загрузка...
 
8.2.1 Расчет кислотооборота для смесевого пироксилина по периодической технологии
Повернутись до змісту

8.2.1 Расчет кислотооборота для смесевого пироксилина по периодической технологии

Подпись: Рисунок 32 – Схема кислотооборота в про-изводстве смесевого пироксилина

Расчет теоретических расходов

Реакция образования нитратов целлюлозы выражается общей формулой

C6H7O2(OH)3+nHNO3 ? C6H7O2(OH)3-n(ONO2)n +nH2O,

        162                n63                   162-17n+62n             n18

где n– число нитратных групп в пироксилине; m=162 – молекулярная масса целлюлозы; mв=18 – молекулярная масса воды; mк=63 – молекулярная масса азотной кислоты.

Число нитратных групп в нитратах целлюлозы

где а – содержание азота в нитрате целлюлозы; mц=162 – молекулярная масса целлюлозы.

Для пироксилина №1:

принимаем n1=2,72.

Для пироксилина №2:

Молекулярная масса нитратов целлюлозы:

– пироксилин №1:

m1=162-17?2,72+62?2,72=284,4;

– пироксилин №2:

m2=162–17?2,33+62?2,33=266,85.

Теоретический расход целлюлозы на получение 1 т нитратов целлюлозы:

– для пироксилина №1:

 т;

– для пироксилина №2:

 т.

Теоретический расход азотной кислоты на получение 1 т нитрата целлюлозы:

– для пироксилина №1:

т;

– для пироксилина №2:

т.

Прибыль воды, образующейся в результате реакции этерификации на 1 т нитратов целлюлозы:

– для пироксилина №1:

 т;

– для пироксилина №2:

 т.

Теоретический выход нитратов целлюлозы на 1 т целлюлозы составит:

– для пироксилина №1:

т;

– для пироксилина №2:

т.

Расчет практических расходов

Практический расход целлюлозы на получение тонны нитрата целлюлозы будет больше, а выход нитрата целлюлозы меньше в связи с потерями на технологических фазах производства и наличием примесей в целлюлозе. Следовательно, при определении фактического расхода целлюлозы и практического выхода нитрата целлюлозы необходимо внести поправки как на потери (таблица 9), так и на примеси в целлюлозе.

Средние потери нитратов целлюлозы по технологическим фазам для пироксилина №1 составляют 5,5 %, для пироксилина №2 – 4,5 %.

В пересчете на целлюлозу они составляют:

– для пироксилина №1:

– для пироксилина №2:

Общие потери целлюлозы при изготовлении пироксилина №1составят:

?q=(100–?)+qр.с+ q1ц,

где qр.с – потери целлюлозы на фазе подготовки целлюлозы (при рыхлении и сушке); ? – содержание ?-целлюлозы в исходной целлюлозе.

Для пироксилина №1 используется целлюлоза марки ЦА, у которой ?=92 %. Потери при рыхлении и сушке qр.с принимаем 2 % (табл. 9). Тогда общие потери целлюлозы для пироксилина №1:

?q1=(100-92)+2+3,14=13,14 %,

где – потери целлюлозы на фазе подготовки целлюлозы (при рыхлении и сушке).

Для пироксилина №2 используется целлюлоза марки ХЦ, у которой ?=97,5 %. Потери при рыхлении и сушке qр.с принимаем 0,8 % (табл. 9). Тогда общие потери целлюлозы для пироксилина №2:

?q2=(100–97,5)+0,8+2,73=6,03 %.

Практические расходы целлюлозы для получения    1 т нитратов целлюлозы:

– для пироксилина №1:

 т;

– для пироксилина №2:

 т.

Практический выход нитратов целлюлозы с 1 т целлюлозы:

– пироксилина №1:

 т;

– пироксилина №2:

 т.

Исходя из соотношения пироксилина №1 к пироксилину №2, определяем абсолютные расходы целлюлозы:

– целлюлозы марки ЦА:

                           G1ц?0,8=0,656?0,8=0,5248 т;

– целлюлозы марки ХЦ:

                          G1ц?0,2=0,646?0,2=0,129 т .

 

 

При определении практического расхода азотной кислоты потери целлюлозы на фазе подготовки целлюлозы не учитываются, следовательно, потери целлюлозы составят:

– для пироксилина №1:

?q?1=?q1–qр.с=13,14–2=11,14 %;

– для пироксилина №2

?q?2=?q2–qр.с=6,03–0,825=5,23 %.

Практический расход азотной кислоты с учетом потерь целлюлозы:

– для пироксилина №1:

 т;

– для пироксилина №2:

 т.

Определение количества и абсолютного состава рабочих кислотных смесей

Необходимое количество нитрационной рабочей кислотной смеси для изготовления 1 т нитрата целлюлозы при принятых модулях:

– для пироксилина №1:

B1=G1ц?33=0,656?33=21,648 т,

принимаем В1=22 т;

– для пироксилина №2:

B2=G2ц?38=0,646?38=24,548 т,

принимаем В2=25 т.

Абсолютный состав рабочих кислотных смесей:

– для пироксилина №1:

HNO3

H2SO4

H2O

B1?0,235=22?0,235 =

B1?0,69 = 22?0,69  =

B1?0,075=22?0,075 =

  5,17 т,

15,18 т,

  1,65 т

                                                              ??????????????????????????????

 

                            всего 22 т;

– для пироксилина №2:

HNO3

H2SO4

H2O

B1? 0,19 = 25?0,19  =

B1?0,645=25?0,645 =

B1?0,165=25?0,165 =

  4,75 т,

16,125 т,

  4,125 т

                                                              ??????????????????????????????

 

                           всего 25 т.

Определение количества и состава отработанной кислотной смеси

Азотная кислота расходуется не только на реакцию этерификации, но и при  потерях за счет ее испарения на фазах приготовления кислот, нитрации, кислотоотжима и улова кислот. В виде паров она поступает с отходящими газами на абсорбционные установки. Количество азотной кислоты, испаряемой на технологических фазах, зависит от состава нитрационной кислотной смеси, температуры и времени нитрации и кислотоотжима, конструкции аппаратов и степени разрежения в вентиляционной системе. Принимаем потери с отходящими газами азотной кислоты   0,97 %, серной кислоты 0,22 % от общей массы нитрационной кислотной смеси, необходимой на изготовление 1 т нитрата целлюлозы. Тогда потери с отходящими газами от испарения азотной кислоты:

– для пироксилина №1:

 т,

принимаем 0,21 т;

– для пироксилина №2:

 т,

принимаем 0,24 т.

Серная кислота на образование нитрата целлюлозы не расходуется, небольшое количество увлекается испаряющейся азотной кислотой в вентиляцию. Эти потери составляют:

– для пироксилина №1:

 т,

принимаем 0,05 т;

– для пироксилина №2:

 т.

Потери при переливах и перекачках составляют по азотной кислоте 0,01 – 0,011 т пироксилина; по серной кислоте 0,02 – 0,024 т пироксилина.

При реакции этерификации происходит изменение массового состава нитрационных кислотных смесей за счет потери азотной и серной кислот и прибыли воды согласно таблицам 10, 11 и 12.

Таблица 10 – Расход азотной кислоты

 

Для пироксилина №1, т

Для пироксилина №2, т

На реакцию этерификации.

Потери кислот:

от испарения,

при перекачке

0,675

 

0,21

0,01

0,58

 

0,24

0,01

Всего

0,895

0,83

Таблица 11 – Расход серной кислоты

 

Для пироксилина №1, т

Для пироксилина №2, т

Потери от испарения.

Потери при перекачке

0,05

 

0,022

0,055

 

0,022

Всего

0,072

0,077

Таблица 12 – Прибыль воды

 

Для пироксилина №1, т

Для пироксилина №2, т

От реакции этерификации.

С влагой целлюлозы

q1в=0,172

 

q1в=G1ц?W1=0,656?0,05=

=0,033

q2в=0,157

 

q2в=G2ц?W2=0,646?0,05=

=0,032

Всего

0,205

0,189

Влага, поглощенная из воздуха, не учитывается.

Тогда абсолютный состав и количество отработанной нитрационной кислотной смеси после реакции этерификации будут такими:

– для пироксилина №1:

HNO3

H2SO4

H2O

5,17–0,895  =

15,18–0,072 =

1,65+0,205 =

  4,275т,

15,108 т,

  1,855 т

                                                 ??????????????????????????????

 

                                 всего 21,238т;

– для пироксилина №2:

HNO3

H2SO4

H2O

4,75–0,830  =

16,125–0,077 =

4,125+0,189 =

   3,92 т,

 16,048 т,

   4,3142 т

                                           ??????????????????????????????

 

                       всего 24,282 т.

Массовая доля компонентов в отработанных нитрационных кислотных смесях после реакции этерификации составляет:

– для пироксилина №1:

HNO3

 

,

 

H2SO4

 

,

 

H2O

 

                                           ??????????????????????????????

 

 

          всего 100 %;

– для пироксилина №2:

HNO3

 

,

H2SO4

 

,

H2O

                                           ??????????????????????????????

 

       всего 100 %.

Определение количества и состава отработанной кислотной смеси, адсорбированной пироксилином

После отжима на центрифуге пироксилин содержит 1–1,2 т на 1 т нитратов целлюлозы. В расчете принимаем   1 т на 1 т нитратов целлюлозы. Степень отжатия нитратов целлюлозы от кислот составляет 50 – 55 %. При этом содержание азотной кислоты в адсорбированной кислотной смеси примерно на 30 % будет выше, чем в отжатой отработанной кислотной смеси, а содержание воды одинаково.

Если абсолютное содержание компонентов 1 т отжатой отработанной кислотной смеси составляет:

– для пироксилина №1:

HNO3

 

 т,

H2SO4

 

 т,

H2O

 т;

– для пироксилина №2:

HNO3

 

 т,

H2SO4

 

 т,

H2O

 т,

то в 1 т адсорбированной кислотной смеси их содержание слудующее:

– для пироксилина №1:

HNO3

 

 т,

H2SO4

 

1-(0,26113+0,08927)=0,6496 т,

H2O

0,08927 т;

– для пироксилина №2:

HNO3

 

 т,

H2SO4

1–(0,2099+0,17767)=0,61243 т,

H2O

0,17767 т.

Массовая доля компонентов в адсорбированной кислотной смеси составляет:

– для пироксилина №1:

HNO3

0,26113?100=26,113 %,

H2SO4

0,6496?100=64,96 %,

H2O

0,08927?100=8,927 %;

– для пироксилина №2:

HNO3

0,2099?100=20,99 %,

H2SO4

0,61243?100=61,243 %,

H2O

0,17767?100=17,767 %.

Этот состав адсорбированных кислот в количестве  1 т как для пироксилина №1, так и для пироксилина №2 поступает на фазу рекуперации кислот.

Состав и количество отработанной кислотной смеси после отжима

Для пироксилина №1 абсолютный состав отработанной кислотной смеси будет такими:

HNO3

4,275– 0,26113 =4,01387 т,

 

H2SO4

15,108–0,6496=14,4584 т,

 

H2O

1,9 – 0,08927 = 1,81073 т

 

                                           ??????????????????????????????

 

 

     количество 20,283 т.

Для пироксилина №2 соответственно:

HNO3

    3,92 – 0,2099 = 3,7101 т,

 

H2SO4

16,048–0,61243=15,43557 т,

 

H2O

4,3143 – 0,17767=4,13363 т

 

                                           ??????????????????????????????

 

 

        количество 23,2823 т.

Массовая доля компонентов в отработанной кислотной смеси после отжима:

– для пироксилина №1:

HNO3

 

,

 

H2SO4

 

,

 

H2O

 

                                           ??????????????????????????????

 

 

             всего 100 %;

– для пироксилина №2:

HNO3

 

,

H2SO4

 

,

H2O

                                           ??????????????????????????????

 

               всего 100 % .

Количество адсорбированных кислот, поступающих на рекуперацию

Согласно расчету после кислотоотжимочных центрифуг из 1 т нитратов целлюлозы на фазу рекуперации поступают адсорбированные кислоты в таком количестве:

– для пироксилина №1:

HNO3

H2SO4

0,26113 т,

0,6496 т

                      ??????????????????????????????

                          всего 0,9107 т;

– для пироксилина №2:

HNO3

H2SO4

0,2099 т,

0,61243 т

                       ??????????????????????????????

                         всего 0,8223 т.

При рекуперации кислот методом вытеснения соотношение азотной и серной кислот в рекуперированных и адсорбированных нитратом целлюлозы кислотах постоянно и равно:

– для пироксилина №1:

– для пироксилина №2:

Расчет количества адсорбированных кислот, поступающих на стабилизацию

После загрузки в вытеснитель кислот пироксилин орошается слабой кислотной смесью массовой долей 25 –28 %. В результате вытеснения образуется транспортная кислота с массовой долей 45 – 50 %. Затем орошение производится водой, пока кислотность вытесняемой смеси не достигнет 8 %. При этом массовая доля адсорбированной кислотной смеси в пироксилине на 3 – 4 % меньше. Тогда массовая доля адсорбированной нитратом целлюлозы кислотной смеси после рекуперации 8–4=4 %. Плотность этой кислотной смеси составляет ?=1,02 т/м3.

Нитрат целлюлозы, поступающий на фазу стабилизации, удерживает определенный объем кислотной смеси на 1 т нитрата целлюлозы, которая теряется безвозвратно. Пироксилин №1 удерживает V1=4,5 м3/т, пироксилин №2 удерживает V2=5,5 м3/т (см. таблицу 7).

Масса кислотной смеси на 1 т нитрата целлюлозы составляет:

– в пироксилине №1:

q1=V1??=4,5?1,02=4,59 т;

– в пироксилине №2:

q2=V2??=5,5?1,02=5,61 т.

Масса моногидратов в кислотной смеси:

– в пироксилине №1:

q?1= q1?0,04=4,59?0,04=0,184 т;

– в пироксилине №2:

q?2= q2?0,04=5,61?0,04=0,224 т.

При соотношениях HNO3 и H2SO4, равных e1 и e2, масса этих кислот в смеси составит:

– для пироксилина №1:

HNO3

 

 т,

H2SO4

 т;

– для пироксилина №2:

HNO3

 т,

H2SO4

 т.

Расчет рекуперированной кислотной смеси, направляемой на регенерацию

На фазу регенерации рекуперированных кислот поступает:

– от пироксилина №1:

q1-я рег =0,9107–0,184=0,7284 т;

– от пироксилина №2:

q2-я рег =0,8233–0,224=0,5993 т.

Масса отдельных кислот составляет:

– для пироксилина №1:

HNO3

0,26113–0,053=0,208 т,

H2SO4

0,6496-0,131=0,5186 т;

– для пироксилина №2:

HNO3

0,2099-0,057=0,1529 т,

H2SO4

0,61243-0,167=0,4454 т.

Определение дозировочных расходов и количества избыточной отработанной кислотной смеси

Дозировочный расход – количество свежих азотной и серной кислот, которые добавляются в смесители при дозировке (укреплении) отработанных кислотных смесей. Отработанные кислотные смеси поступают на фазу смешения кислот, где их укреплением свежими кислотами доводят до требуемого состава.

Отработанные кислотные смеси №1 идут для приготовления кислотных смесей №1, а избыток их идет на приготовление рабочих кислотных смесей №2. Отработанные смеси №2 идут только на изготовление кислотных смесей №2, а избыток поступает на регенерацию.

Расчет дозировочных расходов для рабочей

кислотной смеси №1

Для этого расчета имеем следующие данные:

– состав отработанной кислотной смеси №1: HNO3

– 19,79%, H2SO4 – 71,28 %, H2O – 8,93;

–состав приготовляемой кислотной смеси №1: HNO3 – 23,5%, H2SO4 – 69,0 %, H2O – 7,5;

–массовая доля азотной кислоты –98 %;

–массовая доля серной кислоты– 105 % (олеума);

–количество приготавливаемой кислотной смеси №1 В1=22 т.

Определяем необходимое количество азотной кислоты N1, олеума S1, отработанной кислотной смеси А1.

Для расчета составим уравнения баланса:

– по азотной кислоте

A1y1+N1n=B1y,

– по серной кислоте

A1x1+S1s=B1x,

– по кислотной смеси

A1+N1+ S1=B1,

где y1 – массовая доля HNO3 в отработанной кислотной смеси №1, %; x1 – массовая доля H2SO4 в отработанной кислотной смеси №1, %; n – массовая доля HNO3 в свежей азотной кислоте, %; s – массовая доля H2SO4 в олеуме, %;   y – массовая доля HNO3 в рабочей кислотной смеси, %; x – массовая доля H2SO4 в рабочей кислотной смеси, %.

Подставляя цифровые значения, получаем:

A1?19,79+N1?98=22?23,5,

A1?71,28+S1?105=22?69,0,

A1+N1+ S1=22.

Откуда следует

A1=19,02 т,    N1=1,435 т,    S1=1,545 т.

Избыток отработанной нитрационной кислотной смеси №1:

А?1=20,283-19,02=1,263 т

с содержанием

HNO3

1,262?0,1979=0,25 т,

H2SO4

1,263?0,7128=0,9 т.

В переводе на моногидрат дозировочные расходы составляют:

N?1=1,435?98=1,406 т,

S?1=1,545?1,05=1,622 т.

Расчет дозировочных расходов для рабочей

кислотной смеси №2

Для составления рабочей нитрационной кислотной смеси при получении пироксилина №2 имеем следующее. Избыток отработанной нитрационной кислотной смеси №1 А?1=1,263 т состава  y1 – 19,79 % HNO3 ; x1 – 71,28 % H2SO4. Отработанную кислотную смесь №2 состава  y2 – 15,93 % HNO3 ; x2 – 66,3 % H2SO4; серную кислоту с массовой долей моногидрата 92,5 %; азотную кислоту с массовой долей моногидрата 98 %.

Необходимо получить рабочую кислотную смесь №2 в количестве В2=25 т состава  HNO3 – 19 %; H2SO4 – 64,5 %; H2O – 16,5 %.

Определяем потребное количество отработанной кислотной смеси №2 [1]:

т.

 
Избыток А?2 отработанной кислотной смеси №2 составляет:

А?2=23,2823-22,254=1,0283 т

с содержанием

HNO3

1,028?0,1593=0,1638 т,

H2SO4

1,028?0,663=0,6816 т.

В пересчете на моногидрат

HNO3

0,1638?0,98=0,16 т,

H2SO4

0,6816?0,925=0,63 т.

Потребное количество азотной кислоты[1]:

           Потребное количество серной кислоты [1]:

          Проверяем количество рабочей кислотной смеси №2:

т.

 
B2=A?1+A2+S2+N2=1,263+22,224+0,9745+0,509=25 т.

В переводе на моногидрат дозировочные растворы составляют

N2=0,9745?0,98=0,955 т,

S2=0,509?0,925=0,471 т.

Абсолютные расходы кислот

Абсолютные расходы – количество азотной и серной кислот (в моногидрате), безвозвратно теряемые при изготовлении 1 т нитратов целлюлозы. По азотной кислоте абсолютные расходы складываются из следующих составляющих:

– полезного расхода на реакцию этерификации целлюлозы – 0, 075 т;

– потерь с отходящими газами в виде паров азотной кислоты и окислов азота, из этих потерь на абсорбционных установках улавливается 80 – 85 % и возвращается в производственный цикл, если принять улавливание паров азотной кислоты 80 %, то это составит:

для пироксилина №1    0,21?0,8=0,168 т,

для пироксилина №2    0,24?0,8=0,192 т,

тогда потери по этой статье равны:

для пироксилина №1    0,21–0,168=0,042 т,

для пироксилина №2    0,21–0,192=0,048 т;

– потери при переливах и перекачках принимаем для азотной кислоты 0,01 т, для серной кислоты – 0,222 т на 1 т пироксилина;

– потери кислот, адсорбированных пироксилином после рекуперации (поступающим на стабилизацию),

для HNO3 – 0,053 т,

для H2SO4 – 0,131 т.

Сводный баланс кислот

Расходы кислот для пироксилина марки ВА приведены в таблице 15.

В производственных условиях кислоты, поступающие на регенерацию, называют избыточными  и они равны разности между дозировочными и абсолютными расходами. При изготовлении смесевых пироксилинов избыток отработанных нитрационных кислот №1 идет на укрепление отработанных нитрационных кислот №2. В этом случае избыток кислот равен количеству кислот, идущих на регенерацию, плюс отработанные кислотные смеси №1, идущие на укрепление отработанных кислотных смесей №2.

Таблица 15 – Сводная таблица расходов кислоты (т) для изготовления 1 т смесевого пироксилина марки ВА

Наименование

расходов

Расчет

Расход

Дозировочные

HNO3

1,406?0,8+(0,955+0,25)?0,2

1,3658

H2SO4

1,622?0,8+(0,471+0,9)?0,2

1,571

Абсолютные

HNO3

0,78?0,8+0,695?0,2

0,763

H2SO4

0,203?0,8+0,244?0,2

0,1212

Избыточные

HNO3

0,626?0,8+0,51?0,2

0,6028

H2SO4

1,4186?0,8+1,127?0,2

1,34



загрузка...