Производство криолита (стр. 6 из 7)
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 HFидет 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;
78 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