую интенсивность обжига обеспечивают печи со взвешенным. Они представляют собой цилиндрическую камеру, в нижней части которой укреплена газораспределительная решетка, на которую непрерывно подается сверху обжигаемый материал. Снизу под решетку подается воздух со скоростью, обеспечивающей переход частиц пирита во взвешенное состояние без уноса его из печи.

Поскольку реакция обжига пирита является экзотермической, то температура может подниматься выше 800°С, потому избыточную теплоту надо отводить, ее можно использовать для получения пара.

Вторую стадию производства серной кислоты -- окисление SO2 в SO3 -- проводят контактным или нитрозным методами.

2.2 Материальный баланс печи КС-450

Материальный баланс любого технологического процесса или части его составляется на основе закона сохранения массы вещества:

?mисх =? mKOH (1)

где ?mисх - суммарная масса исходных веществ процесса (цикла);

? mKOH - суммарная масса конечных продуктов процесса.

Уравнение (1) называют уравнением материального баланса. Если в какой-либо аппарат и технологический узел поступает mA кг вещества А, mB кг вещества В и в результате химической переработки получается mC кг продукта С, mD кг продукта D, и если в конечных продуктах остается часть начальных веществ А (mA кг) и В (mB кг), то при этом должно сохраниться равенство:

mA + mB + ……..= mC + mD +……..+ m'A + m'B +…….+?m, (1a)

где ?m - производственные потери продукта.

Результаты расчетов обычно сводят в таблицу материального баланса по массе исходных веществ и продуктов реакции и выражают в кг. Материальный баланс обычно составляется на единицу выработанного продукта (кг, т). Расход при нормальном давлении и нормальной температуре обозначается как нм3/ч. Один нм3 равняется 1м3 при давлении равном 1

Таблица 1.1- Исходные данные для расчета:

Производительность печи (100% Н2SO4) GН2SO4, т/ч	19,60
Степень использования серы в	0,63
Расход сухого колчедана (45% S) на 1 т Н2SO4б, т	0,83
содержание, в%:
серы в колчедане СS	39
влаги в колчедане СВЛ	10
серы в огарке СS(огарк)	1
SO2 в сухом обжиговом газе СSO2	13,6
SO3 в сухом обжиговом газе СSO3	0,1
O2(n)	19
N2(CN2)	78
температура, °C
колчеданаtКОЛ	25
воздухаtВОЗ	19
обжигового газа на выходе из печи tИ	640
Огарка tОГ	550
Относительнаявлажностьвоздуха ц, %.	50

Gs=Ms•????2????4•1000/????2????4•в = 32.06•19.6•1000/98.08•0.63 = 10169,47 кг/ч

2.Количество сухого колчедана:

Gкол =????•100/???? =1016947/39=26075,56кг/ч

3.Количество влаги в колчедане:

Gвл =??кол•??вл/100???вл=26075,56•10/100 -10= 2897,284 кг/ч

4.Количество огарка:

Gог = 160?????/160?????(ог)•Gкол =(160?39/160?1)•26075,56= 19843,6 кг/ч

5.Количество серы в огарке:

Gs(ог) = ??ог•????(ог)/100 = 19843,6•1/100 = 198,4 кг/ч

6.Потери серы с огарком:

????(ог)•100/???? = 19840/10169,47 = 1,95 %

7.Количество выгоревшей серы:

Gs - Gs(ог) = 10169,47-198,4= 9971,07 кг/ч

8.Общий объем SO2+SO3:

??(????2+????3) =(Gs - Gs(ог))•22.4/????=(10169,47-198,4)•22.4/32.06 = 6966,6кг/м3

9.Объем SO2:

??????2 = ??(????2+????3) •??????2/??????2+??????3 = 6966,6•13,6/13,6+0.1 = 6915,15 кг/м3

с (SO2)=2.93 кг/м3

10.Объем SO3:

??????3=??(????2+????3)-??????2 = 6966,6-6915,15 = 51,45 кг/м3

с(SO3)=3.58 кг/м3

11.Концентрация кислорода в обжиговом газе определяется по формуле:

????2= n - [m - ??•(???1)/100]• CSO2 - [m + 0.5??•(???0.5)/100]CSO3 ,

где n - содержание O2 в воздухе (n = 21%);

m - стехиометрическое отношение числа молекул O2 к числу молекул SO2, по балансовому уравнению:

4FeS2 + 11O2 = 8SO2 + 2Fe2O3 ,

где m = 11:8 = 1.375

CO2 = 21 - [1.375 - 21•(1.375?1)/100]•13,6 - [1.375 +0.5 21•(1.375?0,5)/100]• 0.1 = 3,22 %

12.Объёмсухогообжиговогогаза:

Vг = ??????2•100/??????2 = 6915,15 •100/13,6 = 50846,7м3/ч

13.Объём O2 вобжиговомгазе:

????2 = ??г•????2/100 = 50846,7•3,22/100 =1637,3 м3/ч

с(O2)=1.43 кг/м3

14.ОбъёмN2 вобжиговомгазе:

????2=??г-(VSO2 + VSO3 + VO2) = 50846,7 - (6915,15+51,45 +1637,3)= 42242,8 м3/ч

с(N2 атм.)=1.25 кг/м3

15.Объём сухого воздуха, поступающего на обжиг колчедана (воздух содержит 78 % N2):

VB = ????2•100/????2 = 4224280 /78 = 54157,4 м3/ч

с(сухого воздуха)=1.29 кг/м3

16.Объём паров воздухе (при 20°С и относительной влажности воздуха ? = 50% давление насыщенного пара воды P(насыщ)H2O = 1,802 кПа,)

V0H2O = ????•????2??/760?????2?? = 54157,4 •11,802/760-11,802 = 854,3 м3/ч

17.Общий объём паров в обжиговом газе:

VH2O = ??вл -22.4/М??2?? + V0H2O = 2897,284 -22.4/18 + 854,3 = 1014 м3/ч

Таблица 1.2.

Приход	Расход
Статья прихода	Количество	Статья расхода	Количество
	кг	м3		кг	м3
Колчедан	26076	-	Огарок	19844	-
Влага колчедана	2897	-	Обжиговый газ:
Сухой воздух	69862	54157	SO2	20053	6915
Влага с воздухом	683	854	SO3	182	52
			O2	2341	1637
			N2	52803	42243
			H2O	709	1014
Всего:	99518	55011	Всего:	95932	94842

2.3 Тепловой баланс

Таблица 1.3 - Исходные данные для расчета

Теплоёмкость, Ккал/кг град:
Колчедана	0,17
Огарка	0,40
Воздуха	0,31
Теплоемкость, Ккал/м3 град
SO2	0,342
SO3	0,342
O2	0,34
N2	0,341
Теплопотери, %	34
Теплота обжига колчедана, ккал	1285000
Температура, °С:
Колчедана	25
Воздуха	19
Огарка	550
обжигового газа	640

Таблица 1.4-Материальный баланс печи КС-450

Приход	Расход
Статья прихода	Количество	Статья расхода	Количество
	кг	м3		кг	м3
Колчедан	26076	-	Огарок	19844	-
Влага колчедана	2897	-	Обжиговый газ:
Сухой воздух	69862	54157	SO2	20053	6915
Влага с воздухом	683	854	SO3	182	52
			O2	2341	1637
			N2	52803	42243
			H2O	709	1014
Всего:	99518	55011	Всего:	95932	94842

Приход теплоты:

1. Теплота, вносимая сухим колчеданом:

1 = 1000x26076x0,17x25=110823000 ккал

2. Теплота, поступающего с сухим воздухом:

Q2 = 54157x0,31x19= 318985 ккал

3. Теплота, поступающая с влагой колчедана:

Q3 = 2897x1x25=72425 ккал

4. Теплота, поступающая с влагой воздуха:

Q4 = 854x0,31x19= 5030 ккал

5. Теплота обжига

Q5 = 1285000 ккал (по условию задачи)

6. Общий приход теплоты:

Qобщ = 110823000 + 318985 + 72425 + 5030 = 111219440

Расход теплоты:

1. Теплота, уносимая с огарком при 550 °С:

Q6 = 19844x0,4x550=4365680 ккал

2. Теплота, уносимая с обжиговым газом:

Q7 = (6915+52+1637+42243)x0,342x640= 11129391 ккал

3. Теплопотери печи по условию задачи 34 % от прихода теплоты:

Q8 = 111219440 x0,34=37814609 ккал

4. Расход теплоты по вычисленным статьям составляет:

Q9 = 4365680+11129391+37814609= 53309680 ккал

5. Количество теплоты, которое надо отвести из печи с воздухом, охлаждающий вал:

Q10 = 111219440-53309680= 57909760

Таблица 1.5 - Тепловой баланс обжига 1 т влажного колчедана

Расход	Приход
Статья прихода	Количество, ккал	Статья расхода	Количество, ккал
С сухим колчеданом	110823000	С огарком	4365680
С сухим воздухом	318985	С обжиговым газом	11129391
С влагой колчедана	72425	Теплопотери	7814609
С влагой воздуха	5030	С охлаждением воздуха	57909760
От обжига колчедана	1285000
Всего	112504440	Всего	81219440

Заключение

В курсовой работе рассмотрены теоретические аспекты производства окиси этилена, описаны технологические схемы и процессы, протекающие на каждой стадии. Исходя из проделанной работы, можно сделать вывод, что производства окиси этиленом прямым окислением этилена кислородом является более перспективной и выгодной технологией получения целевого продукта, который сейчас активно используется в промышленности.

В ходе данной работы был составлен материальный баланс процесса обжига железного колчедана и с учетом теплопотерь определен тепловой баланс обжиговой печи.

Список используемых источников

1. Бесков В.С., Сафронов В.С. Общая химическая технология и основы промышленной экологии. - М.: Химия, 1999. - 412 с. [1]

2. Зимаков П. В., Дымент О. Н., Богословская Н. А. и др. Окись этилена - М.: Химия, 1967. - 319 с.

3. Общая органическая химия. Т.1: Стереохимия, углеводороды, галогенсодержащие соединения. Под ред. Д. Бартона и У. Д. Оллиса. - М.: Химия, 1981. - 735 с.

4. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. - М.: ОНТВ РФ, 1936. - 318 с.

5. Паушкин Я.М., Адельсон С.С. Технология нефтехимического синтеза. - М.: Химия, 1976. 648 с.

6. Синтезы органических соединений. Методические указания к лабораторному практикуму. Под ред. Б. Д. Березина. - Иваново, Изд. Ив. ХТУ, 1976. - 110 с.

Размещено на Allbest.ru

...