Шихтоподготовка и тукосмешение

Технологические расчеты, связанные с шихтоподготовкой и приготовлением туков (механическая смесь двух и более простых удобрений), являются весьма важными и часто встречающимися в практической деятельности химика-технолога широкого спектра специальностей.

Наиболее часто задача приготовления той или иной смеси (шихты, тука) сводится к решению системы линейных уравнений. Начальными условиями задачи, как правило, являются данные о составе (химическом, фазовом и т. д.) исходных ингредиентов и данные о задаваемом составе и количестве конечной смеси. Получение заданного продукта (смеси, шихты, тука) может сопровождаться протеканием химической реакции, которую необходимо учесть в расчете.

Примером решения такого типа задач может служить следующий.

Пример. В каких массовых соотношениях необходимо смешать фосфоритную муку, сульфат аммония и хлористый калий, чтобы получить 1000 кг комплексного минерального удобрения, в котором массовое отношение N : P : К будет 1 : 1 : 1. Задачу решить при условии, что фосфоритная мука содержит 28 мас. долей Р2О5, %; сульфат аммония содерит 95 мас. долей основного вещества, %; галургический хлористый калий содержит 91 мас. долей KCl, %.

Напомним, что по общепринятым обозначениям (правилам) отношение N : P : К расшифровывается (соответствует) как массовое отношение N к Р2О5 и к К2О.

Решение. Введем следующие обозначения:

Х1 – масса фосфоритной муки, кг; Х2 – масса сульфата аммония, кг; Х3 – масса хлористого калия, кг.

Тогда по условию задачи можно составить первое уравнение:

Х1 + Х2 + Х1 = 1000. (1)

Рассчитаем массовую долю азота (N) в сульфате аммония. Молекулярная масса (NH4)2SO4 – 132. Массовая доля N в сульфате аммония Сm(N) = 28 / 132 = 0,212.

Молекулярная масса KCl – 74,5; молекулярная масса К2О – 94. Массовая доля К2О в KCl будет 94 / 149 = 0,63.

Так как содержание основного вещества в сульфате аммония 95 %, масса N в потоке Х2 будет 0,95 × Х2 × 0,212.

По аналогии содержание К2О в Х3 будет 0,63 × Х3 × 0,91.

Учитывая изложенное и условие задания, можно составить еще два уравнения:

1 × 0,28) / (Х2 × 0,95 × 0,212) = 1,0; (2)

1 × 0,28) / (Х3 × 0,91 × 0,63) = 1,0. (3)

Решая систему из трех независимых уравнений

Шихтоподготовка и тукосмешение - student2.ru Х1 + Х2 + Х3 = 1000;

1 × 0,28) / (Х2 × 0,95 × 0,212) = 1,0;

1 × 0,28) / (Х3 × 0,91 × 0,63) = 1,0

находим: Х1 = 347,2 кг; Х2 = 482,6 кг; Х3 = 170,2, что и является требуемым ответом на поставленный вопрос.

Вариант 0

Элементарный фосфор получают при высокотемпературном восстановлении шихты, состоящей из фосфорита, кварцита и кокса, взятых в заданных соотношениях. Соотношения задают:

1) модулем кислотности (МК), определяемым как отношение суммы молей (количества) оксидов кремния и алюминия к сумме молей (количеству) оксидов кальция и магния:

МК = (nSiO2 + nAl2O3) / (nCaO + nMgO);

2) нормой восстановителя (углерода), рассчитанной по реакции:

Р2О5 + 5С = Р2 + 5СО2.

Рассчитать массы фосфорита, кварцита и кокса, необходимые для реализации условия Х.

Состав ингредиентов шихты, мас. доля, %

Химический состав Фосфорит Кварцит Кокс
СаО
Р2О5
SiO2
Al2O3
MgO
C
Задание Номер примера
0, 1 2, 3 4, 5 6, 7 8, 9
Расчет провести на:
1000 кг фосфора Х        
1000 кг шихты   Х      
1000 кг фосфорита     Х    
1000 кг кварцита       Х  
1000 кг кокса         Х
Модуль кислотности, МК 0,9 0,95 1,0 1,1 1,2
Норма восстановителя, %

Вариант 1

Комплексное удобрение получают путем смешения двойного суперфосфата, карбамида и хлористого калия. Какие массы ингредиентов нужно взять для выполнения условиях Х и заданном соотношении N : P : К, если:

– двойной суперфосфат содержит, мас. доля, %: СаНРО4 – 40,5; Са(Н2РО4)2 – 10,5;

– карбамид содержит, мас. доля, %: N – 45,5;

– хлористый калий содержит, мас. доля, %: KCl – 95,0.

Задание Номер примера
0, 2 1, 3 4, 6 5, 8 7, 9
Расчет провести на:
получение 1000 кг удобрен. Х        
1000 кг суперфосфата   Х     Х
1000 кг карбамида     Х    
1000 кг хлористого калия       Х  
Соотношение N : P : К 1:1:1 0,9:1:0,9 1:0,9:1,3 0,8:1,2:1 1:1,5:0,9

Вариант 2

Тугоплавкое стекло получают путем сплавления шихты, состоящей из поташа, кальцита и кварцита. Состав тугоплавкого стекла задан:

– А (мас. доля, %): К2О – 18,4; СаО – 11,0; SiO2 – 70,6;

– Б (мольная доля): К2О – 0,11; СаО – 0,23; SiO2 – 0,66.

В каких массовых соотношениях нужно смешать ингредиенты, чтобы выполнить условие Х?

Состав ингредиентов, мас. доля, %:

поташ: К2СО3 – 95,0; SiO2 – 5,0;

кальцит: СаСО3 – 90,0; SiO2 – 10,0;

кварцит: SiO2 – 95,0; СаСО3 – 5,0.

Задание Номер примера
0, 3 1, 4 2, 5 6, 9 7, 8
Расчет провести на:
1000 кг стекла Х        
1000 кг шихты   Х      
1000 кг поташа     Х    
1000 кг кальцита       Х  
1000 кг кварцита         Х
Состав задан: А (мас. доля, %) Б (мол. доля) А Б А Б А

Вариант 3

Портландцемент получают путем спекания при 1500 °С шихты, состоящей из глины, огарка и известняка.

Состав ингредиентов шихты, мас. доля, %:

глина: SiO2 – 70,0; Al2O3 – 10,0; Н2О – 20,0;

огарок: Fe2O3 – 100,0;

известняк: СаСО3 – 100,0.

Требуется получить портландцемент состава, мас. доля, %: алит (3СаО × SiO2) – 50,0; белит (2СаО × SiO2) – 25,0; трехкальциевый алюминат (3СаО × Al2O3) – 10,0; четырехкальциевый алюмоферрит (4СаО × Al2O3 × Fe2O3) – 15,0. В каких массовых соотношениях необходимо смешать ингредиенты, чтобы выполнить условие Х?

Задание Номер примера
0, 5 1, 6 2, 7 3, 8 4, 9
Расчет провести на:
100 кг шихты Х        
100 кг глины   Х      
100 кг цемента     Х    
100 кг известняка       Х  
100 кг огарка         Х

Вариант 4

Кормовые обесфторенные фосфаты (КОФ) получают путем обжига при 1300 °С шихты, состоящей из фосфорита, известняка и фосфорной кислоты. Качество КОФ характеризуется содержанием Р2О5 мас. доля, % – 35,0 и соотношением числа молей (количества) оксидов кальция и фосфора – nСаО / nР2О5 = 2,5.

В каких массовых соотношениях нужно смешать фосфорит, известняк и фосфорную кислоту, чтобы выполнить условие Х?

Состав ингредиентов, мас. доля, %:

фосфорит: СаО – 30,0; Р2О5 – 20,0; SiO2 – 50,0;

известняк: СаСО3 – 90,0; SiO2 – 10,0;

фосфорная кислота: Н3РО4 – 70,0; Н2О – 30,0.

В расчете учесть потерю массы шихты вследствие испарения воды и декарбонизации.

Задание Номер примера
9, 1 8, 2 7, 3 6, 4 5, 0
Расчет провести на:
1000 кг фосфорита Х        
1000 кг известняка   Х      
1000 кг фосфорной кислоты     Х    
1000 кг КОФ       Х  
1000 кг испаряющейся воды         Х

Вариант 5

Одним из способов переработки фосфогипса (отход производства экстракционной фосфорной кислоты) является способ получения на его основе цементного клинкера и серной кислоты. В основе лежит реакция

3CaSO4 + SiO2 + 3C = Ca3SiO5 + 3SO2 + 3CO.

В каких соотношениях масс нужно смешать ингредиенты, чтобы выполнить условие Х?

Состав ингредиентов, мас. доля, %:

фосфогипс: СаО – 40,0; SO2 – 57,1; SiO2 – 2,9;

кварцит: СаСО3 – 15,0; SiO2 – 85,0;

кокс: СаО – 15,0; SiO2 – 5,0; С – 80,0.

Задание Номер примера
0, 8 1, 6 2, 4 3, 9 5, 7
Расчет провести на:
1000 кг шихты Х        
1000 кг фосфогипса   Х      
1000 кг кварцита     Х    
1000 кг кокса       Х  
1000 кг диоксида серы         Х
Мольное отношение оксидов, М = nСаО / nSiО2 2,5 3,0 2,8 2,3 3,2
Норма восстановителя, %

Вариант 6

Хрустальное стекло имеет состав, мас. доля: Na2O – 0,06; PbO – 0,64; SiO2 – 0,30. Его получают путем плавления шихты, состоящей из соды (Na2CO3), минерала церуссита (PbСО3) и кварцита (SiO2).

Состав исходных ингредиентов, мас. доля, %:

сода: Na2CO3 – 100,0;

церуссит: PbСО3 – 95,0; SiO2 – 5,0;

кварцит: SiO2 – 98,0; PbO – 2,0.

В каких массовых соотношениях необходимо смешать указанные ингредиенты, чтобы выполнить условие Х?

В расчетах следует учесть потерю массы вследствие декарбонизации.

Задание Номер примера
9, 1 8, 2 7, 3 6, 4 5, 0
Расчет провести на:
1000 кг шихты Х        
1000 кг стекла   Х      
1000 кг соды     Х    
1000 кг церуссита       Х  
1000 кг кварцита         Х

Вариант 7

При выплавке литейного чугуна используют шихту, состоящую из железной руды, кокса и флюса. В каких массовых соотношениях нужно смешать руду, кокс и флюс, чтобы выполнить условие Х, получить чугун с содержанием железа (Fe) – Y (мас. долей) и выдержать модуль основности Мо – Z? Мо определяется как отношение суммы молей основных оксидов (СаО и MgO) к сумме молей кислых оксидов (SiO2 и Al2O3):

Мо = (nCaO + nMgO) / (nSiO2 + nAl2O3).

Состав ингредиентов, мас. доля, %:

железная руда: Fe2O3 – 80,0; CaO – 5,0; MgO – 5,0; Al2O3 – 5,0;

флюс (доломит): СаСО3 – 75,0; MgСО3 – 25,0;

кокс: С – 85,0; СаО – 5,0; SiO2 – 10,0.

Углерод ввести в состав шихты в соответствии со стехиометрией реакции

Fe2O3 + 1,5С = Fe + 1,5СО2.

Задание Номер примера
4, 5 6, 3 7, 2 8, 1 9, 0
Расчет провести на:
1000 кг чугуна Х        
1000 кг шихты   Х      
1000 кг железной руды     Х    
1000 кг флюса       Х  
1000 кг кокса         Х
Модуль основности, МО 1,30 1,40 1,50 1,35 1,45
Содержание железа в чугуне, мас. доля 0,93 0,94 0,95 0,92 0,96

Вариант 8

Смесь концентрированных азотной и соляной кислот, взятых в соотношении объемов 1 : 3, называют «царской водкой».

В каком соотношении масс нужно взять азотную кислоту с содержанием основного вещества Х и соляную кислоту с содержанием основного вещества Y, чтобы получить Z «царской водки»?

Задание Номер примера
0, 5 1, 4 2, 3 6, 9 7, 8
Расчет вести при:
Х (моль/л), r = 1,23 г/см3 13,0     13,0  
Х (моль / 1000 г Н2О), r = 1,21 г/см3   10,0 10,0   10,0
Y (мас. доля, %), r = 1,15 г/см3 30,0   30,0    
Y (моль / 1000 г Н2О), r = 1,13 г/см3   12,0   12,0 12,0
Z (м3, кг) 10 м3 100 кг 10 м3 100 кг 10 м3

Вариант 9

Экстракционную фосфорную кислоту (ЭФК) получают путем разложения природных фосфатов кальция (апатитов или фосфоритов) серной кислотой. При этом протекает реакция

Са3(РО4)2 + 3H2SO4 + mН2О = 3СаSO4 × nH2O + 2H3PO4 + (m – n)H2O;

где m – определяется концентрацией используемой серной кислоты; n – число молей Н2О, входящих в кристаллогидрат сульфата кальция.

Сколько нужно взять фосфорита или апатита (кг) и какой концентрации должна быть серная кислота, чтобы при 100 %-ном протекании реакции концентрация Р2О5 в полученной пульпе была заданной номером примера.

Задание Номер примера
0, 4 1, 6 2, 5 3, 8 7, 9
Расчет вести при:
содержании Р2О5 (мас. доля)          
фосфорит 0,28   0,29   0,30
апатит   0,39   0,39  
n 2,0 0,5 0,5
содержание Р2О5 в пульпе (мас. доля)   0,10   0,12   0,13   0,09   0,11
Расчет вести на: 100 кг фосфорита 100 кг моногидрата H2SO4   Х     Х     Х   Х   Х

Материальный баланс

Составление материального баланса необходимо при проектировании новых производств, а также для анализа работы существующих. Основой материального баланса являются законы сохранения массы вещества и стехиометрических соотношений. Применительно к материальному балансу любого технологического процесса это означает, что масса вещества, поступившего на технологическую операцию – приход, равна массе всех веществ, полученных в результате операции – расход.

Материальный баланс составляют на единицу массы основного продукта (кг, т) или на производительность установки (кг/ч, т/ч). Определение массы вводимых компонентов и полученных продуктов производят отдельно для твердой, жидкой и газообразной фаз.

Материальный баланс составляют по уравнению основной суммарной реакции с учетом параллельных и последовательных реакций. При расчете практического материального баланса учитывают полный состав исходного сырья и готовой продукции, избыток компонентов, степень превращения, селективность, потери сырья и готового продукта и т. д. Результаты расчета сводят в таблицу материального баланса.

Материальный баланс является основой для составления теплового баланса.

Пример. Составить материальный баланс процесса окисления аммиака на платиновом катализаторе. Исходные данные: производительность по 100 %-ной азотной кислоте 1000 кг/ч; концентрация аммиака в аммиачно-воздушной смеси – 10,5 об.%; степень контактирования – 97,0 %; степень окисления оксида азота – 100 %; степень абсорбции – 98 %.

Решение. Производство азотной кислоты из аммиака состоит из следующих стадий:

– контактное окисление аммиака на платиновом катализаторе:

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O; (1)

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O; (2)

– окисление NO до NO2 по реакции

2NH + O2 = 2NO2; (3)

– абсорбция диоксида азота водой с образованием разбавленной азотной кислоты:

3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO (4)

или, суммируя уравнения, получим

NH3 + 2O2 = HNO3 + H2O. (5)

Наши рекомендации