Сжигание фосфора в производстве термической фосфорной кислоты

Равномерная пленка фосфорной кислоты по всей внутренней поверхности корпуса башни достигается строго горизонтальной установкой переливной чаши.На переливную чашу приварена круглая крышка, выполненная из кислотоупорной стали, которая во избежание воздействия высоких температур охлаждается водой из двух кольцевых коллекторов.Теплая вода стекает по крышке в сборник воды и через кольцевой коллектор направляется на сборник оборотной воды. В центрекрышки имеется отверстие, в которое вставляется патрубок отулитки установки подводящего воздух и трехходовой водяной змеевик для дополнительного охлаждения пространства вокруг форсункидля сжигания фосфора.Установку, подводящую воздух на горение фосфора, монтируют на крышке переливной чаши и используют для засасывания воздухаиз цеха на горение фосфора за счет разрежения в башне сжигания.Воздушный короб имеет форму улитки для придания вращательного движения воздуху вокруг форсунки. Количество засасываемоговоздуха регулируется специальным клапаном с пневмоприводом,что позволяет автоматически создавать необходимый избыток воздуха. На улитке установлен люк. В центре улитки приварена труба с фланцем для установки форсунки для сжигания фосфора. Установка для подвода воздуха покоится на специальной металлическойопоре, которая крепится к перекрытию цеха.Форсунка для распыливания фосфора имеет производительность по распыливаемому фосфору равную 2500 кг/ч. Распыливание фосфора производится сжатым воздухом под давлением 0,6 МПа. Каскадная форсункапредназнается для расныливания циркуляционной фосфорной кислоты с целью гидратации фосфорного ангидрида и охлаждения газов. Каскадные форсунки устанавливаютсяниже уровня факела горения фосфора.Для процесса водной абсорбции оксида фосфора из неуловленных отходящих газовс образованием ортофосфорной кислоты примем к установке колоночный реактор (рис. 5.2).Рис.5.2 – Эскиз колонного реактора гидратации оксида фосфора: 1 –крышка реактора, 2 – адиабатическая секция (всего секций 7), 3 – теплообменная тарелка, 4 – днище аппарата.Потоки: I – вход сырья , II – отвод газов , III - отвод продукта , IVи V – соответственно вход и выход охлаждающей водыАппарат представляет собой выполненный из стали вертикальный аппарат, заполненный барботажными тарелками с нанесенным слоем катализатора.Колонна для гидратации оксида фосфора работает со значительным колебанием состава и количества сырья.Сырьеподается в колонну в газообразном виде. Конструкция узла ввода выполняется таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение паров по сечению колонны.Состав поступающего в колонну сырья колеблется, и по высоте колонны предусмотрены два штуцера ввода сырья на расстоянии порядка трех-четырех тарелок.Высота данной колонны составляет 29180 мм, а ширина – 2000 мм. Стандартным материалом колонны является сталь Ст3 ГОСТ 380-71 толщиной 10 мм, способная выдержать рабочее давление 1,5…4,0 МПаОпоры для колонных выбираются исходя из расчета максимальной нагрузки, которую должна выдержать опора. Материал опоры выбирают в зависимости от температуры рабочей среды, емкости аппарата и других параметров. Стандартным материалом обечаек(обечайка –цилиндрический корпус аппарата) является сталь Ст3 сп3 ГОСТ 380-71.6 РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСОВ6.1 Материальный баланс базового аппаратаЦелью материальных расчетов является определение необходимого количества сырья для обеспечения заданной производительностиИсходные данные приведены в таблице 6.1.Таблица 6.1 – Данные для расчета материального балансаВеществоФормулаМолекулярная масса, кг /кмольБуквенный индекс в расчетахФосфорР30,97АКислородO232,00ВОксид фосфораР2О5141,94СОртофосфорная кислотаН3РО498,08В рамках курсового проекта рассмотрим технологический участок по сжиганию полученного в электропечи элементарного фосфора.Выходящий из электропечи полученный красный фосфор молекулярного состава Р4, нагреваясь до температуры около 80°С и плавится.Жидкий фосфор направляется на сжигание в печь-башню и последующую гидратацию.Реакция окисления происходит при взаимодействии с поступающим в башню воздухом, в результате чего образуется фосфорный ангидрид Р4О10 (димерР2О5), после водопоглощенияобразующийортофосфорную кислоту. Произведем расчет материального баланса с помощью MicrosoftOfficeExcel 2007. В основном аппарате протекает реакция сжигания фосфора в кислороде воздуха с последующей водной абсорбцией выделившегося оксида фосфора (V) с образованием ортофосфорной кислоты. Так как посторонние вещества в потоке улавливаются электрофильтрами, принимаем, что состав потока практически однороден: жидкий фосфор и небольшое количество инертных примесей.Таблица 6.2 – Состав входящего потокаКомпонентыСостав входящего потока, %Состав выходящего потока, %Сырье:Р499,50,5Примеси0,50,5Окислитель, в т.ч.Кислород21Инертные примеси79Расчет ведем по основной реакции: 4Р + 5O2Р4О10ABCИсходные данные, необходимые для расчета материального баланса:Производительность агрегата по Н3РО4, т/год62000;Выход ортофосфорной кислоты, % масс99,75;Конверсия жидкого фосфора, %100;Селективность процесса, %100;Состав технического фосфора, % масс.фосфор99,9;примеси 0,1;Состав осушенного воздуха, % объемные.азот79,0;кислород21,0.Образованием SO3 и NOx пренебрегаем.Проведем расчет.Восновурасчетаматериальногобалансапроцессаположен закон сохранения массы вещества: Gприход = Gрасход.Определим производительность с учетом потерь установки из формулыгде Т – число рабочих часов в году, принимаем равным 8300;П0 – часовая производительность аппарата, кг/ч.Мольный расход ортофосфорной кислоты:На получению 1 моля ортофосфорной кислоты по уравнению реакции идет 1 моль оксида фосфора (V):Расход серы на получение 763,520 кмоль/ч оксида фосфора (V):Расход технического жидкого фосфора:В том числе расход примесей:Расход кислорода на получение 76,3520 кмоль/ч оксида фосфора:Проведем расчет состава печного газа с учетом стехиометрического соотношения кислород : оксид серы = 1:1воздух, % об.реакция, % об.печной газ, % об.кислород0,21– 0,1150,095азот0,7900,790оксид серы0+ 0,1150,115Сумма1,000,001,00Расход печного газав т. ч. кислородав т. ч. азотаРасход воздухав т. ч. кислорода6.2 Тепловой балансПроизведем расчет теплового баланса с помощью MicrosoftOfficeExcel 2007, используя данные материального баланса.Определим основные потоки тепла в реакторе и рассчитаем статьи теплового баланса.Приход тепла1. Тепло, приходящее с реагентами:где ni – мольный расход компонентов, определен ранее, моль;сi – молярные теплоемкости компонентов, берутся из справочных данных и составляют для Р4О10 и Н2О (г) 35,79 Дж/(моль.К) и 33,56 Дж/(моль.К) соответственно;Тi – температура процесса, 1273 К (так как в условии не сказано о начальной температуре реагентов, принимаем ее равной температуре реакции).3649,25 кВт2. Тепло химических реакций.Тепло химических реакций составит:Теплота образования конечных веществ:где – энтальпии образования компонентов:кВтТаким образом, системе требуется дополнительный нагрев.3. Тепло фазовых переходов.В условиях реакции фазовых переходов не происходит.Расход тепла:1. Тепло, уносимое из реактора продуктами реакции:где ni – мольный расход продуктов, определен ранее, моль;сi – молярные теплоемкости компонентов, берутся из справочных данных и;Тi – температура процесса, 1273 К (так как в условии не сказано о начальной температуре реагентов, принимаем ее равной температуре реакции).кВт2. Потери тепла составят (5%):кВт3. Необходимый нагрев реактора:кВтТаблица 6.3 – Таблица теплового баланса реакторной колонныПриход теплакВт%Расход тепла, кДж/молькВт%Тепло исходных веществ Qисх.в-в3649,2553,36Тепло, уносимое из реактора,Qунос6504,9795,12Нагрев реактора Qн3189,5046,64Потери тепла, Qпот325,254,76Тепло реакции Qр8,520,12Итого6838,74100,00Итого6838,74100,00Вывод: По результатам расчетов теплового баланса температура на выходе из реактора составляет 588К.6.3 Направления использования вторичных энергоресурсовК вторичным энергоресурсам отходящие газы из печи для сжигания фосфора. Так как процесс экзотермический, то поток отходящих газов после прохождения абсорбера может использоваться в качестве теплоносителя для нагрева технологических сред в рекуперативных теплообменниках7 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОИЗВОДСТВА, ОТХОДЫ ПРОИЗВОДСТВА, ИХ УТИЛИЗАЦИЯ, ПДКВ таблице 7.1 представлены предельно допустимые концентрации вредных веществ, образующихся в производстве фосфорной кислоты.Таблица 7.1 – Предельно допустимые концентрации веществ, участвующих в производстве фосфорной кислоты [4]№СоединениеФормулаПредельно допустимые концентрации, мг/м3ПДКр.з.ПДКм.р.ПДКсс1.Фосфорная кислотаH3PO41,0––2.АпатитCa5(PO4)3F6,0––3.Серная кислотаH2SO41,0по H2SO4: 0,3;по Н+: 0,006по H2SO4: 0,1; по Н+: 0,0024.Водород фтористыйHF0,50,020,0055.Углерода двуокисьСО230000––6.Кремния диоксидSiO21,0––7.Кремний фтористыйSiF4–0,020,005Условные обозначения: ПДКр.з. – предельно допустимая концентрация вредного вещества в воздухе рабочей зоны; ПДКм.р. – максимальная разовая концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест; ПДКсс – среднесуточная предельно допустимая концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест).Как утверждают авторы [5]: при производстве фосфорной кислоты велика опасность загрязнения атмосферы фтористыми газами. Улавливание соединений фтора важно не только с точки зрения охраны окружающей среды, но также и потому, что фтор является ценным сырьем для получения фреонов, фторопластов, фторкаучуков и т. д. Для поглощения фтористых газов используют абсорбцию водой с образованием кремнефтористоводородной кислоты. Соединения фтора могут попасть и в сточные воды на стадии промывки и газоочистки. Целесообразно для уменьшения количества таких сточных вод создавать в процессах замкнутые водооборотные циклы. Для очистки сточных вод от фтористых соединений могут быть применены методы ионного обмена, осаждения с гидроксидами железа и алюминия, сорбции на оксиде алюминия и др. Как пишут авторы [1]: содержание в сточных водах фосфорной кислоты также строго регламентировано и не должно превышать предела растворимости основных фосфатов кальция. Фосфорная кислота, попадая со стоками в открытые водоемы, вызывает усиленное развитие растительности, что в конце концов нарушает установившееся равновесие и приводит к их зарастанию и заболачиванию. Наблюдается также загрязнение коммуникаций, градирен и других технологических аппаратов фосфатами и растительным илом. Поэтому сточные воды надо тщательно освобождать от фосфорной кислоты (и фосфатов).ЗАКЛЮЧЕНИЕФосфорная кислота имеет большое значение как один из важнейших компонентов питания растений. Фосфор используется растениями для построения своих самых жизненно важных частей - семян и плодов.Задачей химической переработки на удобрения природных фосфатов является получение таких фосфатных соединений, фосфор из которых легко усваивается растениями.В рамках представленного курсового проекта была рассмотрена технологическая схема производства фосфорной кислоты термическим методом.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫДытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 2002. – Т. 1. – 400 с.Косинцев В. И., Миронов В.М., Сутягин В. М. Основы проектирования химических производств. 2-е изд. М.: Академкнига, 2010. – 371 с.Краткий справочник физико-химических величин под редакцией К.П. Мищенко и А.А. Равделя, Л.: Химия, 1974 г. – 200 с.Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник. – Л.: Машгиз, 1970. – 753 с.Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учеб. пособие для вузов / Под ред. П.Г. Романкова. – Л.: Химия, 1981.–560 с.Теплотехнический справочник. Т. 2 / Под общ. Ред. В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева. – М.: Энергия, 1976. – 896 с.