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_С_H4+Q^ф_O2+Q^ф_AlF3*1.7_NaF+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_H2_O

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*XГДж

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 = AlF₃·1.7HF + 3H₂O (1)

AlF₃·1.7HF + 0.85 Na₂CO₃ = AlF₃·1.7NaF + 0.85CO₂ + 0.85 H₂O (2)

Суммарно процесс получения криолита можно описать уравнением:

Al (OH) ₃ + 4.7 HF + 0.85 Na₂CO₃ = AlF₃·1.7NaF + 0.85CO₂ + 3.85 H₂O (3)

Для получения одной тонны криолита с модулем 1.7 (т.е. AlF₃·1.7NaF), 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;

155.4молекулярная масса AlF₃·1.7NaF, 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 AlF₃·1.7HFэквивалентная 23.19 кг Na₂CO₃:

AlF₃·1.7HF: 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
Исходное сырье	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.