Разработать технологию получения карбида кальция в печах мощностью 100 МВА

Министерство образования  и науки РФ

ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»

Институт металлургии  и материаловедения

Кафедра металлургии  цветных металлов и химической технологии

 

 

 

 

Курсовая  работа

 

По дисциплине «Технология электротермических производств»

Разработать технологию получения карбида кальция  в печах мощностью 100 МВА.

 

 

 

 

Руководитель работы                                              Якушевич Н. Ф.

 

Исполнитель – студент  группы МХТ-08               Копылова М. В.

 

Отчет защищен с оценкой    __________________  «______» _________г

 

Члены комиссии   ____________________

 

                               _____________________

 

                               _____________________

 

 

 

 

 

Новокузнецк 2012

Содержание

     Введение…………………………………………………………………………...3

1. Общая часть………….………………………………………………………...6

          1.1 Применение карбида кальция  в промышленности………………………6

1.2 Физические и химические  свойства карбида кальция…………………..7

1.3 Приготовление шихты для производства  карбида кальция…………...11

1.4 Схема производства  карбида………………………………………….…13

2.  Расчет материального и теплового баланса плавки карбида кальция…….16

2.1 Материальный баланс плавки карбида кальция……………….…….....16

2.1.1 Расчет количества восстановителя…………..…………………....17

2.1.2 Расчет количества и состава продуктов плавки …………………21

2.1.3 Расчет количества и состава газовой фазы………………..……...22

2.2 Расчет теплового баланса плавки карбида кальция……………………24                                                               

2.2.1 Цель и методы расчета теплового баланса……………………….24

2.2.2 Расчет статей прихода тепла………………………………………25

2.2.3 Расчет расходов тепла……………………………………………...25

2.3 Расчет расхода электроэнергии………………………………………….29

3. Технология переработки мелочи извести и угля  в полых электродах ......30

4. Технология очистки печных газов………………………………………….32

Заключение............................................................................................................33

 Список использованной литературы....................................................................34

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Карбид кальция (CaC₂) представляет собой твердое кристаллическое вещество. Химически чистый карбид кальция бесцветен, цвет технического продукта, содержащего 20-25% примесей (в основном - негашеной извести), изменяется от светло-бурого до черного.

Температура плавления  карбида кальция равняется 2160°C, температура его кипения - 2300°C, плотность - 2,2 г/см³.

Вещество бурно реагирует  с водой, с разбавленными минеральными кислотами и водными растворами щелочей с выделением ацетилена и значительного количества тепла.

С водородом (Н₂) выше 2200°C карбид кальция образует ацетилен и СаН₂, с азотом (N₂) и аммиаком (NH₃) при нагревании - цианамид (CaCN₂). Окисляется на воздухе выше 700°C, взаимодействует с хлором (Cl₂) и хлористым водородом (HCl) выше 250°C.

Карбид кальция - сильный  восстановитель, восстанавливает при  нагревании почти все оксиды металлов до карбидов или свободных металлов.

По степени воздействия  на организм карбид кальция относится к веществам 1-го класса опасности.

Получают карбид кальция  преимущественно восстановлением  негашеной извести (СаО) углеродом (антрацитом, коксом) в специальных карбидных  электрических дуговых печах  при температуре 2000-2300°С по эндотермической  реакции.

Технический карбид кальция  широко применяют в технике, главным  образом для промышленного производства ацетилена и продуктов его  переработки, а также цианамида  кальция, из которого получают удобрения, цианистые соединения. Кроме того, его используют для восстановления металлов, снижения содержания кислорода (раскисления) и серы (десульфурации) стали, для получения карбидно-карбамидного регулятора роста растений, изготовления порошкового карбидного реагента, при проведении автогенных работ и для освещения (ацетиленовые горелки).

Схема производства и  потребления карбида кальция.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Общая часть

1.1 Применение карбида кальция в промышленности

             Карбид кальция применяется для  получения цианамида, из которого получают удобрения, цианистые соединения, меламин, изанидин. Используют для получения карбидно-карбамидного регулятора роста растений, изготовления реагента карбидного порошкового. Карбид кальция используется для получения ацетилена. На основе ацетилена производят синтез многих важных органических продуктов: синтетический каучук, винилхлорид, акрилонитрил, этилен, стирол.

    Важнейшим  соединением, получаемым из карбида  кальция, является цианамид кальция,  который образуется путем взаимодействия при температуре 1000°С газообразного азота с тонко - размолотым карбидом кальция. Цианамид кальция является азотным удобрением, широко применяемым в сельском хозяйстве. Кроме того, из цианамида кальция получается ряд новых химических соединений, главнейшим из которых является так называемый цианистый сплав (циансплав).

Другое направление, по которому используется карбид кальция, основано на его способности при  разложении водою выделять ацетилен. Последний в свою очередь имеет  большое применение в промышленности, во-первых, для получения ряда органических соединений, например искусственного каучука, и, во-вторых, в качестве горючего газа для получения высоких температур.

В первые годы развития карбидной  промышленности карбидом кальция пользовались исключительно для получения ацетилена, который применялся для целей освещения. Еще Деви в 1863 г. было известно свойство карбида кальция разлагаться водой с выделением ацетилена и способность последнего при сгорании на воздухе давать светящееся пламя. В целях улучшения смешивания ацетилена с воздухом для получения более яркого пламени последнему придают плоскую форму, для чего сжигание ацетилена производится в специальных горелках.

В дальнейшем ацетилен нашел  применение в ряде других областей, главнейшей из которых является автогенная сварка и резка металлов, основанная на способности ацетилена при сжигании в струе кислорода давать пламя, температура которого достигает 3000—3150°.

В последние годы, помимо использования ацетилена для  производства автогенных работ, он нашел другую чрезвычайно большую область применения, а именно, для получения из него ряда новых органических продуктов, которые в свою очередь находят широкое применение в различных областях современной промышленности. Можно указать на ряд синтетических продуктов, получаемых из ацетилена. Важнейшими из них являются химические соединения ацетилена с хлором. Эти соединения жидкости, превосходно растворяющие жиры, масла, смолу и другие органические соединения. Они хорошо растворяют также серу, фосфор и ряд неорганических солей. Поэтому они с успехом заменяют бензин и сероуглерод при экстракции жиров и имеют преимущество перед последними в том отношении, что являются негорючими, т. е. неогнеопасными продуктами.

Из ацетилена путем  присоединения к нему воды получается ацетальдегид, а из последнего синтетическая уксусная кислота, ацетон, искусственные смолы и этиловый или винный спирт. Особый интерес представляет возможность получения этим способом уксусной кислоты.

Одной из важнейших областей применения ацетилена является использование его в качестве сырья для получения синтетического каучука [1].

 

1.2 Физические  и химические свойства карбида  кальция

   Карбиды – соединения углерода с металлами, а также с бором и кремнием. Эти соединения обладают удивительным разнообразием физических и химических свойств. Так, карбид золота Au2C₂ взрывается уже при попытке пересыпать его с листочка фильтровальной бумаги, на котором он был высушен. С другой стороны, карбиды некоторых элементов (например, бора и тантала) не разлагаются даже при температуре белого каления и настолько химически инертны, что на них не действует царская водка, а по твердости они приближаются к алмазу!

 Карбид кальция,  или, как его обычно называют, «карбид» представляет собой  продукт, сплавления извести с углеродом. Впервые карбид кальция был получен в 1863г. ученым Деви. В 1892г. карбид кальция был получен другим ученым Муассаном в электропечи при температуре около 3000°. Это открытие легло в основу современного способа промышленного получения карбида кальция путем плавления извести с антрацитом или коксом в электропечах.

  В химически чистом  виде карбид кальция представляет  бесцветные, прозрачные кристаллы  удельного веса 2,22 при 18°, не  растворимые во всех известных  растворителях. Рядовой технический продукт имеет кристаллический излом серого цвета, переходящий при более высоком содержании карбида кальция в фиолетовый. Высокопроцентный технический карбид кальция имеет окраску от желто-коричневого до голубовато-черного.

  Карбид кальция,  только что полученный из печи, имеет серый, коричнево-желтый или черный цвет в зависимости от степени его чистоты. Свежий излом карбида кальция имеет блестящую поверхность, которая на воздухе теряет свой блеск вследствие поглощения влаги, причем происходит выделение ацетилена и выветривание поверхности, принимающей при этом серовато-белый цвет [1].

  Удельная масса  технического карбида кальция  находится в зависимости от  содержания в нем чистого карбида  кальция. Эта зависимость видна  из диаграммы представленной на рисунке 1 [1]. По горизонтальной оси диаграммы отложено процентное содержание карбида кальция в техническом продукте и соответствующее количество ацетилена, которое может быть из него получено, а по вертикальной оси — его удельный вес. Как видно из диаграммы, удельный вес технического карбида кальция увеличивается в пределах от 2,0 до 2,8 по мере уменьшения содержания в нем чистого карбида кальция.

  Температура плавления  карбида кальция также изменяется  в зависимости от его состава,  как это показывает диаграмма (рисунок 2 [1]). По горизонтальной оси диаграммы отложены цифры содержания в карбиде кальция извести (окиси кальция), а по вертикальной — температуры его плавления. Из диаграммы видно, что температура плавления понижается с увеличением содержания окиси кальция до известного предела. Наиболее низкую температуру плавления, а именно 1630°, имеет смесь, состоящая и» 70% карбида кальция и около 30% окиси кальция. При дальнейшем увеличении содержания окиси кальция температура плавления опять поднимается. Чистый карбид кальция СаС имеет температуру плавления 2300°. Температура (расплавленного карбида кальция при выпуске из печи равна 1900—2000°.

Из химических свойств  карбида кальция отмечаются следующие. Сухой водород не реагирует с  карбидом кальция ни на холоде, ни при высокой температуре. В сухом кислороде при высокой температуре карбид кальция сгорает с оАзот реагирует с карбидом кальция при температуре 1000°, образуя цианамид кальция. На этой реакции и основано производство цианамида кальция из карбида кальция.

Хлор действует на карбид кальция лишь при нагревании. Пары серы при температуре 500° дают с карбидом кальция соединения, так  же как фосфор и мышьяк.

Рисунок 1 – Зависимость  удельного веса карбида кальция  от его чистоты

 

Наиболее важным для  промышленности химическим свойством карбида кальция является его способность разлагаться водой с выделением ацетилена. Это разложение происходит также при недостаточном количестве воды, например под действием влаги атмосферного воздуха. Поэтому нельзя хранить карбид открытым, а необходимо хранить его в герметически закрытой таре.

Технический карбид кальция, получаемый в электропечи, не является чистым карбидом СаС₃, а содержит ряд примесей, попадающих в него из сырых материалов, которыми пользуются для производства.

Состав технического карбида кальция [1]:

Карбид кальция СаС₂ 85,5%

Известь или окись  кальция СаО 8,3%

Окись магния МgO 0,4%

Окись железа и алюминия Fе₂O₃+Al₂O₃ 0,2%

Кремнекислота SiO₂ 3,2%

Сера S 0,3%

Углерод С 2,2%

Итого 100,1%

   Качество карбида  кальция определяется количеством ацетилена, которое может быть получено при разложении водой 1кг продукта. Количество выделяемого ацетилена при разложении одного и того же количества карбида кальция зависит от процентного содержания в нем чистого карбида кальция. Теоретически при разложении 1кг химически чистого карбида кальция водой должно получиться 406,25г ацетилена, что при 0° и 760мм ртутного столба соответствует объему в 348,7л. Число литров ацетилена, выделяемое 1кг карбида кальция, определяющее качество последнего, называется литражом.

Рисунок 2 – Зависимость  температуры плавления кальция  от содержания извести СаО

Существующим у нас  стандартом предусматривается для  карбида кальция литраж при 20°С и 760мм ртутного столба для сорта «А» (СаС₂ = 78-86%) от 250 до 300 и для сорта «Б» (СаС₂ = 70-76%) от 230 до 280.

 

1.3 Приготовление шихты для производства карбида кальция

Для приготовления смеси  или шихты сырых материалов последние  сперва дробятся до определенной величины кусков, отвешиваются в определенных количествах и смешиваются. Величина кусков, на которые дробятся материалы, зависит от их качества и физических свойств. Практикой установлено, что лучшее сплавление шихты в электропечи получается тогда, когда известь берется в кусках величиной 50—100 мм, а антрацит 25—50 мм. Величина кусков антрацита зависит от того, насколько он легко реагирует в электропечи с известью. При работе с антрацитом, обладающим хорошей реакционной способностью, для приготовления шихты могут быть взяты куски большого размера и, наоборот, если антрацит плохо сплавляется с известью, то он берется в кусках небольшой величины, так как в противном случае он не успеет прореагировать с известью и выходит из печи вместе с расплавленным карбидом.