Производство кремнефторида натрия при очистки фтороводородной кислоты

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Химия


Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Министерство образования Российской Федерации

ФГАОУ ВПО УрФУ имени Первого президента России Б. Н. Ельцина

Химико-технологический институт

Кафедра технологии неорганических веществ

Курсовая работа

по дисциплине: Теоретические основы производства минеральных

солей и удобрений

на тему: «Производство кремнефторида натрия при очистки фтороводородной кислоты»

Руководитель Л.Е. Толкачева

канд. техн. наук, доцент

Студентка М.А. Ашихмина

гр. Х-390 601А

Екатеринбург, 2012

Содержание

  • 1. Характеристика Na2SiF6
  • 2. Методы получения кремнефторида натрия
  • 3. Получение кремнефторида натри при очистке фтороводородной кислоты
    • 3.1 Теоретические основы метода
    • 3.2 Характеристика основного и вспомогательного сырья
    • 3.3 Описание технологической схемы процесса
    • 3.4 Аппаратурное решение метода
    • 3.5 Характеристика отходов, проблемы их обезвреживания и полезного использования
    • 3.6 Технологические расчеты
  • Заключение

1. Характеристика Na2SiF6

Кремнефторид натрия (гексафторосиликат натрия) — белый кристаллический порошок, в виде гексогональных кристаллов, изредка в природе встречается в виде минерала маллордита. Плотность 2,68 г / см3, Молекулярная масса 188,06 а. е. м. Мало растворим в воде: при 0 растворимость равна 0,435 г/100г воды, при 17 0,65 г/100г воды, при 100 0,435 г/100г воды. Растворимость увеличивается при увеличении температуры. Способен реагировать с концентрированными кислотами, в процессе выделяется фтористый водород. При нагреве до 570 разлагается, выделяя едкие и токсичные пары, в том числе фтор. Токсичен, пожаро- и взрывобезопасен.

Технический кремнефторид натрия выпускается по ГОСТ 87– — 77. Данные по ГОСТу представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Химический состав технического кремнефторида натрия

Компонент

Высший

сорт

Первый сорт

Na2SiF6, % мас., не менее

98,00

95,00

Свободная кислота в пересчете на HCl, % мас., не более

0,10

0,15

Влага, % мас., не более

0,50

1,00

Кремнефторид натрия применяют в различных областях, например:

· Для получения матовых и опаловых стекол и непрозрачных эмалей;

· В производстве кислотоупорных цементов и замазок;

· Для обработки тканей;

· При флотационном обогащении пирита;

· Для фторирования питьевой воды;

· В качестве инсектофунгицида (химическое вещество для защиты растений одновременно от вредных насекомых и грибных заболеваний.
[ГОСТ 21 507−81]);

· Для консервирования древесины;

· В металлургии при получении бериллия и марганца.

Кремнефторид натрия, используемый для анализа характеризуется показателями ЧДА (чистый для анализа) и Ч (чистый), данные показатели представлены в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Характеристики показателей «ЧДА» и «Ч» для Na2SiF6

Показатели

ЧДА

Ч

Массовая доля Na2SiF6, %, не менее

99

98

Массовая доля свободной кислотности (HF), %, не более

0,03

0,05

Массовая доля потери при высушивании, %, не более

0,04

0,20

Массовая доля сульфатов (SO4)2-, %, не более

0,005

0,050

Массовая доля хлоридов (Cl)-, %, не более

0,002

0,004

Массовая доля железа (Fe)3+, %, не более

0,005

0,020

Массовая доля тяжелых металлов (Pb + Mn + Cu), %, не более

0,001

0,002

Массовая доля кальция (Сa), %, не более

0,025

0,050

Кремнефторид натрия упаковывают в полиэтиленовый мешок, вложенный в набивной барабан (масса 35 кг.). Транспортировка ведется всеми видами транспорта, транзитная норма отгрузки составляет контейнеры по 3, 5 и 2,8 тонн. Хранение осуществляется в крытых сухих складских помещениях. Гарантийный срок хранения 3 года. Является пожаро- и взрывобезопасным.

Кремнефторид натрия является токсичным веществом, Вызывает раздражающее действие (слезотечение, конъюнктивит; насморк, носовые кровотечения, явления трахеобронхита; тошнота, рвота, понос, колики; острые и хронические дерматиты). При случайном отравлении резко выраженные признаки поражения желудочно-кишечного тракта. Возможно наступление паралича сосудодвигательного центра, коллапс и смерть от остановки дыхания. Смертельная доза свыше 0,4 г. Хроническое отравление проявляется симптомокомплексом, характерным для действия фторидов.

2. Методы получения кремнефторида натрия

Методы получения кремнефторида натрия можно классифицировать по реагентам, из которых получают продукт, по аппаратурному решению метода, по длительности процесса, по чистоте получаемого продукта на выходе. Рассмотрим следующие методы получения кремнефторида натрия:

· Получение кремнефторида натрия при осаждении кремнефтористой кислоты концентрированным раствором NaCl (25% - ый). Осаждение проводиться при температуре 15−20 ?С. Что бы получить в данном методе мелко дисперсный порошок следует подобрать специальные условия кристаллизации. При неизменной концентрации Н2SiF6 можно получить кристаллы Na2SiF6 разной величины (от 10 до 60 мк и больше) при изменении продолжительности подачи реагентов от 30 до 360 секунд. Наибольшая степень пересыщения раствора кремнефторидом натрия достигается при кристаллизации в избытке ионов Na+, наименьшая -- в избытке ионов SiF62-. Поэтому для получения мелкокристаллического осадка необходимо приливать кремнефтороводородную кислоту к раствору NaCl, а не наоборот, или быстро и одновременно сливать оба раствора. Однако при одновременной подаче реагентов уменьшение начальной концентрации кислоты от 10 до 4% Н2SiF6 приводит к заметному увеличению относительного размера кристаллов Na2SiF6.

Данный метод подразумевает тщательное отслеживание процесса и точной дозировки реагентов. Следует поддерживать определенные условия кристаллизации, что делает данный метод не сильно эффективным по длительности процесса.

· Производство Na2SiF6 из плавикового шпата, серной кислоты, кремнозема и поваренной соли. Изначально получают кремнефтороводородную кислоту. Данную химическую реакцию можно описать уравнением (2. 1):

ЗСаF2 + SiO2 + ЗН2SO4 = Н2SiF6 + ЗСa2SO4 + 2Н2O (2.1.)

Применяется отбросная серная кислота (30--40% Н2SO4) от производства органических веществ; источником SiO2 служит молотая зола шелухи злаков, содержащая больше 70% SiO2.

Содержащийся в кислоте во взвешенном состоянии кремнегель не влияет на процесс кристаллизации Na2SiF6, а золь SiO2 способствует кристаллизации. Примесь КСl в техническом хлористом натрии способствует образованию более мелких кристаллов.

Затем ее обрабатывают поваренной солью. Для более полного выделения Na2SiF6 в твердую фазу необходимо вводить избыток NaCl — 125% от стехиометрического количества по следующей реакции (2.2.):

Н2SiF6 + 2NаС1 = Na2 SiF6 + 2HCl (2. 2)

Кристаллы Na2SiF6 отделяют от маточного раствора и геля кремневой кислоты отстаиванием в течение 30 мин. Скорость осаждения кристаллов Na2SiF6 равна 3 м/ч, а геля кремневой кислоты составляет 0,25--0,3 м/ч.

Данный метод получение кремнефторида натрия имеет положительное направление, так как в производстве используется отбросная серная кислота, которую экономичней приобретать в отличие от очищенной. Получение Na2SiF6 непрерывным способом требует особенно тщательной организации разделения кристаллов Na2SiF6 и кремнегеля, что осложняет процесс.

· Абсорбция фтористых газов раствором соды. Данный метод исключает необходимость нейтрализации отбросного раствора, но используется для получения Na2SiF6 редко. Для получения взамен слабого отбросного раствора HCl товарной соляной кислоты можно производить осаждение Na2SiF6 из кремнефтороводородной кислоты 35% раствором бисульфата натрия, получаемым разложением поваренной соли серной кислотой. Выделяющийся хлористый водород поглощается водой, а маточный раствор после отделения кремнефторида натрия, содержащий 11% мас. H2SO4 и 2% мас. Na2SiF6, может быть использован как добавка к серной кислоте в суперфосфатном производстве.

· При азотнокислотном разложении фосфатов освобождение получающейся вытяжки от Н2SiF6 может быть осуществлено добавкой к ней раствора NaNO3. Максимальная степень осаждения достигается при избытке NaNO3 от стехиометрического количества. Растворимость Na2SiF6 в водных растворах НNO3 значительно больше, чем в растворах НС1, Н2SO4 и H3РО4. Наиболее полно Na2SiF6 осаждается с помощью NaCl.

· При очистке технической фтороводородной кислоты кальцинированной содой. Сущность процесса очистки будет сводиться к переводу кремнефтороводородной кислоты в кремнефторид натрия при очистке содой и при очистке фторидом натрия по реакциям (2. 3) или (2. 4):

H2SiF6 + Na2CO3 = Na2SiF6 + H2O + CO2 (2. 3)

H2SiF6 + 2NaF = Na2SiF6 + 2HF (2. 4)

Данный процесс является достаточно сложным, так как содержание H2SiF6 должно быть около 1,0% массовых. Превышение недопустимо, и передозировка соды вредна, так как приводит к нейтрализации на ряду с H2SiF6 фтороводородной кислоты с переводом фтора в трифторида алюминия. Кроме, того, процесс очистки кислоты требует большего расхода соды и приводит к значительным потерям фтора.

3. Получение кремнефторида натри при очистке фтороводородной кислоты

Данный метод получения кремнефторида натрия экономически выгоден, так как производство данного вещества из чистых реактивов очень дорого, а в данном методе используется отходы производства фтороводородной кислоты, что улучшает качество фтороводородной кислоты, которая, впоследствии, идет на производство более дорогих солей как криолит или трифторид алюминия. И позволяет наряду с основным производством кислоты параллельно получать соль кремнефторида натрия.

3.1 Теоретические основы метода

Применяемую в производстве товарной фтороводородной кислоты техническую кислоту подвергают химической очистке от содержащихся в ней примесей кремнефтороводородной и серной кислот. Процесс очистки кислоты основан на образовании труднорастворимых соединений кремнефторидов натрия и бария и сульфата бария выпадающих в осадок. Данные труднорастворимые соли получают в ходе химических реакций описанных уравнениями (3. 1), (3. 2), (3. 3):

H2SiF6 + Na2CО3 = NaSiF6 + CО2 + H2О (3. 1)

H2SiF6 + BaCO3 = BaSiF6 + CО2 + H2О (3. 2)

H2SO4 + BaCO3 = BaSO4 + CO2 + H2О (3. 3)

Раствор кальцинированной соды готовят периодическим способом в репульпаторе, снабженном лопастной мешалкой. В качестве растворителя используют маточные растворы фторида натрия, а также оборотную воду.

В репульпатор набирают маточный раствор, который поступает самотеком из бака-сборника, и нагревают острым паром до 30−50 ?С. При постоянном перемешивании загружают кальцинированную соду до ее концентрации

250−300 г/дм3. Перемешивание содового раствора ведут в течении 30 минут.

Получение пульпы кремнефторида натрия осуществляется в результате очистки технической фтороводородной кислоты от примеси SiO2 в виде кремнефтороводородной кислоты.

Содержание H2SiF6 в очищенной кислоте должно быть в пределах от 0,8 до 1,2% мас. Верхний предел обеспечивает получение криолита с примесью SiO2 не превышающей норму. А нижний предел является критерием для снижения натрия в чистой кислоте, идущей на получение трифторида алюминия. Очистку кислоты производят в каскаде последовательно соединенных реакторов смешения.

Выходящая из реактора пульпа представляет собой неоднородную смесь — грубую суспензию, состоящую из жидкой фазы фтороводородной кислоты с примесным содержанием H2SO4 и твердой фазы кремнефторида натрия. Разделение суспензии проводят отстаиванием в сгустителях.

Фильтрация сгущенной пульпы кремнефторида натрия осуществляется на барабанных вакуум-фильтрах с целью более полного удаления фтороводородной кислоты из пульпы. В качестве фильтрующего материала используется ткань «хлорин или «лавсан». Образующийся на фильтровальном полотне слой пасты кремнефторида натрия при вращении барабана срезается ножом и направляется на приготовление пульпы кремнефторида натрия. Фильтрат — очищенная плавиковая кислота, идет на получение AlF3 и Na3AlF6.

После фильтрации пульпа кремнефторида натрия поступает на сушку. Остаточная влажность в материале составляет от 20 до 25% мас. от твердой части пульпы. Сушат влажный материал острым паром, тепло для нагрева получают в ходе сгорания природного газа. В сушку подается природный газ и первичный воздух при температуре 25. Также подается вторичный воздух в соотношении 1:1 к суммарному объему природного газа и первичного воздуха. Кремнефторид натрия сушат при температуре от 500 до 600. Остаточная влажность материала составляет не более 5% мас.

Далее следует выгрузка продукта и упаковка. Кремнефторид натрия упаковывают в полиэтиленовый мешок, вложенный в набивной барабан (масса 35 кг.). Далее следует транспортировка.

В данном методе получения кремнефторида натрия можно выделить следующие стадии:

§ проведение реакции очистки;

§ отстаивание;

§ фильтрация;

§ сушка;

§ выгрузка и упаковка готового продукта.

3.2 Характеристика основного и вспомогательного сырья

кремнефторид натрий фтороводородный кислота

Техническая фтороводородная кислота представляет собой раствор газообразнаго фтороводорода в воде и содержит примеси H2SO4 и H2SiF6. По внешнему виду — бесцветная жидкость с резким запахом и следующими свойствами:

· Химическая формула — HF;

· Молекулярная масса — 20,01 г/моль;

· Температура кипения — 19,75 ?С;

· Критическая температура — 188? С;

· Критическое давление — 6,492 МПа;

· Критическая плотность — 290 кг/м3

Фтороводородную кислоту применяют для производства технических фтористых солей: криолита, фтористоводородных алюминия и натрия; при получении хрусталя, для травления труб в металлургической промышленности, в нефтегазодобывающей промышленности для размягчения горных пород и т. д. Характеристика фтороводородной кислоты, применяемой в указанных направлениях, представлена в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Химический состав технической фтороводородной кислоты

Массовая доля компонента, %

Производство фтористых солей

(HF — полуфабрикат)

Товарная кислота, марка Б

Сорт 1

Сорт2

HF, не менее

28,0

30,0

30,0

H2SO4, не более

1,0

0,05

2,5

H2SiF6, не более

Не нормируется

0,05

8,0

Фтороводородная кислота средней силы (константа диссоциации составляет 6,8·10?4, степень диссоциации 0,1 н. раствора 9%). Она разъедает стекло и другие силикатные материалы, поэтому плавиковую кислоту хранят и транспортируют в полиэтиленовой таре в парафине. Крепкая фторофодородная кислота (более 60% мас. HF) может сохраняться и транспортироваться в стальных емкостях. Для хранения плавиковой кислоты и работы с ней в лабораторных условиях наиболее удобны сосуды из тефлона, полиэтилена и других пластмасс.

Для очистки технической фтороводородной кислоты используют кальцинированную соду. Кальцинированная сода представляет собой мелкокристаллический порошок белого цвета. Химическая формула — Na2СO3. Насыпная плотность от 0,4 до 0,9 т/м3, плотность — 2,42 т/м3. Кальцинированная сода хорошо растворима в воде. Растворимость соды повышается с повышением температуры. Водные растворы проявляют свойства щелочи вследствие гидролиза соды. Сода гигроскопична, на воздухе, присоединяя молекулы воды, образует кристаллогидрат Na2СO3·H2O и при этом комкуется — затвердевает, перестает быть сыпучей, что затрудняет выгрузку из тары и подачи соды в производство. Соду следует хранить в сухом помещении, не допуская затвердевания в таре. Качество технической кальцинированной соды, используемой в производстве должно соответствовать требованиям ГОСТ 10 689– — 75, приведенным в таблице 3.2.

Таблица 3.2. Химический состав кальцинированной соды

Показатель

Массовая доля, %

Углекислый натрий (Na2СO3), не менее

91,5

Углекислый калий, не более

5,0

Соединение серы в пересчете на K2SO4

Не более 4,4

Нерастворимый в воде остаток

Не более 0,1

3.3 Описание технологической схемы процесса

Технологическая схема получения кремнефторида натрия при очистке фтороводородной кислоты представлено на рис 3.1.

Очистку кислоты производят в каскаде из четырех последовательно соединенных реакторов очистки.

Техническая кислота из сгустителя 23 подается в реакторы 3, куда одновременно подается раствор кальцинированной соды из расходного бака 2 или суспензия фтористого натрия из бака 1. Из реактора 3(1) фтороводородная кислота вместе с образовавшимся осадком кремнефторида натрия, через внутренний «карман» попадает в реактор 3(2), в котором состав очищенной кислоты доводят до требуемых параметров, регулируя натрийсодержащий компонент или техническую кислоту.

Из реактора очистки 3(2) 1/3 часть потока фтористоводородной кислоты вместе с образовавшимся осадком кремнефтористого натрия непрерывно скачивается насосом в сгуститель 4, где она и отстаивается. 2/3 потока фтороводородной кислоты подается обратно в реактор очистки 3 для дополнительного перемешивания и более полного растворения NaF.

Очищенная кислота по сливной линии из сгустителя 4 поступает в сборник 5, из которого перекачивается в сгуститель 6. Осадок кремнефторида натрия в виде суспензии из конуса сгустителя 4 выпускается в сборник 7 и далее в промежуточный бак 8.

Очищенная кислота из сгустителя 6 поступает в баки-хранилища для дальнейшего использования в производстве фтористых солей.

Подача пульпы Na2SiF6 в корыто вакуум-фильтра осуществляется из расходных баков 8 по кольцевой линии посредством центробежного насоса. Разрежение в барабанном вакуум-фильтре создается за счет работы вакуум-насоса. Отсасываемая фтороводородная кислота проходит ловушку 12, вакуум-ресивер 13, где кислота отделяется от паров жидкости и газов, и поступает в сборник очищенной кислоты 14, а затем откачивается в сборник полуфабриката 10. Отсасываемые кислые пары и газы промываются в барометрическом конденсаторе и выбрасываются в атмосферу. Образовавшийся на фильтровальном полотне слой пасты срезается ножом при вращении барабана, подается по течке 15 шнеком 17 и затем в сушильную печь 18. Влажность басты не должна превышать 28% мас. Высушенный, кремнефторид с разгрузочного конца печи поступает в бункер для хранения 23.

3.4 Аппаратурное решение метода

· Сгуститель.

Отстаивание проводят в сгустителях рис. 3.2. Сгуститель представляет собой цилиндрический резервуар с плоским слегка коническим днищем. В аппарате устанавливается перемешивающее устройств, которое непрерывно перемешивает осевший продукт к разгрузочному устройству.

Представляет собой невысокий цилиндрический резервуар с плоским слегка коническим днищем и внутренним кольцевым желобом вдоль верхнего края аппарата. В резервуаре установлена мешалка с наклонными лопастями на которых имеются гребки для непрерывного перемещения осаждающегося материала к разгрузочному отверстию. Одновременно гребки слегка взбалтывают осадок, способствуя этим к более эффективному обезвоживанию. Мешалка делает от 0,015 до 0,5 об/мин, т. е. вращается настолько медленно что не нарушат процесса осаждения. Исходная жидкая смесь непрерывно подается через трубу в середину резервуара. Осветленная жидкость переливается в кольцевой желоб и удаляется через штуцер. Осадок — текучая сгущенная суспензия удаляется из резервуара при помощи диафрагмового насоса. Вал мешалки приводится во вращение от электродвигателя.

Данный аппарат можно охарактеризовать как реактор непрерывного действия, близкий по принципу работы к реактору идеального вытеснения.

По фазовому составу — гетерофазный т.к. присутствуют жидая и твердя фазы. По виду перемешивания емкостной. Стационарного типа — скорость процесса не изменяется во времени.

Рис. 3.2. Сгуститель.

1-механизм подъема; 2-механизм вращения; 3-мост; 4-крышка; 5-корпус; 6-вал с грибами; 7-люк смотровой; 8-химзащита (резина и угольнографитовые блоки).

· Барабанная сушильная печь.

Сушилка предназначена для удаления свободной влаги и части кристаллизационной воды. Сушка осуществляется в сушильных печах непрерывного действия, представляющих собой вращающийся сварной барабан диаметром 2 м и длиной 10 м, на котором при помощи башмаков закреплены бандажи. Корпус печи опирается бандажами на опорные ролики. Внутри барабан футеруется: горячая часть печи -- муллитокорундовым кирпичом, холодная часть -- угольными блоками. Привод барабана печи смонтирован на отдельной сварной раме и состоит из электродвигателя, редуктора и открытой венцовой шестерни. Скорость вращения барабана печи регулируется изменением числа оборотов электродвигателя.

Разгрузочная головка печи соединена с топочной камерой, которая установлена на четырехколесной тележке, помещенной на рельсах для откатывания в случае проведения ремонта. Торцевая часть холодного конца печи оборудована загрузочной головкой, через которую паста фтористого алюминия с помощью загрузочного шнека непрерывно поступает в сушильный барабан и за счет угла наклона и вращения барабана перемещается к разгрузочному концу. Сушка осуществляется дымовыми газами, образующимися при сжигании природного газа. Горячие газы проходят вдоль сушильного барабана навстречу движущейся пасте.

Как реактор, барабанная сушилка может характеризоваться в качестве реактора непрерывного действия идеального вытеснения. Сушка идет при постоянной температуре, поэтому можно считать, что данный аппарат изотермического типа. По фазовому составу реакционной смеси барабанную сушилку можно отнести к гетерофазным реакторам, т.к. присутствуют газовая и твердая фазы.

Рисунок 3.3.

1 — камера загрузки; 2 — футеровка печи; 3 — корпус барабана; 4 — зубчатый венец; 5 — привод основной и вспомогательный; 6 — головка загрузочная; 7 — топка; 8 — станция опорная; 9 — станция опорно-упорная.

· Барабанный вакуум-фильтр

Барабанный вакуум-фильтр (рис. 3. 4) состоит из полого барабана, распределительной головки, приводного механизма, корыта фильтра, ножа для съема осадка с поверхности барабана, мешалки в корыте фильтра. Часть поверхности барабана фильтра погружена в корыто с фильтруемой пульпой. Поверхность барабана составлена из отдельных сеток, на которые натягивается фильтровальная ткань (сукно или лавсан). Барабан разделен на несколько разобщенных ячеек, сообщающихся с неподвижной распределительной головкой. Распределительная головка состоит из нескольких камер, которые соединены либо с линией вакуума, либо с линией сжатого воздуха. При вращении барабана в ячейках создается вакуум или давление. При вращении барабана одна из его ячеек сообщается с зоной фильтрации, в этой ячейке устанавливается вакуум. Жидкость отсасывается через фильтрующую ткань внутрь ячейки, из которой фильтрат отводится через распределительную головку и патрубок. На поверхности фильтрующей ткани образуется слой осадка, который по мере вращения барабана в фильтруемой пульпе все время увеличивается.

После выхода ячейки барабана из фильтруемой пульпы в ячейку, остающуюся еще под вакуумом, просасывается воздух и вытесняет из слоя осадка фильтрат, тем самым просушивая этот слой. Полученный осадок с влажностью не более 25% мас. снимается ножом, который подводится, как можно ближе к фильтрующей поверхности. После снятия осадка ячейка вновь попадает в зону давления, и сжатым воздухом фильтровальная ткань продувается.

Рис. 3.4. Барабанный вакуум-фильтр

1 — корыто; 2 — барабан; 3 — мешалка; 4 — головка распределительная; 5 — фильтровальная ткань; 6 — нож съемный; 7 — рама.

3.5 Характеристика отходов, проблемы их обезвреживания и полезного использования

В данном методе получения кремнефторида натрия отходами является смесь газов в том числе HF, Na2SO4, H2SiF6, H2SO4 и другие.

С отходящими газами, образующимся при сушке, увлекаются пары HF. Эти отходы ставят ряд проблем по их использованию и нейтрализации.

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

Предусмотрена двух стадийная очистка отходящих газов сушильной печи. На первой стадии осуществляется сухая очистка в циклоне ДПУ-1100, на второй стадии -- мокрая очистка газов в пенном аппарате. Орошение пенного аппарата производится оборотной водой или маточными растворами данного производства. Отработанные абсорбционные воды подают на приготовление содового раствора.

3.6 Технологические расчеты

Начальные данные.

· Техническая фтороводородная кислота состава:

HF — 29% мас.

H2SO4 — 2,5% мас.

H2SiF6 — 7% мас.

H2O — 61,5% мас.

· Кальцинированная сода состава:

Na2CO3 — 99% мас.

H2O — 1% мас.

1. Стадия очистки фтороводородной кислоты.

Очистку фтороводородной кислоты проводят насыщенным раствором кальцинированной соды, в ходе протекают процессы, которые можно описать уравнениями реакции:

H2SiF6 + Na2CO3 = Na2SiF6 + H2O + CO2 (3. 4)

2HF + Na2CO3 = 2NaF + H2O + CO2 (3. 5)

H2SO4 + Na2CO3 = Na2SO4 + H2O + CO2 (3. 5)

Расчет ведем на 100 000 кг. фтороводородной кислоты. Тогда, рассчитаем массы компонентов в фтороводородной кислоте, по формуле (3. 6):

mком.= (3. 6)

mHF. =

. =

. =

. =

Принимаем, что HF реагирует с кальцинированной содой на 0,01%, испарение воды составляет 1% от начального содержания воды. H2SO4 и H2SiF6 реагируют с содой 1800 кг. и 6200 кг. соответственно.

Рассчитаем количество кальцинированной соды требуемой на очистку фтороводородной кислоты, по формуле (3. 7):

(3. 7)

Тогда, суммарное количество кальцинированной соды будет равным:

кг.

Рассчитаем массу технической кальцинированной соды, по формуле:

(3. 8)

кг.

Тогда, масса воды в кальцинированной соде составляет:

кг.

Для очистки используют насыщенный раствор кальцинированной соды с концентрацией 300 плотность раствора = 1095 Тогда массовая концентрация будет равна 27,4%. Значит в реактор будет подаваться раствор массой, рассчитанной по формуле (3. 9):

(3. 9)

кг.

Тогда следует разбавить кальцинированную соду водой в количестве:

кг.

кг.

Рассчитаем массы Na2SiF6, NaF, Na2SO4, получившихся при очистке фтороводородной кислоты, по формуле (3. 10):

(3. 10)

кг;

кг;

кг.

Рассчитаем массу воды выделившейся в ходе химических реакций по формуле (3. 11):

(3. 11)

кг;

кг;

кг.

Суммарное количество воды выделившейся в ходе очистки равно:

.

Зная, что 1% от начального количества воды испарилось, значит масса испарившейся воды будет найдено по формуле (3. 12):

(3. 12)

кг.

Тогда масса воды в суспензии будет равна:

кг.

Рассчитаем массы HF, H2SO4 и H2SiF6 в суспензии, по формуле (3. 13):

(3. 13)

кг;

кг;

кг.

Рассчитаем количество CO2, выделившегося в ходе реакций, по формуле (3. 14):

(3. 14)

кг;

кг;

кг.

Тогда масса СО2 суммарное будет равно:

кг.

Стадия очистки представлена в таблице материального баланса табл. 3.3.

2. Стадия отстаивания.

После стадии отстаивания водотвердое отношение в сгущенной части пульпы 2:3. Масса твердой части суспензии состоит из Na2SiF6 и NaF.

кг,

значит кг.

Таблица 3.3 — Материальный баланс стадии очистки

Приход

Расход

Статьи прихода

Количество, кг.

Статьи расхода

Количество, кг.

Поток

Компонент

Поток

Компонент

1. Фтороводо-родная кислота в том числе

HF

H2SO4

H2SiF6

H2O

2. Сода в том числе

Na2CO3

H2O

3. Добавочная вода

100 000,00

6653,90

17 144,71

29 000,00

2500,00

7000,00

65 100,00

6520,82

133,08

17 144,71

1. Суспензия в том числе жидкая фаза HF

H2SO4

H2SiF6

Na2SO4

H2O

твердая фаза

Na2SiF6

NaF

2. Отходящие газы в том числе

СО2

H2O

120 302,72

3493,57

28 997,10

700,00

800,00

2608,16

79 096,93

8094,44

6,09

2705,79

787,78

Итого:

123 798,61

123 798,61

Итого:

123 796,29

123 796,29

Массовая доля компонентов в жидкой части суспензии можно рассчитать по формуле (3. 15):

(3. 15)

Аналогично рассчитываем остальные компоненты:

Рассчитаем массу компонентов в суспензии, по формуле (3. 16):

(3. 16)

кг;

кг;

кг;

кг;

кг.

Рассчитаем массы компонентов в фильтрате, по формуле (3. 17):

(3. 17)

кг;

кг;

кг;

кг;

кг.

Расчеты стадии отстаивания можно представить в таблице материального баланса табл. 3.4.

Таблица 3.4 — Материальный баланс стадии отстаивания

Приход

Расход

Статьи прихода

Количество, кг.

Статьи расхода

Количество, кг.

Поток

Компонент

Поток

Компонент

1. Суспензия в том числе жидкая фаза HF

H2SO4

H2SiF6

Na2SO4

H2O

твердая фаза

Na2SiF6

NaF

120 302,72

28 997,10

700,00

800,00

2608,16

79 096,93

8094,44

6,09

1. Влажный осадок в том числе

Na2SiF6

NaF

HF

H2SO4

H2SiF6

Na2SO4

H2O

2. Очищенная кислота в том числе

HF

H2SO4

H2SiF6

Na2SO4

H2O

13 500,28

106 801,84

8094,44

6,09

1395,45

33,48

38,34

124,21

3808,27

27 601,65

666,52

761,66

2483,95

75 288,06

Итого:

120 302,72

120 302,72

Итого:

120 302,12

120 302,12

3. Стадия фильтрации.

Остаточная влажность в осадке 25%, рассчитаем компоненты влажного осадка.

Массу воды во влажном осадке можно рассчитать по формуле (3. 18):

(3. 18)

кг.

Рассчитаем массы компонентов во влажном осадке по формуле (3. 19):

(3. 19)

кг;

кг;

кг;

кг;

Массы Na2SiF6 и NaF остаются прежними.

Рассчитаем массы компонентов в фильтрате, по формуле (3. 20):

(3. 20)

кг;

кг;

кг;

кг;

кг.

Стадия фильтрации представлена в таблице материально баланса табл. 3.5.

Таблица 3.4 — Материальный баланс стадии фильтрации

Приход

Расход

Статьи прихода

Количество, кг.

Статьи расхода

Количество, кг.

Поток

Компонент

Поток

Компонент

1. Влажный осадок в том числе

Na2SiF6

NaF

HF

H2SO4

H2SiF6

Na2SO4

H2O

13 500,28

8094,44

6,09

1395,45

33,48

38,34

124,21

3808,27

1. Осадок в том числе

Na2SiF6

NaF

HF

H2SO4

H2SiF6

Na2SO4

H2O

2. Фильтрат в том числе

HF

H2SO4

H2SiF6

Na2SO4

H2O

10 971,89

2528,39

8094,44

6,09

741,94

17,86

20,39

66,04

2025,13

653,51

15,62

17,95

58,17

1783,14

Итого:

13 500,28

13 500,28

Итого:

13 500,28

13 500,28

4. Стадия сушки.

Остаточная влажность 0,5%. Значит, масса воды в материале будет равна: кг.

В материале остаются компоненты с масса, которых рассчитывается по формуле (3. 21):

(3. 21)

кг;

кг;

кг;

кг;

Рассчитаем массы компонентов в отходящих газах, по формуле (3. 22):

(3. 22)

кг;

кг;

кг;

кг;

кг.

Подогрев осуществляется под действием выделяющегося тепла от сгорания природного газа, который можно описать уравнением реакции (3. 23):

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 35,6 МДж/кг (3. 23)

Примем объем природного газа, используемого в реакции горения за х м3. Тогда объем СH4 будет равен 0,98х м3, а объем N2 0,02х м3. Объемы кислорода углекислого газа и воды можно выразить из уравнения реакции и они будут соответственно равны:, ,.

Следуя из требуемого объема кислорода объем первичного воздуха будет равен:, .

Также в топку поступает вторичный воздух в отношении 1:1 по отношению к объему поступивших объемов природного газа и первичного воздуха. Тогда, из которых, .

Пренебрежем тепловыми нагрузками компонентов, масса которых меньше 25 кг. Такими компонентами являются NaF, H2SO4 и H2SiF6.

Теплоемкости компонентов при температуре на входе 25, и на выходе 600, представлены в табл. 3.5.

Таблица 3.5 — Теплоемкости компонентов.

Компонент

t,

Ср кДж/ кмоль·град

CH4

25

35,79

O2

25

29,36

O2

600

34,12

25

29,10

600

31,60

H2O

25

55,84

H2O

600

73,11

CO2

600

52,02

25

137,99

600

214,40

Na2SiF6

25

128,15

Na2SiF6

600

137,35

25

18,52

600

26,65

Тепловой баланс описывается уравнением (3. 24):

(3. 24)

Теплоту прихода можно описать уравнением (3. 25):

(3. 25)

Теплоту расхода можно описать уравнением (3. 26):

(3. 26)

Теплота рассчитывается по формуле (3. 27):

Q = Cp · t · n, (3. 27)

где Ср — теплоемкость компонента, кДж/ кмоль·град;

t — температура, град;

n — количество вещества, кмоль.

Рассчитаем по формуле (3. 28):

(3. 28)

Рассчитаем по формуле (3. 29):

(3. 29)

кДж.

Рассчитаем по формуле (3. 30):

(3. 30)

кДж.

Рассчитаем по формуле (3. 31):

(3. 31)

=

3 740 251,98 кДж.

кДж.

Тогда теплота прихода будет равна:

кДж.

Рассчитаем по формуле (3. 32):

(3. 32)

кДж.

Рассчитаем по формуле (3. 33):

(3. 33)

= 5 325 249,47 кДж.

Теплота, требуемая на испарение 1 кг воды равна 2260 кДж/кг, в нашем случае требуется испарить массу воды равной (1984,63+1,575х) кг. значит = 2260 · (1984,63+1,575х) = 4 485 263,8 + 3559,5х.

Потери тепла примем 5% от. Тогда рассчитаем по формуле (3. 34):

(3. 34)

кДж.

Тогда выразим.

кДж.

Рассчитаем неизвестный х, подставив и в уравнение (3. 24):

13 318 442,87=28 607,06х

х=465,56 м³.

По найденному значению х можно рассчитать неизвестные нам теплоты, и свести данные расчеты в таблицу теплового баланса табл. 3.6.

Таблица 3.4 — Теплового баланса

Приход

Расход

Статьи прихода

Количество, кДж

Статьи расхода

Количество, кДж

Поток

Компонент

Поток

Компонент

1. в том числе

2. в том числе

3. в том числе

4. в том числе

5.

220 838,39

1 684 740,16

1 865 312,70

3 740 251,98

26 490 364,00

217 235,94

3602,45

1 328 325,12

356 415,04

1 470 710,03

394 602,67

19 124,17

1 644 234,79

204 736,84

1 872 156,18

26 490 364,00

1. в том числе

2. в том числе

3.

4.

20 833 900,29

5 325 249,47

6 142 424,62

1 700 073,29

8 904 313,11

1 343 416,39

924 992,71

9 637 178,85

1739,90

5 162 640,29

17 262,96

143 606,32

6 142 424,62

1 700 073,29

Итого:

34 001 507,23

34 001 507,23

Итого:

34 001 647,67

34 001 647,67

Невязка: 4*10−4

Тогда объем СН4 который требуется на реакцию горения будет равен: м3, тогда: м3.

Сделаем перерасчет объемов газов метана и азота в воздухе на массы, по формуле (3. 35):

(3. 35)

;

.

Тогда масса природного газа будет равна, сумме масс азота и мета, входящих в ее состав:

кг.

Рассчитаем массу кислорода требуемого на сгорание природного газа по реакции (3. 36):

(3. 36)

кг.

Кислород в систему подается в виде первичного воздуха с массовым отношением компонентов в нем 23,1: 76,9 в виде :. Тогда масса первичного воздуха будет рассчитана по формуле (3. 37):

(3. 37)

кг.

Так как воздух состоит из азота и кислорода, тогда масса азота будет равна:

кг.

В систему подается вторичный воздух массой равной сумме масс первичного воздуха и природного газа, тогда масса вторичного воздуха равно:

кг.

Тогда массу азота и кислорода в воздухе можно найти по формуле (3. 38):

(3. 38)

кг;

кг.

Рассчитаем массу углекислого газа и води выделившихся в ходе химической реакции сгорания метана, по формуле (3. 39):

(3. 39)

кг;

кг.

Расчеты по стадии сушки можно записать в таблицу материального баланса табл. 3.5.

Таблица 3.5 — Материальный баланс стадии сушки

Приход

Расход

Статьи прихода

Количество, кг.

Статьи расхода

Количество, кг.

Поток

Компонент

Поток

Компонент

1. Влажный осадок в том числе

Na2SiF6

NaF

HF

H2SO4

H2SiF6

Na2SO4

H2O

2. Природный газ в том числе

3. Первичный воздух в том числе

4. Вторичный воздух в том числе

10 971,89

337,53

5643,12

5980,65

8094,44

6,09

741,94

17,86

20,39

66,04

2025,13

325,89

11,64

1303,56

4339,56

1381,53

4599,12

1. Осадок в том числе

Na2SiF6

NaF

HF

H2SO4

H2SiF6

Na2SO4

H2O

2. Газы сдувки в том числе H2O HF H2SO4 H2SiF6 Na2SO4

8157,96

14 775,23

8094,44

6,09

14,84

0,36

0,41

1,32

40,5

1381,53

8950,32

2717,88

896,20

727,10

17,50

19,98

64,72

Итого:

22 933,19

22 933,19

Итого:

22 933,19

22 933,19

Сводный баланс по расчетам представлен в табл. 3.6.

Таблица 3.6 — Сводный материальный баланс.

Приход

Расход

Статьи прихода

Количество, кг.

Статьи расхода

Количество, кг.

Поток

Компонент

Поток

Компонент

1. Фтороводо-родная кислота в том числе

HF

H2SO4

H2SiF6

H2O

2. Сода в том числе

Na2CO3

H2O

3. Добавочная вода

4. Природный газ в том числе

5. Первичный воздух в том числе

6. Вторичный воздух в том числе

100 000,00

6653,90

17 144,71

337,53

5643,12

5980,65

29 000,00

2500,00

7000,00

65 100,00

6520,82

133,08

17 144,71

325,89

11,64

1303,56

4339,56

1381,53

4599,12

1. Осадок в том числе

Na2SiF6

NaF

HF

H2SO4

H2SiF6

Na2SO4

H2O

2. Очищенная кислота в том числе

HF

H2SO4

H2SiF6

Na2SO4

H2O

3. Газы сдувки в том числе H2O HF H2SO4 H2SiF6 Na2SO4

8157,96

109 330,23

18 268,80

8094,44

6,09

14,84

0,36

0,41

1,32

40,5

28 255,16

682,14

779,65

2542,12

77 071,16

1381,53

8950,32

3505,66

3601,99

727,10

17,50

19,98

64,72

Итого:

135 754,91

135 754,91

Итого:

135 756,99

135 756,99

Термодинамические расчеты приведены для реакции (3. 40):

H2SO4 + Na2CO3 = Na2SO4 + H2O + CO2 (3. 40)

Термодинамические свойства веществ при температуре Т=298 К, представлены в табл. 3.7.

Таблица 3.6 — Термодинамические свойства веществ.

Компонент

-1

-

157,01

137

-

-

-

Na2CO3

-1

1137,2

136,1

58,53

227,8

-

-13,084

Na2SO4

1

1396,3

149,6

98,39

132,89

-

-

H2O

1

286,034

69,987

46,9

30,02

-

-

CO2

1

397,777

213,78

32,24

22,2

-

-

Рассчитаем изменение энтальпии реакции при 298 K по уравнению (3. 41)

(3. 41)

где —, ,, , — изменения стандартных энтальпий веществ.

Изменение энтальпии реакции при заданной температуре, рассчитаем по уравнению (3. 42):

(3. 42)

где — изменение изобарной теплоемкости реакции,

Изобарную теплоемкость реакции определяем по уравнению (3. 43):

(3. 43)

где Дa, Дb, Дc'и — коэффициенты уравнения

Коэффициенты Дa, Дb, Дc'и определяются по уравнениям (3. 44), (3. 45), (3. 46) и (3. 47):

?a (3. 44)

(3. 45)

(3. 46)

(3. 47)

Соответственно коэффициенты равны:

?а = 32,27 + 46,9 + 98,39 — 139 — 58,53 = - 19,97

?b = (22,2 + 30,02 +132,89 — 227,8) · 10−3 = -42,69· 10−3

Дc = -3,48 · 10−6

13,084 · 105

Тогда рассчитаем изменение энтальпии при Т=323 К.

Стандартная энтальпия реакции при 298 °C рассчитываем по формуле (3. 48):

(3. 47)

где, ,, и — стандартные энтропии веществ.

Энтропия реакции при заданной температуре рассчитываем по формуле (3. 49):

(3. 49)

= - 971,81 Дж/моль К

Далее изменение энергии Гиббса определяем по уравнению (3. 50):

(3. 50)

= - 53 787 520 — 323 • (- 971,81) = - 53 423 625,37 Дж/моль

Можно сделать вывод что реакция идет самопроизвольно.

Заключение

В ходе написания курсовой работы, мною была изучена литература посвященная производству кремнефторида натрия. В работе я обзорно указала несколько методов получения кремнефторида натрия, но подробно рассмотрела только один из них. Была дана характеристика основного и вспомогательного сырья. Рассмотрена и описана технологическая схема получения продукта.

В расчетной части работы был рассчитан материальный баланс производства кремнефторида натрия. По стадии сгорания природного газа был рассчитан тепловой баланс процесса.

Показать Свернуть
Заполнить форму текущей работой