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

Найдем количество аммиака, необходимое для связывания фторсодержащих примесей (реакция (16):

mHF3PO4 = ωF m(H3PO4) = 0,0186 500 = 9,3 кг;

νF = 0,489 кмоль;

νF = 6 (по уравнению реакции);

νNH3 2

νNH3 = 0,489 /3= 0,163 кмоль;

mFNH3 = νNH3 М(NH3) = 0,163 17 = 2,8 кг.

Аналогично определим количество аммиака, необходимое для взаимодействия с H2SO4 (реакция (17):

νNH3 = 12 (по уравнению реакции);

νNH3 = 0,25 2 = 0,5 кмоль;νSO2

41

Общий расход аммиака на 500 кг фосфорной кислоты составит:

Итоги расчета расхода аммиака на нейтрализацию 500 кг фосфорной кислоты с массовой долей 32 % приведены в табл. 15.

5.2.Тепловой баланс сатурации

впроизводстве аммофоса

Пример 8. Используя данные предыдущего примера, составить тепловой баланс сатурации в производстве аммофоса на 500 кг фосфорной кислоты указанного выше состава. Температура: поступающей кислоты 60 °С; аммиака 27 °С; отходящей пульпы 103 °С. Теплоёмкость фосфорной кислоты принять равной 2,868 кДж/(кг ∙K), теплоёмкость пульпы 2,721 кДж/(кг ∙К).

Решение

В результате обработки фосфорной кислоты аммиаком образуется пульпа и испаряется некоторое количество воды. Состав образующейся массы определяется взаимодействием кислоты с содержащимися в ней примесями и аммиаком.

Приход теплоты

Определим количество выделившийся теплоты за счет химических реакций (14)-(17).

42

- при образовании моноаммонийфосфата (реакция (14), расчет по уравнению (3):

QNH4H2PO4 = m(NH3) QT =1,09 147 = 159 971 кДж; M(NH3)

-при образовании диаммонийфосфата (реакция (15):

Q(NH4 )2 HPO4 = ν(NH3) QT = 0,168 222 =37296кДж;

-при взаимодействии аммиака с кремнефтористоводородной кислотой (реакция (16):

Q(NH4 )2 SiF6 =0,082 159 =13 038 кДж;

- при взаимодействии с серной кислотой (реакция (17):

QH2SО4 =0,25 193,8 = 48 450 кДж.

Приход теплоты за счет химических реакций:

QХР = QNH4H2PO4 +Q(NH4 )2 HPO4 +Q(NH4 )2 SiF6 +QH2SО4 =

=159,971+37,296+13,038+ 48,450 = 258,755 МДж.

По формуле (1) определим теплоту, вносимую кислотой и аммиаком:

Q(H3PO4) = CH3PO4 mH3PO4 (TH3PO4 −T0 )= 2,868 500,00г ∙ 60 = = 86 040 кДж,

(300 К), равная 2,09 кДж/(кг·К), определена по формуле (6), которая для NH3 записывается так:

СNH3 =33,5965− 560,402T +0,01274 T.

Температуру в формулу для СNH3 следует подставлять в К, полу-

чим СNH3 = кДж/(моль·К), затем надо перейти к кДж/(кг·К).

Приход теплоты с кислотой и аммиаком:

QРЕАГЕНТЫ = Q(H3PO4) + Q(NН3) = 86 040 + 2003 = 88 043 кДж.

Общий приход теплоты:

Q(приход) = QХР + QРЕАГЕНТЫ = 258 755 + 88 043 = 346 798 кДж.

43

Расход теплоты

По формуле (6) определим количество теплоты, необходимое для нагревания пульпы до 103 °С. Массу пульпы примем равной массе исходного сырья: по условию поступает 500 кг фосфорной кислоты и по итогам предыдущего примера 35,5 кг аммиака, всего 535,5 кг реагентов:

Qнагрев(пульпа) = 2,721 535,5 ∙ 103 = 150 080 кДж.

Теплопотери в окружающую среду принимаем равными 5 % от

общего количества подводимой кислоты: Qпотери = 346 798 ·0,05 = 17 340 кДж.

Всего расходуется теплоты 150 080 + 17 340 = 167 420 кДж.

Избыток теплоты расходуется на испарение воды:

Qиспарение = Q(приход) - Qнагрев(пульпа) - Qпотери =

= 346 798 – 167 420 = 179 378 кДж.

Количество испарившейся воды:

179 378 / 2253 = 79,6 кг,

где 2253 – скрытая теплота испарения воды при 103 °С, кДж/кг.

Таблица 16

Тепловой баланс процесса нейтрализации фосфорной кислоты аммиаком (на 500 кг фосфорной кислоты) приведен в табл. 16.

44

Задания для самостоятельной работы

1.Рассчитать расход аммиака на нейтрализацию фосфорной кислоты. Данные для проведения расчета представлены в табл. 17.

2.Составить тепловой баланс сатурации в производстве аммофоса. Данные для проведения расчета представлены в табл. 17.

Таблица 17

Остальные данные, необходимые для расчета, но не представленные в табл. 17, следует взять из примера 7 и примера 8.

6. ПОЛУЧЕНИЕ ХЛОРИДА КАЛИЯ

Хлорид калия получают в основном из сильвинита – осадочной горной породы, состоящей из чередующихся слоев галита (NaCl), сильвина (KCl) и примесей (песок, глина, гипс). Способы получения хлорида калия из сильвинита имеют своей задачей разделение солей, входящих в состав этой породы, а также очистку и концентрирование целевого продукта. В зависимости от метода обработки исходного сырья выделяют галургический и флотационный способы получения хлорида калия.

45

Галургический способ разделения галита и сильвина основан на различной растворимости в воде хлоридов натрия и калия: при увеличении температуры в диапазоне 0–150 °С растворимость KCl в воде возрастает, в то время как растворимость NaCl уменьшается. Поэтому при охлаждении раствора, насыщенного обеими солями преимущественно будет кристаллизоваться хлорид калия, при этом раствор будет обогащаться хлоридом натрия.

Для расчета количества соли, которое будет выделяться в твердую фазу при охлаждении или нагревании раствора, используют диаграммы состояния систем (фазовые диаграммы) – графическое изображение всех возможных состояний термодинамической системы в пространстве в зависимости от основных параметров состояния - температуры, давления и состава.

На рис. 5 приведена треугольная диаграмма трехкомпонентной системы: A-B-C. Каждая из вершин треугольника соответствует 100 % мас. компонента А, В или С, а его стороны являются геометрическим местом точек составов двухкомпонентных систем А–В, В–С или А–С.

Рис. 5. Определение состава трехкомпонентного раствора на концентрационном треугольнике

46

Любая точка внутри концентрационного треугольника отвечает составу трехкомпонентной системы. Для определения состава трехкомпонентного раствора, который задается фигуративной точкой X из этой точки необходимо провести две линии, параллельные двум любым сторонам концентрационного треугольника до пересечения с третьей стороной. На третьей стороне концентрационного треугольника, на которую для удобства наносится масштабная сетка, отсекаются три отрезка, изображающие содержание всех трех компонентов: содержание компонента С отвечает отрезку, противолежащему вершине С, содержание компонента А — отрезку, противолежащему вершине А, а содержание компонента В — среднему отрезку, противолежащему вершине В. Таким образом, раствор состава X состоит из 40 % мас. компонента А, 30 % мас. компонента В и 30 % мас. компонента С. Сумма отрезков равна 100 % мас.

При расчетах по фазовым диаграммам можно пользоваться правилом рычага. Рассмотрим сторону ВА (рис. 5). Точка Y, лежащая на этой стороне, соответствует системе, в которой находится 65 % мас. компонента А и 35 % мас. компонента В. Содержание компонента С в такой системе равно нулю. По правилу рычага отрезки между точкой Y и точками, определяющими составы фаз (В и А), обратно пропорциональны количествам этих фаз:

m(m(ВА)) = YABY.

Также справедливо соотношение

Применять правило рычага можно и для фаз, состав которых определяется фигуративной точкой внутри треугольника. Например, на диаграмме растворимости для системы NaCl – KCl – H2O (рис. 6) компонент В (KCl) и раствор Е образу-

47

ют систему состава f, для них справедливы такие же соотношения, что и для отрезка АВ и системы состава Y, описанные выше.

На диаграмме растворимости NaCl – KCl – H2O (рис. 6) можно выделить несколько областей: AbEc – ненасыщенный раствор KCl и NaCl в воде; bEB – раствор KCl и NaCl в воде, насыщенный по отношению к KCl, и кристаллы KCl; сEС – раствор KCl и NaCl в воде, насыщенный по отношению к NaCl, и кристаллы NaCl; ВЕС - раствор KCl и NaCl в воде, насыщенный по отношению к обеим солям, и кристаллы NaCl и KCl. Точка b на диаграмме характеризует насыщенный раствор KCl в воде, точка c – насыщенный раствор NaCl в воде. Точки, лежащие на кривой bE, выражают составы водных растворов, содержащих KCl и NaCl и насыщенных по отношению к KCl. Фигуративная точка Е изображает состав раствора, насыщенного при данной температуре по отношению к обеим солям (эвтоническая точка).

Материальный баланс процесса упарки трехкомпонентного раствора NаСl – КСl – Н2О

Пример 9. Раствор, содержащий 5 % мас. NаСl, 20 % мас. КСl и 75 % мас. воды, упаривается при 100 °С. Определить максимальное количество КСl, которое можно получить при этом, и найти массу воды, которую необходимо выпарить. Составить материальный баланс процесса упарки раствора.

Решение

Рассмотрим раствор массой 100 кг, тогда в нем содержится 5 кг NаСl, 20 кг КСl и 75 кг Н2О. На изотерму растворимости в системе NаСl – КСl – Н2О при 100 °С (рис. 6) нанесем фигуративную точку состава исходного раствора D. По мере выпаривания воды из раствора фигуративная точка его состава будет перемещаться по лучу испарения Аk. В точке d жидкая фаза станет насыщенной КСl, из раствора выпадет первый кристалл KCl, и в дальнейшем состав жидкой фазы будет изменяться по линии dЕ,

48

причем вплоть до точки Е в твердую фазу будет выделяться только КСl. В точке Е раствор станет насыщенным одновременно NаСl и КСl, которые при дальнейшей упарке будут выпадать в твердую фазу одновременно. Таким образом, максимальному выделению КСl в кристаллическую фазу соответствует конечный состав жидкой фазы Е. Фигуративная точка состава твердой фазы будет находиться при этом в точке В, а фигуративная точка состава системы – в точке f. Для выполнения расчета находим по диаграмме состав раствора в точке Е: 16,85 % мас. NаСl, 21,75 % мас. КСlи61,4%мас.Н2О.

Рис. 6. Изотерма растворимости в системе NaCl – KCl – H2O при 100 °С с примерами графических расчетов

49

Расчет по неизменному компоненту

В процессе испарения воды в твердую фазу выделяется только КСl, а количество NаСl в растворе остается неизменным (5 кг). Исходя из этого мы можем найти абсолютное количество КСl и Н2О в конечном растворе Е.

В 100 кг раствора Е содержится:

16,85 кг NаСl + 21,75 кг КСl + 61,4 кг Н2О.

В упаренном растворе: 5 кг NаСl + X кг КСl + Y кг Н2О.

После упарки в растворе Е содержится:

X = 16,8521,75 5= 6,45 кг KCl; Y = 16,8561,4 5= 18,2 кг H2O.

Испаряется воды: 75 – 18,2 = 56,8 кг.

Выделяется в твердую фазу КСl: 20 – 6,45 = 13,55 кг.

Масса оставшегося раствора:

5 кг NaCl + 6,45 кг KCl + 18,2 кг H2O = 29,65 кг.

Расчет по правилу рычага

После упарки исходного раствора D образуется две систе-

мы: испарившаяся вода А (H2Oиспар ) и суспензия f (рис. 6). Суспензия состоит из раствора E и твердой фазы В (KClкрист). По правилу рычага

50