Химико-технологических процессов

Расчет материального баланса основан на выполнимости закона сохранения массы, т.е. масса веществ, поступивших на технологическую переработку (приход) должна быть равна сумме масс всех веществ, получившихся в результате переработки (расходу) . Материальный баланс технологического процесса рассчитывают на основании уравнения основной суммарной реакции (упрощенный) или с учетом параллельных и побочных процессов (полный) и составляют уравнение материального баланса, в общем виде:

= .

Пример: пусть технологический процесс протекает по балансному уравнению:

аА + bB + сС = dD + nN + ΔН_реакц

Пусть А, В, С – исходные вещества, обладающие массами m₁ m₂, m₃; D – целевой продукт с массой m₄, N – побочный продукт с массой m₅. Тогда уравнение материального баланса будет:

m₁(A)+ m₂(B) + m₃(C) = m₄(D) + m₅(N) + Δm,

где Δm – масса непроизводительных затрат, обусловленная неполнотой химического превращения, механическими потерями при транспортировке сырья и готовой продукции и т.д. Все расчеты сводятся в таблицу.

Очень часто при составлении материального баланса в таблице может наблюдаться некоторое расхождение между массами веществ прихода и расхода, т.е. , что может быть обусловлено приближенностью расчетов, округлением. Невязка баланса Н_б определяется отношением разницы масс веществ прихода и расхода к массе веществ прихода:

Н_б = ,

и выражается в долях единицы или процентах (может быть положительной и отрицательной). Инженерный расчет считается допустимым, если Н_б < ±0,5%. Если же Н_б > ± 0,5%, то баланс неверен (ошибка в условии задачи или неверен расчет). На производстве невязка баланса позволяет вскрыть неучтенные процессы.

Материальный баланс обычно рассчитывается на единицу полученного продукта (кг, т, м³) или в процентах (массовых и объемных) на основе данных производства. Материальный баланс служит основой для составления теплового и экономического балансов и позволяет составить наиболее рациональную схему производства.

Пример 1. Над оксидом меди массой 50 граммов в нагретой трубке пропустили водород объемом 0,011 м³. В результате образовалось 8,8 граммов воды. Составить материальный баланс.

Решение:

Запишем уравнение реакции:

CuO+H2=Cu+H2O

mисх(H2) = ( /Vm)- = 11л/22,4л/моль 2г/моль = 0,491 2 = 0,982 г.

nисх (СиO) = m/М = 50г/80г/моль = 0,625 моль;

nобр (Н2O) = m/М= 8,8г/ 18г/моль = 0,489 моль.

По уравнению реакции:

nобр (Н2O) = nобр (Cu) mобр (Cu) = M n = 64 г/моль 0,489 г = 31,296 г;

mост (СиO) = M (nисх (СиO) – nпрор (СиO)) = 80 г/моль (0,625-0,489) = = 10,88 г;

mост (H2) = M (nисх (H2) – nпрор (H2)) = 2 (0,491-0,489) = 0,004 г.

Полученные данные сводим в таблицу.

Приход	Расход
Исходные вещества	m,г	Конечные вещества	m,г
CuO H2	0,982	Cu H2O CuO H2	31,296 8,8 10,88 0,004
Всего:	50,982	Всего:	50,980

Пример 2. Составить материальный баланс печи для сжигания серы производительностью 60 т/сут. Доля окисленной серы φ = 0,95 (остальная сера возгоняется и сгорает вне печи). Коэффициент избытка воздуха α = 1,5. Расчет следует вести на производительность печи по сжигаемой сере в кило­граммах в час, состав воздуха считать 21% О₂ и 79% N₂.

Решение.

Процесс горения серы описывается уравнением реакции:

S + О₂ = SO₂ + Q

Коэффициент избытка воздуха (кислорода) α показывает отношение практически подаваемого в печь воздуха к теоретически необходимому согласно сравнению реакции. Производительность печи в кг/час равна:

П = (60т/ч∙1000)/24 ч = 2500 кг/ч серы.

Масса серы, окисленной до SO₂ в час, составляет:

m (S)_ок = 2500∙0,95 = 2375 (кг).

В виде паров (неокисленной) серы осталось:

m (S)_ост = 2500-2375 = 125 (кг).

На окисление израсходовано кислорода (т. к. n(O₂) = n(S)_ок):

а с учетом α:

= 1663∙1,5 = 2495 ;

= (2495 м³∙32 кг/кмоль)/22,4 м³/кмоль=3560 (кг).

С кислородом поступает азот:

=(9380 м³∙28 кг/кмоль)/22,4 м³/кмоль=11700 (кг).

В результате реакции образовалось оксида серы (IV):

или

Неизрасходованного кислорода осталось:

, тогда

Полученные данные сводим в таблицу:

Таблица.Материальный баланс печи для сжигания серы в час.

Приход	Расход
Исходные вещества	m,кг	V, м3	Конечные вещества	m,кг	V, м3
S		–	S		–
O2			SO2
N2			O2
N2
Итого			Итого

Задачи для самостоятельного решения

1. Составить материальный баланс производства криолита (расчет провести на 1 т), процесс получения которого описывается следующими уравнениями:

2Al(ОН)₃ + 12HF 2H₃AlF₆ + 6H₂О (1)

2H₃AlF₆ +3Na₂CO₃ 2Na₃AlF₆ + ЗСО₂ + 3H₂О (2)

Суммарно: 2Al(ОН)₃ + 12HF + 3Na₂CO₃ 2Na₃AlF₆ + 3CО₂ + 9H₂О

Плавиковую кислоту применяют в виде 15%-ного раствора фтороводорода в воде. Для обеспечения необходимой остаточной кислотности на этапе (2) реагирует 96% всей H₃A1F₆, образующейся на этапе (1) (считать, что Аl(ОН)₃ и HF полностью израсходовались). Найти невязку баланса.

2. Рассчитать и составить таблицу материального баланса производства

1 тонны фосфора из шихты, состоящей из фосфорита, кокса и песка, найти невязку. По данным аналитической отчетности, фосфорит содержит 100% Са₃(РO₄)₂, песок – 95% кремнезема SiO₂, кокс – 80% углерода С. Считать, что прореагировало 100% Са₃(РО₄)₂, 100% С и 90% SiO₂ находящихся в шихте. Найти невязку. Процесс производства фосфора протекает по схеме:

2Са₃(РО₄)₂ + 10С + 6SiO₂ 4Р + 10СО₂ + 6CaSiO_3.

3. Составить материальный баланс (в кг и мас. %)процесса синтеза 1008 м³ (объем измерен при н.у.) аммиака, если азото-водородную смесь получили смешением равных объемов чистого азота и сырого водорода (состав. об. %: Н₂ – 99,4%; СН₄ – 0,4%; СО – 0,2%). Считать, что прореагировало 27% всего водорода, находящегося в смеси. Найти невязку баланса.

4. Составить материальный баланс производства 1 т оксида этилена прямым каталитическим окислением этилена воздухом:

2СН₂=СН₂ + О₂ 2(СН₂)₂О.

Состав исходной газовой смеси [% (об.)]: этилен – 4, воздух – 96 (н.у.). Доля окисленного этилена – 60%. Состав воздуха [% (об.)]: кислород – 21, азот – 79. Чему равна невязка баланса?

5. Составить материальный баланс процесса упаривания 200 т 20%-ного раствора КОН, если после упаривания его концентрация стала 65%. Потери КОН при упаривании составили 0,5%.

6. Составить материальный баланс процесса газификации бурого угля (содержащего 75 мас. %углерода) при воздействии на него при высоких температурах паровоздушной смеси (смеси воздуха и водяного пара):

С + Н₂O СО + H₂ (1)

2С + О₂ 2СО. (2)

Расчет вести на 1000 м³ генераторного газа состава [% (об.)] СО – 40, Н₂ – 18. N₂ – 42. Состав воздуха принять [% (об.)]: О₂ – 21, N₂ – 79 (Мr_{воздуха} = 29). Считать, что вся вода и весь кислород воздуха прореагировали.

7. Рассчитать материальный баланс (в кг и м³) окисления 100 м³ NН₃, если после смешения содержание NH₃ в аммиачно-воздушной смеси составило 12,5% (об.), выход NO – 96%, а остальная часть NH₃ полностью окислилась до азота. Состав воздуха принять [% (об.)]: О₂ – 21, N₂ – 80. Найти невязку баланса.

8. Рассчитать материальный баланс производства хлора путем электролиза водного раствора хлорида натрия:

2NaCl + 2Н₂О 2NaOH + Н₂ + С1₂,

если молярная концентрация NaCl в растворе С_м – 5,4 моль/л, плотность раствора – 1,16 кг/дм³.Степень разложения NaCl – 50%. Расчет вести на 100 м³ хлора. Найти невязку баланса.

9. Составить материальный баланс получения 1 м³ ацетилена из технологического карбида кальция, содержащего 90% СаС₂, если степень превращения карбида кальция составляет 0,94:

СаС₂ + 2Н₂О Са(ОН)₂ + С₂Н₂↑.

10. Составить материальный баланс производства оксида титана TiO₂ (расчет вести на 1т) из ильменитовой руды (состоящей из смеси ильменита FeTiO₃ и Fe₂О₃) и серной кислоты (весь Ti руды переходит в TiO₂):

FeTiO₃ + H₂SO₄ H₂TiO₃ + FcSO₄ (1)

Н₂ТiO₃ TiO₂ + H₂O (2)

Суммарно: FeTiO₃ + H₂SO₄ FeSO₄ + TiO₂ + H₂O

Содержание Ti в ильменитовой руде – 24,3%, в производстве применяют 80%-ную H₂SO₄ с 50%-ным избытком чистой H₂SO₄ от теоретического.

11. Рассчитать материальный баланс процесса в печи окислительного обжига на 1 т готового продукта в производстве ванадата натрия (NaVO₃):

1 стадия: 2NaCl + O₂ Na₂O + Cl₂

2 стадия: Na₂O + V₂О₅ 2NaVO₃

Суммарно: 2NaCl + O₂+ V₂O₅ 2NaVO₃+ Cl₂

Сырье: ванадиевый шлак с массовым содержанием V₂O₅ – 0,13%, а в реакцию вступает весь О₂, 70% всего хлорида натрия и 95% всего V₂O₅. Определить невязку баланса.

12. Составить материальный баланс производства 2 т нитрата аммония (аммиачной селитры), если в производстве применяется 48%-ная азотная кислота и 100%-ный газообразный NH₃ по реакции:

NH₃ + HNO₃ NH₄NO₃.

Потерями NH₃ и HNO₃ в процессе производстве пренебречь. Из нейтрализатора аммиачная селитра выходит в виде 60%-ного раствора NH₄NO₃ в воде. Определить количество влаги (соковый пар),испарившейся в результате экзотермической реакции нейтрализации. Найти невязку баланса.

13. Составить материальный баланс получения 1 т железооксидного катализатора (ТеO₃). Сырье: 2 н раствор сульфата железа в воде (плотностью 1152 кг/мг), 25%-ная аммиачная вода. Найти невязку баланса. Процесс можно представить:

2FeSO₄ + 4NH₃ + 4Н₂О 2Fe(OH)₂ + 2(NH₄)₂SO₄

2Fe(OH)₂ + Н₂О + О₂ 2Fe(OH)₃

2Fe(OH)₃ Fe₂O₃ + 3H₂O

Суммарно: 2FeSO₄ + 4NH₃ + Н₂О + О₂ Fe₂O₃ + 2(NH₄)₂SO₄.

14. При обжиге известняка, содержащего 94% СаСО₃, образуется 1000 м³ СО₂ (85% оттеоретически возможного) Составить материальный баланс.

15. Составить материальный баланс для соляно-сульфатного производства (на 1,136 т Na₂SO₄), если в производстве используется техническая поваренная соль, содержащая 96% NaCl и купоросное масло с мольной долей серной кислоты в водном растворе ω = 0,78. Степень превращения NaCl составляет 88,01%, серной кислоты – 100%. (2NaCl + H₂SO₄= Na₂SO₄ + 2НС1). Чему равна невязка баланса?

16. Оксид железа (II), массой 150 г нагрели в токе оксида углерода (II), объем которого равен 0,0044м (н.у.). Составить материальный баланс восстановления FeO.

17. Составить материальный баланс реактора для каталитического окисления на серебряном катализаторе 1т метанола в формальдегид:

СН₃ОН + О₂ СН₂О + Н₂О – основная реакция;

СН₃ОН СН₂О + Н₂ – побочная реакция.

Содержание метанола в спиртово-воздушной смеси – 30% (об.), состав воздуха 21% О_2, 79% N₂, а степень превращения метанола в муравьиный альдегид по основной реакции 0,7, общая степень превращения – 0,8.

18. Составить материальный баланс процесса получения фтороводорода из 1 тонны плавикового шпата, содержащего (мас. %): CaF₂ – 99,88; SiO₂ – 0,12, если степень превращения CaF₂ – 95%, а для производства применяют 94%-ную серную кислоту:

CaF₂ + H₂SO₄ CaSO₄ + 2HF (основная реакция);

SiO₂ + 6HF H₂SiF₆ + 2Н₂О(побочная реакция).

Считать, что оксид кремния полностью прореагировал с образующимся HF. Найти невязку баланса.

19. На упаривание поступило 9000 кг 54%-ного раствора сульфата аммония. После упаривания осталось 5000 кг с концентрацией (NH₄)₂SO₄ – 96%. Составить материальный баланс вапарки, определив производственные потери (в процентах по массе). Рассчитать невязку баланса.

20. Составить материальный баланс упаривания раствора, полученного смешением 680,28 кг глауберовой соли (Na₂SO₄∙10·Н₂О) и 1769,72 л воды (н.у.), если после упаривания получился 60%-ный раствор сульфата натрия в воде ( = 1 г/мл). Чему равна невязка баланса?

21. Составить материальный баланс реакции алюмотермического восстановления 500 кг смеси, состоящей из 40% оксида железа (III) и 60% оксида хрома (III):

Сг₂О₃ + Al Сг + Al₂O₃; Fe₂O₃ + Al Fe + Al₂O₃.

Железо и хром в результате реакций полностью восстанавливаются, выделяясь в виде сплава (феррохрома), а алюминий берут с избытком 20% от теоретического. Найти невязку.

22. Рассчитать материальный баланс производства 1т хлорбензола хлорированием технического бензола (содержащего 97,5% С₆Н₆):

С₆Н₆ + Cl₂ C₆H₅Cl + HCl (основная реакция),

С_бН₅С1 + С1₂ С₆Н₄С1₂ + HCl(побочная реакция).

Состав жидких продуктов в массовых долях: бензол –0,65;хлорбензол – 0,32; дихлорбензол – 0,03 (образованием трихлорбензола пренебречь). Чему равна невязка баланса?

23. Над 150 г оксида свинца пропустили 6 л оксида углерода (II). Из общего количества свинца восстановилось 96%. Составить материальный баланс восстановления оксида свинца до свободного свинца.

24. Какое количество воды необходимо для гашения 200 кг технического оксида кальция, содержащего 5% оксида магния и 3% посторонних примесей, не взаимодействующих с водой. Составить таблицу материального баланса. Чему равна невязка баланса?

25. В 1800 л волы растворили 200 г глауберовой соли (Na₂SO₄·10H₂O) и 420 г медного купороса (CuSO4·5H₂O). Составить материальный баланс выпаривания раствора, если массовая доля сульфата меди в конечном растворе равна 10% (потерями Na₂SO₄ и CuSO₄ при выпаривании пренебречь).

26. Составить материальный баланс производства 1т азотной кислоты (производственными потерями пренебречь). Найти невязку баланса. Состав воздуха принять 21% О₂ и 79% N₂.

N₂ + О₂ 2NO;

2NO + O₂ 2NO₂

2NO₂ + Н₂О HNO₃ + HNO₂.

Считать, что 80% кислорода воздуха и вся вода прореагировали.

27. Составить материальный баланс обжига железного колчедана (FeS₂), содержащего различные примеси, включая 4,6% Н₂О, если массовая доля серы в колчедане равна 42%. Считать, что обжиг ведут чистым кислородом с 10%-ным избытком от теоретического. Расчет вести на 1 т колчедана, найти невязку баланса. Уравнение процесса: 4FeS₂ +11О₂ 2Fe₂O₃ + 8SO₂.

28. Составить материальный баланс производства двойного суперфосфата из 1000 кг апатитового концентрата, содержащего 41,2% Р₂O₅, если в производстве применяют 66%-ную фосфорную кислоту. Найти невязку. Процесс протекает по схеме:

Са₃ (PО₄)₂ + 4H₃PO₄ 3Са(Н₂РО₄)₂.

Считать, что в процесс вступает 95% всей Н₃РО₄.

29. Составить материальный баланс производства 1650 кг мочевины (в виде сухого продукта), если аммиак берут со 100%-ным избытком от теоретического, а углекислый газ содержит 10% примесей инертных газов. Степень превращения карбамата аммония в мочевину составляет 80%. Найти невязку баланса. Процесс синтеза протекает в две стадии:

2NH₃ + СО₂ NH₄O-CO-NH₂ (карбамат аммония);

NH₄O-CO-NH₂ (NH₂)₂CO + Н₂О.

30. Составить материальный баланс производства нитрофоса (смеси CaHPO₄, NH₄NO₃ и (NH₄)₂HPO₄), содержащего 1 т нитрата аммония. Найти невязку, если процесс состоит из 3-х стадий:

2Ca₅(PO₄)₃F + 20HNO₃ 10Ca(NO₃)₂ + 6Н₃РО₄ + 2HF↑;

2NH₃ + Н₃РО₄ (NH₄)₂HPO₄;

(NH₄)₂HPO₄ + Ca(NO₃)₂ СаНРО₄ + 2NH₄NO₃.

Для производства взята 30%-ная азотная кислота и 100%-ный фторапатитовый концентрат. Условно считать, что полностью прореагировали весь фторапатит, аммиак, азотная и фосфорная кислоты, а также 80% (NH₄)₂HPO₄.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Игнатенков В.И., Бесков В.С. Примеры и задачи по общей химической технологии: Учеб. Пособие для вузов. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. – 198 с. 2. Белоцветов А.В., Бесков С. Д., Ключников Н.Г. Химическая технология. – М: Просвещение, 2006. – 384 с. 3. Аранская О.С. Сборник задач по химической технологии и биотехнологии. 2-е изд., перераб. и доп. – Минск: Университетское, 1989. – 296 с. 4. Беляева И.И., Трофимов В.А., и др. Сборник задач по химической технологии. – М. Просвещение, 1982. – 143 с. 5. Мухленов И.П. и др. Общая химическая технология. – М.: Высшая школа, 1991. – 328 с. 6. Пчельников И.Т.. Малин А.В. Контрольные задания по химической технологии. Тамбов: Изд-во ТГУ им Г.Р. Державина, 1997. – 35 с. 7. Решетников, П. А. Сборник примеров и задач по основам химической технологии / П. А. Решетников, Н. Я. Логинов. – М.: Просвещение, 1972. – 207 с. 8. Бернацкий П.Н., Малин А.В. Сборник задач по общей химической технологии. Тамбов: Изд-во ТГУ им. Г.Р. Державина. Ч. 1, 2003. – 33 с.