Мешалки можно классифицировать по конструктивной форме или по типу создаваемого ими потока жидкости. В зависимости от конструктивной формы, различают мешалки лопастные, пропеллерные, турбинные и специальные. По числу оборотов их можно разделить на быстроходные и тихоходные. К тихоходным мешалкам, то есть таким, которые делают не более одного оборота в секунду, относятся некоторые лопастные мешалки, к быстроходным мешалкам относятся турбинные и пропеллерные.

Одним из преимуществ пропеллерных мешалок является большая скорость их вращения. Они работают без передачи на полных оборотах электродвигателя, что обеспечивает значительное сокращение потерь механической энергии. К существенным преимуществам пропеллерных мешалок относятся значительная величина максимальной составляющей вызываемого ими потока и большой насосный эффект, что позволяет существенно сократить продолжительность перемешивания.

Перемешивание пропеллерными мешалками происходит под действием движения жидкости, возникающего в результате сложения двух потоков:

аксиального потока жидкости от мешалки, обусловленного напором пропеллера;

спирального вихревого потока всего содержимого сосуда, вызванного градиентом скоростей в слоях жидкости на различных расстояниях от мешалки.

Исходя из данных обследования различных реакторов с мешалками, для варки криолита был выбран каскад из четырех реакторов с пропеллерными мешалками. Объем первого реактора - 9 м³, второй, третий и четвертый реакторы имеют одинаковый объем - 12,5 м³. Первый реактор меньшего объема вследствие более высокой скорости протекающего в нем процесса нейтрализации по сравнению со скоростью кристаллизации криолита, происходящему в реакторах 2, 3,4. Более длительное время пребывания в первом реакторе недопустимо во избежание разложения гексафторалюминиевой кислоты - Н₃А1F₆.

Выбранный каскад реакторов позволяет вести процесс с необходимой производительностью, и при этом нет трудностей в поддерживании стабильного технологического режима. Данный реактор является изотермическим емкостным реактором смешения непрерывного действия (рис.5).

Постоянство температуры реакционной среды обеспечивается экзотермичностью протекающих реакций и подводом острого пара. Конструктивное отличие от реактора варки трифторида алюминия заключается в том, что в реакторе варки криолита установлен переточный "карман", выполненный из угольно-графитовых плит. "Карман" предназначен для увеличения времени пребывания в реакторе. Корпус реактора выполнен из стали СтЗ, которая внутри гуммирована угольно-графитовыми плитами.

2.3.5 Характеристика отходов, проблемы их обезвреживания и полезного использования

В данной технологической схеме образуется два типа отходов:

жидкие - маточные растворы, образующиеся в процессе отстаивания пульпы криолита и фильтровании;

газовые - дымовые газы, образующиеся при сушке криолита.

При этом отходы содержат смесь различных веществ, в том числе HF, Al (OH) ₃, Na₂CO₃, H₂SiF₆, H₂SO₄, кроилит и другие.

С отходящими газами образующимся при сушке увлекаются частицы криолита и сопутствующих веществ, в том числе и пары HF. Эти отходы ставят ряд проблем по их использованию и нейтрализации.

Часть отходов: маточные растворы образующиеся при отстаивании суспензии криолита, растворы образующиеся на стадии очистки отходящих газов, а также растворы образующиеся при нейтрализации содовым раствором паров HF идет на содоприготовление. Предварительно маточники отстаиваются, для более полного отделения криолита.

Другую часть отходов, которую нельзя использовать поступает на станцию нейтрализации, где идет поглощение вредных веществ и перевод их в труднорастворимую форму. Нейтрализацию ведут при помощи извести, полученная суспензия из труднорастворимых веществ кальция и фтора, поступает в пруд-осветлитель. Из этого пруда оборотная вода направляется на приготовление и суспензий. Это обычно применяемые промышленные методы очистки отходы.

2.4 Технологические расчеты

2.4.1 Расчет материального баланса производства

Этап 1. Подготовка сырья.

а) Приготовление суспензии гидрооксида алюминия в воде: приготовленная суспензия должна быть с соотношением вода: твердое = 1.6: 1, таким образом в суспензии воды будет: 1.6*2350.04 = 3760.7 кг/ч. С твердым гидрооксидом алюминия приходит воды: 261.06 кг/ч.

Тогда необходимо добавить воды для приготовления суспензии:

H₂O: 3760.7.47-261.06 = 3499.52 кг/ч.

Потери на данном этапе составляют 0.5% и обусловлены пылеуносом и проливами.

В ходе приготовления суспензии для поддержания нужной температуры используют острый пар, который в данной курсовой работе не учитываем.

Таблица 7 Материальный баланс приготовление суспензии гидрооксида алюминия

Невязка баланса: 0.0001%.

б) Приготовление содового раствора

Готовят раствор при температуре 30-50°С. Растворимость Na₂CO₃ при температуре 40°С в воде 48.5 г/100 г воды, т.е. концентрация Na₂CO₃ 32.66% мас.

Тогда масса раствора Na₂CO₃: 2592.85/0.3266 = 7938.92 кг/ч

масса воды в растворе: 7938.92*0.6734 = 5346.07 кг/ч

учитывая, что с сырьем приходит 52.92 кг/ч

Тогда количество необходимой воды для получения раствора:

5346.07-52.92 = 5293.15 кг/ч

Потери на данном этапе составляют 0.5% и обусловлены пылеуносом и проливами.

В ходе приготовления раствора для поддержания нужной температуры используют острый пар, который в данной курсовой работе не учитываем.

Таблица 8. Материальный баланс приготовление раствора Na₂CO₃.

Невязка баланса: 0.0378%.

Этап 2: Варка и кристаллизация

а) Первая стадия.

Суть первой стадии заключается в смешении суспензии гидроксида алюминия и раствора плавиковой кислоты.

Процесс описывается уравнением реакции:

Al (OH) ₃+4.7HF = AlF₃*1.7HF+3H₂O (1)

С учетом коэффициента использования сырья 98.5%.

Образуется:

кислота AlF₃*1.7HF: 1*118*2322.75*0.985/78 = 3461.2 кг/ч

где 1 - стехиометрический коэффициент из уравнения (1);

118 - молекулярная масса AlF₃*1.7HF, г/моль;

2322.75 - количество Al (OH) ₃, кг/ч;

0.985 - коэффициент использования сырья;

молекулярная масса Al (OH) ₃, г/моль;

аналогично и для других веществ:

вода H₂O: 3*18*2322.75*0.985/78 = 1583.94 кг/ч

Израсходовано:

HF: 4.7*20*2322.75*0.985/78 = 2757.22 кг/ч

Al (OH) ₃: 2322.75*0.985 = 2287.91 кг/ч

Побочные реакции:

SiO₂ + 6HF = H₂SiF₆ + 2H₂O (2)

вследствие не слишком большой реакционной способность, мы пренебрегаем этой реакцией.

В растворе осталось:

HF: 2813.29 - 2757.22 = 56.07 кг/ч, Al (OH) ₃: 0.015*2322.75 = 34.84 кг/ч

Потери принимаем 0.25% как следствии протечек при перекачке реакционной массы

Таблица 9. Материальный баланс первой стадии

Невязка баланса: 0.066%

б) Вторая стадия

На этой стадии идет следующая реакция:

А1F₃*1.7HF+0.85Nа₂СО₃ = А1F₃*1.7NaF+0.85СО₂+0.85Н₂O (3)

Образовалось:

А1F₃*1.7NaF: 155.4*2560.02/106*0.85 = 4415.62 кг/ч

где 0.85 - стехиометрический коэффициент из уравнения (3);

155.4 - молекулярная масса AlF₃*1.7NaF, г/моль;

2560.02 - количество Nа₂СО₃, кг/ч;

106 - молекулярная масса Nа₂СО₃, г/моль;

аналогично и для других веществ:

СО₂: 44*2560.02/106 = 1062.65 кг/ч, Н₂O: 18*2560.02/106 = 434.72 кг/ч

Использовано:

А1F₃*1.7HF: 118*2505.98/106*0.85 = 3352.74 кг/ч

Осталось:

А1F₃*1.7HF: 3452.55 - 3352.74 = 99.81 кг/ч

Побочные реакции:

H₂SiF₆+Nа₂СО₃ = Nа₂SiF₆+СО₂+H₂O (4)

Н₂SO₄ + Nа₂СО₃ = Nа₂SО₄+ СО₂+H₂O (5)

Так как у нас растворе кислая среда, то реакции не могут идти до конца, поэтому принимаем, что побочные реакции идут на 10%.

Использовано:

Nа₂СО₃: 106*0.1*43.85/98 + 106*0.1*27.55/144 = 6.7 кг/ч

Таким образом на образование криолита пошло:

Nа₂СО₃: 2566.92 - 6.77 = 2560.02 кг/ч

Образовалось:

Nа₂SО₄ в пересчете на Na₂O: 62*0.1*43.85/98 = 2.77 кг/ч

Nа₂SiF₆: 188*0.1*27.55/144 = 3.59 кг/ч

СО₂: 44*0.1*43.85/98 + 44*0.1*27.55/144 = 2.81 кг/ч

Н₂O: 18*0.1*43.85/98 + 18*0.1*27.55/144 = 1.15 кг/ч

В растворе осталось не использованным:

H₂SiF₆: 0.9*27.55 = 24.84 кг/ч

Н₂SO₄: 0.9*43.85 = 39.42 кг/ч

При составлении материального баланса потери составляют 0.25% обусловленные утечками.

Табдица 10. Материальный баланс второй стадии

Невязка баланса: 0.044%

Этап3: Отстаивание

Получения пульпы криолита с Ж: Т = 2.

Потери обусловленные протечками составляют примерно 2.5%.

Из растворимости криолита следует, что в растворе остается 7.05 кг/ч

Таблица 11 Материальный баланс второй стадии

Невязка баланса: 0.013%.

Этап 4: Фильтрация

Потери при фильтрации, обусловлены проскоком частиц через фильтр, часть осадка остается на фильтре, разбрызгивание и утечки, составляют 4.5%.

Осадок, снимаемый с фильтра, содержит 25% маточного раствора.

Таблица 12 Материальный баланс фильтрации

Невязка баланса: 0.0153%.

Этап 5: Сушка

Потери при сушке обусловлены уносом части вещества 3.4%. Сушку проводять до влажности криолита 0.1%.

Таблица 13 Материальный баланс фильтрации

Невязка баланса: 0.117%.

2.4.2 Расчет теплового баланса (одной из стадий процесса)

Для сушки криолита используют тепло от сжигания природного газа.

Примем, что природный газ содержит 98% CH₄ и 2% N₂.

CH₄+2О₂=СО₂+2Н₂О+0.89 ГДж/кмоль

Теплоемкости веществ при различной температуре:

N₂²⁵=29.1КДж/кмоль*С⁰

N₂³⁰⁰ =32.2 КДж/ кмоль*С⁰

O₂²⁵=29.35 КДж/ кмоль*С⁰

O₂³⁰⁰ =30.6 КДж/ кмоль*С⁰

CH₄²⁵ =35.79 КДж/ кмоль*С⁰

В связи с отсутствием табличных данных, принимаем теплоемкость криолита равной 0.95 КДж/кг*К

СО₂=37.11 КДж/ кмоль*С⁰

Н₂О=33.58 КДж/ кмоль*С⁰

Примем, что топочные газы поступают на сушку при температуре 500С⁰

Отходящие газы имеют температуру 300С⁰

Отводимый криолит имеет температуру 100С⁰

Природный газ и воздух поступают на горение при температуре 25С⁰

Криолит поступает в сушилку при температуре 25С⁰

Температура топочных газов после сгорания природного газа 1200С⁰, для разбавления до 500С⁰ воздух, объемом равным 0.583 от объема топочных газов. Воздух поступает при температуре 25С⁰.

Примем, что количество метана, необходимого для испарения 1376.34 кг воды = Х кмоль

Тогда, количество:

O₂=2*Х

N₂=7.52*Х (поступившего с воздухом)

N₂=0.02*Х (поступившего с метаном)

СО₂=Х

Н₂О=2*Х

Количество вторичного воздуха: n= 0.583* (2+7.52) Х=5.55*Х

Из нее 1.165*Х - кислорода и 4.385*Х - азота

Тогда, уравнение теплового баланса будет иметь вид:

Q_прих^ф+Q^ф_{вт. возд}+Q_{реакции}=Q_расх. ^ф+Q^ф_NaF+Q_{исп. воды}+Q_потери

Q_прих^ф=Q^ф_СH4+Q^ф_O2+Q^ф_AlF3*1.7NaF+Q^ф_N2

Q_прих^ф =Х*35.79*25+2*Х*29.35*25+5521.34*298*0.95+7.54*Х*25*29.1=

=7833.05*Х+1563091 кДж=0.0078Х+1.56 ГДж

Q_{реакции}=0.89*Х ГДж

Q^ф_{вт. возд}= 1.165*Х*25*29.35+4.385*Х*25*29.1=0.0041*Х ГДж

Q_расх. ^ф= Q^ф_O2+ Q^ф_N2+Q ^ф_CO2+Q^ф_H2O

Q_расх. ^ф=1.165*Х*300*30.6+7.54*Х*300*32.2+Х*300*37.11+2*Х*300*33.58=0.1148*X ГДж

Q_{исп. воды}=1376.34 *2721.84=3.746 ГДж

Q^ф_AlF3*1.7NaF =0.95*393*4014.01=1,498 ГДж

Q_потери=0,2* (0.0078Х+1.56+0.89*Х+0.0041*Х) =0,18Х+0.312 ГДж

0.0078Х+1.56+0.89*Х+0.0041*Х =0.1148*X+3.746+1,498+0,18Х+0.312

0.6052*X=3.996, Х=6.603 кмоль

Тогда количество природного газа: 6.74 кмоль

Тогда масса природного газа: 107.8 кг

Таблица 14. Тепловой баланс процесса сушки

Невязка баланса: 0.413%

2.4.3 Расчет теоретических и практических расходных коэффициентов на основе расчета материального и теплового балансов

Расчет теоретических коэффициентов.

Уравнения реакций:

Al (OH) ₃ + 4.7 HF = AlF₃ЃE 1.7HF + 3H₂O (1)

AlF₃ЃE 1.7HF + 0.85 Na₂CO₃ = AlF₃ЃE 1.7NaF + 0.85CO₂ + 0.85 H₂O (2)

Суммарно процесс получения криолита можно описать уравнением:

Al (OH) ₃ + 4.7 HF + 0.85 Na₂CO₃ = AlF₃ЃE 1.7NaF + 0.85CO₂ + 3.85 H₂O (3)

Для получения одной тонны криолита с модулем 1.7 (т.е. AlF₃ЃE 1.7NaF), по стехиометрическим соотношениям требуется сырья:

Al (OH) ₃: 1*78*1000/155.4 = 501.93 кг.

HF: 4.7*20*1000/155.4 = 604.89 кг.

Na₂CO₃: 1*106*1000/155.4 = 579.79 кг.

где 1000 - количество криолита, кг;

78 молекулярная масса Al (OH) ₃, г/моль;

20 молекулярная масса HF, г/моль;

106 молекулярная масса Na₂CO₃, г/моль;

155.4 молекулярная масса AlF₃ЃE 1.7NaF, г/моль;

Тогда теоретический расходный коэффициент по: Al (OH) ₃: 0.52201

HF: 0.6908, Na₂CO₃: 0.57979

Практические расходные коэффициенты

Для обеспечения нужной кислотности раствора следует дополнительно ввести эквивалентное количество Al (OH) ₃ и HF. Масса Na₂CO₃ эквивалентное избыточной кислотности составляет 4% от стехиометрического соотношения:

Избыток Na₂CO₃: 579.79*0.04 = 23.19 кг.

Масса кислоты AlF₃ЃE 1.7HF эквивалентная 23.19 кг Na₂CO₃:

AlF₃ЃE 1.7HF: 1*118*23.19/ (0.85*106) = 30.37 кг.

Для получения этого количества сводной кислоты требуется:

Al (OH) ₃: 78*30.37/118 = 20.08 кг.

HF: 4.7*20*30.37/118 = 24.19 кг.

С учетом избыточной кислотности на производство 1 тонны криолита необходимо:

Al (OH) ₃: 501.93 + 20.08 = 522.01 кг.

HF: 604.89 + 24.19 = 629.08 кг.

Na₂CO₃: 579.79 кг.

С учетом потерь, которые составляют 10.555%. нам на производство 1 тонны криолита необходимо:

Al (OH) ₃: 522.01/0.89445 = 583.61 кг =0.58361 т.

HF: 629.08 /0.89445 = 703.32 кг = 0.70332 т.

Na₂CO₃: 579.79/0.89445 = 648.21 кг = 0.64821 т.

Таблица 15 Расходные коэффициенты на производство 1 т. криолита.

Исходное сырье	Значение расходного коэффициента
	Теоретического	Практического
1. Плавиковая кислота (32% масс), т	2.1587	2.1978
2. Сода (98%мас.), т	0.5916	0.6614
3. Гидроксид алюминий (89.4%мас.)	0.5839	0.6528

2.3 Перспективы совершенствования процесса получения химического продукта

Действующему производству криолита, характерны все ранее отмеченные недостатки кислотных методов синтеза криолита. Однако следует подробнее остановиться еще на одном существенном недостатке данного процесса.

В настоящее время основное количество криолита производится и поступает на алюминиевые заводы в виде полидисперсного порошка (0,5мм), который в количестве до 15-20% теряется при загрузке в электролизеры.

Существующие технологии варки, фильтрации и сушки являются одними из лучших и традиционных и обеспечивают получение порошкообразного криолита высокого качества. Гранулирование криолита является важной задачей в настоящее время. Улучшение потребительских свойств гранулированного криолита обусловлено:

уменьшением слеживаемости;

снижением потерь за счет пыления;

удобством транспортировки.

В современной зарубежной технологии готовый криолит получают в виде калиброванных гранул крупностью 1-5 мм и прочностью от 3 до 7 кгс/гранула соответственно для нижнего и верхнего пределов крупности, что практически исключает потери криолита при производстве алюминия.

Поэтому развитие в производстве криолита направлено на получение более высококачественного гранулированного криолита.

Заключение

В данной курсовой работе было выполнено задание по расчету процесса производства криолита, был рассмотрен материал по технологической схеме получения криолита.

В ходе выполнения курсовой работы был освоен материал по ведению материальных и тепловых расчетов, составлению балансов, определению расходных и практических коэффициентов на конкретном примере. Изученный материал позволит более глубоко понимать принципы различных химических производств, а также более полно освоить курс общей химической технологии при помощи решения данного задания.

Библиографический список

1. Галкин Н.П., Крутиков А. Б Технология фтора М.: Атомиздат, 1968

2. Гузь С.Ю., Барановская Р.Г. Производство криолита, фтористого алюминия и фтористого натрия. М.: Металлургия, 1964. 239с

3. Зайцев В. А Производство фтористых соединений при переработке фосфатного сырья. М.: Химия, 1982. 248с

4. Позин М.Е. Технология минеральных солей: в 2ч. Л.: Химия, 1974, 1556с

5. Расчеты по технологии неорганических веществ. / Под ред.М. Е Позина. Л.: Химия, 1977,494с

6. Химия и технология фтористых соединений. /Под ред. К.В. Ткачева. УНИХИМ, 1982

7. Гашкова В.И., Воротноков А.В., Шафрай В.В., Тимохин В.Е., Савиных М.В. ОАО "Полевской криолитовый завод": Комплексная переработка флюоритового концентрата. Научное издание. - Екатеринбург: УрО РАН, 2002 г. - 256 с.

Размещено на Allbest.ru