Материальные и тепловые расчеты

Химия — это наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях. Все вещества имеют физические и химические свойства. Химические свойства вещества — это его способность превращаться в другие вещества. Превращения одних веществ в другие называются химическими реакциями.

Современное химическое производство — это ряд последовательно осуществляемых химических реакций с целью получения целевого продукта.

Общей экономической задачей каждого технологического участка химического предприятия является получение химических продуктов надлежащего качества и в достаточном количестве, чтобы их реализация приносила прибыль. С этим связано требование, чтобы все ресурсы использовались как можно более эффективно. Однако этого можно достичь только в том случае, если химический процесс сам по себе эффективен.

Для того, чтобы уметь оценивать экономическую эффективность процесса, уметь принимать экономически обоснованные решения, необходимо уметь правильно учесть все затраты предприятия на производство и реализацию продукции.

При проектировании предприятия химико-технологические расчеты составляют главную, наиболее трудоемкую часть проекта. Основой технологических расчетов являются материальные и тепловые расчеты.

Цель контрольной — рассмотреть и уметь использовать на практике материальные и тепловые расчеты.

Задача 1

Определить теоретические расходные коэффициенты железных руд, используемых при выплавке чугуна, содержащего 92% Fe, при условии, что в рудах отсутствует пустая порода и примеси.

Решение

Расчет проводим на 1 т чугуна. Для получения 1 т чугуна с содержанием Fe 92% необходимо 920 кг (0,92 т) чистого Fe.

1) Рассчитаем количество FeCO₃, необходимого для получения 1 т чугуна:

Х 920кг

FeCO₃ > Fe

или: из 115,8 кг FeCO₃ — 56 кг Fе

115.8 кг 56 кг

х — 920

Откуда Х = 115,8•920:56=1902 кг или 1,9 т FeCO₃.

2) Рассчитаем количество 2Fe₂O₃•3H₂O, необходимого для получения 1 т чугуна:

Х 920 кг

2Fe₂O₃•3H₂O > 4Fe

или: из 373 кг 2Fe₂O₃•3H₂O — 224 кг

373 кг 4•56 кг х — 920 кг Откуда Х= 373•920:224=1532 кг или 1,53 т 2Fe₂O₃•3H₂O.

Аналогично рассчитываем теоретические расходные коэффициенты для других руд.

3) Гетит 2Fe₂O₃•2H₂O Х=355•920:224=1458 кг или 1,46 т.

4) Красный железняк Fe₂O₃ Х= 159,7•920:112=1312кг или 1,31 т.

5) Магнитный железняк Fe₃O₄ Х=231,5•920:168=1268кг или 1,27 т.

Вывод: так как расходный коэффициент минимальный для магнитного железняка, его использование в получении чугуна является наиболее целесообразным при прочих равных условиях.

Задача 2

сульфат алюминий железный руда Сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃•18H₂О получают обработкой каолинитовых глин серной кислотой. Сколько тонн глины, содержащей 20% Al₂O₃, надо подвергнуть переработке для получения 1 т готового продукта, если при этом удается извлечь из глины только 70% Al₂O₃? Каков теоретический расход серной кислоты на 1 т готового продукта?

Решение: Получение сульфата алюминия можно представить схемой:

Al₂O₃ + 3H₂SO₄ + 15Н₂О > Al₂(SO₄)₃•18H₂О

1. Рассчитаем количество чистого Al₂O₃, необходимого для получения 1 т готового продукта:

102 кг — 666 кг Х — 1000 кг, откуда х = 153,15 кг Al₂O₃.

2. Найдем количество глины, в которой содержится 153,15 кг Al₂O₃:

100 кг — 20 кг Al₂O₃

Х — 153,15 кг, откуда х = 765,8 кг глины.

3. С учетом степени извлечения 70% количество каолинитовой глины составляет:

765,8•100:70=1094 кг или 1,09 т

4. Рассчитаем теоретическое расход серной кислоты:

666 кг — 98•3 кг

1000 кг — х ,

откуда х = 441,4 кг или 0,44 т Ответ: для производства 1 т сульфата алюминия необходимо 1,09 т каолинитовой глины и 0,44 т серной кислоты.

Задача 3

Составить материальный и тепловой баланс процесса нейтрализации для получения аммиачной селитры по реакции:

NH₃+HNO₃=NH₄NO₃

Материальный расчет процесса нейтрализации выполняется на 1 т NH₄NO₃.

Концентрации: исходной азотной кислоты — 50% HNO₃ ,

аммиака — 100% NH₃,

получаемого раствора — 70% NH₄NO₃.

Начальные температуры: азотной кислоты — 30^оС, аммиака — 50^оС .

Температура кипения 70% раствора NH₄NO₃ 120^оС.

Потери аммиака и азотной кислоты составляют 1%.

Средняя теплоемкость раствора HNO₃ 2,8 кДж/(кг•град).

Средняя теплоемкость раствора NH₄NO₃ 2,0 кДж/(кг•град).

Средняя теплоемкость NH₃ 2,05 кДж/(кг•град).

Давление реакционной системы — 1,3 атм.

Энтальпия образования водяного пара при давлении 1,2 атм. и температуре 104^оС равна 2670 кДж/кг.

Зависимость теплоты нейтрализации HNO₃ (кДж/моль) от концентрации раствора HNO₃ (%) изображена на рис. 1.

Рис. 1 Тепловой эффект реакции нейтрализации азотной кислоты.

Решение:

1.Материальный баланс.

1.1.Теоретический расход реагентов согласно реакции

NH₃+HNO₃=NH₄NO₃

100%-ной HNO₃

63 г 80г Х 1000 кг, откуда Х=787,5 кг

NH₃+HNO₃=NH₄NO₃

100%-ного NH₃

17 г 80г Х 1000 кг, откуда Х=212,5 кг Практический расход с учетом потерь в производстве (1% HNO₃ и 1% NH₃):

100% HNO₃

787,5 кг — 100%

Х₁ — 101%,

Х₁=787,5•1,01=795,4 кг Или 50%-ной HNO₃

795,4 — 50%

Х₂ — 100%,

Х₂= 795,4:0,5=1590,8 кг

100%-ного NH₃

Х₃=212,5· 1,01=214,6 кг Потери материалов составляют:

100%-ной HNO₃ 795,4 — 787,5 = 7,9 кг

100%-ного NH₃ 214,6−212,5 = 2,1 кг.

Общее количество реагентов, поступающих в нейтрализатор:

1590,8 + 214,6 = 1805,4 кг.

Получается 70%-ного раствора NH₄NO_3:

1000 кг — 70%

Х₄ — 100%,

Х₄ = 1000:0,7= 1428,5 кг.

Испарится воды в процессе нейтрализации:

1805,4 — (7,9+2,1+1428,5)=366,9 кг.

Составляем материальный баланс нейтрализации в производстве аммиачной селитры в виде таблицы.

Тепловой расчет процесса нейтрализации выполняем на 1 т аммиачной селитры.

Приход тепла:

Физическое тепло азотной кислоты рассчитывают по формуле (1):

Q=m•c· t, (1)

где: m — маса вещества, кг;

с — средняя теплоемкость этого вещества, кДж/(кг· град);

t — температура, град.

Q₁ = 1590,4· 2,8·30=133 593 кДж, где 2,8 — теплоемкость азотной кислоты (кДж/(кг•град).

Физическое тепло газообразного аммиака рассчитывается по формуле (1):

Q₂ = 214,6· 2,05·50= 21 997 кДж где 2,05 — средняя теплоемкость аммиака, (кДж/(кг· град).

Теплоту образования аммиачной селитры в 50%-ном растворе находим по графику зависимости теплоты нейтрализации NH₄NO₃ от концентрации кислоты (рис. 1).

Q₃==1 312 500 кДж Общий приход тепла:

Q_пр = Q₁+ Q₂+ Q₃ = 133 593+21 997+1 312 500 = 1 468 090 кДж.

Расход тепла:

Тепло, уносимое раствором аммиачной селитры (по формуле 1)

Q₁¹ = 1428,5•2,0· 120 = 342 840 кДж, где 2,0 — теплоемкость 70%-го раствора аммиачной селитры.

Тепло, расходуемое на испарение воды

Q₂¹ = 366,9•2670•= 979 623 кДж, где 2670 — энтальпия образования водяного пара, кДж/кг.

Пренебрегаем теплом, уносимым с потерями аммиака и азотной кислоты.

Тогда общий расход тепла (без тепловых потерь):

Q_расх= Q₁¹+ Q₂¹ = 342 840 + 979 623 = 1 322 463 кДж Потери тепла могут быть подсчитаны, как разность между приходом и расходом тепла:

Q_пр— Q_расх= 1 468 124−1 322 463 = 145 627 кДж По отношению к приходу тепла это составляет = 9,9%, что соответствует потерям тепла, наблюдаемым в практическом производстве.

Задача 4

Составить материальный и тепловой баланс контактного аппарата для частичного окисления SO₂ производительностью 25 000 м³/час, если состав газовой смеси: SO₂ — 9% (об.); О₂ — 11% (об.); N₂ — 80% (об.). Степень окисления — 88%. Температура входящего газа 460^оС. Выходящего — 580^оС. Среднюю теплоемкость смеси (условно считать ее неизменной): с = 2,052 кДж/м^{3 о}С. Потери теплоты в окружающую среду принимаем 5% от прихода теплоты. Процесс идет по реакции:

SO_{2 (г)}+ ½О₂(г)=SO_3(г).+ 94 207 кДж.

Решение:

Материальный баланс.

Рассчитаем объемы SO₂, О₂ и N₂, которые расходуются за 1 час работы контактного аппарата. Так как производительность составляет 25 000 м³/ч, то состав газа в м³:

а) SO₂ (М = 64 кг/кмоль)

Учитывая степень окисления SO₂ в SO_3, которая составляет 88%, получаем:

2250•0,88 = 1980 м³ SO₂ превращается в SO₃ или

6428,6•0,88 = 5657 кг.

Тогда 2250 — 1980 = 270 м³ или 6428,6- 5657 = 771,4 кг SO₂ остаются не окисленными.

б) О₂ (М = 32 кг/кмоль) в) N₂ (М = 28 кг/кмоль) Окислилось SO₂ и образовалось SO₃ (М=80 кг/кмоль) с учетом степени окисления:

из 64 кг SO₂— 80 кг SO₃

Израсходовано кислорода на окисление:

по уравнению реакции SO_{2 (г)}+ ½О₂(г)=SO_3(г) 1 моль SO₂ реагирует с 0,5 моль О₂, тогда из 11,2 м³ О₂ получается 22,4 м³ SO₃

Х₅— 1980 м³,

Х₅ = 990 м³ О₂.

Объем непрореагировавшего О₂:

2750 — 990 = 1760 м³

или 32 -22,4

Y₅ -1760,

Y₅ = 2514?3 кг.

Составляем материальный баланс каталитического окисления SO₂ в контактном аппарате производительностью 25 000 м³/ч.

Рассчитаем тепловой баланс контактного аппарата:

Приход теплоты.

Физическая теплота газа определяется по формуле:

Q₁ = V•с•t ,

где V — объем газообразного вещества, м³;

с — средняя теплоемкость этого вещества, кДж/(м³· град);

t — температура, град.

Q₁=25 000•2,052•460 = 23 598 000кДж Теплота реакции:

22,4 м³— 94 207 кДж

2250 м³ — Х, Х = 94 627 567 кДж или с учетом степени окисления

94 627 567 кДж -100%

Q₂-88% ,

Q₂ = 8 327 225 кДж Общий приход тепла

Q = Q₁ + Q₂ = 23 598 000 + 8 290 216 = 31 888 216 кДж Расход теплоты.

Теплота, уносимая отходящими газами:

Q₃= 24 010•2,052•580 = 28 575 742 кДж Тепловые потери:

Q_пот=31 925 226•0,05=1 596 261 кДж Общий расход теплоты:

Q_расх= Q₃+ Q_пот=30 172 003 кДж Следовательно, необходимо отвести теплоты:

Q_отв= Q_пот— Q_расх= 3 192 522−30 172 003=1753223 кДж.

Составляем таблицу теплового баланса:

1. Позин М. Е., Копылев Б. А., Ельченко Г. В., Терещенко Л. Я. Расчеты по технологии неорганических веществ М., изд-во «Химия», 1966. 640 с.

2. Краткий справочник физико-химических величин под ред. Мищенко К. П., Равделя А. А., Л., изд-во «Химия», 1967. 182 с.

3. Справочник азотчика под ред. Жаворонкова Н. М. и др., М., «Химия», 1987. 464 с.

4. Пустовалова Л. М., Никанорова И. Е. Неорганическая химия. -Ростов-на-Дону: Феникс, 2005.-352с.

5. З. Е. Гольдбрайх. Сборник задач и упражнений по химии.-М.: Высш. школа, — 1984.

6. Сборник задач и упражнений по химии: Учеб. пособие для студентов / З. Е. Гольдбрайх, Е. И. Маслов. — М.: ООО «Издательство АСТ»: ООО «Издательство Астрель», 2004. -383с.

7. Задачи и упражнения по общей химии: Учеб. Пособие/ Б. И. Адамсон, О. Н. Гончарук, В. Н. Камышова и др.; Под ред. Н. В. Коровина. — М.: Высш. шк., 2003. 255с.