О

Кокс,

1 330 Кг

(9,5%)

чень удобной формой представления баланса (особенно в сложных случаях, когда в производственной цепочке существуют обводные включения) являются диаграммы потоков (диаграммы Санкея). Пример такой диаграммы, построенной для упрощенного материального баланса процесса получения фосфора из апатитовой руды в электрической печи, приведен на рис. 1. Материальный баланс составлен на 1 т продукта и представлен в табл. 3.

Печь

Шлак,

9 000 кг

(64,5%)

Фосфор,

1 000 кг

17,2 %

СО₂,

3 668 кг

(26,3%)

Апатит, 10 250 кг

(73,5%)

Песок

2 370 кг

(17%)

Ферро-фосфор,

282 кг

(2 %)

Рис. 1. Поточная диаграмма материального баланса процесса получения

фосфора из апатитовой руды

Ширина потоков на диаграмме Санкея пропорциональная массам материалов (или теплотам в случае теплового баланса), участвующих в процессе.

2.4. Примеры расчета материальных балансов технологических процессов

Пример 1. Составить часовой материальный баланс процесса окисления аммиака, необходимого для получения 100 000 т/год HNO₃, если цех работает 355 дней в году, селективность окисления аммиака в оксид азота (II) 97%, концентрация аммиака в аммиачно-воздушной смеси 11,5 об. %. Молярная масса, г/моль или кг/кмоль: О₂ – 32; N₂ – 28, NН₃ – 17, HNO₃ – 63, NО – 30, Н₂О – 18.

Решение.

При получении азотной кислоты протекают следующие реакции:

1-я стадия

основная  4NН₃ + 5О₂ = 4NО + 6Н₂О; (36)

параллельная  4NН₃ + 3О₂ = 2N₂ + 6Н₂О; (37)

2-я стадия

2NО + О₂ = 2NО₂;

3-я стадия

2NО₂ + Н₂О + 0,5О₂ = 2HNO₃.

Суммарной реакции получения азотной кислоты соответствует следующее стехиометрическое уравнение:

NН₃ + 2О₂ = HNO₃ + Н₂О.

С учетом степени превращения аммиака в оксид азота (II) для получения 100 000 т/г. HNO₃ необходимо

= (100 000 · 17) / (63 · 0,97) = 27 819 т/г.

или

27 819 / 355 · 24 = 3 265 кг/ч.

= (3260 · 22,4 · 1 000) / 17 = 4 302 м³/ч.

Вместе с аммиаком подается воздуха

V_возд = (4 302 · (100 – 11,5)) / 11,5 = 33 108 м³.

Так как для технических расчетов принимается, что содержание кислорода в воздухе составляет 21 об. %, азота – 79 об. %, то их объемный и массовый расходы составляют:

= 33 108 · 0,21 = 6 953 м³/ч;

= 6 953 · 32 / 22,4 = 9 933 кг/ч;

= 33 108 – 6 953 = 26 155 м³/ч;

= 26 155 · 28 / 22,4 = 32 694 кг/ч.

С учетом селективности процесса образуется NО:

V_NО = 4 302 · 0,97 = 4 173 м³/ч;

m_NO = 4173  30 / 22,4 = 5 589 кг/ч.

В результате протекания реакции (37) образуется N₂:

(4 302 – 4 173) / 2 = 65 м³/ч

или

65 · 28 / 22,4 = 81 кг/ч.

Объем и масса Н₂О, образующейся по реакции (36), составляют:

= 4 173 · 6 / 4 = 6 260 м³/ч;

= 6 260 · 18 / 22,4 = 5 030 кг/ч;

по реакции (37)

= 65 · 6 / 2 = 195м³/ч;

= 195 · 18 / 22,4 = 157 кг/ч.

Суммарная масса воды составляет

_∑= 5 030 + 157 = 5 187 кг/ч.

Расходуется кислорода по реакции (36)

= 4 173 · 5 / 4 = 5 216 м³/ч;

по реакции (37)

= 65 · 3 / 2 = 98 м³/ч.

Объем и масса непрореагировавшего кислорода составят:

= 6 960 – 5 216 – 98 = 1 639 м³;

= 1 655 · 32 / 22,4 = 2 341 кг.

Образуется газ состава:

м³ об. %

NО 4 173 10,8

N₂ 65 + 26 155 = 26 220 68,1

О₂ 6 953 – (5 216 + 98) = 1 639 4,2

Н₂О 195 + 6 260 = 6 455 16,9

Результаты расчетов сведены в табл. 4.

Таблица 4