Материальный баланс процесса получения фосфора из апатитовой руды

Приход		Расход
Статья	Единицы измерения	Статья	Единицы измерения
	кг		кг
Апатитовая руда	10250	Фосфор	1000
Песок	2370	Феррофос-фор	282
Кокс	1330	Оксид углерода	3668
		Шлак	9000
Итого	13950	Итого	13950

Печь

Шлак,

9000 кг

(64,5%)

Фосфор,

1000 кг

17,2 %

СО₂,

3668 кг

(26,3%)

Апатит, 10250 кг

(73,5%)

Песок,

2370 кг

(17%)

Ферро-фосфор,

282 кг

(2%)

Кокс,

1330 кг

(9,5%)

Рис. 11. Поточная диаграмма материального баланса процесса

получения фосфора из апатитовой руды

2.4.2. Примеры расчета материальных балансов химико-технологических процессов и контрольные задания

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) составляет 97%, концентрация аммиака в аммиачно-воздушной смеси равна 11,5 об. %. Молярная масса составляет, г/моль или кг/кмоль: О₂ – 32; N₂ – 28, NН₃ – 17, HNO₃ – 63, NО – 30, Н₂О – 18.

Порядок расчета

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

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

= = 27 819 т/год

или в пересчете на часовую производительность

= 3265 кг/ч.

Перейдем к объему NH₃, для этого определим число кмоль NH₃ и умножим на молярный объем

= = 4302 м³/ч,

где – число кмольNH₃; 22,4 – объем 1 кмоль, м³.

Вместе с аммиаком подается воздух, объем которого составляет

V_возд = = 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 равны:

= 33 108 · 0,21 = 6953 м³/ч;

== 9933 кг/ч;

= 33 108 – 6953 = 26 155 м³/ч;

= = 32 694 кг/ч.

С учетом селективности процесса образуется NО:

V_NО = 4302 · 0,97 = 4173 м³/ч;

m_NO = = 5589 кг/ч.

В результате протекания реакции (37) образуется N₂:

= 65 м³/ч,

или

= 81 кг/ч.

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

= = 6260 м³/ч;

= = 5030 кг/ч;

по реакции (37):

= = 195 м³/ч;

= = 157 кг/ч.

Суммарная масса воды равна

_∑= 5030 + 157 = 5187 кг/ч.

Расходуется кислорода по реакции (36):

= = 5216 м³/ч;

по реакции (37):

= = 98 м³/ч.

Объем и масса непрореагировавшего кислорода составят:

= 6953 – 5216 – 98 = 1639 м³;

= = 2341 кг.

Образуется газ состава:

	м3	об. %
NО	4173	10,8
N2	65 + 26 155 = 26 220	68,1
О2	6953 – (5216 + 98) = 1639	4,2
Н2О	195 + 6260 = 6455	16,9

Результаты расчетов сводим в табл. 5.

Таблица 5

Часовой материальный баланс окисления аммиака

Приход			Расход
Статья	кг/ч	м3/ч	Статья	кг/ч	м3/ч
Аммиак Воздух В том числе О2 N2	3263 42 627 9933 32 694	4300 33 108 6953 26 155	NО N2 О2 Н2О	5589 32 775 2341 5187	4173 26 220 1639 6455
Итого	45 890	37 308	Итого	45 892	38 487

Пример 2. Составить материальный баланс производства метилового спирта, при котором протекают следующие реакции:

СО + 2Н₂ = СН₃ОН (38)

2СН₃ОН = СН₃ОСН₃ + Н₂О (39)

Рассчитать расход синтез-газа (смесь СО и Н₂ при мольном соотношении 1 : 2) на 1000 кг метанола. Степень превращения СО составляет 93%; 4% образующегося метанола превращается по реакции (39); состав газа, об. %: СО – 32; Н₂ – 66; N₂ – 1; СН₄ – 1. Молярная масса, г/моль или кг/кмоль: СО – 28; СН₃ОН – 32, N₂ – 28, O₂ – 32, Н₂О – 28, Н₂ – 2.

Порядок расчета

Химическое количество образующегося метилового спирта составляет

= = = 31,25 кмоль.

Так как 4% СН₃ОН превращается в СН₃ОСН₃ по реакции (39), то масса образовавшегося СН₃ОН равна

= = 1041,667 кг.

Следовательно, масса и химическое количество спирта, израсходованного при протекании реакции (39), составляет:

m = 1041,667 – 1000 = 41,7 кг;

n = = 1,302 кмоль.

Химическое количество и масса образующихся продуктов по реакции (39) равны

= = 0,651 кмоль;

= 0,651  18 = 11,7 кг;

кмоль;

= 0,651  46 = 29,9 кг.

Согласно реакции (38), n_СО = .

С учетом того, что  = 0,93, находим

n_СО = = 35,002 кмоль.

Значит, для получения 1000 кг СН₃ОН необходимо подать:

V_газа = = 2450,2 м³;

n_газа = = 109,4 кмоль;

= n_газа  0,66 = 109,382  0,66 = 72,192 кмоль;

= 109,382  0,01 = 1,094 кмоль;

= = 1,094 кмоль.

Рассчитаем массы газов:

= 35,002  28 = 980,1 кг;

= 72,192  2 = 144,4 кг;

= 1,094  28 = 30,6 кг;

= 1,094  16 = 17,5 кг.

Определим содержание СО и Н₂ в газах на выходе:

n_СО = 35,002  31,25  2  0,651 = 2,45 кмоль;

= 72,192  2  (31,25 + 1,302) = 7,088 кмоль.

Вычислим массу СО и Н₂.

m_CO = 2,45  28 = 68,6 кг;

= 7,088  2 = 14,2 кг.

Результаты расчета материального баланса сводим в табл. 6.

Таблица 6