Розрахунок матеріальних балансів

 

 

 

 

ДОМАШНЯ КОНТРОЛЬНА РОБОТА

 

ЗАГАЛЬНА  ХІМІЧНА ТЕХНОЛОГІЯ – 2

(хіміко-технологічні  схеми)

 

на тему:

Розрахунок  матеріальних балансів

 

 

 

 

Результат захисту_____балів

Дата

 

Керівник:                                                     Виконавець:

________/______________________/       Студент групи_________

            ^{підпис               посада, прізвище}                                 ________/_____________

                                                                                  ^{підпис                            прізвище}

 

 

 

 

Київ 2012

 

 

 

 

 

 

 

Зміст

Вступ………………………………………………………………………….4

1 Опис технологічної схеми виробництва 6

2 Розрахункова частина 13

2.1 Розрахунок рівноважного ступеня перетворення 13

2.2 Матеріальний баланс (розрахунок) виробництва 15

Висновки…………………………………………………………………….20

Список використаної літератури…………………………………………21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступ

Синильна кислота (ціановоднева кислота) − газ або безбарвна рідина  (Т_кип = 25,6 °С, Т_пл = 13,3 °С, густина 0,699 г/см³), має запах гіркого мигдалю, легко змішується з водою і з рядом органічних розчинників. При 13,3 °С синильна кислота твердне, утворюючи волокнисту кристалічну масу. Синильна кислота є слабкою кислотою. У вільному стані в природі синильна кислота не зустрічається. Вона зустрічається у вигляді хімічних сполук, до числа яких відносяться глікозиди (амігдалин, пруназин, дуррин та ін.).

Синильна кислота та її солі застосовуються для синтезу  ряду органічних сполук, при видобутку  золота, для дезінфекції та дезінсекції, для боротьби з шкідниками рослин і т. д. З сполук синильної кислоти, що застосовуються в народному господарстві, велике значення мають ціаніди натрію та калію.  
Синильна кислота і її солі дуже отруйні. По токсичності синильна кислота перевершує багато відомі отрути.

При взаємодії з лугами синильна кислота дає ціаніди, тобто сполуки більш токсичні і стійкі:

HCN + KOH(NaOH) → KCN(NaCN) + H₂O.

Взаємодія з хлором приводить до утворення хлорціану, який теж має велику токсичність:

HCN + Cl₂О → CNCl + HCl,

тому проведення дегазації синильної кислоти недоцільно.

Із солями дво- і тривалентного феруму HCN утворює берлінську синь − ціанисту сіль заліза синього кольору, яка малорозчинна у воді: K₃[Fe(CN)₆].

Реакція може використовуватись для індикації отруйної речовини.

Із сірковмісними речовинами, альдегідами і кетонами (глюкоза) утворює малотоксичні сполуки (ціангідрини):

KCN + S →  KCNS (роданід калію).

 

Детоксикаційні властивості цих сполук закладені в основу виготовлення антидотів. Ціаніди легко вступають у реакції комплексоутворення із солями важких металів, наприклад із сульфатами заліза і міді, що використовується при виготовленні хімічного поглинача в сучасних фільтрувальних протигазах.

Виробництво HCN ґрунтуватись на взаємодії ціаніду натрію з сульфатною кислотою або на прямому синтезі із аміаку і вуглеводнів.

Виробництво синильної кислоти  взаємодією ціаніду натрію або ціанплаву з сірчаною кислотою є громіздким і неекономічним. Отримання синильної кислоти цими методами пов'язано зі значними витратами енергії (до 16 500  квт-год на 1 т синильної кислоти) і сірчаної кислоти. При цьому утворюються великі кількості відходів, що не підлягають подальшому використанню − сірчанокислого натрію або сірчанокислого кальцію. Ці способи не можуть забезпечити всі зростаючі потреби в синильній кислоти для виробництва високополімерних продуктів – виробництва водних акрилової і метакрилової кислот.

Протягом останніх десятиліть широко поширюються різні способи  прямого синтезу синильної кислоти, які базуються на термічній або каталітичній взаємодії вуглеводнів з азотом або аміаком. З них найбільше значення отримали контактні способи утворення синильної кислоти з аміаку і метану або продуктів їх неповного окислення.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Опис технологічної  схеми виробництва

Безпосередній синтез ціаніду  водню з метану й аміаку засноване  на ендотермічний реакції:

СН4+NH3«HCN+3H2.

(1.1)

Швидкість цієї реакції різко  підвищується при одночасному спалюванні водню, тобто при неповному окисленні  метану і аміаку. При цьому реакція  стає екзотермічної. Високі виходи з  одночасним значним підвищенням  швидкості реакції досягаються  при каталітичному здійсненні процесу (наприклад, на платиновому та інших  каталізаторах).

Існують різні уявлення про  механізм утворення ціаніду водню  при неповному окисленні метану і аміаку на каталізаторі. Припускають, що процес протікає з утворенням проміжного з'єднання − нітроксилу HNO або розпадом метану й аміаку на атоми чи радикали.

Вуглеводневі радикали, що утворюються з вуглеводнів і  атомів О і Н, можуть реагувати з NH₃ в зоні горіння навіть за відсутності атомів азоту. Більш вірогідною є радикалино-ланцюгова теорія. Відповідно до цієї теорії механізм процесу складається з наступних стадій:

1. адсорбції кисню на платиновому каталізаторі з утворенням активних поверхневих сполук;
2. взаємодії молекул метану і аміаку з поверхневими сполуками на каталізаторі з утворенням нових радикалів і бірадікалів (·СН₃, ·NH₂, ·ОН, :СН₂, :NH);
3. взаємодії утворюються радикалів з метаном і аміаком, в результаті чого утворюється метиламін СН₃NН₂ по реакціях:

:СН2 + NH3 = СН3NН2;   :NH + СH4 = СН3NН2;

(1.2) (1.3)

4. окислення метиламіну киснем повітря в синильну кислоту:

СН3NН2 + О2 = HCN + 2H2О, + 77,6 ккал.

(1.4)

Одночасно з утворенням ціаністого водню ідуть реакції розкладання азотних радикалів на азот і водень і окислення вуглецевих радикалів в оксид вуглецю і водень. Доцільно використовувати для утворення ціаніду водню      60-63 %  аміаку 56-57 % метану. Інша кількість аміаку частково розкладається (12-18 %) на азот і водень, частково (22-28 %) залишається непрореагованим. Для більш повного використання аміаку необхідний невеликий надлишок метану і деякий дефіцит кисню в порівнянні зі стехіометричною кількістю. Оптимальне співвідношення газів (за об’ємом) СН₄ : NH₃ становить 1,1 і          О₂ : СН₄ – 1,33-1,43.

Запропоновано використовувати  суміші і з іншими співвідношеннями, наприклад: 16,2 % СН₄, 10,8 % NН₃, 18,3 % О₂ і 54,7% N₂. Надлишок кисню призводить до підвищення температури каталізатора і часткового згорання HCN, тобто до зниження його виходу.

Швидкість процесу залежить від умови дифузії реагентів  з обсягу до поверхні каталізатора і продуктів реакції в зворотному  напрямку. При великій лінійній швидкості газу реагенти не встигають продифундувати до поверхні каталізатора. При малій лінійній швидкості продукти реакції, внаслідок тривалого їх перебування на каталізаторі, розкладаються з відкладенням вуглецю. Зазвичай вибирають лінійну швидкість газового потоку в межах     0,8-1,4 м/с (в розрахунку на холодний газ).

В якості каталізатора застосовують сплав платини з родієм або іридієм у формі сітки, виготовленої з ниток товщиною від 0,04 до 0,16 мм з кількістю отворів на 1 см² від 3600 до 500. Вільний зазор між нитками дорівнює від 0,127 до 0,287 мм.

Платиновим каталізатор  дуже чутливий до дії різних домішок газоподібних і твердих (пилу) речовин. Осбливо шкідливим є вуглець, що утворюється при розкладанні нестійких в умовах синтезу вуглеводнів. Каталізатор отруюється необоротно під впливом етилену, пропілену та вищих олефінів і особливо при наявності в газі до 0,1 % ацетилену. Наявність в газі до 0,1 % сірководню призводить до оборотного отруєння каталізатора. При відсутність сірководню в газі каталізатор, раніше отруєний сірководнем, швидко відновлює свою активність. Вміст окису вуглецю до 8-10% не здійснює впливу на дію каталізатора, а присутність водню в деякій мірі сприятливо позначається на роботі каталізатора, запобігаючи відкладенню вуглецю на його поверхні. Різке зниження активності каталізатора відбувається при потраплянні на нього заліза, міді, свинцю, а також при вмісті в газі незначних кількостей (0,00001 %) сполук фосфору і миш'яку. Тому вихідні реагенти − метан, аміак і повітря – ретельно очищають від механічних домішок, а також від речовин, що отруюють каталізатор.

Регенерацію отруєного каталізатора запропоновано проводити продувкою через нього повітря, а потім азото-водневої суміші.

Джерелом метану служать  метанові фракції нафтового або коксового газу, а також природний газ, що містять 97 % і більше метану. Очищені гази змішують у зазначеному вище співвідносячишені і направляють в контактний апарат (рисунок 1.1), аналогічний за своєю конструкції апаратам, які застосовуються для окислення аміаку у виробництві азотної кислоти. Апарат у верхній частині являє собою два конуса, складені основами. У розширеній частині поміщені 3-6 сіток з платинового сплаву. Нижня циліндрична частина апарату представляє собою котел-утилізатор, який служить для використання тепла реакції та охолодження контактних газів.

Спочатку  сітку апарату розігрівають до 300-500 °С. Потім в апарат вводять аміачно-повітряну суміш (містить 10 % NH₃), яку продовжують пропускати через апарат протягом 3-4 годин, поки встановлюється температура 800-900  °C і доcягається певна активність каталізатора.  Після цього в змішувач газів через спеціальний фільтр і витратомір починають подавати метан. В газах, які виходять з контактного апарату міститься (при роботі на метанової фракції нафтового газу, яка містить 97-97,5 % СН₄) близько 6% HCN, 1,5-1,7 % NH₃, 0,2 % СО₂, 4,3-4,5 % СО, 0,5% СН₄, 7,5% Н₂, 0,1 % О₂, 56,7 % N₂, 23-23,5 % водяної пари. Ступінь перетворення аміаку в HCN залежно від умов складає 63-70 %. Після контактування гази з температурою 900-1000 °С

1 – скрубер; 2, 2', 2'' – фільтри; 3, 3', 3'' – витратоміри; 4 – усереднював; 5 – контактний апарат; 6 – котел-утилізатор; 7 – башта поглинання; 8, 15 – насоси; 9 – компресор; 10 – тарільчата колона; 11 – дистиляційна колона; 12 – конденсатор; 13 – мірник; 14 – приймач

 

Рисунок 1.1 –  Схема виробництва синильної  кислоти каталітичним окисненням метану і аміаку

 

проходять котел-утилізатор, де швидко охолоджуються до 150 °С (тобто до температури трохи вище точки роси з метою запобігання гідролізу синильної кислоти). Охолоджену газову суміш направляють в башту, зрошувану слабким розчином суміші сірчаної кислоти та сульфату амонію для поглинання аміаку, який не прореагував, та запобігання утворення полімерів ціаніду водню. Розчин сульфату амонію, що утворився в башті, переробляють в твердий продукт. Газову суміш, яка залишилася стискають до 7 атм і подають в тарілчасту колону, де її промивають злегка підкисленою водою. Ціаністий водень, розчиняючись, утворює синильну кислоту. Газ, що залишився, не містить аміаку і синильної кислоти, викидають в атмосферу або спалюють. У газах, що викидаються в атмосферу, допустиме санітарними нормами утримання HCN становить 0,0003 мг/дм³. Очищення атмосферних викидів від синильної кислоти є важливою проблемою і в процесах, які здійснюються з використанням синильної кислоти. Наприклад, у виробництві акрилової кислоти промивка газів, які викидаються, розчинами їдкого натру при 60 °С в скрубері не дозволяє досягти санітарної норми. Запропоновано для повної очистки газу, що відходить з лужного абсорбера, від синильної кислоти проводити додаткову його промивку невеликою кількістю чистого розчину лугу низької концентрації (0,85-3,5 г/дм³), що не містить ціаніду натрію. Отриманий водний розчин синильної кислоти піддають дистиляції в колпачковій колоні з відгоном рідкої синильної кислоти; кубовий залишок являє собою злегка підкислену воду, яка повертається в колону для уловлювання ціаніду водню. До рідкої синильної кислоти, що містить 98,5 % НСN і 1,5 % води, а при додатковій ректифікації до 99,5 %, додають стабілізатор − фосфорну кислоту в кількості 0,1-0,2 % (або інші кислоти) . На виробництво 1 т HCN витрачають: 1,05-1,08  г метану і 1,05 г аміаку, з яких 0,3 г перетворюється в сульфат амонію.

Вилучення аміаку з газової  суміші за описаною схемою є недосконалим, пов'язаним з витратами сірчаної кислоти і необхідністю спеціальної  обробки розчину для отримання  твердого сульфату амонію. Більш досконалим способом разділення контактних газів є вибіркова абсорбція з них аміаку водним розчином пентаерітритборату (або будь-якого кислого ефіру багатоатомного спирту і борної кислоти). Амонійна сіль, яка утворюється при нагріванні вище 100 °С розкладається з виділенням аміаку і регенераційного поглинача. Охолоджені в котлі-утилізатори контактні гази направляють в насадкову колону (рисунок 1.2), зрошувану холодним насиченим водним розчином пентаерітритбората. При цьому з газу в розчин переходять аміак і ціанід водню. Гази, які не поглинулись, спалюють у котельній. Витікаючий з поглинальною колони слабокислий розчин після підігріву в теплообміннику направляють в першу десорбціону колону, де при 80 °С відганяється ціанід водню попутно з

1 – фільтр; 2 – усереднював; 3 – контактний апарат; 4 – котел-утилізатор; 5 – колона поглинання; 6, 10, 1, 10, 14, 15 – теплообмінник; 7 – десорбційна колона; 8 – скрубер; 9 – вакуум-насос; 11 – регенераційна колона; 12 – холодильник; 13 – колона відгонки

 

Рисунок 1.2 – Схема виробництва ціаніду водню з розділенням аміака і синильної кислоти

 

невеликою кількістю  аміаку. Десорбцію HCN здійснюють під зниженим тиском (200-250 мм рт. ст.). У верхню частину колони подають свіжий розчин пентаерітритборату, який частково зв'язує аміак, що відганяється в процесі десорбції ціаністого водню. Основна кількість аміаку виділяється в регенераційної колоні. Після охолодження та конденсації води аміак повертають у процес. З отриманої аміачної води виділяють залишок аміаку у колоні відгонки.

Недоліками  описаного методу отримання синильної  кислоти є не повне, використання аміаку, утворення в якості побічного  продукту оксиду вуглецю і низька концентрація HCN в газової суміші, що утворюється, а також певні втрати платини. Перспективним є некаталітичне отримання ціаніду водню з метану й аміаку в псевдозрідженому шарі. Нагрівання газів до 1400-1600 °С  прводиться за допомогою спеціальних графітових електродів,  які розташовуються в киплячому шарі з електропровідних частинок коксу. У цих умовах концентрація HCN з газових продуктах досягає 20-25 % і основним побічним продуктом є водень. Процес протікає в киплячому шарі з великою швидкістю і характеризується швидким підйомом температури в реакторі і легкістю регулювання режиму шляхом зміни швидкості проходження газу, глибини занурення електродів в киплячий шар і потужності, яка підводиться до електродів. Ці реактори відрізняються тривалістю роботи при високих температурах і можуть працювати як на змінному, так і на постійному струмі при напрузі, що не перевищує 100 В.