Расчеты материальных и тепловых балансов в технологии минеральных удобрений. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФГБОУ ВО «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»

О.А. КОЗАДЕРОВА, С.И. НИФТАЛИЕВ

РАСЧЕТЫ МАТЕРИАЛЬНЫХ И ТЕПЛОВЫХ БАЛАНСОВ

В ТЕХНОЛОГИИ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

ВОРОНЕЖ

2018

1

ОТ АВТОРОВ

В учебном пособии рассматриваются примеры расчетов материальных и тепловых балансов в технологии минеральных удобрений: карбамида, аммиачной селитры, простого суперфосфата, двойного суперфосфата, аммофоса и хлорида калия.

Прежде чем приступать к составлению материального и теплового баланса определенной стадии изучаемого технологического процесса, необходимо четко представлять себе основные этапы производства целевого продукта, закономерности протекания отдельных реакций. В связи с этим в начале каждой части, посвященной определенному минеральному удобрению, коротко дается необходимый теоретический материал.

Пособие содержит задачи для самостоятельной работы обучающихся, которые могут быть выданы студентам в качестве домашней или аудиторной контрольной работы, а также быть включены в задание по курсовому проектированию по дисциплине «Химическая технология неорганических веществ».

3

МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНСЫ ТЕХНОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Задачей расчетов в химической технологии является оценка экономичности процесса, выяснение объема затрат и определение себестоимости продукции. На основе сравнительного техникоэкономического анализа можно определить оптимальные условия осуществления процесса.

Главными показателями, характеризующими техникоэкономическую эффективность технологического процесса, являются: расход сырья и энергии на единицу продукции; выход и качество продукта; интенсивность процесса; капитальные затраты на производство; себестоимость продукции.

Первой обязательной частью любого технологического процесса является материальный расчет количественных соотношений реагирующих масс и энергии, т. е. определение расходных норм сырья (энергии, времени), выхода основного продукта, побочных веществ, полупродуктов и отходов производства.

В основе материального баланса химических процессов лежит закон сохранения массы:

mисх. = mконечн.,

где mисх. – массы исходных реагентов; mконечн. – массы продуктов, полученных в ходе процесса.

Основой материального баланса химического процесса является стехиометрическое уравнение:

аA + bB = cC + dD.

Если в технологический процесс поступают определенная масса вещества А (m(А) и вещества В (m(В), а в результате получается какая-то масса продукта С (m(C) и D (m(D), а также в реакционной смеси по окончании процесса остается часть непрореагировавших

4

начальных веществ – m1(А) и m1(В) – и возможны производственныепотери– Δm, то должно выполняться равенство:

m(A) + m(B) = m (C) + m(D) + m1(A) + m1(B) + Δm.

Материальный баланс позволяет контролировать расходы сырья, оценивать правильность протекания отдельных стадий технологического процесса, точность проведения анализов и измерений. Если между величинами масс введенных веществ и полученных продуктов есть разница (сальдо), то возможно при расчете производства не учли некоторые свойства веществ, недооценили дополнительные потери или протекание побочных реакций. Также на основании материального баланса (в совокупности с результатами энергетических и лабораторных исследований) можно выявить, что оборудование определенной стадии процесса нуждается в реконструкции.

Из материального баланса могут быть определены статьи «прихода» и «расхода». Приходная часть баланса включает вводимые вещества и факторы процесса, расходная – полученные вещества, непрореагировавшие вещества и потери (табл. 1).

5

Энергетический (тепловой) баланс любого аппарата может быть представлен в виде уравнения, связывающего приход и расход тепла процесса (аппарата). Энергетический баланс составляется на основе закона сохранения энергии, в соответствии с кото-

рым полная энергия изолированной системы есть величина по-

стоянная. Обычно, для химических процессов составляется тепловой баланс, уравнение которого задается выражением:

ΣQприход = ΣQрасход.

Применительно к тепловому балансу закон сохранения энергии формулируется следующим образом: приход теплоты в данном аппарате (или производственной операции) должен быть равен расходу теплоты в том же аппарате (или операции).

Для аппаратов (процессов) непрерывного действия тепловой баланс составляют на единицу времени, а для аппаратов (процессов) периодического действия – на время цикла (или отдельного периода) обработки.

Тепловой баланс рассчитывают по данным материального баланса с учетом тепловых эффектов химических реакций (экзотермических и эндотермических) и физических превращений (испарение, конденсация и т.п.), происходящих в аппарате с учетом подвода теплоты извне и отвода ее с продуктами реакции, а также через стенки аппарата. Тепловой баланс, подобно материальному, выражают в виде таблиц, схем или диаграмм. В приходные статьи теплового баланса, как правило, входят: физическая теплота, вносимая нагретыми веществами; теплота, развиваемая экзотермическими процессами; теплота, поступающая извне. В расходные статьи входят: физическая теплота, уносимая продуктами реакции; теплота, поглощаемая в эндотермических процессах (десорбция газов, парообразование, плавление, растворение); потери теплоты в окружающую среду.

В общем случае уравнение теплового баланса для определенного аппарата или узла технологического процесса имеет следующие составляющие:

6

где Qисх – теплота, вносимая реагентами, кДж; Qх.р – теплота, поступающая (или отводимая) при протекании химической реакции,

кДж; Qпрод – теплота, уносимая продуктами реакции, кДж; QТ – - тепловой эффект реакции, кДж/моль; ХА - степень превращения исходного реагента; nА - количество вещества реагентов, моль; mА, mR – массы входящих реагентов и выходящих продуктов, кг; iА, iR – энтальпия входящих реагентов и выходящих продуктов, кДж/кг; СA, СR – теплоемкость исходных веществ или продуктов, Дж/(кг К) или Дж/(м3 К); Т0– температура начала отсчета энтальпии, ºС (при расчетах в химико-технологических процессах часто температурой начала отсчета энтальпии является 0 ºС); ТА и ТR – температуры реагентов и продуктов соответственно, ºС.

Теплоемкости газов, участвующих в процессе, для данной температуры рассчитывают по уравнению (коэффициенты а0, а1, а2 – приведены в справочниках):

Если приходится иметь дело со смесями веществ, то необходимо знать теплоемкость смеси, которая вычисляется по закону аддитивности. Так, для смеси трех веществ в количестве G1, G2 и G3, имеющих теплоемкости С1, С2 и С3, теплоемкость находят по формуле:

7

где ω(n) – массовые доли компонентов смеси.

1. ПРОИЗВОДСТВО КАРБАМИДА

Синтез карбамида (NH2)2CO из аммиака и оксида углерода (IV) протекает в две стадии. В первой – происходит непосредственное соединение реагентов с образованием карбамата аммония:

Во второй стадии карбамат аммония отщепляет воду и превращается в карбамид:

Процесс протекает с образованием двух фаз: газообразной (NH3, СО2, Н2О) и жидкой, состоящей из расплавленных солей (карбамата аммония, карбамида, аммонийных солей и воды).

Оксид углерода (IV), очищенный от примесей и серосодержащих соединений, сжатый до 20 МПа и жидкий аммиак под давлением 20 МПа поступают в смеситель при температуре 80–100 °С. В смесителе обеспечивается мольное отношение NH3:CO2:H2O = 4,5 : 1,0 : 0,5. Из смесителя смесь, разогревшаяся за счет частичного образования карбамида до 175 °С, направляется в нижнюю часть колонны синтеза. В результате взаимодействия реагентов в колонне синтеза образуется плав, содержащий 34-35 % карбамида, 18-19 % карбамата аммония, 34-35 % аммиака и 10-11 % H2O. Далее плав после дросселирования подается на дистилляцию, выпарку, гранулирование.

8

1.1. Материальный баланс синтеза карбамида

Пример 1. Составить материальный баланс синтеза мочевины (получения плава), который осуществляется при абсолютном давлении в колонне синтеза 20 МПа и 200 °С. Исходный газ содержит 97 % мас. СО2 и 3 % мас. азота.

Данные для расчета:

–избыток аммиака составляет 125 % от стехиометрического количества;

–степень превращения карбамата аммония в мочевину 70 %;

–потери мочевины при дистилляции и упаривании 6,5 %;

–расчёт составить на 500 кг мочевины в виде готового продукта (сухого).

Решение

Найдем массу мочевины, которая должна образоваться в колонне синтеза для получения 500 кг готового продукта с учётом 6,5 % потерь при дистилляции и упаривании плава:

m((NH2)2CO) = 500 / (1 – 0,065) = 534,76 кг. ν((NH2)2CO) = 8,91 кмоль.

Вычислим массы аммиака и оксида углерода (IV), необходимые для получения 534,76 кг мочевины. По уравнениям (8) -

(9) находим:

m(NH3) = 302,94 кг; m(CO2 ) = 392,04 кг.

С учётом степени превращения образующегося карбамата аммония в мочевину и заданного избытка NН3 практический расход реагентов составит:

9

Здесь 2,25 – коэффициент, учитывающий избыток аммиака; 0,7 –

– степень превращения карбамата аммония в мочевину, доли единицы.

Определим массу инертных газов (азота), поступающих в колонну синтеза с оксидом углерода:

560 кг CO2 – 97 %, m (N2) – 3 %,

m(N2) = 17,32 кг.

По уравнению (8), зная, что в реакцию вступает 560,06 кг CO2, найдем массу карбамата аммония, образующегося в колонне (NН3 находится в избытке, поэтому расчет следует вести по CO2):

mобр (NH2COONH4 ) = 992,83 кг.

Вреакцию (9) вступает не 992,83 кг карбамата аммония, а

992,83 0,7 = 694,96 кг, т.к. степень превращения NH2COONH4 со-

ставляет 70 %. По уравнению (9) найдем, что из 694,96 кг NH2COONH4 образуется 534,6 кг мочевины NH2CONH2. Точно

так же по уравнению (9) находим, что из 992,83 кг NH2COONH4 с

учетом степени его превращения 70 % образуется 160,38 кг H2O. Количество неразложившегося карбамата (при степени пре-

вращения карбамата аммония в мочевину 70 %) составляет:

mост (NH2COONH4 ) = 992,83 0,3 = 297,85 кг.

Определим количество аммиака, уходящего с продуктом реакции. По реакции (8) находим, что на образование 992,83 кг

10