Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Задачи и упражнения по химической технологии неорганических веществ. Учебное пособие
.pdf
41
2
1,34 74833 10027,62
Q 31952,39.
1,34 1,7983 3,1383
Определяем теплоту разбавления от 85%-ной H2SO4 до
80,19 %-ной (кДж/кмоль):
.51,590788,2604439,31952QQ
12
Рассчитываем содержание кислоты в 530 кг 80,19 %-ного
раствора (кмоль):
530 0,8019
n 4,34.
98
Следовательно, всего выделится теплоты (кДж):
Q3 = c∙m∙T = 5907,51∙4,34 = 25619,73.
Это количество теплоты пойдет на нагревание 530 кг
80,19 %-ной серной кислоты. По справочным данным, удельная
теплоемкость ее 1,83 кДж/(кг∙К).
Следовательно,
Q3 = c∙m∙T = 1,83∙530∙T= 25619,73;
25619,73
T 26,4 К.
1,83 530
Ответ: концентрация полученной кислоты 80,19 %;
Т = 26,4 К.
Зависимость энтальпии реакции окисления ΔН оксида серы (IV)
в оксид серы (VI) в некотором интервале температур от Т
нач
. до
Т
кон
. выражается эмпирическим уравнением:
ΔН = – (101420 – 9.26 Тср) кДж/моль,
где Тср. = (Т
кон.
– Т
нач
)/2.3 lg(T
кон
./Т
нач
).
Константа химического равновесия Кр реакции окисления
оксида серы (IV) в оксид серы (VI) рассчитывается по уравнению:
,
42
где р
SО3
,р
SО2
, р
О2
– равновесные парциальные давления газов, Па.
Массу поглощаемого SО
3
в олеумном абсорбере рассчитывают
по формуле
m = k · F · ΔР
ср.
,
где ΔР
ср.
– средняя движущая сила абсорбции (средняя разность
парциальных давлений SО
3
в газе и равновесное давление SО3
над кислотой, Па); m – масса абсорбированного SО3, кг/ч; k – коэффициент скорости абсорбции; F – поверхность насадки абсорбционной башни, м
2
.
Пример 2. В олеумный абсорбер поступает 30500 м
3
/ч га-
за, содержащего 10 % SО3. Абсорбер орошается олеумом, содержащим 19 % SО3; вытекающий олеум содержит 21,5 % SО3.
Определите массу олеума, необходимую для орошения абсорбера в кг/ч, если степень абсорбции SО
3
составляет 40 %.
Решение. Определим общий объем оксида серы (VI), в по-
ступающем газе:
30500 ∙ 0.10 =3050 м3;
Рассчитаем его массу, поглощаемую в абсорбере:
3050 ∙ 40 ∙80 /22,4 =4357,8 кг.
Определим массу 19%-ного олеума, поступающего на орошение.
Обозначим искомую массу m. Тогда относительно общего содержания оксида серы (VI) до поглощения его и после можно записать равенство:
m0,19 + 4357,8 = (m +4357,8) ∙ 0,21 =172141,5 кг/ч.
Ответ: 172141,5 кг/ч.
Упражнения с технологическими схемами
1. Какие аппараты используются для очистки обжигового газа от
пыли?
2. Какие условия необходимы для получения SO2 при обжиге
колчедана?
43
3. Какие аппараты включает контактный узел?
4. Назовите аппарат, его назначение, принцип работы, основные
параметры и технологические показатели (рис. 10). Укажите
стрелками направление движения сырья и полученных продуктов.
5. Назовите схему и пронумеруйте ее части (рис. 11). Для чего
они предназначены? С помощью стрелок укажите направление
движения сырья и продуктов. Как изменяется температура во
всех узлах аппарата? Что произойдет, если удалить части 3 и 5?
Рис. 10. Аппарат, приме-
няемый при производстве серной кислоты
Рис. 11. Схема производства
44
Задачи для самостоятельного решения
1. При получении серной кислоты из колчедана на одной из ста-
дий протекает обратимая реакция окисления оксида серы (IV) в
оксид серы (VI). Для более полного протекания этой реакции
печной газ разбавляют воздухом, чтобы в нем содержание О
2
в
несколько раз превышало теоретическое. Определите объем
воздуха (0,209 об. O
2
и 0,791 об. N
2
), который необходимо добавить к печному газу, объемом 100 м3, чтобы снизить в нем содержание SO
2
до 7 %, а также состав реакционной смеси (в объ-
емных долях) после процесса окисления SO
2
в SO
3
. Известно,
что печной газ содержит 14 % об. SO2, 3 % об. O2 и
83 % об. N2. Степень превращения SO
2
составляет 95 %. При-
нять, что объем смеси печного газа и воздуха равен сумме объемов печного газа и воздуха.
2. Рассчитайте изменение температуры в результате экзотермической реакции SO2 + ½ O2 ↔ SO3, Н = - 94,4 кДж, если степень превращения SO2 в SO3 составляет 55 %. Среднюю теплоемкость газовой смеси, состоящей из 8 % об. SO2,
11 % об. O2 и 81 % об. N2 примите неизменной и равной
1,382 кДж/(м3К). Изменением объема в результате реакции пренебречь.
3. Через контактный аппарат пропустили печной газ, содержа-
щий сернистый газ и кислород в стехиометрическом соотношении. Определите объемное соотношение SO
2
, O2 и SO3 в смеси
после реакции, если степень превращения оксида серы (IV)
составила 90 %.
4. Считая, что в первом слое катализатора степень превращения
газа, содержащего 7,5 % (об.) SO2, 12,5 % (об.) O2 и
80 % (об.) N
2
составляет 0,705, определите состав газа после пер-
вого слоя, если всего поступает 133000 м
3
газа.
5. В смеситель поступает 1000 кг олеума, содержащего 20 % SО3.
Какова концентрация полученной смеси (в %) по массе?
45
6. При получении серной кислоты контактным способом на 1 т
сжигаемого колчедана с содержанием 42 % масс. серы практически получается 1,2 т олеума, содержащего 20 % масс. «свободного» ангидрида SO3. Определите выход серной кислоты.
7. Из 320 т колчедана, содержащего 45 % масс. серы, было по-
лучено 270 т сернистого газа SO2. Вычислите теоретический и
практический расходный коэффициент и выход SO
2
по сере.
8. В контактном аппарате в течение 12 ч окисляется 180 т
ангидрида SO2, степень превращения SO2 98,5 %. Определите
производительность аппарата в кг/ч.
9. На складе имеется 18 %-ный олеум. Сколько такого олеума
соответствует 5 т 94 %-ной кислоты? Сколько 18 %-ного олеума
и оксида (VI) нужно для приготовления 1 т 24 %-ного олеума?
10. Через контактный аппарат пропустили смесь сернистого газа и
кислорода (в стехиометрическом соотношении). Определите состав
газовой смеси после реакции, если окислилось 90 % оксида серы (IV).
11. Газ, поступающий в аппарат контактного окисления, содержит 7,5 % (об.) SO2. Принимая степень превращения SO2 равной
98 %, определите объем газа (н. у.), необходимый для получения
1080 т серной кислоты.
12. Определите расход обжигового газа для получения кислоты
массой 1 т, если используется обжиговый газ с объемной долей
оксида серы (IV) 9 %, а степень превращения SO
2
при получении
серной кислоты составляет 95 %.
13. Рассчитайте количество сухого воздуха (0,209 об. O2 и
0,791 об. N
2
), необходимого для сжигания 1000 кг колчедана,
если колчедан содержит 41 % S. Степень выгорания серы 98 %.
14. Определите выход огарка (Fe2O
3
+ примеси) при обжиге кол-
чедана, содержащего 45 % S, если сера выгорает полностью.
46
Уравнение горения пирита 4FeS2 + 11O2 2Fe2O3 + 8SO
2
. Для
расчета следует принять, что все примеси из колчедана целиком
переходят в огарок.
15. Сырьем для производства серной кислоты служит сера первого сорта, содержащая 99,6 % масс. S. Сколько серы первого
сорта и воздуха (0,209 об. O2 и 0,791 об. N2) необходимо подать в
печи для сжигания серы, если требуется получить 900 т серной
кислоты. Весь кислород поступающего в печь воздуха расходуется на обжиг. Выход серной кислоты (по всем стадиям)
равен 95 %.
16. Определите объем воздуха (0,209 об.O2 и 0,791 об. N
2
), кото-
рый необходимо добавить к печному газу, объемом 500 м
3
,
чтобы снизить в нем содержание SO
2
до 7 % об., а также состав
реакционной смеси (в объемных долях) после процесса окисления SO2 в SO
3
. Известно, что печной газ содержит 10 % об.
SO2, 6,5 % об. O2 и 83,5 % об. N2. Степень превращения SO2
составляет 96 %.
17. На первый слой контактного аппарата поступает газ, содер-
жащий 7,5 % (об.) SO2, 10,5 % (об.) O2, с температурой 440 С.
Считая, что на первом участке первого слоя степень превращения SO2 равна 0,14, определите температуру газа на выходе из
первого участка. Среднюю теплоемкость газовой смеси примите
неизменной и равной 1,382 кДж/(м3К). Изменением объема в результате реакции пренебречь.
18. На первый слой контактного аппарата при 723 К подается
10 000 м
3
исходной газовой смеси, содержащей 10 % об. SO2,
11 % об. O2 и 79 % об. N
2
. В результате экзотермической реакции
(7) температура газа повысилась до 853 К. Определите степень
превращения SO2 в SO
3
, если среднюю теплоемкость газовой
смеси, принять неизменной и равной 1,382 кДж/(м3К). Изменением объема в результате реакции пренебречь.
47
19. Вычислите количество теплоты, выделяющейся при обжиге
колчедана массой 1 т с массовой долей серы 38 %, если степень
выгорания серы из колчедана равна 0,96. Процесс горения колчедана описывается суммарным уравнением
4FeS2 + 11O2 2Fe2O3 + 8SO2 + 3415,7 кДж.
20. На первую ступень контактного аппарата с кипящим слоем
катализатора поступает 65 200 м3 газа, содержащего 11 %
(об.) SO
2
. Температура в слое 550 ˚С. Конечная степень превра-
щения SO
2
в слое 0,75. Определите температуру газа на входе в
контактный аппарат.
21. Определите количество выделившейся теплоты и теоретический расход воздуха (0,209 об. O2 и 0,791 об. N
2
) при обжиге уг-
листого колчедана, содержащего 35 % S и 45 % С. Расчет проведите на 100 кг колчедана. Степень выгорания углерода и серы
составляет 0,98. Для решения задачи необходимо применять
следующие уравнения:
4FeS2 + 11О2 2Fe2O3 + 8SO2 + 3415,7 кДж,
С + О
2
СО2 + 409,872 кДж.
22. В смесителе за 1 ч 20 т 75 %-ной H2SO
4
разбавляют водой до
концентрации 68 %. Определите тепловое напряжение холодильных элементов в смесителе, если температуру вытекающей
кислоты поддерживают на уровне 25 °С.
23. Для получения 75 %-ной H2SO4 1 т 95 %-ной
H2SO4 разбавляют 40 %-ной H2SO4. Сколько
при этом выделится теплоты?
24. За 1 ч в смеситель поступает 1000 кг олеума, содержащего
20 % SO3
своб.
(104,5 % H2SO4) и 500 кг 90 %-ной H2SO4 при
начальной температуре компонентов 100 °С. Сколько теплоты
выделится в смесителе?
25. К 500 кг 90 %-ной H2SO4 прибавляют 25 кг H2O. Определите
повышение температуры кислоты.
48
ЗАДАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ
ДОМАШНЕЙ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ
Вариант 1
1. Определите массы аммиака и воздуха, необходимые для
производства 1000 кг азотной кислоты. Степень превращения
аммиака в NО 0,97, степень абсорбции NO2 0,92. Концентрация
аммиака в аммиачно-воздушной смеси 11,5 % об.
2. Определите теоретическое повышение температуры за
счет экзотермической реакции синтеза 20 м
3
аммиака из азота и
водорода при следующих условиях: температура 773 К, давление
3∙10
7
Па. Содержание аммиака в газовой смеси на выходе из ко-
лонны 20 % об. Средняя удельная теплоемкость газа, выходящего из колонны, 32 кДж/(кмоль∙К). Энтальпия реакции синтеза
ΔН
773
= - 61,4 кДж/моль.
3. Составьте материальный баланс обжига колчедана, со-
держащего 41 % серы и 4,5 % воды. Концентрация оксида серы
(IV) в обжиговом газе 11,5 % (по объему). Расчет вести на 100 кг
колчедана.
Вариант 2
1. Синтез аммиака осуществляется в колонне под давлени-
ем 3,03-107 Па и температуре 673 К. Газ, выходящий из колонны,
имеет следующий состав (по объему в %): NH
3
- 17; N2 - 11,0;
Н
2
- 72,0. Рассчитайте соотношение N2 и Н2 в исходной смеси га-
зов.
2. Определите температуру, развиваемую в катализаторной
коробке колонны синтеза аммиака, по следующим данным. В катализаторную коробку поступает 186,88 кмоль азотоводородной
смеси с соотношением водорода и азота 3: 1 при температуре
573 К (300 °С). Степень превращения азота 25 %. Среднюю
удельную теплоемкость газа принять неизменной и равной
31 кДж/(кмоль∙К). Энтальпия реакции синтеза аммиака
ΔН
573
= - 40895 кДж/кмоль.
3. Составьте материальный баланс производства 1 т азот-
ной кислоты. Производственными потерями пренебречь. Состав
воздуха: 21 % О
2
и 79 % N2.
49
Вариант 3
1. В колонну синтеза поступает 30000 м
3
азотоводородной
смеси. Определите, сколько аммиака (в кг) образуется при этом,
если концентрация аммиака на входе в колонну 4 % (по объему),
на выходе -16 % (по объему).
2. В водяной холодильник поступает 3944,27 м3 аммиачно-
воздушной смеси с содержанием аммиака 12 % об. Определите,
сколько теплоты выделяется в водяной холодильник при конденсации половины всего аммиака и какова его концентрация на
выходе из колонны. При конденсации 1 кмоль аммиака выделяется 20315 кДж теплоты.
3. Составьте материальный баланс производства 1000 кг
аммиака, если в колонну синтеза поступают азото-водородная
смесь (N
2
и Н
2
в стехиометрическом соотношении) и циркуляци-
онный газ. Концентрация аммиака в газах на входе в колонну
синтеза 4 %, после колонны синтеза 14 %.
Вариант 4
1. Определите концентрацию азотной кислоты, стекающей
с первой тарелки абсорбционной колонны, если в колонну подается 1821 кг воды и 27916 м
3
нитрозных газов, содержащих (по
объему) 9 % оксида азота (IV) и 0,24 % паров воды. Степень абсорбции NО
2
на первой тарелке 98 %.
2. На окисление поступает 26 000 м3 сухой аммиачно-
воздушной смеси, содержащей 8 % NH
3
об. Степень превраще-
ния NH
3
в NO 0,98. Определите повышение температуры за счет
реакции окисления. Энтальпия реакции окисления
ΔН = - 226,45 кДж/моль NH
3
. Средняя удельная теплоемкость
нитрозного газа 32,34 кДж/(кмоль-К).
3. Составьте материальный баланс обжига колчедана, со-
держащего 36 % S и 5 % H2O. Концентрация оксида серы (IV) в
обжиговом газе 10 % (по объему). Расчет вести на 500 кг колчедана.
50
Вариант 5
1. На окисление 3785,6 м
3
/ч аммиака поступает 27080 м3/ч
воздуха. Определите коэффициент избытка воздуха и концентрацию аммиака в аммиачно-воздушной смеси.
2. Определите температуру, развиваемую в контактном
аппарате окисления аммиака, по следующим данным. В аппарат
поступает 30000 м
3
аммиачно-воздушной смеси, содержащей
10 % об. аммиака, нагретой до 573 К (300 °С). Степень окисления аммиака 0,96. Энтальпия реакции окисления
до NO ΔН = - 226450 кДж/кмоль. Средняя удельная теплоемкость газовой смеси до реакции 29,74 кДж/(кмоль∙К), после реакции 32,34 кДж/(кмоль∙К).
3. Составьте материальный баланс контактного аппарата
окисления аммиака в расчете на 1000 м
3
аммиака. Концентрация
аммиака в аммиачно-воздушной смеси 10 % (по объему), 98,5 %
аммиака окисляется до NO, остальное количество до N2. Состав
воздуха 79 % азота и 21 % кислорода.
Вариант 6
1. 20 000 м3 нитрозного газа при температуре 303К и дав-
лении 1∙105 Па состава 7 % NO и 5 % О2 за час окисляются на
90 %. Сколько НNО
3
48 %-ной получается при этом? Степень
абсорбции NO
2
0,79.
2. Определите количество теплоты, которое выделяется
при поглощении парами воды 1 кг оксида серы (VI).
3. Составьте материальный баланс контактного аппарата
окисления аммиака в расчете на 1000 кг аммиака. Концентрация
аммиака в аммиачно-воздушной смеси 11,5 % (по объему),
98 % аммиака окисляется до NO, остальное количество до N2.
Состав воздуха 79 % азота и 21 % кислорода.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]