05.12_Терещенко Михаил ацетилен (1). Курсовая работа по дисциплине Общая химическая технология Тема Производство ацетилена из карбида кальция Студент
 Скачать 475.62 Kb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» факультет химических технологий, промышленной экологии и биотехнологий Группа ТПМП-19-1с КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине «Общая химическая технология» Тема: Производство ацетилена из карбида кальция Студент ____________ ____________________ (подпись, дата) (инициалы, фамилия) Руководитель работы, должность ____________ __Носкова О.А.___ (подпись, дата) (инициалы, фамилия) Работа защищена ___________ с оценкой _______________ (дата) Пермь, 2021 г. Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Пермский национальный исследовательский политехнический университет факультет химических технологий, промышленной экологии и биотехнологий Кафедра «Химические технологии» ЗАДАНИЕ на курсовой проект (работу) студента Терещенко Михаила Дмитриевича гр. ____________. (фамилия, имя, отчество) 1. Тема задания на 5___ семестр Производство ацетилена из карбида кальция 2 Ожидаемые результаты: Выбор и обоснование технологической схемы; технологическая схема; расчет материального и энергетического балансов, подбор и обоснование конструкции основного оборудования. 3 Формируемые компетенции и контролируемые результаты обучения: ПК-1. Б1. Б24 Способность использовать технические средства для контроля основных параметров технологического процесса, свойств сырья и продукции. 4 Срок сдачи студентом отчета по курсовой работе: __01.12.21___ 5 Отметка о выдаче задания: Руководитель работы ________ (Носкова О.А.) «_06_» _10___2021г. (подпись) (фамилия, инициалы) Задание получил ______________ «_06_»_10___2021г. (подпись) Отметка ___________ Руководитель работы__________ (_____________) «_____»_______20__г. (подпись) (фамилия, инициалы) ОглавлениеВведение 5 1.Характеристика исходного сырья 7 2. Характеристика целевого (готового) продукта 9 3.Описание химической схемы процесса 10 4. Описание принципиальной схемы процесса 11 5. Описание технологической схемы процесса и режима производства 12 6. Подбор основного технологического оборудования 14 7. Расчет материального баланса 17 Вывод 18 Список использованных источников 19 ВведениеХимическая промышленность активно применяет ацетилен в органическом синтезе для производства таких веществ как уксусная кислота, технический углерод, этиловый спирт, каучук, пластмассы, растворители, лаки, взрывчатые вещества, органическое стекло. Помимо этого, раствор ацетилена в аммиаке используют в ракетной промышленности как ракетное топливо. На протяжении всего прошлого века большой популярностью пользовались карбидные лампы, которые работали на основе ацетиленового пламени. Такими лампами оснащали кареты, автомобили и велосипеды. На сегодняшний день карбидные лампы утратили былую полярность, но их по-прежнему используют на кораблях дальнего плаванья и маяках, так как они работают без электричества и очень экономичны. Ацетилен занимает первое место среди газов по своей способности к локальному разогреву металла и концентрации тепловой мощности в зоне ацетиленовой струи. При этом не только снижается трудоёмкость производства разделительных операций с применением ацетиленовых генераторов, но и существенно улучшается качество поверхности реза: кромки получаются наиболее чистыми и ровными, а разделение металла может выполняться под какими угодно углами. Поэтому он используется при газовой и автогенной сварке, где получил широкое применение благодаря своей уникальной способности образовывать с смеси с кислородом пламя чрезвычайно высокой температуры, которая достигает 3150 С. Оно способно локально расплавлять практически все тугоплавкие металлы и сплавы (за исключением вольфрама). Поэтому ацетилен можно применять также и для пайки абсолютно разнородных между собой материалов: с этой целью ацетиленовую струю вдувают между твёрдыми припоями. В стекольной промышленности ацетилен применяют для предотвращения образования пузырьков. Для этого формы, используемые для выдувания стеклянных изделий, обрабатывают ацетиленом. В пищевой промышленности его применяют для сохранения фруктов, транспортируемых к потребителю на весьма далёкие расстояния (в частности, бананов, ананасов и т.д.) их собирают немного незрелыми, а при перевозке помещают в ацетиленовую среду. Небольшое стравливание ацетилена в емкость с плодами обеспечивает их постепенное дозревание. В настоящее время, большую часть ацетилена получают старым методом (из карбида кальция). Карбид кальция обладает тем преимуществом, что из него получается ацетилен 97— 98%-ной концентрации, поэтому дальнейшая его очистка очень проста его легко транспортировать. Ацетилен же, полученный из метана (и других углеводородов), требует трудоемкой операции выделения его из газовых смесей и транспортирования в резервуарах под давлением. Известны так называемые мокрый и сухой способы получения ацетилена карбидным методом по реакции: CaC2+2H2O=C2H2+Ca(OH)2+127 кДж При мокром способе в качестве отхода образуется известковое молоко, что очень осложняет процесс. Более экономичным и безопасным считается сухой способ, в котором образуется сухая известь. Производительность сухих ацетиленовых генераторов достигает 2-5 т/ч ацетилена. В данном разделе необходимо указать востребованность и целесообразность производства продукта, области его использования, сравнение различных методов получения и обосновать проектирование рассматриваемого способа производства. Характеристика исходного сырьяХарактеристика кусков карбида кальция(технического) по ГОСТ 1460-2013 приведена в таблице 1. Таблица 1- размер кусков карбида кальция(технического) по ГОСТ 1460-2013
Характеристика карбида кальция(технического) по ГОСТ 1460-2013 приведена в таблице 2. Таблица 2- характеристика марок карбида кальция по ГОСТ 1460-2013
Продолжение таблицы 2.
2. Характеристика целевого (готового) продуктаХарактеристика ацетилена по ГОСТ 5457-75 приведена в таблице 3. Таблица 3-характеристика марок ацетилена по ГОСТ 5457-75
Описание химической схемы процессаПроизводство ацетилена разложением карбида кальяция осуществляется в ацетиленовых генераторах мокрым и сухим способом по уравнению реакции: CaC2+2H2O=C2H2+Ca(OH)2+127 кДж Теоретически при полном разложении 1 кг химически чистого карбида кальция при 20°С и 760 мм рт. ст. образуется 347 л сухого ацетилена или 380,9 л ацетилена, насыщенного парами воды. Однако практически выход ацетилена всегда ниже теоретического, так как в техническом карбиде кальция содержится в среднем 77% СаС2; обычными примесями являются СаО (17%), свободный углерод, сернистые соединения кальция и алюминия, фосфористый кальций, железо-кремниевые сплавы (ферросилид), окись железа, алюминия, кремния При сухом способе в генераторах, работающих по принципу «вода на карбид», воду добавляют только в таком количестве, чтобы обеспечить протекание реакции и отвод тепла за счет испарения избытка воды. Химическая схема производства представляет собой уравнения химических реакций получения целевого продукта. В данном разделе описываются химические реакции, протекающие на каждом этапе химического производства, а также условия их протекания. Если процесс каталитический, необходимо указать используемый катализатор и обосновать его выбор. 4. Описание принципиальной схемы процессаВ этом способе карбид кальция из бункера со шлюзовым затвором шнеком подается на верхнюю полку генератора, устройство которого подобно механическим полочным плечам. Необходимое количество воды подается разбрызгивающим устройством на верхнюю полку и обильно смоченный карбид кальция перемещается гребками по спирали сверху вниз через отверстия, устроенные в полках попеременно: в центре и на периферии. Передвигаясь с полки на полку, карбид одновременно перемешивается и практически полностью (98%) превращается в ацетилен и Ca(OH)2. Гидроокись кальция в виде сухого порошка(пушонка) через конусную часть генератора с мешалкой удаляется шнеком. Выделившийся в результате реакции ацетилен вместе с водяными парами и увлеченной известковой пылью при 100°С направляется в скруббер, орошаемый водой. Здесь газ охлаждается до 20-30°С и освобожденный от пыли поступает на очистку от фосфористого водорода (300-600 мг/м3), сероводорода(200-400 мг/м3) и аммиака. Образовавшееся известковое молоко из нижней части скруббера непрерывно выводится в отстойник. Шлам из нижней части отстойника откачивается в канализацию, а осветленная вода насосом через холодильник снова направляется в скруббер. Очистка газа от примесей обеспечивается промывкой водным раствором гипохлорита с добавкой активного хлора или раствором бихромата натрия в разбавленной серной кислоте. Затем газ сушится и направляется на химическую переработку.  Рисунок 1- Принципиальная схема производства ацетилена сухим способом из карбида кальция. 5. Описание технологической схемы процесса и режима производстваТехнологическая схема классического процесса получения ацетилена из карбида кальция по «сухому способу» представлена на рисунке 2.  Рисунок 2- Схема получения ацетилена из карбида кальция по «сухому способу» 1- приемный бункер; 2-автоматический затвор; 3-буферный бункер; 4-шнек; 5- ацетиленовый генератор; 6- шнек для удаления извести; 7- скруббер; 8- отстойник; 9- холодильник. В промышленности, в генераторах сухого типа для разложения карбида кальция подается вода из расчета минимально необходимого количества для полного разложения карбида кальция; при этом за счет испарения воды отводится часть тепла, выделяющегося при реакции, и образуется порошкообразный гидрат окиси кальция с влажностью 4-10%. Соотношение между водой и карбидом кальция 1,2:1. Для обеспечения полного разложения карбида, необходимой скорости процесса и устранения местных перегревов карбид предварительно измельчают до величины кусков не более 4мм. Карбид кальция грануляцией от размеров пылинок до кусков размером 60 мм подается пластинчатым транспортером на вибрационное сито, где отсеивается фракция грануляцией менее 4 мм. Крупная фракция подается транспортером в бункеры мельниц (стержневых или шаровых). При неоднородности помола карбида, крупная фракция поступает на повторное измельчение. Измельченный в мельницах карбид подается транспортером в отделение генераторов; сюда же подается мелкая фракция карбида, отсеянная на вибрационном сите. Карбид загружается в промежуточные конические бункеры, откуда он с помощью секторного питателя подается в загрузочный шнек, а затем в генератор ацетилена. Генератор ацетилена представляет собой вертикальный аппарат, составленный из двух цилиндров, соединенных переходом, с диаметром верхнего цилиндра 3.5 м и нижнего 2м. Общая высота аппарата с переходным конусом – 7.8 метра. В верхнюю часть аппарата через восемь сопел подается вода. Передвигаясь с помощью скребков с тарелки на тарелку, карбид полностью разлагается на ацетилен и гидрат окиси кальция. Влажность гидрата окиси кальция колеблется в пределах 4-10% и в среднем составляет 8%. Температура в генераторе составляет около 100 °С давление 800-1000 мм.рт.ст. Образующийся в генераторе ацетилен поступает в промывную колонну, где охлаждается до 20-30 °С, промывается от пыли и поступает на очистку от примесей. Шламовая вода из промывной колонны подается в отстойник , где отстаивается от шлама, и снова поступает в генераторы, а шлам из нижней части отстойника откачивается в канализацию. Порошкообразный гидрат окиси кальция, получившийся в виде отхода в генераторах сухого типа , выводится из генератора разгрузочным шнеком и элеватором, направляется в производство возвратной извести, где из него отделяют известь, годную для повторного использования в производстве карбида кальция. К числу наиболее распостраненных жидких очистительных растворов , рекомендуемых для очистки ацетилена, относится раствор содержащий двухромовокислый натрийи серную кислоту. 6. Подбор основного технологического оборудования Рисунок 3-Сухой ацетиленовый генератор системы «вода на карбид»: Гребки; 2- полки; 3- ворошитель «пушонки»; 4-устройство для замера уровня «пушонки»; 5- рубашки; 6- вал; 7- стальной корпус. На рисунке 3 изображен сухой ацетиленовый генератор, в котором, разложение карбида кальция проводят при небольшом избытке воды. В нижнем цилиндре поддерживается определенный уровень извести, который препятствует прониканию ацетилена в нижний шнек. Для окончательной подсушки пушонки в конус и нижний цилиндр подают пар по специальным рубашкам. Ацетилен отводится из генератора по трубе, расположенной в конусной части аппарата.  Рисунок 4 – Схема очистки ацетилена: «сухой» ацетиленовый генератор; 2- Скруббер водной промывки; 3- Очистной скруббер; 4- Щелочной скруббер; 5- Скруббер для осушки ацетилена серной кислотой; 6- Сборники. На рисунке 4 представлены скрубберы для очистки ацетилена, вместе с ацетиленовым генератором. Ацетилен из генератора 1 поступает в скруббер 2, где промывается теплой оборотной водой для удаления аммиака и части сероводорода. По мере накопления аммиачных солей оборотную воду заменяют свежей. В скруббере 3 ацетилен промывается гипохлоритом натрия для удаления фосфористого и мышьяковистого водорода и кремниевых соединений. В 4 из ацетилена раствором щелочи вымываются остатки соединений кислотного характера. В случае необходимости ацетилен в скруббере 5 осушают серной кислотой. Очищенный ацетилен направляют на переработку или собирают в газгольдере.  Рисунок 5- Схема гравитационного отстойника: 1 – корпус; 2 - кольцевой фундамент; 3 - центральная опора; 4 - полый вал мешалки; 5 – рама; 6 - приводной редуктор; 7 – гребки; 8 - кольцевой желоб для отвода раствора. Отстойник Дорра (рис. 5) является одним из первых осветлителей, получивших широкое применение в промышленности. Он относится к аппаратам непрерывного действия и представляет собой цилиндрический резервуар большого диаметра со слегка коническим днищем. По оси отстойника расположено перемешивающее устройство рамного типа. Осью мешалки служит труба, по которой осветляемая жидкость подается в аппарат. В верхней части аппарата размещается кольцевой переливной желоб со сливным штуцером. Таким образом, очищаемый раствор подается в нижнюю часть аппарата и медленно, менее 1 м/час, поднимается вверх. Принцип отделения твердой фазы основан на том, что скорость восходящих потоков раствора значительно меньше скорости осаждения твердой фазы. Твердая фаза оседает на дно и непрерывно перемещается к разгрузочному отверстию наклонными гребками, установленными на лопастях мешалки. Мешалка вращается со скоростью от 0,015 до 0,5 об/мин, чтобы не мешать процессу осаждения. Исходная жидкость непрерывно подается в среднюю часть аппарата через специальные отверстия в полом вале. Осветленная жидкость поднимается вверх и переливается в кольцевой желоб. Сгущенная суспензия (шлам) удаляется из резервуара с помощью насоса. 7. Расчет материального балансаРассчитаем материальный баланс получения ацетилена на 1 т орошаемого карбида кальция. Запишем уравнения химической реакции процесса получения карбида кальция сухим способом: CaC2+2H2O=C2H2+Ca(OH)2 Составим материальный баланс получения ацетилена из карбида кальция. Расчет будем вести на 1000 кг карбида кальция: Имеем карбид кальция составом: CaC2 – 80,5 % масс; СаО- 17% масс; С-1% масс; ферросплав- 1%; S-0,5% масс, тогда:; CaC2 – 805 кг; СаО- 170 кг ; С-10 кг; S-5 кг ; ферросплав- 10кг. Степень превращения CaC2 равна 98 %: 805•0,98=788,9 кг. Не прореагировало CaC2 805-788.9=16,1 кг. Рассчитаем сколько образуется ацетилена по реакции из карбида кальция: 788,9•24/64=295.8375 кг Рассчитаем по реакции, сколько нужно воды для получения 296 кг ацетилена: 295.8375•18/24•2=443.757 кг Материальный баланс приведен в таблице 2. Таблица 2 – Материальный баланс контактного отделения
ВыводВ курсовой работе рассмотрена технология получения ацетилена, основанная на взаимодействии воды и карбида кальция. Применяют реактор, представляющий собой цилиндрический аппарат внутренний диаметр колонны 1520 мм, высота 7 м, толщина стенок корпуса 90 мм. Ацетилен используется во многих областях производства. В металлургии занимает первое место среди газов по своей способности к локальному разогреву металла и концентрации тепловой мощности в зоне ацетиленовой струи. Поэтому ацетилен можно применять также и для пайки абсолютно разнородных между собой материалов: с этой целью ацетиленовую струю вдувают между твёрдыми припоями. Также он используется при газовой и автогенной сварке, где получил широкое применение благодаря своей уникальной способности образовывать с смеси с кислородом пламя чрезвычайно высокой температуры, которая достигает 3150 С. В стекольной промышленности ацетилен применяют для предотвращения образования пузырьков. Для этого формы, используемые для выдувания стеклянных изделий, обрабатывают ацетиленом. В пищевой промышленности его применяют для сохранения фруктов, транспортируемых к потребителю на весьма далёкие расстояния В химический промышленности для ацетилена используют реакцию Кучерова и получают уксусный альдегид, также он служит сырьем для получения бензола и других органических соединений, образует нерастворимые взрывчатые осадки с солями серебра и одновалентной меди. Кроме того, атомы водорода ацетилена относительно легко отщепляются в виде протонов, что очень ценится. Список использованных источниковМухленов И.П., Авербух А.Я., Кузнецов Д.А., Амелин А.Г., Тумаркина Е.С., Фурмер И.Э. Общая химическая технология. В 2-х частях. Ч. II. Важнейшие химические производства. Изд. 3-е, перераб. и доп.: Учебник для вузов. Под редакцией И.П. Мухленова — M., «Высш. школа», 1977. — 288 c. Юкельсон И.И. Технология основного органического синтеза: учеб. для вузов. – М., «Химия». – 1968. – 848с. Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочник. Т. 1. – Издательство Н. Бочкаревой. – 2003. – 917с Генераторы ацетиленовые сухие [Электронный ресурс] https://www.chem21.info/info/798907/ (дата обращения 23.11 2021) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
) в ацетилене, %, не более
, не более