Тут есть жесткость воды

и углекислый газ при атмосферном давлении поглощаются циркулирующим раствором аммонийных солей, охлаждаемым до 40оС в холодильнике (2). Инертные газы из абсорбера (1) выбрасываются в атмосферу. Раствор аммонийных солей накапливается в сборнике (3), оттуда подается в теплообменник (4), где подогревается до температуры 95оС и затем вместе с острым паром поступает в десорбер (5). В десорбере при температуре 130-140оС и давлении 0,3 МПа происходит полное разложение аммонийных солей

Газообразные аммиак и углекислый газ вместе с парами воды из десорбера поступают в конденсатор второй ступени на установку производства карбамида. Пары воды, свободные от аммиака и углекислого газа, охлажденные до температуры ниже 100оС, конденсируются и сбрасываются из десорбера (5) в канализацию после нейтрализации.

Технологическая схема выпарки и грануляции

Рис.6.27. Технологическая схема выпарки и грануляции карбамида.

На рис.6.27. изображена схема отделения выпарки и грануляции в производстве карбамида.

Карбамид для сельского хозяйства выпускают в гранулированном виде. Для этого раствор карбамида концентрируют в 2 ступени.

В первой ступени раствор выпаривают до содержания 92-93 % карбамида в выпарном вакуум аппарате, обогреваемом паром при давлении 0,6 - 0,8 МПа при температуре 118 - 120 оС и давлении 27 - 22 кПа.

Во второй степени раствор выпаривают до содержания 99,5 – 99,8 % карбамида. В греющей камере вакуум-выпарного аппарата раствор нагревают паром давлением 0,8 - 1,0 МПа до температуры 135 - 140 оС при давлении около 3 кПа.

330

Исходный раствор, содержащий 74 % карбамида, из сборника (1) перекачивается в рамный фильтпресс (2) для очистки от механических примесей. Первая ступень выпаривания раствора проводится в вакуум-аппарате (3-4). В греющей камере (3) раствор нагревается паром. В сепараторе (4) отделяется соковый пар, который конденсируется в поверхностном конденсаторе (5). Упаренный раствор через гидравлический затвор (6) поступает на вторую ступень выпаривания – в выпарной аппарат (7) роторного типа. Разрежение в выпарном аппарате создается пароструйным эжектором (8).

Концентрированный раствор карбамида («плав») при температуре не ниже 130 оС центробежным насосом перекачивается в обогреваемый опорный бак (9), затем поступает в распылитель (10) грануляционной башни (11). Распыленные частицы «плава» охлаждаются встречным потоком воздуха, всасываемого вентилятором (12). В башню поступает 8 – 10 тысяч м3 воздуха на одну тонну карбамида. Температура гранул при выходе из башни снижается до 50 - 75 оС при влажности не более 0,5 %.

Крупные гранулы (размером более 4 мм) отделяют на сите и растворяют в воде, раствор затем выпаривают. Гранулы стандартного размера (1 – 4 мм) дополнительно охлаждают в аппарате кипящего слоя до температуры 40 - 50 оС.

Перед складированием гранулы обеспыливают. Слеживаемость гранул предупреждают обволакиванием их жирными кислотами или эфирами, формальдегидом, минеральными маслами с примесью парафина, альдегидов, кетонов, полимеризованными смолами, серой. Применяется также опудривание гранул тонко измельченной глиной, тальком, добавляются поверхностно-активные вещества.

6.2.5. Примеры решения задач

Пример 1.

Рассчитать объем аммиака, который потребуется для получения 2 т карбамида, если выход карбамида составляет 70%, а соотношение NH3:CO2=4:1

331

Пример 2.

Рассчитать объем экспанзерного газа, с содержанием 98% СО2, который потребуется для обеспечения часовой производительности цеха, если суточная производительность по карбамиду составляет 350т. Содержание основного вещества в карбамиде 98%, степень превращения СО2 составляет 80%. Соотношение NH3:CO2=4:1

Пример 3.

Рассчитать процентное содержание и массу азота в карбамиде, полученном из 500м3 плава, если выход карбамида составляет 70% с содержанием основного вещества 99%.

_______________

4)Расчет молярной массы карбамида (см. зад 1)

5)Расчет процентного содержания азота в карбамиде

6.2.6. Вопросы для самопроверки по теме «Технология производства карбамида»

Составьте блок-схему производства карбамида.

Приведите 2 примера применения карбамида.

Напишите реакцию получения карбамида

С какой целью выпарку проводят в 2 стадии?

Назовите факторы, влияющие на:

a.синтез карбамида;

b.процесс дистилляции карбамида;

c.выпарку карбамида;

d.грануляцию карбамида;

В чем заключается сущность дистилляции карбамида?

Какие побочные процессы могут протекать на стадии выпарки карбамида и как их можно избежать?

Укажите две причины, по которым в нижнюю часть ректификационной колонны из сепаратора подают парогазовую смесь?

Почему дистилляцию проводят в 2 ступени?

Что такое приллирование?

Какой объем аммиака потребуется для производства 6 т карбамида, если исходные

компоненты подаются в соотношении NH3:CO2= 4,5:1, их степени превращения составляет 75%, а выход карбамида равен 70%. Содержание основного вещества в карбамиде 99%

Рассчитать объем аммиака с содержанием основного вещества 99,6%, который потребуется для обеспечения суточной производительности, если часовая производительность по карбамиду составляет 11т. Исходная смесь поступает в соотношении NH3:CO2= 3,9:0,8. Содержание основного вещества в карбамиде 99%.

Рассчитать процентное содержание и массу азота в карбамиде, полученном из 250 м3 плава, если выход карбамида составляет 35% с содержанием основного вещества 99%.

333

6.3.ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

6.3.1. Общая характеристика электрохимических технологий

Электрохимические процессы и технологии широко используются во многих отраслях промышленности.

Электрохимические технологии можно разделить на следующие группы:

электрохимическая энергетика;

электрохимическая металлургия;

электрохимические технологии химических товарных продуктов;

электрохимические технологии в производстве изделий и инструмента в машиностроении и приборостроении:

электрохимические технологии защиты от коррозии;

электрохимическая сенсорика;

электрохимические технологии в медицине;

электрохимические технологии обессоливания воды и очистки сточных вод.

Электрохимическая энергетика основана на преобразовании энергии химических реакций в электрическую энергию. Примером электрохимического источника тока может быть гальванический элемент, другим примером – автомобильный аккумулятор. Химические источники тока используют для жизнеобеспечения космических станций, питания двигателей подводных лодок, автомобилей, в медицине (например, кардиостимулятор). Топливные элементы нашли широкое применение для питания мобильных телефонов, ноутбуков, видеокамер, калькуляторов, электронных игрушек и другой бытовой техники в течение длительного времени.

Крупная энергетика в будущем может быть представлена водородной энергетикой. В качестве топлива в электрохимических устройствах будет использоваться водород, а в качестве окислителя чистый кислород или кислород воздуха. Предполагается, что водород будут получать электролизом воды. Химическую энергию водорода и кислорода будут превращать в электрическую с помощью топливных элементов.

Почти все цветные металлы получают или очищают электрохимическим путём. С использованием электролиза получают алюминий, магний, никель, медь, цинк, кадмий, серебро, золото и другие металлы. Электрохимическая металлургия позволяет получать товарные металлы в компактном виде или в виде металлических порошков. Металлические порошки применяют для получения композиционных материалов (метод порошковой металлургии).

В настоящее время электролизом в больших объёмах получают преимущественно различные неорганические продукты – водород, хлор, кислород, щёлочи, сильные окислители и восстановители, а также некоторые органические соединения. Особое значение имеет производство хлора и гидроксида натрия. С использованием электрохимических технологий производят активные металлы (натрий, калий, литий,

334

кальций и др.) и окислители (фтор, хлораты, перекись водорода). При получении неорганических веществ используют электролиз водных растворов или расплавов.

Электрохимические реакции лежат в основе технологий, используемых в производстве металлических изделий и инструмента. С помощью электрохимических реакций на поверхность изделия наносят тонким слоем металлическое покрытие. Электрохимические технологии, связанные с нанесением покрытий, называют гальванотехникой. В качестве примеров можно привести изготовление оцинкованных листов для кузовов автомобилей, нанесение многослойного покрытия на автомобильные бамперы. Электролиз используют в приборостроении и производстве электронной аппаратуры (проводники микрочипов и печатных плат формируют катодным осаждением металлов). Гальванотехника сыграла решающую роль в развитии компьютерной техники и продолжает развиваться с новыми применениями в микро- и нанотехнологиях.

Электрохимические методы применяют для защиты различных изделий от коррозии. Например, подземные магистральные трубопроводы транспорта нефти и газа, распределительные сети газа, воды обеспечиваются катодной электрохимической защитой. Её используют также для защиты корпусов судов, металлических элементов гидротехнических сооружений и др. Анодная электрохимическая защита применяется для защиты реакторов, ёмкостей для хранения и перевозки агрессивных жидкостей в химической промышленности.

На принципах электрохимии основана значительная часть физико-химических методов анализа. Под термином электрохимическая сенсорика понимают мир сенсоров, действие которых основано на электрохимических явлениях. Сенсоры – это чувствительные датчики, которые входят в состав различных аналитических систем. Электрохимические сенсоры применяют для измерения концентрации веществ, рН растворов, определения запахов (система «электронный нос»), наркотических веществ в криминалистике, контроля выхлопных газов автомобилей и т.д.

Электрохимические технологии широко используют в медицине. В физиотерапии применяют методы воздействия на нездоровые органы и ткани, основанные на действии электрического тока. Метод электродиализа используется для очистки крови (аппарат искусственная почка). Некоторые технологии позволяют выводить из организма яды, разрушая их в катодном или анодном процессе (аппарат искусственная печень). Электрохимические технологии применяют также для диагностики патологического состояния.

Электрохимические методы применяют для обессоливания воды, в системах очистки сточных вод различных производств (гальванических, лакокрасочных, химических и др.), для извлечения металлов из отходов производства, регенерации электролитов.

6.3.2. Теория электрохимических процессов

Электрохимическими называют химические процессы, протекающие под действием постоянного электрического тока.

Электрохимическая реакция - это разновидность окислительно - восстановительных реакций, особенность которой состоит в том, что в результате такой реакции может происходить как превращение химической энергии в электрическую, так и превращение электрической энергии в химическую. Эти превращения осуществляются в

335

электрохимических системах, которые в зависимости от направления перехода форм энергии делят на два типа:

электрическая энергия переходит в химическую (под действием электрического тока происходят химические реакции) - процессы электролиза;

химическая энергия переходит в электрическую (в результате протекания химических реакций возникает электрический ток) - гальванические элементы, аккумуляторы.

Электролиз - окислительно-восстановительная реакция, проходящая на электродах под действием электрического тока. Как правило, с помощью электролиза проводят реакции, которые, согласно законам термодинамики, самопроизвольно протекать не могут. Для изготовления электродов чаще используют инертные материалы (графит, сталь, платина, ртуть, никель, титан и др.). Электроды помещают в раствор электролита, его расплав или твердый электролит. При пропускании электрического тока через электролит катионы движутся к катоду (отрицательно заряженному электроду), а анионы - к аноду (положительно заряженному электроду). На катоде происходит восстановление, а на аноде - окисление ионов.

Количество электричества, пропущенное через электролитическую ячейку, непосредственно связано с количествами образовавшихся на электродах веществ в соответствии с законами Фарадея.

I-й закон Фарадея: массы, образовавшихся при электролизе веществ, пропорциональны количеству электричества, прошедшего через электролит.

II-й закон Фарадея: при прохождении одинакового количества электричества через различные электролиты массы образовавшихся веществ пропорциональны их химическим эквивалентам.

Из законов Фарадея вытекает, что для выделения одного эквивалента любого вещества через раствор должно пройти одинаковое количество электричества. Эта величина называется постоянной Фарадея F и равна 96500 Кл.

Математическое выражение, обобщающее оба закона Фарадея:

где m - масса вещества, образующегося на электродах, г, М - молярная масса вещества, г/моль,

I – сила тока, А,

τ - время электролиза, с,

z - число электронов, участвующих в электродном процессе, F - постоянная Фарадея, равная 96500 Кл.

Теоретическое количество электричества, затрачиваемое на процесс электролиза, можно рассчитать по формуле:

где Wтеор – количество электричества, кВт·ч

U – напряжение разложения электролита, В

336

I – сила тока, А

τ– время протекания тока, ч.

Впроцессе электролиза часть электричества расходуется бесполезно, и получить количество продуктов электролиза точно в соответствии с законами Фарадея не представляется возможным. Отношение полезно истраченного количества электричества

к общему его расходу, выраженное в процентах, называется выходом по току

Выход по току для каждого продукта, полученного при электролизе, имеет своё значение. Это объясняется тем, что на катоде и аноде процессы протекают с различными потерями электричества.

Выход по току можно определить и как отношение фактически полученного продукта mфакт к количеству, которое можно получить теоретически mтеор:

В современных электролизёрах выход по току составляет 94-96%.

Электролиз широко используется в промышленности. Электролизом NaCl получают хлор и гидроксид натрия, электролизом воды – водород и кислород. Многие трудно восстанавливаемые металлы выделяют электролитическим разложением расплавов их солей. Например, металлические литий и натрий получают электролизом их гидроксидов, магний - электролизом хлорида магния.

6.3.2. Технология производства хлора и гидроксида натрия

Наиболее масштабным электрохимическим процессом является электролиз водных растворов хлорида натрия. При этом одновременно получают три важных продукта – хлор, водород и гидроксид натрия (каустическую соду).

Хлор в больших объёмах используют в химической промышленности для производства различных органических хлорпроизводных, идущих для получения пластмасс (например, винилхлорида), синтетических каучуков, химических волокон, растворителей, ядохимикатов и др. В настоящее время свыше 60% мирового производства хлора используется для органического синтеза. Кроме этого, хлор применяют для производства соляной кислоты, хлорной извести, хлоратов и других продуктов. Значительные количества хлора идут в металлургию для переработки полиметаллических руд, извлечения золота из руд. Также хлор используют для отбеливания бумаги, обеззараживания питьевой и сточной воды и других отраслях.

Каустическую соду применяют в химической, мыловаренной, целлюлозно-бумажной, текстильной, нефтеперерабатывающей, металлургической промышленности.

Электролитический водород отличается высокой чистотой, поэтому его применяют в области техники электронных компонентов. Водородно-кислородное пламя позволяет резать и сваривать тугоплавкие металлы. Водород используют и для гидрогенизации

337

жиров, твёрдых и жидких топлив, очистки нефтепродуктов, в антикоррозионной технике в качестве компонента т.н. защитных атмосфер.

В промышленности получение хлора и щёлочи электрохимическим методом осуществляют двумя способами (в зависимости от типа применяемого катода):

1)диафрагменным (с применением твёрдого стального катода);

2)ртутным (с использованием жидкой ртути в качестве катода).

Исходными веществами служат хлорид натрия и вода. Независимо от способа производства суммарную реакцию можно выразить уравнением:

Анодная реакция в обоих способах одинаковая, на аноде образуется газообразный хлор. Катодная реакция разная в зависимости от типа электрода. В диафрагменном электролизёре на твёрдом катоде выделяется водород, в катодном пространстве образуется щёлочь. В ртутном электролизёре катодная реакция состоит в выделении натрия, который образует с ртутью сплав – амальгаму натрия. Амальгама из электролизёра поступает в разлагатель, где, взаимодействуя с водой, разлагается, образуя раствор щёлочи и газообразный водород.

Электролиз на твёрдом стальном катоде. В водном растворе поваренная соль

(сильный электролит) полностью диссоциирует на ионы:

Вода является очень слабым электролитом:

При пропускании тока через электролит положительно заряженные ионы движутся к аноду, а отрицательно заряженные – к катоду. На электродах происходит разряд ионов. Различные катионы или анионы неодинаково воспринимают или отдают электроны. Чтобы на электроде мог произойти разряд иона, между электродами должна возникнуть определённая разность потенциалов. Наименьшая разность потенциалов, необходимая для проведения данного процесса электролиза, называется потенциалом разложения. Минимальный теоретически необходимый потенциал существенно меняется с изменением концентрации ионов в растворе.

В действительности потенциал электрода, необходимый для разряда иона, значительно больше теоретического потенциала. Величина фактического потенциала электрода зависит от материала электрода, плотности тока и температуры. Разность между теоретическим электродным потенциалом и действительным потенциалом называется перенапряжением. Перенапряжение зависит от материала электрода, температуры, плотности тока. С повышением температуры перенапряжение уменьшается, а с увеличением плотности тока – возрастает. Изменяя перенапряжение, можно направить процесс электролиза в нужную сторону и получить нужные продукты.

Какие из одноимённых ионов будут в первую очередь разряжаться на электродах, зависит от потенциала разряда и от плотности тока. При электролизе вначале будут разряжаться те ионы, потенциал разряда которых имеет наименьшую абсолютную величину. На

338

графитовом аноде происходит разряд ионов хлора с выделением газообразного хлора. На стальном катоде разряжаются ионы водорода с образованием газообразного водорода. Разряд ионов натрия из водных растворов на твёрдом катоде невозможен вследствие более высокого потенциала их разряда по сравнению с водородом.

Катодное пространство

Кроме того, в объёме анодного пространства в результате гидролиза хлора идут побочные реакции c образованием хлорноватистой и хлороводородной кислот: например:

Побочные реакции снижают выход по току основных продуктов и повышают расходные коэффициенты по энергии. Чтобы уменьшить протекание побочных реакций и исключить взаимодействие продуктов электролиза, следует создать условия, препятствующие смешению катодных и анодных продуктов. Для этого катодное и анодное пространство разделяют пористой перегородкой - диафрагмой. Через диафрагму фильтруется раствор электролита навстречу движению ионов, обуславливающих электропроводность раствора.

Схема электролизёра с твёрдым катодом (диафрагменный электролизёр) представлена на рис. 6.28.

Рис. 6.28. Электролизёр с фильтрующей диафрагмой: 1 – пористая диафрагма; 2 – перфорированный стальной катод; 3 – катодное пространство; 4 – графитовый анод; 5 – анодное пространство.

339