8.2.2 Расчет кислотооборота при изготовлении коллоксилина марки НД по непрерывной технологии
Принимаем: коллоксилин – содержание окиси азота 191,5 мл /г; сырье – целлюллоза марки ЦА с влажностью 5 %; состав нитрационной кислотной смеси HNO3 – 24 %; H2SO4 – 60 %; H2O – 16 %; модуль этерификации 37:1.
Расчет теоретических расходов
Определяем число нитратных групп в коллоксилине по уравнению
где – содержание азота в коллоксилине; mц=162 – молекулярная масса целлюлозы,
тогда
Подставив значение в формулу реакции этерификации, определим молекулярную массу коллоксилина:
C6H7O2(OH)3+nHNO3 ? C6H7O2(OH)3-n(ONO2)n +nH2O,
162 n63 162-17n+62n n18
соответственно
mнц=162–17?2,26+62?2,26=263,7.
Теоретический расход целлюлозы на получение 1 т коллоксилина:
т.
Теоретический расход азотной кислоты на получение 1 т коллоксилина:
т.
Прибыль воды в результате реакции этерификации на 1 т коллоксилина:
т.
Теоретический выход коллоксилина на 1 т целлюлозы:
т.
Расчет практических расходов коллоксилина
Общие потери коллоксилина по технологическим фазам принимаем 5 % (см. таблицу 9).
Потери целлюлозы в пересчете с коллоксилина составляют:
Общие потери целлюлозы:
?q=(100–a)+qр.с+q.
Для сырья марки ЦА а=92 %, qр.с принимаем 2 %. Тогда общие потери:
?q=(100-92)+2+3,1=13,1 %.
Практический расход целлюлозы для получения 1 т коллоксилина:
т.
Практический выход коллоксилина с 1 т целлюлозы:
т.
Потери целлюлозы без учета потерь на фазе их подготовки:
?q?=?q-2=13,1-2=11,1 %.
Практический расход азотной кислоты с учетом потерь целлюлозы:
т.
Определение количества и абсолютного состава рабочей кислотной смеси
Необходимое количество рабочей нитрационной кислотной смеси при принятом модуле:
B=Gабс?37=0,707?37=26,19 т.
Принимаем В=26 т.
Абсолютный состав нитрационной кислотной смеси:
HNO3
H2SO4
H2O
B?0,24=26?0,24 =
B? 0,6 = 26?0,6 =
B?0,16=26?0,16 =
6,24 т,
15,6 т,
4,16 т
?????????????????????????????
всего 26 т.
Определение и состав отработанной кислотной смеси
При нитрации целлюлозы происходит изменение состава нитрационных кислотных смесей за счет уменьшения содержания азотной и серной кислот и поступления воды. Принимаем потери азотной кислоты с отходящими газами 1 %, серной 0,24 % от массы В, тогда эти потери составляют:
HNO3
т,
H2SO4
т.
Потери за счет переливов и утечки при перекачках принимаем для азотной кислоты 0,011 т, для серной кислоты – 0,024 т.
Расход азотной кислоты:
– на реакцию этерификации
– потери кислоты:
от испарения
при перекачке
0,607 т;
0,26 т,
0,011 т
?????????????????????????????
всего 0,878 т.
Расход серной кислоты:
– потери от испарения
– переливы и утечки
0,062 т,
0,024 т
?????????????????????????????
всего 0,086 т.
Поступление воды:
– от реакции этерификации
– с влагой целлюлозы
0,154,
Gц?W=0,707?0,05=
=0,035
?????????????????????????????
всего 0,189 т.
Влага, поглощенная из воздуха, не учитывается.
Тогда абсолютный состав и количество отработанной кислотной смеси после нитрации составят:
HNO3
H2SO4
H2O
6,24-0,878 =
15,6-0,086 =
4,16+0,189 =
5,362 т,
15,514 т,
4,349 т
?????????????????????????????
всего 25,225 т.
Массовая доля компонентов:
HNO3
H2SO4
,
H2O
?????????????????????????????
всего 100 %.
Определение количества и состава отработанной кислотной смеси, адсорбированной колоксилином
Из нитраторов реакционная смесь поступает в аппарат НУОК. В зоне загрузки аппарата НУОК отработанная кислотная смесь через ложное дно естественным стоком поступает в приемные баки и затем на укрепление в отделение смешения кислот. Рекуперация кислот ведется вытеснением кислот орошающими кислотами в четыре ступени в противотоке. По мере уменьшения массовой доли адсорбированных нитратом целлюлозы кислот уменьшается и массовая доля орошающих кислот.
Адсорбированная коллоксилином отработанная кислотная смесь поступает на рекуперацию в количестве
q1=V??,
где V=4,5 м3/т – объем кислотной смеси, адсорбированной 1 т коллоксилина (см. таблицу 7); ? – плотность этой смеси определяется уравнением ?=1+ас; с – массовая доля кислот в отработанной кислотной смеси (с = HNO3%+ H2SO4%= =21,3+61,5=82,8 %); а – коэффициент, зависящий от соотношения равен
При этом соотношении а=0,0078. Подставив цифровые значения, получим
?=1+0,0078?82,8=1,646 т/м3,
тогда
q1=4,5?1,646=7,4.
Количество и состав отработанной кислотной смеси, поступающей на фазу приготовления рабочей кислотной смеси после стока
Коллоксилин после естественного стока содержит значительное количество кислот, поэтому массовая доля азотной кислоты в адсорбированной и отработанной кислотной смеси одинакова.
Масса отработанных кислотных смесей, поступающих на фазу приготовления рабочей кислотной смеси,
q2=25,225–7,4=17,825 т,
ее абсолютный состав:
HNO3
17,825?0,213= 3,797 т,
H2SO4
17,825?0,615=10,962 т,
H2O
17,825?0,172 =3,066 т
?????????????????????????????
всего 17,825 т.
Расчет количества и состава отработанной кислотной смеси, вытесняемой в первой зоне рекуперации
Средняя массовая доля вытесненной кислотной смеси из первой зоны рекуперации:
где k – коэффициент вытеснения для данного коллоксилина принимаем 0,75 (см. таблицу 5); А =4ас?; с=82,8 % – массовая доля отработанных кислотных смесей;?=1,646т/м3,
тогда
А=4?0,0078?82,8?1,648=4,26.
Подставив цифровые значения, получим
Соотношение кислот в процессе рекуперации постоянно и равно:
Кислотная смесь, вытесненная из первой зоны рекуперации, делится на две части. Первая часть (первая фракция), составляющая 70 – 75 % от общего количества вытесненных кислот, подается на укрепление при приготовлении рабочей кислотной смеси; остальная часть (вторая фракция) поступает на регенерацию.
Массовая доля вытесненных кислот первой фракции практически меньше массовой доли отработанных кислотных смесей на 2 – 2,5 %.
Принимаем, что первая фракция вытесненных кислот составляет 75 % от вытесненных кислот первой зоны и массовая доля их меньше на 2 % массовой доли отработанных кислот.
Зная среднюю массовую долю вытесненных кислот 78,26 % и массовую долю первой фракции с1-йфр=82,8–2=80,8 %, определяем среднюю массовую долю второй фракции, идущей на регенерацию, из условия
с1-й фр?0,75+с2-й фр?0,25=с?1,
откуда
Определяем плотность вытесненных кислот первой и второй фракций:
?1=1+ас1-й фр=1+0,0078?80,8=1,63 т/м3,
?2=1+ас2-й фр=1+0,0078?70,64=1,55 т/м3.
Тогда количество первой фракции, идущей на укрепление,
q?1=V?0,75??1=4,5?0,75?1,63=5,5 т,
массовая доля ее компонентов:
HNO3
H2SO4
с1-й фр–сHNO3=80,8–20,78 = 60,02 %,
H2O
100 – (20,78+60,02) = 19,20 %
?????????????????????????????
всего 100 %.
Абсолютный состав:
HNO3
H2SO4
H2O
5,5? 0,2078 =
5,5?0,6002=
5,5?0,1920=
1,14 т,
3,3 т,
1,06 т
?????????????????????????????
всего 5,5 т.
Количество второй фракции, поступающей на регенерацию,
q?2=V?0,25??2=4,5?0,25?1,55=1,744 т.
Массовая доля ее компонентов:
HNO3
H2SO4
с2-й фр–сHNO3=70,64–18,17=52,47 %.
Абсолютный состав второй фракции:
HNO3
1,744?0,1817= 0,317 т,
H2SO4
1,744?0,5247=0,915 т.
Расчет дозировочных расходов
Для составления нитрационной кислотной смеси имеются данные.
1. Абсолютный состав и масса отработанной кислотной смеси после стока в аппарате НУОК:
HNO3
3,797 т,
H2SO4
10,962 т,
H2O
3,066 т
?????????????????????????????
всего 17,825 т.
2. Массовый состав и масса кислот первой фракции:
HNO3
1,14 т,
H2SO4
3,3 т,
H2O
1,06 т
?????????????????????????????
всего 5,5 т.
3. Общее количество кислотной смеси, поступающее на укрепление,
q3= q2+ q?1=17,825+5,5=23,325 т,
ее абсолютный состав:
HNO3
3,797+1,140=
4,037 т,
H2SO4
10,962+3,3=
14,262 т,
H2O
3,066+1,06=
4,126 т
?????????????????????????????
всего 23,325 т
и массовая доля компонентов этих кислот:
HNO3
,
H2SO4
,
H2O
?????????????????????????????
всего 100 %.
4. Состав приготавливаемой рабочей кислотной смеси HNO3 – 24 %; H2SO4 - 60 %; H2O – 16 %.
5. Массовая доля азотной кислоты – 98 %.
6. Массовая доля серной кислоты – 92,5 %.
7. Масса нитрационной рабочей кислотной смеси В1=26 т.
Определим количества азотной кислоты N, серной кислоты S и отработанной кислотной смеси А2, необходимые для составления В рабочей кислотной смеси.
Для расчета запишем уравнения материального баланса:
– по азотной кислоте
A2y2+Nn=By,
– по серной кислоте
A2x2+Ss=B1x,
– для всей кислотной смеси A2+N+ S=B.
Подставив цифровые значения, получим
A2?21,17+N?98=26,24,
A2?61,14+S?92,5=26,60,
A2+N+ S=26.
Решив эту систему уравнений, определяем необходимые количества:
– отработанной кислотной смеси А2=22,5,
– азотной кислоты N=1,51 т;
– серной кислоты S=1,99 т.
Отработанная кислотная смесь имеет абсолютный состав:
HNO3
22,5?0,2117=
4,76 т,
H2SO4
22,5?0,6114=
13,75 т;
В переводе на моногидрат дозировочный расход кислот составит:
HNO3
1,51?0,98=
1,48 т;
H2SO4
1,99?0,925=
1,84 т.
Избыток отработанной кислотной смеси, поступающей на регенерацию, равен
А?2=23,325–22,5=0,825 т
абсолютного состава:
HNO3
0,825?0,2117=
0,174 т,
H2SO4
0,825?0,6114=
0,504 т.
Расчет абсолютного расхода
По азотной и серной кислотам он складывается из следующих составляющих:
– полезного расхода азотной кислоты на реакцию этерификации 0,607 т;
– потери кислоты с отходящими газами (приняв улавливание паров азотной кислоты 80 %, или 0,26?0,8=0,208) составляют 0,26–0,208=0,052 т;
– потери серной кислоты 0,062 т;
– потери при переливах и перекачках по азотной кислоте 0,011 т , по серной кислоте 0,024 т;
– потери кислот, адсорбированных коллоксилином после их рекуперации (вытеснения).
Масса адсорбированных кислот после рекуперации
q?3=V??ІV?СІV,
где V=4,5 м3/т – объем кислот, адсорбированных 1 т коллоксилина; ?ІV –плотность адсорбированных кислот; СІV – массовая доля адсорбированных кислот:
– содержание азота в коллоксилине; mц=162 – молекулярная масса целлюлозы,
т.
т.
т.
т.
т.
т.
т.
т,
т.
,
равен 
,
,
т;
т.