ливается в ней, либо покидает ее. Материальный баланс системы по такому веществу может быть представлен следующим образом:
Мисх – Мвых = Мнак , |
(2) |
где Мисх – количество поступающего в систему вещества; |
|
С |
|
Мвых – количество выходящего из системы вещества; |
|
Мнак – количество накапливаемого в системе вещества.
Если при составлении материального баланса используются характер ст ки массового расхода, то закон сохранения массы принима-
ет вид
исх
Qисх – Qвых = Qнак , |
(3) |
где Q – поток вещества в систему;
Qвых – поток вещества з системы;
Qнак – скорость накопления вещества в системе.
В техбслучаях, когда накопление массы какого-либо вещества не наблюдается с стема находится в устойчивом состоянии, то правые части равенств (2, 3) равны 0.
Рассмотрим составлениеАматериального баланса по веществам, которые могут образовываться и разрушаться в процессе химических реакций. В этом случае основные уравнения материального баланса (2 и 3) будут содержать дополнительные компоненты. Например, если система находится в устойчивом состоянии в определенный промежу-
1.2. Составление материального баланса с учетом химических превращений
ток времени, уравнение материального баланса примет вид |
|
И |
|
Qисх – QвыхД+ Q1 – Q2 = 0 , |
(4) |
где Qucx – поступление вещества в систему; Qвых – удаление вещества из системы;
Q1 – количество вещества, образованного в ходе химической реакции; Q2 – количество вещества, разрушенного в ходе химической реакции.
Данное уравнение является частным случаем, когда система находится в устойчивом состоянии и прирост количества вещества в ней равен нулю.
При анализе системы, в которой протекают одна или более химических реакций, следует записать для каждой реакции отдельное уравнение, а также рассчитать массу каждого реагента и продуктов их
8
взаимодействия по уравнению химической реакции с тем, чтобы определить пропорциональное соотношение всех вовлеченных в реакцию компонентов [6].
В практике довольно часто приходится вычислять количественные соотношения между компонентами начальных и конечных продуктов производства, в основе которого лежат физические процессы. При этих процессах не образуются новые компоненты, а только изменяется состав продуктов, которые подвергаются обработке или хранению в определенных условиях. Поэтому, составляя материальный баланс процессов, следует иметь в виду, что в приходной и расходной
частях его участвуют |
и те же компоненты, но только в различ- |
С |
|
ных кол чественных соотношениях [5, 6, 11]. |
|
|
Примеры расчетов |
x = 4,909 Мг. Масса сухого угля: 116,875 – 4,909 = 121,287 Мг.
Пр мер 1. Влажность 125 Мг каменного угля при хранении его |
||
одни |
||
на складе змен лась с 6,5 до 4,2%. Насколько изменилась масса угля? |
||
Решен е. Масса влаги в первоначальном количестве угля: |
||
125 г – 100%; |
|
|
x г – 6,5%. |
|
|
б |
||
x = 8,125 Мг. |
Масса сухого угля: 125 – 8,125= 116,875 Мг. |
|
Масса угля при содержании в нем 4,2% влаги. |
||
116,875 г – 100%; |
А |
|
x г – 4,2%. |
Д |
|
|
|
|
Таким образом, за счет уменьшения влажности потеряно 125 – 121 = 4 Мг массы влаги.
Ответ: При хранении угля испарится 4 г влаги.
Пример 2. На кристаллизацию поступает 10 Мг насыщенного водного раствора хлорида калия при 100 °С. Во время кристаллизации
раствор охлаждается до 20 °С. Определить выход кристаллов хлорида |
||
калия, если растворимость его при 100 °С составляет 56,7 г, а при |
||
20 °С 34,0 г на 100 г воды. |
|
И |
Решение. I способ. Растворимость S, выраженная в граммах без- |
||
водного вещества на 100 г чистого растворителя, и процентно– |
||
связаны следующим соотношением: C = |
∙100 . |
|
весовая его концентрация (С%) в граммах на 100 г раствора взаимо- |
||
Следовательно, 10 Мг |
|
+100 |
|
насыщенного раствора хлорида калия, |
|
9
поступающего на кристаллизацию, содержат безводной соли КС1 |
|||
56,7+100 |
∙100 |
= 3,62 |
Мг. |
56,7∙100 |
10 |
|
|
(приход). |
|
|
|
Обозначим количество кристаллов КCl, полученных при охла- |
||||
ждении раствора от 100 до 20 °С, через т Мг. Тогда количество ма- |
||||
точного раствора (при 20 °С) составит (10 – т) Мг, и в нем будет со- |
||||
держаться безводной соли КCl |
34,0∙100 10− |
|
Mг. |
|
Отсюда общее |
количество КCl после кристаллизации (расход) |
|||
|
34,0+100 ∙ 100 |
= 0,254(10 − ) |
|
|
Сопредел тся: масса кр сталлов (т Мг) плюс содержание в маточном приравнрастворе (2,54 – 0,254 т) Мг. Составляя баланс кристаллизации, т. е.
вая пр ход КCl к его расходу, получим
3,62 = m + (2,54 – 0,254 т).
ледовательно, 1,08 = 0,746 m, или m = 1,45 Mг.
II способ.
56,7 г KCl в 100 г H2О.
Общая масса 100 + 56,7 = 156,7 г. 56,7 – в 156,7 г раствора
|
x1 – в 100 г |
|
|
x1 = 36,2бг НCl. С = 36,2%. |
|||
В 10 г – 3,62 г КCl. |
|||
При 20°С. |
|
|
|
34 |
г – в 100 |
г воды, а 34 г + 100 = 134 г раствора, то |
|
34 |
г – в 134 |
г |
А |
|
x2 – в 100 г |
|
|
x2 = 25,4 г. С2 = 25,4%.
В исходном растворе 10 – 3,62 = 6,38 г воды.
z |
– z + 6,38 |
|
Д |
25,4 |
г – в 100 г |
|
|
|
|
||
100·z = 25,4· z + 25,4·6,38 |
|
||
76,4· z = 162,052; |
z = 2,17 |
|
|
3,62 |
– 2,17 = 1,45 |
г. |
|
Ответ: Выход кристаллов хлорида калия составляет 1,45 г. |
|||
|
|
|
И |
Пример 3. Аккумуляторную кислоту, содержащую 92,5% |
|||
H2SО4, нужно разбавить водой до содержания в ней 28,5% H2SО4. Сколько нужно взять воды на 100 кг разбавляемой кислоты?
Решение. Обозначим количество воды через х. Тогда количество приготовленной кислоты равно (100 + х) кг. В 100 кг аккумуляторной, а следовательно, и в (100 + х) кг приготовленной кислоты содержится
10
Таким образом100+, |
= 0,285, или = 0,285 |
−100 = 224,6 |
|
|
92,5 кг моногидрата, которые должны составить в ней 28,5% H2SO4. |
||||
Отсюда имеем 92,5 |
92,5 |
|
кг. |
|
для получения 28,5%-ной кислоты требуется на разбавление 100 кг 92,5%-ной кислоты брать 224,6 кг воды.
Ответ: Общее количество полученной при этом 28,5%-ной кислоты составит 324,5 кг.
Пр мер 4. Свежедобытый торф имел состав: влага – 85,2%; кокс – 5,2%; летуч е – 8,8%; зола – 0,5%. После воздушной сушки содержан е влаги в нем оказалось 10%. Подсчитать состав торфа после
сушки. |
|
С |
|
Решен е. В 100 кг свежедо ытого торфа содержится воды – 85,2 |
|
кг; кокса – 5,2 кг; |
х – 8,8 кг; золы – 0,5 кг. |
100 кг – x удалено воды – 100% |
|
85,2 – x осталось воды – 10%.
Пример 5. Сколько нужно взять купоросного масла концентрации 96% и серной кислоты концентрации 64%, чтобы получить
(100 – x) · 10 = (85,2 – x) · 100; 90x = 7 520; |
||||
летучи |
||||
x = 83,5 г – воды удалено. |
||||
Масса высохшего торфа 100 – 83,5 = 16,5 г. |
||||
Если 16,5 г это 100% |
||||
б5,2 – x1; x1 = 31,5% – кокса |
||||
8,8 |
– |
x2; x2 = 53,3% – летучих |
||
0,5 |
– |
x3; x3 = 3,0% – золы |
||
85,2 – 83,5 = 1,7 – x4; x4 = 10,3% – воды |
||||
|
|
|
А |
|
|
|
100% |
||
Ответ: Состав торфа после сушки составит: влаги – 10,3%, кокса |
||||
– 31,5%, летучих – 53,3%, золы – 3,0%. |
||||
|
|
|
Д |
|
2800 кг 92%-ной кислоты?
Решение. I способ. Обозначим: х–масса купоросного масла и у–
масса 64%-ной кислоты, идущей на смешение. |
|
||||
Тогда |
x + y = 2800 кг. |
|
|
(а) |
|
Смешивая купоросное масло и 64%-нуюИсерную кислоту, мы |
|||||
вводим моногидрата H2SO4: с купоросным маслом 0,96х кг, с серной |
|||||
кислотой 0,64г/ кг, а всего (0,96х+0,64у) кг. Это количество моногид- |
|||||
рата H2SO4 |
содержится в 2800 кг вновь приготовленной кислоты, со- |
||||
Таким образом, |
2800 |
= 0,92 |
. |
(б) |
|
0,96 +0,64 |
|
||||
ставляя 92,0% ее. |
|
|
|
|
|
11
x = |
2 800 ∙ |
0,96−0,64 |
= 2 450 |
кг; y = 2 800 – 2 450 = 350 кг. |
||
|
|
0,92−0,64 |
|
|||
Решая совместно уравнения (а) и (б), получим |
||||||
II способ. |
|
28 вес. части – x1 |
||||
96% |
|
|
||||
С |
|
|
|
|||
|
92% |
|
|
|
– x2 |
|
64% |
|
|
4 вес. части |
|||
Всего 28 + 4 = 32 вес. части = 2 800 кг |
||||||
2800 кг – |
32 вес. части |
|
||||
части |
|
|||||
x1 кг – |
28 вес. частей; |
x1 = 2 450 кг – купоросного масла |
||||
2800 кг |
– |
32 вес. |
|
|
||
x2 кг – |
4 вес. |
; x2 = 350 кг – серной кислоты |
||||
Ответ: Для получения 2 800 кг 92%-ной кислоты нужно взять: |
||||||
|
б |
|||||
2450 кг купоросного масла 350 кг серной кислоты. |
||||||
Пр мер 6. Х м ческий анализ природного известняка показал |
||||||
следующее: |
з навески 1,0312 г путем ее растворения, последующего |
|||||
|
|
|
|
А |
||
осаждения ионов Са 2+ |
щавелевокислым аммонием и прокаливания |
|||||
осадка СаС2O4 получено 0,5384 г СаО; из навески 0,3220 г путем разложения кислотой получено 68,5 см3 СO2 (приведенных к нормальным условиям). Подсчитать содержание углекислого кальция и магния в известняке, если весь кальций в нем находится в виде СаСО3, а угольная кислота – в виде карбонатов кальция и магния.
Решение. Молекулярная масса СаО – 56,08, СO2 – 44,0, СаСO3 –
100,1 и MgCO3 |
– 84,32. |
Мольный объем СO2 – 22,26 м3/кмоль |
|||
ка получено: |
|
1,0312∙56,08 |
= 0,931Д |
||
|
0,5384∙100 |
|
|
моль СаО; |
|
(22 260 см3/моль). По данным анализа, из 100 г природного известня- |
|||||
Отсюда |
|
68,5∙100 |
= 0,956 |
моль СО2. |
|
|
0,322∙22260 |
|
|||
|
следует, что в 100 |
г известняка содержится 0,931 моль, |
|||
или 0,931 – 100,1 = 93,2 г СаСO3. На это количество СаСО3 выделится |
|||||
при разложении 0,931 моль СO2. |
|
И |
|||
Остальные 0,956 – 0,931=0,025 моль СO2 связаны в известняке в виде MgCO3. Следовательно, в 100 г известняка содержится
0,025 · 84,32 = 2,1 г MgCO3. Таким образом, пустой породы со-
держится 100 – (93,2 + 2,1) = 4,7%.
Ответ: Природный известняк содержит: 93,2% – СаСO3, 2,1% – MgCO3 и 4,7% пустой породы.
12
Пример 7. На упаривание поступает 9 200 кг 56%-ного раствора аммиачной селитры NH4NO3. После упаривания получается 5 350 кг раствора с концентрацией 96% NH4NO3. Составить материальный баланс процесса упаривания.
Решение. В выпарной аппарат поступает 9 200 кг раствора аммиачной селитры. Расходная часть процесса упаривания будет составляться: а) из выпаренного раствора аммиачной селитры в количестве 5 350 кг; б) втор чного пара (пара, выделяющегося из раствора); в)
производственных потерь, которые подсчитываются по разности меж- |
||
ду массой поступающего в аппарат раствора и количеством выпарен- |
||
Сного раствора втор чного пара. Подсчитаем количество пара, удаля- |
||
ющегося з раствора |
селитры в выпарном аппарате (в кг): |
|
Кол чество растворителя (воды), поступающего на выпаривание |
||
с 56%-ным раствором селитры |
|
9 200(1 – 0,56) = 4 048 |
Кол чество растворителя (воды), уходящего из выпарного аппа- |
||
аммиачной |
|
5 350 (1 – 0,96) = 214 |
рата с выпаренным раствором селитры |
||
Кол чество растворителя (воды), удаляющегося из раствора в |
||
виде вторичного пара |
|
4 048 – 214 = 3 834 |
Количество выпаренного раствора и вторичного пара |
||
б |
5 350 + 3 834 = 9 184 |
|
|
|
|
Производственные потери |
|
9 200 – 9 184 = 16 |
Сведем результаты подсчетов в таблицу материального баланса. |
||||
Материальный баланс процесса упаривания аммиачной селитры |
||||
|
А |
|
||
Приход |
|
|
Расход |
|
Статья прихода |
|
Количе- |
Статья расхода |
Количе- |
|
|
ство, кг |
|
ство, кг |
Раствор неупаренный ам- |
9 200 |
Раствор выпаренный |
5 350 |
|
миачной селитры (кон- |
|
(концентрация 96%) .... |
|
|
центрация 56%) .... |
|
|
Д |
|
|
|
Пар вторичный ..... |
3 834 |
|
|
|
|
Производственные потери |
16 |
Итого .... |
|
9 200 |
Итого .... |
9 200 |
Пример 8. На кристаллизацию поступаетИ5 000 кг 96%-ного раствора (плава) аммиачной селитры. Готовый продукт (аммиачная селитра) содержит 99,8% NH4NO3 и 0,2% влаги. Составить матери-
альный баланс процесса кристаллизации.
Решение (в кг). Количество безводной селитры NH4NO3 в
первоначальном растворе |
5 000 ∙ 0,96 = 4 800 |
Количество влаги в этом растворе |
5 000 – 4 800 = 200 |
13
Количество готового продукта, полученного после кристаллиза-
ции |
4 800:0,998 = 4 810 |
Количество влаги в готовом продукте 4 810 – 4 800 = 10 Количество влаги, удаленной в виде паров во время кристалли-
зации |
|
|
|
|
|
|
|
200 – 10= 190 |
|
|
|
С |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Результаты подсчетов представим в виде таблицы. |
|
|
||||||||
|
Материальный баланс процесса кристаллизации аммиачной селитры |
||||||||||
|
Приход |
|
|
|
|
|
|
|
Расход |
|
|
|
татья пр хода |
|
|
|
Количе- |
Статья расхода |
Количе- |
|
|||
|
Влаги |
ство, кг |
|
ство, кг |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Раствор сел тры (плав) |
5 000 |
Готовый продукт (селитра) |
4 810 |
|
||||||
|
В нем: NH4NO3 – 4800 |
|
|
|
в нем: NH4NO3 – 4800 |
|
|
||||
|
|
– 200 |
|
|
|
|
|
|
Влаги – 10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пары воды из раствора селитры |
190 |
|
|
Итого .... |
|
|
|
|
5 000 |
Итого .... |
5 000 |
|
||
|
Пр мер 9. Раствор сернокислой меди CuSO4 в процессе кри- |
||||||||||
сталлизац |
охлаждается со 100 до 20 °С. Определить количество по- |
||||||||||
|
|
|
|
|
А |
|
|
||||
лученного при этом медного купороса CuSO4-5H2O из 1 кг начального |
|||||||||||
раствора CuSOб4, если растворимость сернокислой меди при 100 °С |
|||||||||||
равна 75 г, а при 20 °С равна 20,7 г на 100 г воды. |
|
|
|||||||||
|
Решение. О означим массу медного купороса, получаемого из 1 |
||||||||||
кг начального раствора CuSO4, через т кг. Отсюда масса маточного |
|||||||||||
раствора (1-т) кг. |
= 42,86% |
|
|
|
|
|
|||||
|
cнач = |
75+100 |
, |
|
|
|
|
||||
|
75∙100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Начальная концентрация сернокислой меди |
|
|
||||||||
|
cнач = |
20,7+100 |
= 17,15% |
. |
Д |
||||||
|
20,7∙100 |
|
|
|
|
||||||
|
конечная концентрация сернокислой меди |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
И |
||
|
Составляем баланс приходной и расходной частей процесса |
||||||||||
кристаллизации CuSO4. |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
Приход |
|
|
|
|
|
||||
|
Масса CuSO4 |
в 1 кг начального раствора при 100 °С 0,4286 кг |
|||||||||
|
|
Расход |
|
|
· 5Н2О = 249) 159 кг |
|
|
||||
(мол. масса CuSO4 |
=159, CuSO4 |
|
|
||||||||
|
Масса CuSO4 |
в полученном медном купоросе |
|
|
|||||||
|
Масса CuSО |
4 |
|
|
|
|
°С 0,1715(1 – т) кг. |
||||
|
|
в маточном растворе при 20249 |
|
|
|||||||
14
|
Таким образом, |
кг. |
159 |
|
|
|
||
|
Отсюда m =0,55 |
249 + 0,1715 ∙(1 − ). |
|
|||||
|
0,4286 = |
|
||||||
|
Результаты подсчетов представим в виде таблицы. |
|
||||||
|
Материальный баланс процесса кристаллизации медного купороса |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Приход |
|
|
|
|
Расход |
|
|
|
татья прихода |
|
Количе- |
|
|
Статья расхода |
Количе- |
|
|
|
|
ство, кг |
|
|
|
|
ство, кг |
|
Раствор CuSO4 (при |
|
1,00 |
|
Медный купорос CuSO4· Н2O |
0,55 |
||
|
100 ° ) с содержан ем |
|
|
|
Маточный раствор (при 20 °С) с |
|
||
|
75∙100 |
|
|
|
содержанием |
20,7∙100 |
0,45 |
|
С |
|
|
|
|
|
20,7+100 = 17,15% |
|
|
|
CuSO4 |
|
|
|
CuSO4 |
|
||
75+100 = 42,86% |
|
|
|
|
||||
|
Итого .... |
|
1,00 |
|
Итого .... |
|
1,00 |
|
Пр мер 10. Какой концентрации и в каком количестве надо
взять серную к слоту ( ли олеум), |
при смешении ее с 72 %-ной |
|||
азотнойполучитьк слотой 1 800 кг смеси состава: 62% – H2SO4, |
||||
30% – HNO3 |
8% – Н2O? |
|
|
|
Решение. Смесь (конечный продукт) должна содержать (в кг): |
||||
Серной кислоты H2SО4 |
1 800 ∙ 0,62 = 1 116 |
|||
|
чтобы |
|
||
Азотной кислоты HNО3 |
1 800 ∙ 0,30= 540 |
|||
Воды |
|
|
1800 ∙ 0,03= 144 |
|
Для получения в конечном продукте 540 кг моногидрата HNO3 |
||||
необходимо |
взять 72%-ной азотной кислоты 540:0,72 = 750 кг. |
|||
|
|
А |
||
|
|
|
Д |
|
Остальные 1 800 – 750 = 1 050 кг приходятся на серную кислоту (или |
||||
олеум), концентрация которой определится следующим образом. |
||||
Вместе с 750 кг 72%-ной азотной кислоты вводится 750 – 540 = 210 кг |
||||
Н2О. В кислотной смеси должно содержаться 144 кг воды. Следовательно, с азотной кислотой вводится избыток воды в ко-
личестве 210 – 144 = 66 кг.
Таким образом, для смешения следует брать олеум (в количестве 1 050 кг, см. раньше), для того чтобы свободный SО3 олеума связал эту избыточную воду SO3 + Н2О = H2SO4
|
|
80,1 |
18,0 |
98,1 |
И |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Следовательно, на 66 кг избыточной воды потребуется |
|||||||
66∙80,1 |
|
кг SO3. |
|
|
|
|
|
Значит, в 1 050 кг олеума должно содержаться 293,7 кг свобод- |
|||||||
18,0 |
= 293,7 |
|
293,7∙100 |
|
|
|
|
ного SO3, что составит |
|
|
(крепость олеума). |
||||
Ответ: Олеума |
необходимо взять 1 050 кг, это составит 27,96%. |
||||||
1050 |
|
= 27,96% |
|
||||
15
Пример 11. Из 1 200 кг смеси кислот (I) состава: 68% – H2SO4, 22% – HNO3 и 10% – Н2O необходимо приготовить 2 000 кг смеси (II), содержащей 63% – H2SO4, 28% – HNO3 и 9% – Н2O. Для дозировки имеются 82%-ная азотная кислота, 92%-ная серная кислота (купоросное масло) и 20%-ный олеум, который соответствует 104,5%-ной концентрации H2SO4. Сколько требуется взять азотной кислоты, купоросного масла и олеума?
Решен е. Смесь (II) должна содержать моногидрата HNO3 –
2 000 · 0,28 = 560 кг. |
|
о смесью к слот (I) вводится HNO3 – 1 200 · 0,22 = 264 кг. |
|
Следовательно, 560 – 264 = 296 кг HNО3 необходимо ввести, |
|
пользуясь меющейся 82%-ной азотной кислотой. Количество по- |
|
следней состав т 296 |
кг. |
000 – (1 200 + 361) = 439 кг исходного продукта |
|
Остальные 20,82 = 361 |
|
должныибыть компенс рованы серной кислотой или олеумом, кон- |
|
центрац я которых определится следующим образом. |
|
Смесь (I) содерж т 1 |
200 ∙ 0,1 = 120 кг воды. Кроме того, вво- |
дится ее с азотной кислотой 361 ∙ 0,18 = 65 кг. Следовательно, добав- |
|
ляя в 1 200бкг смеси (I) 361 кг 82%-ной азотной кислоты, получаем |
|
1 561 кг новой смеси, содержащей 120 + 65 = 185 кг воды. |
|
В заданной смеси (II) должно содержаться воды 2 000 ∙ 0,9 = 180 кг. |
|
Таким образом, с азотнойАкислотой введен избыток воды в количестве 5кг. Значит, недостающие 439 кг исходного продукта (см. раньше) для приготовления 2 000 кг смеси (II) следует компенсировать олеумом, свободный
SO3 которого должен связать этот избыток воды.
Концентрация олеума: на 5 кг избыточной воды требуется SO3 |
||||||
для образования H2SO4 80,1∙5 |
Дкг. |
|||||
Это количество SO3 вводят с 439 кг олеума. Отсюда в последнем |
||||||
|
18,0 |
= 22,25 |
|
|
|
|
должно содержаться свободного SO3 |
22,25∙100 |
|
. |
|
||
Олеум такой |
концентрации |
тветствует 0,225∙5,07+100 = |
||||
соo439 |
= 5,07% |
|
|
|||
=101,14%-ной концентрации H2SO4 |
(для подсчета крепости олеума в |
|||||
|
|
|
|
И |
||
процентах H2SO4 в зависимости от содержания в нем свободного SO3 |
||||||
(x%) служит формула 93,1 |
|
|
|
|
H2SO4). |
|
По условиям |
задачи имеется 20%-ный олеум и 92%-ная серная |
|||||
80,1 + (100 − ) = (0,225 + 100)% |
|
|||||
кислота. Подсчитаем, сколько требуется взять их для приготовления 5,07%-ного олеума. Рассчитываем по правилу прямой (рис. 2). На 439
16
кг 5,07%-ного олеума нужно брать 20%-ного олеума9,14∙439 |
= 321 |
кг и |
|
92%-ной серной кислоты 439 – 321 = 118 кг. |
12,5 |
|
|
Рис. 2. Правило прямой
Ответ: Для пр готовления 2 000 кг смеси (II) указанного выше
состава следует взять: Смеси (I) |
1 200 кг |
82%-ной азотной кислоты |
361 кг |
С20%-ного олеума |
321 кг |
92%-ной серной кислоты |
118 кг |
натрия |
|
Пр мер 12. Сколько можно получить (теоретически) бихромата |
|
Na2Cr2O7 з 1 кг хромистого железняка, содержащего 70% |
|
Cr2O3· FeO. Мол. масса Cr2O3 ·FeO 223,8, Na2Cr2O7 262. |
|
Решен е. Процесс получения Na2Cr2О7 |
из хромистого железняка |
схематически можно выразить уравнениями |
|
2[Cr2O3 · FeO] + 4Na2CO3 + 3,5O2 → 4Na2CrO4 + Fe2O3 + 4CO2, |
|
б |
+ 2Na2SO4 + 2H2O |
4Na2CrO4 + 2H2SO4 → 2Na2Cr2O7 |
|
Отсюда следует, что 1 кмоль (223,8 кг) Cr2O3·FeO дает в резуль- |
|
А |
|
тате реакции 1 кмоль (262 кг) бихромата натрия Na2Cr2O7. Если в руде |
|
содержится 70% хромистого железняка, то для получения тех же 262 |
|
кг Na2Cr2O7 потребуется руды 223,8 ∙ 0,70 = 320 кг. Следовательно, из 1 кг хромистого железняка, содержащего 70% Cr2O3·FeO, можно теоретически получить 262 : 320 = 0,82 кг Na2Cr2O7.
Ответ: Бихромата натрия(теоретически) можно получить 0,82 кг. |
|
Пример 13. Сколько |
Д |
потребуется аммиака для получения |
|
1 г азотной кислоты, если |
производственные потери азота состав- |
ляют 6% ? |
|
Решение. Получение азотной кислотыИиз аммиака идет в несколько стадий: сначала аммиак окисляется в оксид азота (II), затем в оксид азота (II), который многократным поглощением водой или слабой азотной кислотой превращается в HNO3. Схематически это можно представить следующими реакциями:
4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O,
NO + O2 → 2NO2,
3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO
17
Если расчет вести последовательно по всем реакциям, то он будет громоздким. Расчет упростится, если все три реакции заменить одной схемой превращения начального продукта NH3 в конечный
HNO3 ( NH3 → HNO3).
Отсюда следует, что из одного киломоля (17,0 кг) NH3 теорети- |
||||
Ответ: Для получения 1 кг HNO с учетом |
63 |
= 0,245 |
|
|
С |
|
|
|
|
чески получается один киломоль (63,0 кг) HNO3. Для получения 1 кг |
||||
HNO3 с учетом 6% потерь потребуется NH3 : 0,94·17 |
|
кг. |
||
|
3 |
6% потерь потребует- |
||
ся NH3 – 0,245 кг.
ние в руде апат та нефелина, если принять их химические формулы соoтветственно 3Са3(РO4)2 · СаС12 · 2CaF2 и
апатитаПр мер 14. Анал з нефелиноапатитовой руды показал, что она содерж 20,6% – Р2O5 и 8% – А12O3. Подсчитать отдельно содержа-
Na2O · К2O · А12O3 · 4SiO2 и если весь P2O5 в руде связан в виде
, А12O3 – в в де нефелина.
Решен е. Молекулярные массы: апатита 1198,0, нефелина 498,3,
окиси алюм н я 101,9, полупятиокиси фосфора 142,1. Химическая |
||||||||
формула апатита показывает, что в состав его молекулы входят 6 ато- |
||||||||
мов фосфораб, которые соoтветствуют трем молекулам P2O5. |
||||||||
вать содержанию апатита в количестве |
20,6∙1198,0 |
|
%. |
|||||
Следовательно, 20,6% Р2О5 |
в составе руды будут соoтветство- |
|||||||
|
|
Д |
||||||
личеству в ней А12O3А, получим 8,0∙498,3 %. |
|
|||||||
Делая аналогичный подсчет |
содержания нефелина в руде по ко- |
|||||||
|
|
|
142,1∙3 |
= 57,9 |
|
|||
|
|
|
|
|||||
Таким образом, пустой |
породы содержится 100–57,9 – 39,1=3%. |
|||||||
101,9 |
|
= 39,1 |
|
|
||||
Ответ: В апатитонефелиновой руде содержится 57,9% апатита, |
||||||||
39,1% нефелина и 3,0% пустой породы. |
И |
|||||||
|
|
|
||||||
Пример 15. Негашеная известь содержит 94% – СаО, 1,2% – СО2 и 4,8% примесей. Получается она обжигом известняка, содержащего 89% – СаСО3. Определить расходный коэффициент известняка на 1 т извести указанного состава и степень обжига известняка.
Примечание. СO2 в негашеной извести получается из-за наличия в ней карбонатов (СаСO3), количество которых определяет степень обжига известняка.
Решение. Молекулярная масса СаО – 56,1, СO2 – 44,0 и СаСО3 – |
||||
Кроме того, СаСO |
56,1 ∙ |
|
94 = 1,677 |
|
100,1. Для образования 94% СаО |
содержащихся в 1 т негашеной из- |
|||
вести, потребуется СаСO3. 100,1 |
0, |
|
кг. |
|
3 |
содержится в негашеной извести в виде не- |
|||
18
Таким образом, на 1 кг негашеной |
|
44,0 ∙0,012 = 0,027 |
кг. |
||||||
полного обжига (недопала) в количестве |
100,1 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
извести расходуется СаСО3 |
||||
1,677 + 0,027 = 1,704 кг, что составит 1,704 |
|
кг известняка |
|||||||
Ответ: |
|
обжига |
|
1,704 |
|
= 98,4 |
|
|
|
|
обжига известняка |
1,677∙100 |
%. |
|
|
||||
(содержащего 89% СаСО3). |
|
|
|
0,89 |
= 1,91 |
|
|
||
Степень |
|
известняка 98,4%. |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
||||
Пр мер 16. Определить состав генераторного газа, если в генератор поступает паровоздушная смесь в отношении 1:3, т. е. на 1 объем водяного пара 3 объема воздуха.
Пр мечан е. Состав воздуха (по объему): 21% - О2 |
и 79% - N2. |
|
|||||
Решен е. В 100 м3 паровоздушной смеси при соотношении в ней |
|||||||
иО2 - 0,21· |
|
4 |
|
= 25 |
, |
, |
|
Н2O (пар) |
100∙1 |
|
|
|
|||
водяного пара воздуха 1:3 содержится (в м3): |
|
|
|
||||
N2 - 0,79· |
4 |
|
= 15,75 . |
|
|||
100∙3 |
|
|
|
|
|
||
|
100∙3 |
|
|
|
|
|
|
реакции (теоретически) |
|
||||||
При газификациибпротекают 4 |
= 59,25 |
|
|
||||
C + H2O = H2 + CO и 2С + O2 = 2CO |
|
|
|
|
|
||
Таким образом, из 1 о ъема Н2O получается 1 объем Н2 |
и 1 объ- |
||||||
ем СО, а из 1 объема O2 о разуется 2 объема СО. |
|
|
|||||
Следовательно, на каждые 100 м3 |
паровоздушной смеси при со- |
||||||
держании в ней 25 мА– Н2O и 15,75 м – O2 получается 25 м |
– Н2, 25 |
||||||
3 |
3 |
|
|
|
|
3 |
|
м3 – СО (за счет Н2O) и 15,75·2 = 31,5 м3 – СО (за счет O2); останутся непрореагировавшими 59,25 м3 азота. Всего из 100 м3 паровоздушной
смеси образуется (25 + 25 + 31,5 + 59,25) = 140,75 м3 |
газа; теоретиче- |
|||||
ский состав его (в %): H2 |
- 25∙100 |
Д; CO - (25+31,5)∙100 |
; N2 – |
|||
59,25∙100 |
. |
140,75 |
= 17,8 |
140,75 |
= 40,1 |
|
Ответ: Теоретический состав генераторного газа: H2 – 17,8%, CO |
||||||
140,75 |
= 42,1 |
|
|
И |
||
– 40,1%, N2 – 42,1%. |
|
|
||||
|
|
|
|
|||
19