ВСТУП
У США щорічно виробляється близько 680 тис. т ізольованих проводів різних типів. Вважається, що 4% виробленої дроту є некондиційної внаслідок порушення ізоляції. Однак сам по собі дріт є якісним матеріалом і може бути використаний за умови видалення покриття без пошкодження алюмінієвого провідника.
Ця курсова робота присвячена способам утилізації відходів алюмінію, що утворюються в різних виробничих процесах.
Глава 1 ПРОЦЕС одержання ацетилену Термоокислительная ПІРОЛІЗ
Ацетилен З 2 Н 2 володіє більш високою реакційною здатністю, ніж олефіни. Він є одним з найважливіших вихідних сполук для синтезу великої кількості різноманітних органічних продуктів.
Ацетилен - безбарвний газ, що володіє в чистому вигляді слабким ефірним запахом; конденсується при -83,8 ° С (0,102 МПа); критична температура +35,5 ° С; критичний тиск 6,04 МПа. Він має дуже широкі межі вибуховості в суміші з повітрям [2,0-81% (об.) С 2 Н 2] і з киснем [2,8-78% (об.) С 2 Н 2]. Вибухонебезпечність ацетилену посилюється через високу екзотермічність його розкладання на прості речовини:
З 2 Н 2 → 2С + Н 2 = 226,7 кДж / моль.
Це розкладання йде у відсутність кисню при наявності відповідних ініціаторів (іскра, перегрів через тертя). При тиску до 0,2 МПа розкладання має місцевий характер і не є небезпечним. При більш високому тиску розкладання набуває характеру вибуху з детонаційної хвилею, що поширюється зі швидкістю понад 1000 м / с. Однак вибухонебезпечність ацетилену знижується при його розведенні інертними газами або парами, які акумулюють тепло первинного розкладання ацетилену і перешкоджають його вибухового розпаду. При цьому максимальне безпечне тиск суміші залежить від концентрації ацетилену (рис. 1). Вибухонебезпечність ацетилену сильно зростає в присутності металів, здатних до утворення ацетіленідов (наприклад, С u 2 С 2), що треба мати на увазі при виборі конструкційних матеріалів.
Для запобігання від вибухів найчастіше обмежують тиск при виробництві ацетилену і різних синтезах безпечними межами -0,2 МПа.) При необхідності роботи під тиском розбавляють ацетилен азотом, а іноді парами реагентів. При стисненні ацетилену застосовують спеціальні ацетиленові компресори, які мають низьку швидкість переміщення рухомих частин, малу ступінь стиснення і температуру газу після кожного ступеня компресора не більше 100 ° С. При розрахунку апаратури і трубопроводів приймають підвищений запас міцності. Крім того, застосовують спеціальні запобіжні пристрої, що розміщуються в різних точках технологічної схеми. З них сухі затвори (у вигляді кулькового клапана) оберігають тільки від розповсюдження полум'я. Мокрі вогнеперепинювачів і гідравлічні затвори захищають попередню апаратуру від поширення вибуху. Вогнеперепинювачів являє собою вежу з насадкою, зрошувану водою, а гідравлічним затвором служить апарат, в якому ацетилен барботируют через шар води. У всіх випадках при перевищенні встановленого тиску скидають гази в атмосферу через гідравлічні затвори або запобіжні мембрани.
Іншим технічно важливою властивістю ацетилену є його розчинність, значно вища, ніж у інших вуглеводневих газів. Так, в 1 обсязі води при 20 ° С розчиняється близько 1 обсягу ацетилену, а при 60 ° С розчиняється 0,37 обсягу. Розчинність знижується у водних розчинах солей і Са (ОН) 2. значно вище розчинність ацетилену в органічних рідинах; при 20 ° С і атмосферному тиску вона становить (в обсягах ацетилену на 1 об'єм розчинника): у метанолі 11,2, в ацетоні 23, в диметилформаміді 32, N-метілпірролідоне 37. Розчинність ацетилену має важливе значення при його отриманні та виділення із сумішей з іншими газами, а також в ацетиленових балонах, де для підвищення їх ємності по ацетилену і зниження тиску використовують розчинник (ацетон).
Рис 1 Залежність максимально допустимого безпечного тиску від концентрації ацетилену в суміші з азотом
1.1 ПІРОЛІЗ МЕТАНУ для отримання ацетилену
Карбід кальцію отримують з оксиду кальцію і коксу в електродугових печах. Реакція сильно ендотермічна і вимагає великих витрат електроенергії, що становить суттєвий елемент у собівартості виробленого ацетилену.
Початковою сировиною для отримання ацетилену можуть служити газоподібні парафінові вуглеводні (метан, етан, пропан, бутан) і рідкі нафтові фракції, наприклад прямогонний бензин.
Вибір вуглеводневої сировини залежить від багатьох факторів, у сукупності визначають економічність процесу в цілому, від наявності ресурсів сировини, витрат енергії, виходу ацетилену і його концентрації в продуктах реакції, від кількості та вартості побічних продуктів та можливості їх рентабельного використання.
Значний інтерес як джерело сировини представляють дешеві нафтові залишки. Встановлено, що при піролізі важких вуглеводнів можна отримувати з високим виходом ацетилен, концентрація якого в продуктах реакції досягає 31 - 33%; крім ацетилену, в них міститься 54 - 58% водню і 10 - 12% олефінів, головним чином етилену. При переробці ж газоподібних вуглеводнів зміст ацетилену в продуктах реакції становить від 7 до 16%.
Проте промислова технологія переробки гудрону та інших нафтових залишків ще повністю не розроблена, через що цю сировину поки не використовується.
Енергетично найменш вигідним сировиною для отримання ацетилену є метан. Для його піролізу потрібно затратити більшу кількість тепла (91 ккал / моль), у той час як для піролізу етану і пропану потрібно відповідно 78 і 61,9 ккал / моль. Піроліз метану проводиться при більш високих температурах, ніж його гомологів. Однак метан використовується для отримання ацетилену на багатьох установках. Пояснюється це тим, що метан - найбільш доступний і дешевий з вуглеводнів; він є основним компонентом природного газу, і останній може застосовуватися для виробництва без поділу.
1.2 МЕТОДИ виробництва ацетилену
Існують два методи виробництва ацетилену: більш ніж старий - з карбіду кальцію і новий з вуглеводнів.
При розкладанні утворився карбіду кальцію водою по екзотермічної реакції виходить ацетилен:
З 1 кг технічного карбіду кальцію, що містить домішки коксу, оксиду кальцію та інших речовин, виходить 230-280 л ацетилену (ця величина називається літражом карбіду). Теоретично з 1 кг чистого Сас 2 повинно утворитися 380 л З 2 Н 2.
При розкладанні карбіду кальцію слід дотримуватися деяких умов для нормального перебігу процесу. Реакція є гетерогенною, і її швидкість залежить від розміру шматків карбіду, особливо сильно зростаючи при використанні карбідної дрібниці і пилу. Реакційну масу необхідно перемішувати бо інакше на шматках карбіду може утворитися шар вапна, що перешкоджає повного розкладання карбіду і приводить до місцевих перегрівів. З реакційної зони потрібно постійно відводити тепло, щоб оберегти ацетилен від можливої полімеризації і розкладання.
За способом підведення тепла для проведення високоендотермічной реакції піролізу вуглеводнів в ацетилен розрізняють чотири методи.
1). Регенеративний піроліз в печах з вогнетривкої насадкою; її спершу розігрівають топковим газами, а потім через розжарену насадку пропускають піролізуемое сировину. Ці періоди чергуються.
2). Електрокрекінг за допомогою вольтової дуги, коли вуглеводневу сировину піддають піролізу в електродугових печах при напрузі між електродами 1000 В. Витрати електроенергії доходять до 13 000 кВт-год на 1 т ацетилену, що складає головний недолік методу.
3). Гомогенний піроліз, коли сировину вводять в потік гарячого топкового газу, отриманого спалюванням метану в кисні і має температуру 2000 ° С. Цей метод можна комбінувати з іншими процесами піролізу, якщо в гарячі гази першого ступеня піролізу вводити пари рідких вуглеводнів, для розщеплення яких в ацетилен потрібна нижча температура. Можливо і спільне одержання ацетилену та етилену.
4). Окисний піроліз, при якому екзотермічна реакція горіння вуглеводнів і ендотермічний процес піролізу поєднані в одному апараті.
Всі ці способи піролізу вуглеводнів на ацетилен застосовують в промисловості, але найбільш економічним з них є окислювальний піроліз.
4. Фізико-хімічні основи процесу отримання ацетилену методом термоокісленного піролізу метану.
З метану та інших парафінів ацетилен отримують шляхом високотемпературного піролізу за наступними оборотним реакцій:
Ці реакції ендотермічну, і їх рівновагу зміщується вправо тільки при 1000-1300 ° С. Однак при практичному здійсненні процесу з метою його прискорення потрібна вища температура: 1500-1600 ° С для метану і 1200 ° С для рідких вуглеводнів.
Подібно піролізу на олефіни, реакції утворення ацетилену мають радикально-ланцюговий механізм, причому ланцюг перетворень метану і етану можна представити приблизно так:
В отриманому газі крім нижчих парафінів і олефінів міститься невелика кількість бензолу і ацетиленових вуглеводнів - Метилацетилен СН 3-С СН, а також вінілацетилену СН 2 = СН-С
СН, діацетілена СН
З-C
CH і ін
Отримання ацетилену даним методом ускладнюється побічною реакцією його розкладання на вуглець і водень. Вона стає помітною при 1000 ° С і досягає значної швидкості при 1200-1600 ° С, тобто при температурі, необхідної для отримання ацетилену. В результаті спостерігається система послідовних реакцій, при якій утворюється ацетилен розкладається на водень і вуглець (сажу):
Як і в інших подібних випадках, регулювання виходу проміжного продукту може бути досягнуто зменшенням ступеня конверсії вихідного вуглеводню в результаті зниження часу контакту. Знайдено, що гарний вихід ацетилену при невеликому освіту сажі можна отримати при ступені конверсії вихідного вуглеводню 50% і часу його перебування в зоні реакції 0,01 с. Щоб уникнути подальшого розкладання ацетилену необхідна швидка «гарт» реакційних газів (впорскування води), при цьому температура різко знижується до такої величини, при якій розпаду ацетилену не відбувається.
При нестачі кисню і високої температури згоряння метану відбувається в основному за реакцією:
СН 4 + О 2 → СО + Н 2 + Н 2 О, = 272,2 кДж / моль.
Вона протікає дуже швидко, і освіта ацетилену (як більш повільний процес) починається лише в зоні, практично позбавленою кисню. Там же відбувається конверсія оксиду вуглецю
СО + Н 2 О ↔ СО2 + Н 2,
Причому співвідношення водню, оксидів вуглецю і водяної пари виявляється близьким до цієї рівноваги водяного газу. У практичних умовах близько 1 / 3 кисню витрачається на освіту води, 10-15% на СО 2 і 50-55% на СО.
Оскільки процес протікає в автотерміческом режимі, для підтримки температури 1500 ° С, необхідної для розкладання метану, співвідношення початкових обсягів СН 4 і О 2 повинна становити 100: (60
65), що знаходиться поза межами вибуховості цих сумішей. Небезпечні концентрації можуть виникнути лише під час змішування, проведеного при досить високій швидкості і турбулентності потоку газів. Саме горіння метану характеризується деяким періодом індукції, тривалість якого залежить від температури і тиску. Для метано-кисневих сумішей зазначеного вище складу при атмосферному тиску і 600 ° С період індукції становить
2с, що обмежує час від змішування попередньо підігрітих газів до їх попадання в пальники, де відбувається самозаймання суміші. Швидкість течії газу в соплі пальника (
100 м / с) повинна бути вище швидкості поширення полум'я, щоб виникло полум'я не поширювалося у зворотному напрямку. У той же час при стабільному режимі горіння швидкість газу не повинна бути вище швидкості гасіння полум'я, щоб воно не відривалося від пальника. При турбулентному потоці сталого горіння сприяють підведення додаткової кількості кисню в зону горіння (так званий стабілізуючий кисень), а також многосопловая пристрою з безліччю смолоскипів горіння, стабилизующие один одного.
Технологічна схема одержання ацетилену окислювальним піролізом метану зображена на рис. 1. Кисень і метан підігрівають до 600-700 ° С в трубчастих печах 1 і 2, мають топки для спалювання природного газу. У реактора 3 протікають вишерассмотренние процеси, причому гази виходять з нього після «гарту» водою при 80 ° С і проходять для уловлювання сажі порожнистий водяний скрубер 4 і мокропленочний електрофільтр 5. Гази охолоджують водою в холодильник 6 безпосереднього змішування, після чого їх промивають у форабсорбере 7 невеликих кількістю диметилформамід або N-метілпірролідона і направляють в газгольдер 8. Вода, що стікає з гідравлічного затвора реактора і з сажеулавлівающіх апаратів, містить 2-3% сажі, а також малолетучие ароматичні з'єднання. Вона надходить у відстійник 9, с верху якого сажу і смоли збирають скребками і направляють на спалювання. Воду з відстійника повертають в реактор як «гартівний агент», а її надлишок йде на очищення, чим створюється замкнута система водооборота без скидання токсичних стічних вод.
Газ з газгольдера 8 стискається компресором 10 до тиску 1 МПа, проходячи після кожного ступеня холодильники і сепаратори, не показані на схемі. В абсорбері 11 він промивається диметилформамід або N-метілпірролідоном, а непоглотівшійся газ (Н 2, СН 4, СО, СО 2) проходить скрубер 12, де при зрошенні водним конденсатом вловлюється віднесений їм розчинник. Після цього газ можна використовувати як синтез-газу або палива.
Розчин в кубі абсорбера 11 містить ацетилен і його гомологи, а також значна кількість близького до них по розчинності діоксиду вуглецю з домішкою інших газів. Він проходить дросельний вентиль 13 і надходить в десорбер 14 першого ступеня. За рахунок зниження тиску до 0,15 МЦА і нагрівання куба до 40 ° С з розчину десорбируются ацетилен і менш розчинні гази. Ацетилен при своєму русі вгору витісняє з розчину діоксид вуглецю, який разом з іншими газами та частиною ацетилену виходить з верху десорбера, попередньо відмиваючи від розчинника водним конденсатом. Ці гази повертають на компримування. Концентрований ацетилен виводять із середньої частини десорбера 14, промивають в скрубері 15 водою і через вогнеперепинювачів 16 висновків з установки.
Кубову рідина десорбера 14, що містить деяку кількість ацетилену і його гомологів, направляють в десорбер 18 другого ступеня, підігріваючи попередньо в теплообміннику 17. За рахунок нагрівання куба до 100 ° С з розчину отгоняются всі гази, причому із середньої частини колони йдуть гомологи ацетилену, що направляються потім на спалювання, а з верху - ацетилен з домішкою його гомологів, що повертається в десорбер першого ступеня. У розчиннику поступово накопичуються вода і полімери, від яких його звільняють на установці регенерації, не зображеної на схемі. Отриманий на установці концентрований ацетилен містить 99,0-99,5% основної речовини з домішкою Метилацетилен, пропадієну і діоксиду вуглецю (по 0,1-0,3%).
Рис. 1. Технологічна схема отримання ацетилену окислювальним піролізом метану
1, 2 - трубчасті печі; 3-реактор, 4 - скрубер-сажеуловітель, 5 - електрофільтр; 6 - холодильник; 7 - форабсорбер; 8 - газгольдер; 9 - відстійник; 10 - компресори; 11 - абсорбер; 12, 15 - скрубери ; 13 - дросельний вентиль, 14, 18 - десорбера; 16-вогнеперепинювачів; 17 - теплообмінник; 19 - кип'ятильники;
ГЛАВА 2 ОТРИМАННЯ АЛЮМІНІЮ З ВІДХОДІВ ПЕРЕРОБКИ РОЗЧИНІВ Ацетилен
2.1 АЛЮМІНІЙ З РОЗЧИНІВ МОКРОЮ ОЧИЩЕННЯ Ацетилен
Біметалічні сольові комплекси, як відомо, використовуються для виділення з газових сумішей таких комплексоутворюючих лігандів як олефіни, ацетилену, ароматичні сполуки та оксид вуглецю. Утворений розчин комплексу мідь-алюміній-тетрагалогенід-толуол повертається в цикл і знову використовується для відділення комплексоутворюючих лігандів з подається потоку. Ацетилен витісняється з цього комплексу толуолом, і мідно-алюмінієвий тетрахлорідний комплекс з толуолом повертається в технологічний цикл.
У процесі описаного типу, в яких рідкий сорбент, що містить біметалічний сольовий комплекс, повертається в цикл без очищення і використовується протягом тривалого часу, має місце постійне збільшення кількостей побічних продуктів реакції та інших домішок до тих пір поки присутні домішки не починають впливати на ефективність операцій. Наприклад, коли рідкий сорбент контактує з газовим потоком, який містить олефін з кількістю атомів вуглецю від 2 до 4, деяка кількість олефина взаємодіє з ароматичним вуглеводнем або галогенованих ароматичним вуглеводнем в сорбенті з утворенням алкілірованних ароматичних сполук, а також відбувається часткова полімеризація з утворенням олігомерів.
Незначні кількості води, присутні в газовому потоці, реагують з біметалічним сольовим комплексом з утворенням комплексу, який має обмежену розчинність в рідкому сорбенті. Коли сорбент містить домішки цього комплексу в кількостях, достатніх для утворення покриттів в теплообмінниках, засмічення ліній, і інший псування обладнання, його необхідно очищати, наприклад, шляхом охолодження. Подрібнені залишки алюмінію і стеклофільтров доставляються в бункер 19 і проходять через розширюється жолоб 20 в вигляді розсіюються пластинок, що забезпечує їх більш рівномірний розподіл на великій площі. Ці частинки падають між обертовими барабанами 21 і 22, мають досить тверді поверхні.
Истирающим барабани виготовляють із загартованої сталі. Вони забезпечують фрикційне стирання часток і роздроблення алюмінію, що покриває поверхню скловолокна фільтрів. Барабани наводяться в рух електромотором 23 зі швидкістю обертання близько 200 об / хв.
Після барабанів 21 і 22 виходить суміш шматків алюмінію і подрібненого скловолокна. Для досягнення 100%-ного поділу алюмінію і волокон фільтрів додатково проводять ударне поділ різнорідних частинок. Для цього використовується лопастной барабан 24 з лопатками 25, відкидають частки на пластину 26. Частинки алюмінію і скловолокна, відокремлені один від одного, збирають в бункері 28 і далі подають вібраційним дозуючим транспортером 27 на стадію поділу, де розділення компонентів відбувається з використанням вібростоли 29 і продувки повітрям. В результаті досягається повне відділення алюмінію, який по жолобу 30 Висновки до приймальника 31, від залишків фільтрів, які виносяться повітрям по трубопроводах 32 і 33. У тому випадку, якщо не досягнуто повного розділення можна проводити додатковий поділ на вібраційному столі з використанням проміжних жолобів 34 і 35.
2.2 АЛЮМІНІЙ З ВІДХОДІВ електропровідних матеріалів
У США щорічно виробляється близько 680 тис. т ізольованих проводів різних типів. Вважається, що 4% виробленої дроту є некондиційної внаслідок порушення ізоляції. Однак сам по собі дріт є якісним матеріалом і може бути використаний за умови видалення покриття без пошкодження алюмінієвого провідника.
Відомі, зокрема, такі методи для зняття ізоляції з ізольованих проводів:
механічне видалення з використанням абразивних матеріалів або шляхом зрізання;
термічне видалення шляхом руйнування ізоляції при високій або при зниженій температурі;
3) хімічне видалення ізолюючого покриття.
Принципово можуть використовуватися всі перераховані методи, однак жоден з них не забезпечує повного збереження металевого дроту. Недоліком цих методів є зміна структури і провідних властивостей провідника при знятті ізоляції. Пошкодження полягають у порушенні поверхні (поява вм'ятин і подряпин) сталевими ножами при механічній обрізку, зміні металургійних і поверхневих властивостей при використанні високої температури для зняття ізоляції. Недоліком є також висока вартість проведених операцій.
2.3 АЛЮМІНІЙ З попільного пилу
Значні кількості зольної пилу виходять в результаті спалювання подрібненого вугілля в топках теплових електростанцій. Видалення цього пилу - серйозна проблема. Зольна пил являє собою відхід з високим вмістом металів, особливо алюмінію; стандартна зола містить до 14% А1 (по масі). У менших кількостях присутні залізо, титан і інші метали.
На сьогоднішній день не існує досить економічного способу виділення металевого алюмінію необхідної чистоти із золи внаслідок труднощі його відділення від інших металів, особливо заліза. Виділення алюмінію з суміші шляхом хлорування з утворенням хлористого алюмінію є ефективним процесом, але тільки в тому випадку, коли виходить хлорид алюмінію достатньо високої чистоти. Наприклад, при переробці хлориду алюмінію в електролізерах типу «Алкоа» зміст Fe a 0 3 повинно бути <0,03%. Далі, в процесі хлорування можливе утворення побічних продуктів, наприклад SiCI 4; ці процеси необхідно придушувати з метою зменшення витрати хлору, інакше процес стає неекономічний. Інша проблема полягає у видаленні накопичуються хлоридів лужних і лужноземельних металів.
ЛІТЕРАТУРА
Кутєпов А.М., Бондарева Т.І., Беренгартен М.Г. Загальна хімічна технологія. Підручник для технічних ВНЗ. - М.: «Вища школа», 1990. - 512 с.
Паушкін Я.М., Адельсон С.В., Вишнякова Т.П. Технологія нафтохімічного синтезу, у двох частинах. Ч. I. Вуглеводневу сировину та продукти його окислення. М.: «Хімія», 1973. - 448 с.
Загальна хімічна технологія: Учеб. для хіміко-техн. спец. вузів. У 2-х т. / під ред. проф. І. П. Мухленова. - М.: Вища. шк., 1984. - 263 с.
Лебедєв М.М. Хімія і технологія основного органічного і нафтохімічного синтезу: Підручник для вузів. - М. Хімія, 1988. - 592 с.