Химико-технологических процессов

Расчет материального баланса основан на выполнимости закона сохранения массы, т.е. масса веществ, поступивших на технологическую переработку (приход) химико-технологических процессов - student2.ru должна быть равна сумме масс всех веществ, получившихся в результате переработки (расходу) химико-технологических процессов - student2.ru . 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:

химико-технологических процессов - student2.ru = химико-технологических процессов - student2.ru .

Пример: пусть технологический процесс протекает по балансному уравнению:

аА + bB + сС = dD + nN + ΔНреакц

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. химико-технологических процессов - student2.ru , что может быть обусловлено приближенностью расчетов, округлением. Невязка баланса Нб определяется отношением разницы масс веществ прихода и расхода к массе веществ прихода:

Нб = химико-технологических процессов - student2.ru ,

и выражается в долях единицы или процентах (может быть положительной и отрицательной). Инженерный расчет считается допустимым, если Нб < ±0,5%. Если же Нб > ± 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) = ( химико-технологических процессов - student2.ru /Vm)- химико-технологических процессов - student2.ru = 11л/22,4л/моль 2г/моль = 0,491 2 = 0,982 г.
nисх (СиO) = m/М = 50г/80г/моль = 0,625 моль;
nобр 2O) = m/М= 8,8г/ 18г/моль = 0,489 моль.
По уравнению реакции:
nобр 2O) = nобр (Cu) химико-технологических процессов - student2.ru 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

химико-технологических процессов - student2.ru 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):

химико-технологических процессов - student2.ruа с учетом α:

химико-технологических процессов - student2.ru = 1663∙1,5 = 2495 химико-технологических процессов - student2.ru ;

химико-технологических процессов - student2.ru = (2495 м3∙32 кг/кмоль)/22,4 м3/кмоль=3560 (кг).

С кислородом поступает азот:

химико-технологических процессов - student2.ru

химико-технологических процессов - student2.ru =(9380 м3∙28 кг/кмоль)/22,4 м3/кмоль=11700 (кг).

В результате реакции образовалось оксида серы (IV):

химико-технологических процессов - student2.ru

или химико-технологических процессов - student2.ru

Неизрасходованного кислорода осталось:

химико-технологических процессов - student2.ru , тогда

химико-технологических процессов - student2.ru

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 химико-технологических процессов - student2.ru 2H3AlF6 + 6H2О (1)

2H3AlF6 +3Na2CO3 химико-технологических процессов - student2.ru 2Na3AlF6 + ЗСО2 + 3H2О (2)

Суммарно: 2Al(ОН)3 + 12HF + 3Na2CO3 химико-технологических процессов - student2.ru 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 химико-технологических процессов - student2.ru 4Р + 10СО2 + 6CaSiO3.

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 химико-технологических процессов - student2.ru 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 химико-технологических процессов - student2.ru СО + H2 (1)

2С + О2 химико-технологических процессов - student2.ru 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 (Мrвоздуха = 29). Считать, что вся вода и весь кислород воздуха прореагировали.

7. Рассчитать материальный баланс (в кг и м3) окисления 100 м33, 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 химико-технологических процессов - student2.ru 2NaOH + Н2 + С12,

если молярная концентрация NaCl в растворе См – 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 химико-технологических процессов - student2.ru 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 химико-технологических процессов - student2.ru H2TiO3 + FcSO4 (1)

Н2ТiO3 химико-технологических процессов - student2.ru TiO2 + H2O (2)

Суммарно: FeTiO3 + H2SO4 химико-технологических процессов - student2.ru 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 + химико-технологических процессов - student2.ru O2 химико-технологических процессов - student2.ru Na2O + Cl2

2 стадия: Na2O + V2О5 химико-технологических процессов - student2.ru 2NaVO3

Суммарно: 2NaCl + химико-технологических процессов - student2.ru O2+ V2O5 химико-технологических процессов - student2.ru 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 химико-технологических процессов - student2.ru 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 химико-технологических процессов - student2.ru 2Fe(OH)2 + 2(NH4)2SO4

2Fe(OH)2 + Н2О + химико-технологических процессов - student2.ru О2 химико-технологических процессов - student2.ru 2Fe(OH)3

2Fe(OH)3 химико-технологических процессов - student2.ru Fe2O3 + 3H2O

Суммарно: 2FeSO4 + 4NH3 + Н2О + химико-технологических процессов - student2.ru О2 химико-технологических процессов - student2.ru 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 + химико-технологических процессов - student2.ru О2 химико-технологических процессов - student2.ru СН2О + Н2О – основная реакция;

СН3ОН химико-технологических процессов - student2.ru СН2О + Н2 – побочная реакция.

Содержание метанола в спиртово-воздушной смеси – 30% (об.), состав воздуха 21% О2, 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 химико-технологических процессов - student2.ru CaSO4 + 2HF (основная реакция);

SiO2 + 6HF химико-технологических процессов - student2.ru 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 ( химико-технологических процессов - student2.ru = 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 химико-технологических процессов - student2.ru Сг + Al2O3; Fe2O3 + Al химико-технологических процессов - student2.ru 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 химико-технологических процессов - student2.ru C6H5Cl + HCl (основная реакция),

СбН5С1 + С12 химико-технологических процессов - student2.ru 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 химико-технологических процессов - student2.ru 2NO;

2NO + O2 химико-технологических процессов - student2.ru 2NO2

2NO2 + Н2О химико-технологических процессов - student2.ru 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 химико-технологических процессов - student2.ru 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 химико-технологических процессов - student2.ru 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 химико-технологических процессов - student2.ru NH4O-CO-NH2 (карбамат аммония);

NH4O-CO-NH2 химико-технологических процессов - student2.ru (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 химико-технологических процессов - student2.ru 10Ca(NO3)2 + 6Н3РО4 + 2HF↑;

2NH3 + Н3РО4 химико-технологических процессов - student2.ru (NH4)2HPO4;

(NH4)2HPO4 + Ca(NO3)2 химико-технологических процессов - student2.ru 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.

Наши рекомендации