Технология производства карбида кальция

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ 

Белорусский государственный экономический  университет 
 
 
 
 
 
 

Кафедра технологии 
 
 
 
 
 
 

ОТЧЁТ

По индивидуальной работе на тему «Технология производства карбида кальция» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

выполнил студент

2 курса, УЭФ,  ДЭП – 3                                                                      
 
 
 
 
 
 
 
 

МИНСК

2010 

Содержание 

Введение............................................................................................................3 

1.Описание технологических процессов производства и выбор оптимальной схемы........................................................................................................................4 

2. Экономическое  обоснование оптимальной схемы.........................................11 

3. Расчёт материального  баланса и динамики трудозатрат...............................13 

Заключение.............................................................................................................18 
 

 

Введение 

     Карбид  кальция является химическим соединением кальция с углеродом и используется для получения ацетилена. По внешнему виду представляет собой твердое вещество темно-серого или коричневого цвета. Карбид кальция жадно поглощает воду. Он быстро разлагается на воздухе под влиянием содержащихся в нем паров воды. Карбид кальция получается сплавлением в электрических печах кокса и негашеной извести. Расплавленный карбид выпускается из печи в специальные формы — изложницы, в которых он затвердевает. Технический карбид кальция содержит до 80% химически чистого карбида кальция, остальное составляют примеси — негашеная известь, углерод, кремнекислота и др. Карбид кальция выпускается двух сортов: первого и второго. Ввиду того, что карбид кальция легко поглощает атмосферную влагу и при этом разлагается с выделением ацетилена, образующего с воздухом взрывоопасную смесь, его хранят и транспортируют в герметически закрытых барабанах. Стандартные карбидные барабаны изготовляются из кровельного железа толщиной не менее 0,5 мм, емкостью 100 и 130 кг. Вместо барабанов для перевозки и хранения карбида кальция применяют также бидоны, изготовленные из листовой малоуглеродистой стали, снабженные герметичной крышкой и резиновой прокладкой. Барабаны с карбидом кальция должны храниться в сухих хорошо проветриваемых помещениях. Нужно вскрывать карбидные барабаны неискрящим инструментом (например, зубилом и молотком из латуни или специальным ножом типа консервного). Вскрытые барабаны после частичного отбора из них карбида кальция должны вновь герметически закрываться крышкой с резиновой прокладкой. Если их плотно закрыть нельзя, то карбид кальция из барабанов необходимо пересыпать в герметически закрывающиеся бидоны. Такие меры необходимы для того, чтобы влага воздуха не разлагала карбид кальция. При транспортировке барабаны нужно укрывать брезентом.

     Карбид  кальция применяют для получения  ацетилена и в производстве цианамида  кальция, из которого получают удобрения, цианистые соединения. Карбид кальция используют при проведении автогенных работ и освещения, а также в производстве ацетиленовой сажи и продуктов органического синтеза, из которых главным является синтетический каучук. Кроме того, из карбид кальция получают синтетический каучук, винилхлорид, акрилонитрил, уксусную кислоту, этилен, хлорпроизводные ацетилена, искусственные смолы, ацетон, стирол. Карбид кальция используют для получения карбидно-карбамидного регулятора роста растений, изготовления порошкового карбидного реагента.

 

1. Описание технологических процессов производства и выбор оптимальной схемы

 

   Технический карбид кальция получают в руднотермических печах, где окись кальция и углерод взаимодействуют в электрической дуге согласно уравнению:

СаО+3С=Са

+ СО - 465,99 МДж

     Процесс происходит с поглощением большого количества тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока через слой загруженной шихты, расплава от электродов к поду печи, а также за счет тепла, выделяемого электрической дугой. Карбидные печи работают как дуговые печи сопротивления.

     На  современных мощных заводах в  качестве сырья используют известняк и углеродсодержащие материалы — кокс и антрацит. Известняк обжигают в шахтных пересыпных печах; топливом служат кокс и тощие угли, загружаемые в печь вместе с известняком. Существуют конструкции печей, где в зону горения возможна подача природного или печного газа.

     В верхней части печи отходящие  газы отдают тепло загруженной шихте, которая прогревается, а в нижней части известь охлаждается поддуваемым воздухом, который одновременно подогревается. Это повышает тепловой к.п.д. и обеспечивает нормальную работу загрузочных и выгрузных устройств. Основное условие, обеспечивающее устойчивую работу печи, — положение зоны воспламенения кокса в средней части печи. При опускании зоны горения температура выгружаемой извести повышается, а это может привести к разрушению транспортерной ленты, ухудшению теплового к. п. д. Подъем зоны горения вызывает повышение температуры отходящих газов, нарушение режима работы загружающих устройств, ухудшение теплового к. п.д. Кокс воспламеняется при достижении 600—650 °С и температура шихты за счет горения повышается до 900—1000 °С.

     В зоне горения кокса идет разложение известняка по реакции: СаС0₃ =СаО + С0₂. Давление С0₂ достигает 0,25 атм при 700 °С [2]. Фактически обжиг ведут при 900—1200 °С. Некоторый перегрев необходим для увеличения скорости разложения, лимитируемой теплоподводом в глубь кусков. Обычно для кусков известняка 200—250 мм и 1000 °С необходимое время пребывания в зоне обжига 2—3 ч. Повышение температуры в зоне обжига выше 1200 ^oС недопустимо, так как это может вызвать плавление зольных примесей и спекание шихты.

     Полученную  известь дробят на куски размером менее 50 мм; куски размером менее 5 мм (мелочь) отсевают. Присутствие мелких фракций недопустимо, так как они ухудшают газопроницаемость шихты, нарушают нормальный режим работы карбидной печи. Кроме того, с мелочью отсеиваются зольные примеси.

     Кокс  или антрацит перед подачей в  печь сушат. Подобная операция необходима для устранения влаги, которая может вызвать гашение извести и образование мелочи. Кроме того, удаление воды из печи и реакция восстановления: Н₂0 + С->Н₂ + СО требуют дополнительного расхода кокса и электроэнергии. Сушку проводят в бункерах хранения кокса, в сушильных барабанах; в качестве топлива применяют печной газ. Во избежание воспламенения кокса, продукты сгорания разбавляют воздухом для снижения их температуры до 200—300 °С.

     Принципиальная  схема производства карбида кальция выглядит следующим образом: 
 
 

     

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

     Рассмотрим  подробнее работу карбидной печи.

     Наблюдения  за работой электропечей показали, что в них могут быть выделены следующие основные зоны. Верхняя  зона 1 — зона твердофазных процессов. Здесь происходит нагрев шихты, термическая деструкция и твердофазные реакции. Последние, наряду с реакцией взаимодействия углерода с возгоняющимися из нижних зон парами кальция, приводят к появлению карбида кальция. Зона 2 — зона плавления. В этой зоне температура достаточна для плавления минеральной части шихты. Плавление может быть вызвано появлением эвтектических составов, содержащих 50 вес.% СаС₂ и плавящихся при 1850—1750 °С. В том случае, если реакции между углеродом и парами кальция или твердой СаО развиты незначительно, зона плавления может отсутствовать.

     Образовавшийся  расплав обладает достаточной подвижностью и стекает в нижние зоны печи. Этой подвижностью не обладает углеродсодержащий материал. Его плотность меньше плотности расплава и поэтому он всплывает, т.е. вытесняется в верхнюю зону расплава. В эту зону с шихтой непрерывно поступают новые порции углеродсодержащего материала. В результате образуется зона, богатая углеродом. Ее следует выделить в самостоятельную зону 3 — углеродистую. Именно в ней обеспечен достаточный контакт расплава с углеродом; в эту зону поступает активный компонент — СаО — либо в твердом виде (растворяясь в ней), либо поступая с «первичным» эвтектическим расплавом. Размеры третьей зоны определяют производительность печи и качество продукта. Зона 4 — зона чистого расплава может иметь значительные размеры при задержке слива либо перед сливом. При отсутствии материального обмена с предыдущей зоной химические реакции в четвертой зоне можно не учитывать.

     При рассмотрении электрических полей  определяющим является электропроводность среды в различных зонах. В зоне 1 электропроводность минимальна, поскольку контакт между проводящим углеродjсодержащим материалом нарушен кусками извести, а температура относительно невелика. В зоне 2 электропроводность несколько увеличивается, а в зоне 3 достигает максимального значения, так как в ней электропроводящий расплав обеспечивает контакт между кусками кокса.

     Таким образом, торцы электродов должны находиться в углеродистой зоне 3. Если они расположены выше уровня зоны, электрический контакт нарушится. Опускание их ниже уровня зоны приведет к падению электросопротивления и росту тока. Величина же последнего лимитируется мощностью трансформатора. Следовательно, положение и размер углеродистой зоны определяют положение электрода — важнейшего показателя работы печи. При параллельном соединении проводников максимальная мощность выделяется в том из них, сопротивление которого минимально. Поэтому углеродистая зона является и зоной выделения тепловой энергии.

     В том случае, если линия тока замыкается на подине, значительная часть энергии будет выделяться в зоне 4 чистого расплава. Это вызовет перегрев расплава и возникновение конвективных потоков, которые приведут к передаче тепла в верхнюю, т. е. углеродистую зону.

     Итак, углеродистая зона является определяющей с точки зрения электрических, тепловых и химических процессов. Поскольку она четко ограничена верхними и боковыми границами, ее можно рассматривать изолировано как химический реактор, в котором происходят химические и тепловые процессы.

     Были  исследованы пробы, взятые из различных мест ванны печи в период ее остановки. На расстоянии 650 мм от внутренней стенки печи химический состав образцов изменялся так, что содержание углерода возросло на глубине 1900— 2200 мм. Очевидно, на этой глубине начинает образовываться углеродистый слой. Соответственно, содержание СаО здесь уменьшается.

Содержание  MgO достигает максимума в верхних зонах - в них идет окисление магния, выносимого газом из расплава окисью углерода, и конденсация MgO на твердой шихте. В результате этого содержание MgO в твердой шихте возрастает почти в 10 раз по сравнению с исходной.

     Увеличенное содержание Si0₂ в образцах, отобранных на глубине 1200 мм, говорит также о возгонке кремния и конденсации его паров в верхних слоях шихты, подобно тому, как это свойственно парам магния. Исследования проводили на круглой печи с расположением электродов по треугольнику. Было обнаружено, что время схода шихты от уровня колошника до расплава составляет: 10 мин для фазы 20—25 мин для фазы 2 и 3,5 ч для фазы 1. Эти данные говорят как о неравномерности карбидообразования под каждым электродом в период исследования, так и о наличии изолированных реакционных пространств (фаз). Между этими пространствами, однако, возможен обмен, который иногда очень эффективен. На практике следует стараться соблюдать такой режим работы печи, чтобы реакционные зоны всех фаз сообщались между собой. Иногда для достижения этого приходится неравномерно корректировать состав шихты под разными электродами. На мощных печах реакционные зоны, как правило, объединены и слив карбида кальция осуществляется через одну летку. Замеры температуры по глубине ванны показывает ее равномерное возрастание от 200 до 1000 °С с температурным градиентом около 30 град.

     В процессе эксплуатации карбидной печи необходимо обеспечить максимальную мощность при оптимальном литраже и нормальном положении электрода. Последний определяется размерами углеродистой зоны. С некоторыми допущениями найдено, что вес кокса в этой зоне G(bt) связан с мощностью печи Р (в кВт*ч), с содержанием СаС₂ в карбиде (в вес. %) и с размером кусков кокса соотношением

G ={μPrγ/β (100— [СаС₂])} • 10⁶

где μ — безразмерный коэффициент;

γ — плотность углеродсодержащего материала;

β—константа скорости реакции;

q — удельный расход электроэнергии.