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:
(Х1 × 0,28) / (Х2 × 0,95 × 0,212) = 1,0; (2)
(Х1 × 0,28) / (Х3 × 0,91 × 0,63) = 1,0. (3)
Решая систему из трех независимых уравнений
Х1 + Х2 + Х3 = 1000;
(Х1 × 0,28) / (Х2 × 0,95 × 0,212) = 1,0;
(Х1 × 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)