3.2 Уменьшение сопротивления массо- и теплопереносу, лимитирующей скорость превращения

В некоторых случаях скорости массо- и теплопереноса через границу раздела фаз определяют скорость превращения. Ламинарная пограничная пленка оказывает основное сопротивление этим процессам, поскольку перенос массы через нее осуществляется только диффузией, а перенос теплоты – теплопроводностью, т.е. относительно медленно. За этой пленкой перенос массы и теплоты происходит главным образом конвекцией. Чем больше толщина пограничной пленки, тем выше сопротивление. Например, быстрой газификации твердого топлива в регенераторах достигают, увеличивая толщину слоя топлива и скорость потока газа через этот слой. Нагревание в быстроточных теплообменниках интенсифицируется при разделении труб на секции и прохождение жидкости с большой скоростью последовательно через эти секции.

Растворение твердого вещества в жидкостях происходит тем быстрее, чем интенсивнее перемешивание суспензии в пенных аппаратах, интенсификация основана на одновременной турбулизации потоков газа и жидкости, большом развитии и непрерывном обновлении поверхности контакта фаз.

3.3 Организация работы технологической схемы

При проектировании технологического процесса необходимо определить, как он будет проводиться – непрерывно или периодически. Проведение процесса непрерывным способом исключает перерывы в работе аппарата при выполнении основной операции, для которой он предназначен, и затраты времени на вспомогательные операции (загрузка, разгрузка, чистка аппарата), характерные для периодического процесса. Кроме того, в периодических процессах возможны дополнительные затраты времени, обусловленные необходимостью согласования рассматриваемой операции с предыдущими и последующими этапами технологической цепочки.

Непрерывный способ работы позволяет получить большее количество продукта с единицы объема аппаратуры. Другие преимущества непрерывного метода производства – исключение потерь теплоты на периодическое нагревание аппаратов и большая однородность продукта, более легкий контроль процесса и возможность автоматизации.

Многотоннажные быстро проходящие процессы должны проводиться непрерывным способом. Реакции в газовой фазе осуществляются, как правило, непрерывно.

Существенным фактором в определении способа проведения процесса является экономическая гибкость работы установки. Периодически действующие установки обычно рентабельны при меньшем количестве продута, получаемого в данной системе, установки же непрерывного действия после достижения минимального количества продукта, при котором они становятся рентабельными, дают большую прибыль в расчете на единицу вырабатываемого материала.

4 Проверка технологической концепции материальным и энергетическим балансами

Начальная технологическая концепция основана на лабораторных исследованиях. Дальнейшее ее развитие требует проведения работ в большем масштабе или соответствующих расчетов. Первая стадия технологической концепции включает в себя разработку технологической схемы всего процесса. Основой для оценки технологической концепции процесса, его проведения и контроля служат материальный и тепловой балансы. При составлении баланса учитываются отдельные балансы его единичных элементов. Правильное составление баланса часто требует применения термодинамики, термохимии, химической кинетики, инженерной химии и технической физики.

Анализ балансов технологического процесса выявляет недостатки предложенного способа производства. При анализе, прежде всего, устанавливают, можно ли при правильном использовании основных технологических принципов улучшить выходы и исключить недостатки данного метода.

Пример1

Производство серной кислоты из сероводорода.

Сероводород, содержащий 94% серы, извлекают из промышленных и природных горючих газов. Концентрация в них сероводорода колеблется в пределах 0.1 – 6.0 %. При очистке этих газов можно получить концентрированный сероводород и переработать его в серную кислоту. Производство серной кислоты из сероводорода схематично можно представить следующими стадиями:

Сжигание сероводорода в воздухе:

Н₂S + 1.5O₂ = SO₂ + H₂O + 519.3 кДж/ моль

Окисление сернистого ангидрида на катализаторе в присутствии водяных паров, называемое «мокрым катализом»

2SO₂ + O₂  2SO₃ + 96.24 кДж/моль

Конденсация полученной смеси SO₃ и Н₂О

с образованием серной кислоты

SO_{3 г} + Н₂О_г = Н₂SO_4ж + 175. 2 кДж/моль

Определить состав получаемого газа и теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания 1000 м³ сероводородного газа, в котором содержится 85% Н₂S и 4% (об.) Н₂О. Воздух содержит 1.5% (об.) Н₂О.

Решение.

В 1000м³ сероводородного газа содержится 850 м³ Н₂ S и 40 м³ Н₂О.

Определим количества, в м³:

Кислорода, необходимого для полного сжигания сероводорода согласно реакции H₂S + 1.5O₂ = H₂O + SO₂ – (850 · 1.5 · 22.4)/22.4 = 1275

сухого воздуха – 1275/0.21 = 6071.5

влаги, поступившей с воздухом – (6071.5 · 1.5 )/(100 – 1.5) = 92.

В результате сжигания сероводорода образуется 850 м³ SO₂ и 850 м³ Н₂О.

Получаемый газ содержит, м³:

SO₂…………..….…….…………………….. 850

H₂O…………...……….……850 + 92 + 40 = 982

N₂…………………….…6071/5 – 1275 = 4796.5

Общий объем газа 850 + 982 + 4796.5 = 6628.5м³

Состав газа, % (об.):

SO₂…………….…….………………...……12.8

H₂O………………….…………………...…14.9

N₂……………………..……………...……..72.3

Дальнейшая переработка газа, получаемого при сжигании сероводорода, возможна при наличии в нем кислорода. Поэтому сжигают сероводород в избытке воздуха. В газе, выходящем из печи должно быть 5–7 %(об.) О₂, этого добиваются поддерживанием отношения объемов воздуха и сероводородного газа в пределах 9–10.

Пример 2.

Простой суперфосфат.

Производство простого суперфосфата состоит из следующих технологических этапов:

Смешивание апатитового концентрата с серной кислотой,

Вызревание суперфосфатной массы в камере,

Складское дозирование камерного суперфосфата,

Нейтрализация остаточной кислотности, гранулирование, сушка,

Охлаждение, затаривание и отправка потребителю.

Количество серной кислоты, рассчитанное по уравнениям реакций взаимодействия ее с составными частями фосфатного сырья в предположении, что реакции протекают полностью, называется стехиометрической нормой серной кислоты. Практическую норму с учетом применяемого избытка кислоты выражают в процентах от стехиометрической или в масс. частях серной кислоты на 100 масс. частей фосфата.

Стехиометрическое количество серной кислоты, приходящееся на 1 масс.ч. Р₂О₅ апатита в соответствии с уравнением

Са₅F(PO₄)₃ + 3.5H₂SO₄ = 3.5CaSO₄ + 1.5Ca (H₂ PO₄)₂ + HF

составляет:

масс. ч.

Стехиометрическую норму серной кислоты для разложения фосфоритов рассчитывают, используя следующие коэффициенты, отнесенные к 1 масс. ч., соответствующих окислов :

.Р₂О₅…………….……1.61

Fe₂O₃ ………..………..0.61

CO₂…………………...2.23

Al₂O₃…………………0.96

Расход серной кислоты с концентрацией а % Н₂SO₄ при норме ее n масс.ч. на 100 масс. ч. фосфата равен:

G_k = · 100масс.ч.

Количество воды, вводимое с серной кислотой G_H2O, определяют следующим образом:

Вес суперфосфата, полученного из 100 масс, ч. фосфата равен:

Здесь х – масс, доля воды, испарившейся при смешении реагентов, схватывания пульпы и камерном вызревании,

y – количество выделившегося в газовую фазу четырехфтористого кремния, масс.ч.

По средним данным можно принять х = 0.25 и y = 1.7 (при содержании в фосфате 3.1 % фтора и улетучивании 40% его).

Тогда:

G_c = 100 + n + 0.75 (n/a·100-n) – 1.7 = 98.3 + 0.25n + 75n/a.

Выход суперфосфата в масс. ч. на 1 масс. ч. фосфата:

Выход суперфосфата по аналитическим данным определяют по формуле

А = С_ф/ С_с (1)

где С_ф и С_с – содержание общей Р₂О₅ в исходном фосфате и в полученном суперфосфате.

За коэффициент разложения сырья К принимают отношение усвояемой части Р₂О₅ к общему содержанию Р₂О₅ в продукте (в%):

К = (С _ус./С_общ.) · 100 (2)

Количество фосфорной кислоты в виде Р₂О₅ (в масс. ч.), образовавшейся из 100 масс. ч. исходного фосфата G₁ по окончании первой стадии реакции (после использования всей серной кислоты), вычисляют по формуле:

= 0.435n масс.ч.,

где n - норма серной кислоты

Количество фосфорной кислоты в виде Р₂О₅, прореагировавшей во второй стадии, т. е, пошедшей на образование монокальцийфосфата ( на 100 масс.ч фосфата) G₂ определяют по формуле:

G₂ =С_ф· К/100 – 0,435n

Количество Р₂О₅, связанной в образовавшемся монокальцийфосфате G₃

G₃ = 5/1.5G₂ = 3.333G₂.

Степень нейтрализации первого иона водорода фосфорной кислоты Z (в%) вычисляют по формуле:

Z = 333.3 – 14500n/C_ф· К.

Пример 3.

Апатитовый концентрат имеет следующий состав, %:

Са₃(РО₄)₂ …………...……….86

SiO₂……………...…………1.11

Fe₂O₃…………….…………0.63

MgO…………….………….0.19

K₂O………………..……….0.23

Na₂O……………….………0.63

CaF₂………………………………6.20

влага……………………….……..0.35

Al₂O₃…………………….………..0.90

нерастворимый в кислоте остаток……………………….…..3.96

Подсчитать расход серной кислоты (моногидрата) и количество воды (без учета гигроскопической влаги), необходимое для разложения 100кг апатитового концентрата, если коэффициент разложения всех его составных частей равен 95%.

Решение

Из 100кг апатита при степени разложения 95% прореагирует, кг:

Ca₃ (PO₄) ₂…...…………….81.7

Na₂O……………………….0.60

CaF₂…………..……………5.89

K₂O……………...…………0.22

Fe₂O₃……………….……………..0.60

MgO…………………...………….0.18

Al₂O₃……………...………………0.86

Необходимое количество серной кислоты х_к и воды y_B для разложения составных частей апатита - х₁, х₂,…… и y₁. y₂. … подсчитываем по уравнениям:

1) Ca₃(PO₄) ₂ + 2H₂SO₄ + H₂O = x₁ = (81.7 · 196)/310 = 51.66

=Ca (H2PO4)₂·H₂O + 2CaSO₄ y₁= (81.7 · 18)/310 = 4.74

2) CaF₂ + H₂SO₄ = CaSO₄ + 2HF x₂ = (5.89 · 98)/78 = 7.40

3) Fe₂O₃ +3H₂SO₄ +6H₂O = x₃ = (0.6 · 294)/ 160 = 1.10

=Fe₂(SO₄)₃ · 9H₂O y₃ = (0.6 · 6 · 18)/160 = 0.40

4) Al₂O₃ + 3H₂SO₄ + 15H₂O = x₄ = 2.48

=Al₂(SO₄)₃·18H₂O y₄ = 2.28

5) MgO + H₂SO₄ = MgSO₄ ·H₂O x₅ = 0.44

y₅ = 0

6) K₂O + H₂SO₄ = K₂SO₄ + H₂O x₆ = 0.23

y₆ = -0.042

7) Na₂O + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + H₂O x₇ = 0.95

y₇ = -0.17

Количество воды, выделяющейся при образовании SiF₄ по реакции:

4HF + SiO₂ = SiF₄ + 2H₂O,

1.1· 18 · 2 /60 = 0.66.

Суммируя количества моногидрата серной кислоты и воды, получим, что для разложения 100 кг апатита требуется, кг:

х_к = 51.66 + 7.40 + 1.10 + 2.48 + 0.44 + 0.23 + 0.95 = 64.26

y_B = имер 3. n + 0.75 (n/a*68 масс. 0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000004.74 + 0.40 + 2.28 + 0.66 – (0.042 + 0.174) = 7.86

На практике применяют более высокую норму моногидрата серной кислоты на 100 кг апатита, равную 68–72 кг. При концентрации кислоты 67–8% с ней вводится 32–35 кг воды на 100 кг апатита, которая требуется не только для образования кристаллогидратов, но и для создания определенной среды.