5 Матеріальний і теплові баланси
5.1 Розрахунок витрат сировини на 1 т каталізатора
Задаємо склад готового каталізатора, (% мас): Fe2O3 – 88,5 ; Cr2O3 – 7,5;
SO3 – 0,4; домішки :∑ (CaO+MgO) – 3,6.
Тоді в 1 т каталізатора буде вміщуватися: Fe2O3 – 885 кг ; Cr2O3 – 75 кг;
SO3 – 4 кг ; ∑ (CaO+MgO+SiO2) – 36 кг.
1)Оскільки для одержання Fe2O3 застосовується сульфат заліза, гідратований сім`ю молекулами води (FeSО4∙7H2O), і при взаємодії розчину сульфату заліза з карбонатом амонію утворюється осад карбонату заліза, котрий при подальшому прожарюванні переходить в оксид заліза, розрахуємо кількість FeCO3, необхідну для одержання 885 кг Fe2O3 за реакцією (4):
GFe2O3
=
кг,
де 116- молекулярна маса FeCO3, кг;
875-вміст Fe2O3 у готовому каталізаторі, кг;
160- молекулярна маса Fe2O3, кг.
GFeSo4=
кг,
де 152-молекулярна маса FeSO4, кг;
1283-кількість карбонату заліза, кг;
116- молекулярна маса FeCO3, кг.
Оскільки початковою сировиною для одержання FeCO3 є FeSo4∙7H2O, то його потрібно:
GFeSO4∙7H2O=
кг,
де 1681-кількість FeSO4, кг;
278- молекулярна маса FeSO4∙7H2O, кг;
152- молекулярна маса FeSO4, кг.
G=
кг.
2)Розрахунок кількості карбонату амонію, необхідного для осадження заліза за реакцією(3.1)
G(NH4)2CO3=
кг,
3)оскільки для одержання Cr2O3 застосовується 99,8 %- ний хромовий ангідрид CrO3 проведемо розрахунок його потреби для одержання 75 кг Cr2O3 у готовому каталізаторі згідно з реакцією
2CrO3+2H2O=2H2CrO4 (5.1)
2H2CrO4
Cr2O3+2H2O+1,5O2
(5.2)
Підсумкова реакція:
2CrO3
Cr2O3+1,5O2
(5.3)
GCrO3=
кг,
де 100-молекулярна маса CrO3, кг;
152- молекулярна маса FeSO4, кг;
75-вміст Cr2 O3 в готовому каталізаторі, кг.
Тоді необхідна кількість 99,8 %- ного CrO3 становить:
кг.
Таким чином, теоретичні видаткові коефіцієнти сировини на 1 т каталізатора,без урахування втрат будуть такі(кг) : FeSО4∙7H2O -3074; CrO3 -99; (NH4)2CO3 -1062.
5.2 Матеріальний розрахунок за стадіями приготування каталізатора
1)Розчинення сульфату заліза. Кількість FeSО4, яка міститься в 3074 кг FeSО4∙7H2O:
GFeSo4=
кг.
Тоді кількість кристалізованої води становитиме
3074-1680,75=1393,25 кг
З 1680,75 кг FeSО4 одержимо 20 %- ного розчину
кг
Води для приготування такої кількості 20 %- ного розчину FeSО4 необхідно
8403,75-3074=5329,75 кг.
Згідно з практичним даним, при фільтрації 20 %- ного розчину FeSО4 втрати його на 1 т каталізатора становлять 186 кг, і потім поповнюються каталізаторним дріб`язком. Виходячи з цього, кількість відфільтрованого FeSО4
8403,75-186=8217,75 кг.
2)Розчинення карбамату амонію. У виробництві каталізатора для осадження FeCO3 з FeSО4 застосовується 13%- ний розчин (NH4)2CO3 . Тоді кількість такого розчину,яка одержується з 1462 кг (NH4)2CO3 :
G(NH4)2CO3=
кг.
При цьому води буде потрібно :
11246-1462=9784 кг
Виходячи з практичних даних,приймаємо, що втрати при розчиненні (NH4)2CO3 становлять 10 кг на 1 т каталізатора. Тоді кількість (NH4)2CO3 зменшується до 11236 кг.
3)Осадження заліза у вигляді карбонату. Визначимо кількість суспензії, яка утворюється при осадженні 20 %- ного розчину FeSО4 13 %- ним розчином (NH4)2CO3 :
Gсусп=8217,75+11236=19453,75 кг
4)Згущення одержаної пульпи. Визначимо кількість FeCO3 , якщо відомо, що вона становить 25% від усієї кількості суспензії:
GFeCO3=
кг
Проясненого розчину внаслідок згущення одержується:
19453,75-4863,4=14590,35 кг
5)Первинна фільтрація. Після фільтрування відділяється 60% пастоподібної FeCO3 ,що становить:
кг
Для промивки практично використовується 3000 кг води, тоді на фільтрування подається пульпи
4863,4+3000=7863,4 кг
При цьому маточного розчину буде:
7863,4-2026,4=5837 кг
6) Репульпація пасти. Визначимо кількість 15,6% суспензії FeCO3, яка одержується з 2026,4 кг 60%- ної пасти:
GFeCO3=
кг
Води у цьому випадку буде:
7793,8-2026,4=5767,4 кг
7) Вторинне фільтрування. Визначимо кількість пасти, якщо відомо, що в суспензії її міститься 61,5%:
GFeCO3=
кг
8) Сушка карбонату заліза. Задаємося вихідними параметрами: початкова вологість пасти(W1)-22%; кінцева вологість пасти (W2)-0,5%. Тоді кількість FeCO3 після сушильного барабана становитиме:
1976,96∙
кг
Кількість води, вилученої в результаті сушки:
1976,96-1549,8=427,16 кг
9) Прожарювання карбонату заліза. Визначимо кількість Fe2O3 у барабані згідно з реакціями (2-4)
GFe2O3=
кг,
де 160-молекулярна маса Fe2O3, кг;
116-молекулярна маса FeCO3, кг.
Кількість технічної (87%) Fe2O3 становить
1068,8 ∙
=929,856 кг
10)Розчинення хромового ангідриду. Визначимо кількість розчину хромової кислоти концентрацією 300г/л, яка утворюється при розчиненні 110кг хромового ангідриду:
GH2CrO4
=
кг
У цій кількості розчину міститься води
367-110=257 кг
11)Змішування та формування каталі заторної маси. Загальна кількість каталі заторної маси (кг) : 929,856- Fe2O3; 367- H2CrO4; 40- каталізаторний дріб`язок. Усього-1336,856 кг.
12)Пров`ялення каталізаторної маси. При натуральній усушці, виходячи з практичних даних, кількість вилученої води становить 7 кг. Тоді кількість формованої каталі заторної маси буде
1336,856-7=1329,856 кг
13)Прожарювання формованої каталі заторної маси. Визначимо кількість готового залізохромового каталізатора, яка одержується з 1329,856 кг каталі заторної маси, за реакцією(5), що протікає при прожарюванні в печі:
Gкат=
кг,
де 312- молекулярна маса Fe2O3·Cr2O3, кг;
396 - молекулярна маса Fe2O3+2H2CrO4, кг.
Для прожарювання 1329,856 кг каталізатора вживається 152 кг паливного газу, який має такий склад (%об.): H2-68,0; CH4-6,0; N2-22,0;
Ar-4,0.
Тоді кількість кисню, необхідна для створення окислювального середовища при прожарюванні каталізаторної маси, згідно з реакцією становить:
GO2=
=
1203,6 м3,
де 16-молекулярна маса 1/2 O2, кг;
396-молекулярна маса Fe2O3+2H2CrO4, кг;
22,4- об`єм 1кмоль газу при н. у., м3.
Прийнявши, що повітря містить 21% O2 та 79% N2, визначимо кількість азоту:
GN2=
4527,8
м3
Загальна кількість повітря буде:
4527,8+1203,6=5731,4 м3
14) Дробіння, просіювання та затарювання каталізатора. При роздрібленні втрати становлять 7 кг на 1 т каталізатора, такі ж втрати приймаємо і при затарюванні, 77 кг йде з каталізаторним дріб`язком. Тоді кількість готового залізо-хромового каталізатора(СТК) буде:
1047,8-(7+7+77)= 950,8 кг.