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

     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.

     Таким образом, при заданных [СаС₂] и r определенной мощности будет отвечать и определенное значение G, а, следовательно, и положение электрода. Если в заданных условиях электрод расположен слишком высоко, то следует либо изменить электрические параметры (увеличить ток, снизить напряжение), либо снизить литраж, либо уменьшить размер кусков кокса. Если ни одно из этих мероприятий не достаточно, следует снижать мощность печи.

     На  практике обычно при высоком положении  электрода на колошник подают корректирующую известь. При достижении реакционной зоны эта известь снизит [СаС₂], что приведет к уменьшению G и снижению положения электродов.

     На  некоторых заводах постоянно  подают корректирующую известь, количество которой изменяют в зависимости от положения электродов. Шихта при этом содержит избыток кокса. Такая система усложняет работу шихтовщика и может быть оправдана только при очень неоднородном сырье.

При рассмотрении механизма карбидообразования было установлено, что необходимое условие появления карбида — наличие расплава. Поэтому сливать карбид кальция полностью не следует. Диаграмма плавкости системы СаО—СаС₃ показывает, что минимум температуры плавления соответствует —50 вес. % СаС₂. В то же время высокое значение [СаС₂] в расплаве термодинамически возможно при относительно невысоких температурах. Если образовавшийся высокопроцентный расплав не обладает достаточной текучестью, так как печь «холодная», то необходима корректировка известью с целью снижения [СаС₂] в расплаве и его «разжижения».

     Корректировка известью необходима также в том  случае, если печь зауглерожена, т. е. положение электродов высокое, а литраж низкий. Подобная ситуация объясняется тем, что реакционная область слишком велика и объемная мощность в ней недостаточна для создания необходимой температуры. В результате реакция идет медленно (величина р.— мала), литраж низкий, а карбида кальция образуется мало. Корректировка извести в этом случае приведет к снижению положения электродов, температура поднимется, а литраж и количество карбида кальция — увеличатся. В том случае, если литраж карбида низкий, но сходит он хорошо, для улучшения его качества следует увеличить дозировку кокса.

     Слив  образовавшегося карбида кальция  следует проводить регулярно в соответствии с установленным графиком. Время между сливами зависит от потребляемой мощности, поскольку должно накопиться достаточное количество карбида кальция. Задержки в сливе приводят к повышению уровня расплава и подъему углеродистой зоны. При этом энергия, выделяющаяся в расплаве, не расходуется на целевую реакцию, так как в нем нет необходимого для реакции углерода, в результате чего расплав перегревается и происходит разложение карбида по следующим механизмам:

СаС₂+2СаО=ЗСа(г.) + 2СО;    СаС₂= Са + 2С

     Образовавшиеся  газообразные продукты влекут за собой  вскипание расплава и выброс его из печи. Последнее приводит к прожиганию деталей электродержателя, газовых воронок и создает условия аварийной остановки печи.

     В современных карбидных печах  карбид кальция сливают в охлаждаемый водой вращающийся барабан, в котором происходит кристаллизация и дробление продукта. Ввиду высокой реакционной способности карбида кальция при 2000—2200 °С происходит его окисление:

СаС₂+21/₂

     В диапазоне 1200—1000°С возможна реакция  СаС₂ с азотом. В результате указанных взаимодействий содержание СаС₂ снижается. По практическим данным замечено, что при сливе карбида кальция с литражом 280—300 л/кг снижение последнего достигает 30 л/кг, а для 250—260 л/кг — 5—10 л/кг. Таким образом, установка грануляционных барабанов делает экономически нерациональным выработку высоколитражного карбида кальция. Другой недостаток барабанного метода охлаждения — высокий выход мелочи, который достигает 30—50%.

     При сливе в изложницы карбид застывает  в виде блоков весом 600—1000 кг. Их извлекают  из изложниц при 800—600 °С, но на воздухе  также возможно окисление СаС₂ в поверхностных зонах. После охлаждения карбидные блоки дробят до требуемого размера. Потери литража при таком способе охлаждения составляют 2—3 л/кг.

     Предложена  совмещенная схема охлаждения и  дробления карбида кальция. Слив ведут в цепь изложниц, в которых  расплав охлаждается и кристаллизуется при 1200—1000 °С. Затем блоки выгружают в барабан, в котором их охлаждают. Подобная схема позволяет избежать потерь литража, так как в барабане при температуре ниже 1000—120Q °С реакции разложения СаС₂ развиты незначительно.

     Печной  газ содержит: СО, С0₂, N₂, Н₂, С₂Н₂, СН₄, соединения серы, пыль. Последняя — результат возгонки из горячих зон СаО, MgO и других соединений. В печах малой мощности реакционные газы сгорают на колошнике; в печах же большой мощности количество образующихся газов настолько велико, что их сгорание на колошнике делает невозможным обслуживание печи. Поэтому газы отсасывают газовыми воронками, установленными между электродами. В закрытых печах реакционный газ отбирается полностью. Количество отбираемого газа зависит от мощности печи. Если отбор газа слишком велик, неизбежен подсос воздуха в печь и выгорание кокса из шихты. При недостаточном отборе газа осложняется обслуживание колошника.

     Электроды предназначены для подвода электротока в реакционную зону печи; изготовляют их обычно из углерода. На карбидных печах устанавливают, как правило, непрерывные самообжигающиеся электроды. Такой электрод состоит из сварного стального кожуха толщиной 1,2—2 мм, который заполнен электродной массой. Масса в верхней части электрода размягчается и равномерно распространяется по всему объему кожуха, а затем, достигая нижних зон, разогревается и начинает коксоваться. По выходе из зоны контактных плит масса должна быть скоксованной, так как только в этом случае она имеет достаточную прочность и электропроводность. Летучие, образующиеся при коксовании, через пористую скоксованную часть поступают в печь и покидают ее с реакционными газами.

     Скорость  расхода электрода должна соответствовать  скорости обжига массы, иначе граница  скоксованной части либо снизится ниже уровня плит, либо повысится выше его. В первом случае возможен обрыв электрода, поскольку прочность его будет недостаточна, а кожух, особенно в условиях высоких температур, не выдержит тяжести нижней части электрода. Во втором случае контактные плиты при перепуске придется прижимать к скоксованной, неде-формируемой массе, а это не создает условий для хорошего электрического контакта. Кроме того, в точках контакта будут образовываться дуги, прожигающие плиты. Нормальным считается такое положение, когда граница коксования расположена выше нижнего среза плиты на ¹/₃, а ²/₃ плиты прижато к сырой массе.

     Положение зоны коксования регулируется правильным режимом перепуска, температурным режимом электрода и составом массы. Режим перепуска устанавливается для каждой печи. Предпочтительны частые перепуски на небольшие расстояния. Температура электродной массы выше контактных плит имеет большое значение. Для ее регулировки в промежуток между электродом и мантелем подают воздух.

     2. Экономическое обоснование оптимальной схемы 

     Как уже было сказано, карбид кальция  применяют для получения ацетилена, цианамида кальция (сырье для производства удобрений, цианистых соединений), карбидно-карбамидного регулятора роста растений; в производстве ацетиленовой сажи и продуктов органического синтеза (синтетического каучука, винилхлорида, акрилонитрила, этилена, хлорпроизводных ацетилена, ацетона, стирола, уксусной кислоты, искусственных смол); восстановления щелочных металлов; при проведении газовой сварки ацетиленом. Поэтому основными потребителями карбида кальция являются предприятия, занимающиеся производством вышеназванных продуктов.

     Важнейшими  затратными статьями являются потребление  материалов и электроэнергии Сырье карбидной промышленности обычно содержит примеси — окислы кремния, магния, железа, алюминия, серу, фосфор. Эти примеси в карбидной печи либо образуют соединения, загрязняющие карбид (сульфиды и фосфиды кальция) и усложняющие технологический процесс (ферросилиций), либо вызывают дополнительные затраты кокса и электроэнергии (CaC0₃, MgO. Si0₂). По этим причинам содержание примесей в сырье строго регламентировано.

     При получении извести известняк  никогда не обжигается до конца и  некоторое количество его остается. Разложение карбоната кальция в карбидной печи требует дополнительного расхода электроэнергии и кокса. Поэтому содержание карбонатов в извести не должно превышать 1 вес. % (в пересчете на С0₂). Присутствие кремнезема приводит к образованию ферросилиция. Восстановление его в печи и удаление из нее сопряжено с определенными трудностями и требует дополнительного расхода кокса и электроэнергии. Кроме того, Si0₂, связывая СаО (с образованием Ca₂Si0₃), уменьшает долю СаО, взаимодействующей с углеродом, а это приводит к снижению выхода СаС₂. Поэтому содержание Si0₂ в извести ограничивают 1 вес. %.

     Окись железа восстанавливается до железа, которое впоследствии образует ферросилиций. Окись алюминия связывает СаО в алюминаты и тем самым разбавляет карбид шлаками. Кроме того, содержание алюминатов кальция увеличивает вязкость карбида, затрудняя операцию слива. Предельное содержание суммы А1₂0₃ + Fe₂0₃ в извести — 1 вес. %.

     Окись магния восстанавливается до парообразного  магния, вызывая дополнительный расход кокса и электроэнергии. Содержание MgO в извести не должно превышать 1 вес. %.

     Указанные требования по содержанию С0₂, Si0₂, А₂0₃ + Fe₂0₃, MgO определяются технико-экономическими показателями процесса. Невыполнение этих требований приводит к ухудшению показателей производства и может быть оправдано только в том случае, если стоимость сырья соответственно снижается.

     При оценке качества углеродистых материалов регламентируют содержание в них золы, летучих, серы и фосфора. Допустимое содержание золы (в коксе — 10, в антраците — 8 вес. %) связано с вредным действием зольных компонентов (Si0₂, Fe₂0₃, MgO, А1₂0₃). Количества летучих в коксе не должны превышать 0,5, а в антраците — 8%.  

     3. Расчёт материального баланса и динамики трудозатрат 

3.1 Расчёт  материального баланса и определение коэффициента расхода сырья. 
 

     Исходные  данные:

     СаО+3С = СаС₂ + СО

m (СаС₂) = 1т

M (СаО) = 0,8

w (СаО) = 3%

M (С) = 0,9

w (С) = 5%

Пооперационные  потери 15%. 

1. Найдём  массу СаО:

m= 56\64=0,875 

0,875\0,8=1,0938

1,0938-0,875=0,2188 (примеси) 

1,0938\0,97=1,1276

1,1276-1,0938=0,0338 (влага) 

1,1276\0,85=1,3266

ПП=1,3266-1,1276=0,199 

2. Найдем  массу С:

m=36\64= 0,5625 

0,5625\0,9= 0,625

0,625-0,5625= 0,0625 (примеси) 

0,625\0,95= 0,6579

0,6579-0,625= 0,0329 (влага) 

0,3579\0,85= 0,774

ПП= 0,774-0,6579= 0,1161 

3. Найдём массу СО:

m= (28*0,875)\56= 0,4375 
 
 

Материальный  баланс производства карбида кальция