Методички:

1)Химические процессы и реакторы 5224, 2) Материальный баланс ХТС 4260

ОХТ, семинар №1

Пример 1. Определить расходные коэффициенты в производстве 1 т технического CaO из известняка. Технический CaO содержит, мас.%: CaО 92%; CO₂ 2,4% ; примеси ост. М.массы: CaO – 56; CaСO₃ – 100; СО₂ – 44.

CaСO₃ = CaO + CO₂

Решение. В соответствии со стехиометрией реакции количество превращенного CaСO₃ для получения 920 кг CaO составит:

кг.

CO₂ содержится в составе технического CaO в виде необожженного карбоната кальция в количестве:

или 55 кг.

На долю примесей приходится: 100-92-5,5 = 2,5 мас.% или 25 кг.

Необходимое количество известняка составит: 1643+ 55+25 = 1723 кг.

Расходный коэффициент по сырью: К_с=1,723 т/т

Пример 2. Определить расходные коэффициенты в производстве 1 т технического карбида кальция, содержащего, мас.%: CaC₂ 78%; CaO 15% ; C 3% ; прочие примеси  4%. Известь содержит 96,5 мас.% СаO, ост. примеси. В коксе содержатся, мас.%: золы  4; летучих  4, влаги  3. Мол. массы: CaC₂  64, CaO  56.

Решение. Карбид кальция получается согласно уравнению:

CaO + 3C = CaС₂ + CO

Расход извести: В 1 т продукта содержится 780 кг СаС₂; на образование этого количества СаС₂ по стехиометрическому соотношению требуется СаО:

кг

Кроме того, в техническом продукте содержится не прореагировавший СаО в количестве:

1000·0,15 = 150 кг

Расход СаО:

675 +150 = 825 кг

Расходный коэффициент по технической извести К_1:

К₁ = 0,85 т/т

Расход кокса.

Содержание углерода в коксе: 100 (4+ 4+ 3) = 89 мас.%

На образование 780 кг СаС₂ расходуется углерода:

В готовом продукте содержится не превращенный углерод:

1000 0.03 = 30 кг

Расход углерода 440 + 30 = 470 кг

Расходный коэффициент по коксу К₂:

К₂ =

Пример 3. Составить материальный баланс (ДЗ) и определить расходные коэффициенты по сырью при разложении 1000 кг апатитового концентрата (содержание Р₂О₅ = 33 мас.%) с помощью 60 мас.% серной кислоты, подаваемой с 10% избытком от теоретического значения. Мол. массы:

Са₅F(РО₄)₃ – 504; Ca(H₂PO₄)₂ – 234; Р₂О₅ – 142; H₂SO₄ . – 98; HF – 20.

Процесс описывается уравнением:

2Са₅F(РО₄)₃ + 7H₂SO₄ = 3Ca(H₂PO₄)₂ + 7CaSO₄ + 2HF

Решение. С учётом того, на 2Са₅F(РО₄)₃ приходятся 3 молекулы Р₂О₅ в 1000 кг апатитового концентрата содержится:

кг Са₅F(РО₄)₃, остальное 1000-781 = 219 кг- примеси

По уравнению реакции при разложении 781 кг Са₅F(РО₄)₃образуется:

кг Ca(H₂PO₄)₂

Расходный коэффициент по апатитовому концентрату составит:

т/т продукта

Таблица 1. Материальный баланс

Приход	кг/ч	Расход	кг/ч
Апатитовый концентрат: Са5F(РО4)3 примеси	1000	Ca(H2PO4)2 примеси	363 219
	781
	219
Серная кислота, р/р:	?	CaSO4	?
H2SO4 ,100%	?	HF	?
Вода	?	Вода	?

Итого  

Пример 4.

Составить материальный баланс и найти расходные коэффициенты по метану, водяному пару и энергии (тепла) в процессе получения водорода путем конверсии метана водяным паром, описываемой реакцией:

СН₄ + Н₂О = СО + 3Н₂ – Q_р (206,4 кДж)

Паров воды (в кмоль) поступает в 6 раз больше, чем метана, степень превращения метана х_СН4 = 0,98. (х_СН4 = ∆V / V ).

Расчёт вести на 1000 м³/ч водорода.

Решение.

Количество метана, превращенное в Н₂:

∆V ^.= = 1000/3 = 333,3 м³/ч или 238,1 кг/ч.

Исходное количество метана:

V м³/ч или кг/ч.

Исходное количество водяного пара:

V ₀ = 6 V = 2040,6 м³/ч или 1639 кг/ч.

Оставшееся количество водяного пара V = V ₀  V ^.х_СН4 =

2040,6 –340,1 0,98 = 1707,3 м³/ч или 1371,9 кг/ч.

Кол-во оставшегося метана: 340,10,02 = 6,8 м³/ч или 340,1 – 333,3 =6,8 м³/ч.

Данные расчёта материального баланса сведем в табл.2.

Таблица 2. Материальный баланс паровой конверсии метана

Приход				Расход
Вещество	кг/ч	м3/ч		Вещество	кг/ч	м3/ч
СН4	242,9	340,1		Н2	89,3	1000
Н2О	1639	2026,8		СО	416,6	333,3
				СН4	4,8	6,8
				Н2О	1371,9	1707,3
Итого	1882	2366,9		Итого	1882	3047,4

Количество подведенного тепла в процессе :

q = Q_р·V_СО·10³/22,4 = 206,4333,3·10³/22,4 = 3071 кДж/ч

Расходный коэффициент по тепловой энергии (без учета потерь тепла в окружающую среду и предварительного нагрева реакционной смеси):

кДж/кг_Н2

Задачи (ДЗ)

1. Составить материальный баланс и определить расходный коэффициент по руде, содержащей сульфид цинка, для получения 1000 м³/ч SO₂ при обжиге руды в потоке воздуха. Руда содержит 24 мас.% серы. Химическая реакция:

2ZnS + 3O₂ 2ZnO + 2SO₂

Степень выгорания серы из руды равна 94%.

2. Найти производительность реактора окисления диоксида серы по триоксиду серы (в м³/с), в который поступает реакционная смесь с расходом 10 м³/с и содержащая 9 об.% SO₂ и 11 об.% О₂, остальное азот. Концентрация триоксида серы в газе на выходе из реактора равна 8,0 об.%.

SO₂ + 0,5 O₂ = SO₃.

3. Составить материальный баланс и определить расходные коэффициенты при получении анилина путем каталитического гидрирования нитробензола в соответствии с реакцией:

С₆Н₅NO₂ + H₂ = С₆Н₅NН₂ + Н₂O

Производительность установки по анилину равна 15 т/сутки, состав технического нитробензола, подаваемого в реактор, мас.%: нитробензол – 98,5 и бензол -1,5. Мольное отношение нитробензол : водород = 1 : 3, выход анилина (степень превращения нитробензола в анилин) равен 98%.

5