Курсовая работа (т): Расчет абсорбционной установки для улавливания фторгазов в производстве экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК)

Расчет абсорбционной установки для улавливания фторгазов в производстве экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК)

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

. Исходные данные для расчета

. Характеристика исходного сырья и готового продукта

. Физико-химические основы процесса

. Описание технологической схемы очистки (абсорбции) фторсодержащих газов экстракции

. КИП и автоматизация

. Материальный баланс

.1 Материальный баланс процесса абсорбции в полом абсорбере

.2 Материальный баланс в аппарате АПС

. Тепловой расчет

. Расчет основных размеров аппарата

.1 Выбор конструкционного материала

.2 Расчет полого абсорбера

.3 Расчет аппарата АПС

.3.1 Диаметр абсорбера и скорость газа

.3.2 Расчет высоты слоя жидкости

.3.3 Высоты абсорбера

.3.4 Гидравлическое сопротивление тарелок абсорбера

. Выбор и расчет вспомогательного оборудования

.1 Расчет центробежного насоса для подачи орошающей жидкости (4 %-я H2SiF6) в полый абсорбер

.2 Расчет вентилятора

.3 Расчет диаметров трубопроводов

. Механический расчет

.1 Выбор штуцеров

.2 Расчет обечайки

. Безопасность жизнедеятельности

Заключение

Литература

ВВЕДЕНИЕ

В условиях спада производства, которое переживает Россия с 1990 года, и нарастание социальных проблем внимание к охране окружающей среды свелось к минимуму. Произошедшие масштабные изменения обусловили сокращение объемов загрязнений природного комплекса. Однако экологические индикаторы снижаются медленнее, чем производственные. В настоящее время в России наблюдается рост показателей природоемкости, удельных выбросов загрязняющих веществ во многих отраслях промышленности и по многим видам продукции, в том числе и при производстве фосфорной кислоты, соли которой используются для производства большинства фосфорных и комплексных минеральных удобрений. Предприятиями по производству экстракционной фосфорной кислоты выбрасываются в атмосферу вредные загрязняющие вещества, максимально допустимые концентрации которых нередко значительно превышены. Поэтому необходимо повсеместно устанавливать оборудование, позволяющее улавливать вещества, присутствие которых в атмосфере недопустимо. Для этого необходимо использовать различные установки, такие как скрубберы, адсорберы, абсорберы и т.д.

Для удаления загрязнителей из воздуха наибольшее применение находит абсорбционный метод вследствие его простоты, экономичности, высокой степени очистки.

Абсорбция - процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем (абсорбентом). Он представляет собой переход вещества из газовой или паровой фазы в жидкую, что и определяет скорость данного массообменного процесса.

Цель данной курсовой работы состоит в расчете абсорбционной установки для улавливания фторгазов в производстве экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК).

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА

1. Производительность абсорбера 200 тыс. м/ч.

. Состав газовой фазы на входе в абсорбер (% об.):

Н2О (пар) - 98,9;

воздух - 0,65;

фторгазы - 0,45

. Степень абсорбции фторгазов 95 %.

. Плотность орошения 3 .

. Скорость газа в абсорбере 1,5 м/с.

. Абсорбент:

на входе в абсорбер - 4 % водный раствор H2SiF6;

на выходе из абсорбера - 20 % водный раствор H2SiF6.

. Температура газа в абсорбере 55С.

. Давление газа в абсорбере 0,0982 МПа.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНОГО СЫРЬЯ И ГОТОВОГО ПРОДУКТА

При производстве фосфорной кислоты экстракционным методом происходит выделение соединений фтора (в виде SiF4 и HF) в газовую фазу, для улавливания которого на стадии абсорбции отходящих газов применяется 4 % плавиковая кислота (H2SiF6), но после улавливания фтор-соединений ее концентрация увеличивается до 20 %

Тетрафторсилан (SiF4) применяется для получения кремнефтористоводородной кислоты и кремнефторидов. Бесцветный газ с удушливым запахом. Термически стоек. Во влажном воздухе образуется густое облако. Наблюдается раздражение слизистых глаз и дыхательных путей.

Фтороводород (HF) - бесцветный газ. Температура плавления 87,2С; температура кипения - 19,9С; плотность 0,9885 (13С). Интенсивно реагирует с большинством элементов и их окислами, разрушает стекло и фарфор, слабо действует на свинец и медь. Сильно раздражает верхние дыхательные пути. При высоких концентрациях - раздражение глаз и слизистой носа. Исходом отравлений могут быть бронхиты, пневмосклероз; при очень высоких концентрациях - спазм гортани и бронхов.

У человека наблюдалось отравление при 6 - 10-минутном пребывании в атмосфере, содержавшей 0,40 - 0,43 мг/м.

Предельно допустимая концентрация фтороводорода 0,5 мг/м.

Индивидуальная защита: фильтрующий противогаз марки В, при наличии тумана кислоты - с фильтром; резиновые перчатки, фартуки, сапоги.

Теплота растворения 20 г HF в 400 молях воды составляет 11,56 ккал.

Кремнефтористоводородная кислота (H2SiF6) - молекулярный вес равен 144.

В чистом виде кремнефтористоводородная кислота выделяется из концентрированных растворов в виде бесцветных кристаллов H2SiF6, плавящихся при температуре + 19С. В парах H2SiF6 диссоциирует на HF и SiF4, причем, в газовой фазе, находящейся в равновесии с жидкостью, отношение содержания HF: SiF4 не равно стехиометрическому отношению в H2SiF6, так как при температуре кипения растворов H2SiF6 с концентрацией больше 13,3 % в парах преобладает SiF4, при меньших концентрациях - HF.

Общее содержание фтора в газовой фазе над раствором дано в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Содержание фтора в газовой фазе над растворами H2SiF6 в зависимости от температуры и концентрации.

Температура, СКонцентрацияSiF6, г/лСодержание F, г/мТемпература, СКонцентрация

Зависимость плотности водных растворов H2SiF6 от концентрации при температуре 20С представлена в таблице 2.2.

Таблица 2.2. Плотность водных растворов H2SiF6 от концентрации при температуре 20С.

Кремнефтористоводородная кислота и ее соли ядовиты.

Продукционная H2SiF6 должна соответствовать сдедующим требованиям:

 содержание H2SiF6 -20 %;

 удельный вес - 1,168 г/см;

 содержание P2O5 - не более 0,03 %.

Кремнефтористоводородная кислота используется для производства фтористого водорода и кремнефтористого аммония.

Кремнефтористоводородную кислоту используют как компонент растворов для полировки и травления стекла, для получения гальванических покрытий, как реагент для укрепления глинистых почв, консервант древесины, дезинфицирующее средство для резервуаров в производстве пива.

Для орошения абсорбера АПС подается обесфторенная вода гидроудаления, свойства которой отражены в таблице 2.3.

Таблица 2.3. Свойства воды

3. Поверхностное натяжение  Н/м

,6

,8

,6

,2

3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА

Экстракционный метод основан на разложении природных фосфатов серной кислотой с последующим отделением раствора фосфорной кислоты от плохо растворимых кристаллов сульфата кальция. Поскольку Северо-Западный район страны располагает большими запасами высококачественного фосфатного сырья для кислотной переработки (апатиты Кольского полуострова), а стоимость электроэнергии здесь относительно высока, то наиболее экономичным в этом районе будет получение фосфорной кислоты экстракционным способом с последующим ее упариванием.

Данный метод основан на реакции разложения природных фосфатов серной кислоты. Процесс состоит из двух стадий: разложение фосфатов и фильтрование образовавшейся фосфорной кислоты и промывки сульфата кальция водой.

Сернокислотное разложение фосфата кальция представляет гетерогенный необратимый процесс, протекающий в системе «твердое тело - жидкость» и описываемый уравнением:

Ca5(PO4)3F + 5H2SO4 + nH3PO4 + 5mH2O = (n + 3)H3PO4 + 5CaSO4 ∙ mH2O + HF

Составляющие F освобождаются на различных стадиях. Фтор представляет собой не только ценный побочный продукт, но и элемент, загрязняющий атмосферу и осадочные воды. Поэтому есть интерес его рекуперирования в виде H2SiF6.

Практически H3PO4 до концентрирования содержит в растворе H2SiF6. Эта кислота нагревается и высвобождается водяной пар, фтористоводородная кислота, а также SiF4:

H2SiF6  2 HF + SiF4

С этого момента устанавливается равновесие, которое зависит от различных факторов:

парциального давления HF и H2SiF6;

реакционноспособного Si в кипящей кислоте;

температуры и концентрации H3PO4.

Фтор улетучивается в виде HF и SiF4 по мере того, как температура и содержание P2O5 увеличиваются, и это высвобождение становится особенно значительным с ростом P2O5, который зависит от природы фосфата и условий производства.

Выделяющийся при кислотном разложении фторапатита HF частично вступает в реакцию с кремниевой кислотой, образующейся при разложении примесей, содержащихся в фосфатном сырье:

H2SiO3 + HF = H2SiF6 + 3H2O

Образовавшаяся кремнефтористоврдородная кислота частично разлагается, и в газовую фазу выделяется тетрафторсилан:

H2SiF6 + H2SiO3 = 3 SiF4 + 3H2O

Одновременно протекает реакция взаимодействия SiF4 с фтористым водородом с образованием кремнефтористоврдородной кислоты:

+ HF = H2SiF6

Часть фтористого водорода и четырехфтористого кремния выделяется в газовую фазу (отходящие фтористые газы).

С повышением температуры и содержания в кислоте примесей повышается давление паров H2SiF6 над растворами H3PO4, и часть фтора выделяется в газовую фазу в виде SiF4 и HF по реакциям:

2 H2SiF6 + SiO2 + nH3PO4 + ag  3SiF4 + nH3PO4 + ag,SiF6 + nH3PO4 + ag  SiF4 + nH3PO4 + HF + ag.

Фтористые газы вместе с парами воды удаляются из экстракторов и абсорбируются водой:

3 SiF4 + ag  SiO2 ∙ n H2O + 2 H2SiF6 + ag,

или+ HF + ag = H2SiF6 + ag

На базе раствора H2SiF6 организуют производство различных фторсодержащих солей.

При кислотной переработке фосфатов скорость и полнота выделения фтористых соединений в газовую фазу определяется соотношением различных форм комплексообразователей. Первоначально образуются фтористые комплексы растворенных полуторных окислов (), которые при наличии кремниевых соединений переходят в летучий кремнефторид. При недостатке разлагающихся кремниевых соединений в газовую фазу выделяется фтористый водород.

Водная абсорбция фтористых газов основывается на промывке паров, выходящих их экстрактора, растворами H2SiF6, распыляемыми на газ, что приводит к прогрессивному обогащению раствора:

H2O + 2 HF + SiF4  H2SiF6 (водный)

Необходимо, чтобы парциальное давление SiF4 и HF оставалось очень слабым, то есть орошающий раствор не должен превышать концентрацию 25 % H2SiF6.

Скорость перехода фтористых соединений в абсорбированный раствор подчиняется тем же закономерностям, что и скорость улавливания любого газообразного вещества жидкой фазой, то есть она пропорциональна разности концентраций F в одной из фаз и равновесной концентрации.

Движущая сила процесса абсорбции выражается как . При понижении температуры жидкой фазы уменьшается парциальное давление паров газового компонента над ней, и соответственно увеличивается движущая сила и общая скорость процесса.

Таким образом, для увеличения скорости абсорбции необходимо понижать температуру жидкости и увеличивать давление, так как при этом возрастает равновесная растворимость газа в жидкости.