книги / Общая химическая технология

Таблица 1.3

Тепловой баланс производства сульфата натрия на 1000 кг поваренной соли

Расчетпоказывает, чтоданноепроизводствоявляетсяэнергоемким. Тип используемого теплоносителя зависит от температуры процесса. Для нагрева реакционной массы до 700 С можно применить

сжигание топлива.

В качестве источника тепла используем так называемое условное топливо с теплотворной способностью Qу.т = 29300 кДж/кг топлива. Приняв тепловой КПД равным 0,5, определим ориентировочно расход условного топлива на получение 1 т 100%-ного Na2SO4:

21

1.3. Задачи для самостоятельного расчета материальных и тепловых балансов

1. При получении извести проводят обжиг известняка в смеси с коксом, при сгорании которого в кислороде воздуха создается температура 1000 С. В печи протекают параллельно две реакции:

Источником тепла для протекания реакции (1) служит реакция

(2). В составе известняка содержится 5 % примеси SiO2, а в коксе содержится 90 % углерода и 10 % золы в пересчете на Fe2O3. Степень разложения CaCO3 98 %. Реакция (2) протекает нацело.

При расчете материального и теплового баланса на 1000 кг известняка определить состав исходной шихты и конечных продуктов.

2. В производстве серной кислоты осуществляют получение SO2 обжигом серного колчедана по реакции:

4 FeS2(т) + 11 O2(г) = 2 Fe2O3(т) + 8 SO2(г).

Колчедан содержит (мас. %): FeS2 – 90; Fe2O3 – 10. В качестве окислителя используют воздух, содержащий 21 об.% О2 и 79 об.% N2, с избытком 20 %. Степень выгорания серы (степень окисления) при температуре 800 С достигает 95 %.

Рассчитать материальный и тепловой балансы процесса.

3. В производстве серной кислоты в контактном аппарате при 500 С протекает процесс каталитического окисления по реакции:

SO2 + 0,5 O2 = SO3.

Исходный газ имеет следующий состав (об. %): SO2 – 7; O2 – 11; N2 – 82. Степень превращения 98 %.

Рассчитать материальный и тепловой балансы процесса. Расчет вести на 1000 кг газа, поступающего в печь при температуре 25 С.

4. Для получения водорода проводят каталитическую конверсию метана с водяным паром при температуре 900 С по реакции:

22

CH4 + H2O = 3 H2 + CO.

При мольном соотношении пар:газ, равном 3:1, достигнута степень конверсии 0,95. Начальная температура смеси 400 С.

Рассчитать материальный и тепловой балансы процесса. 5. Каталитическую конверсию осуществляют по реакции:

CO(г) + H2O(г) = H2(г) + CO2(г).

Для достижения степени конверсии СО, равной 98 %, процесс ведут при 500 С, а исходное соотношение пар:газ составляет 4:1 по объему. Начальная температура парогазовой смеси 300 С.

Рассчитать материальный и тепловой балансы процесса.

6. При производстве аммиачной селитры NH4NO3 нейтрализуют 1000 кг 58%-ной азотной кислоты газообразным аммиаком. За счет выделяющегося тепла реакции раствор нагревается до температуры кипения (150 С), часть воды испаряется и раствор концентрируется.

Рассчитать материальный и тепловой балансы процесса. Определить состав полученного продукта.

7. В производстве фтороводорода проводят разложение плавикового шпата 98%-ной серной кислотой при температуре 220 С.

Основные реакции процесса:

Степень разложения CaF2 по реакции (1) составляет 90 %; реакция (2) протекает до конца.

Провести расчет материального и теплового балансов на 1000 кг шпата, содержащего (мас. %): CaF2 – 97, SiO2 – 2 и H2O – 1.

8.Метан массой 1000 кг поступает в печь при температуре 20 С

исгорает в воздухе, содержащем 21 об. % О2 и 79 об. % N2. Избыток воздуха составляет 50 % от стехиометрии.

Врезультате расчета материального и теплового балансов определить температуру продуктов сгорания.

23

9. В производстве сульфида натрия в печи при температуре 600 С осуществляют процесс восстановления сульфата натрия водородом, который берут сизбытком 100 %. Приэтомпротекает реакция:

Na2SO4(т) + 4 H2(г) = Na2S(т) + 4 H2O(г).

Состав сырья (мас. %): Na2SO4 – 97; NaCl – 1; H2O – 2.

Рассчитать материальный и тепловой балансы процесса. При расчете на 1000 кг сырья принять степень восстановления 98 %.

10. Для производства водорода проводят процесс конверсии метана углекислым газом при температуре 1000 С. На конверсию поступает чистый 100%-ный метан и газ, содержащий (об.%): СО2 – 80, N2 – 15, О2 – 5. В реакторе протекают до конца следующие реакции:

CН4 + СО2 = 2 СО + 2Н2;

СН4 +2О2 = СО2 + 2 Н2О.

Рассчитать материальный и тепловой балансы на 1000 кг газа, содержащего диоксид углерода, приняв температуру исходных реагентов 20 С.

11. При синтезе аммиака из азотоводородной смеси с мольным (объемным) соотношением N2 / H2, равным 0,35, при температуре 500 С получен выход 15 %.

При расчете материального и теплового балансов на 1000 кг аммиака определить температуру азотоводородной смеси на входе в колонну синтеза, при которой процесс будет протекать автотермично, т.е. без подвода извне и без отвода тепла.

12. При производстве криолита Na3AlF6 проводят взаимодействие 1000 кг гидроксида алюминия с 15%-ной плавиковой кислотой по реакции:

2 Al(OH)3(т) + 12 HF(ж) = 2 H3AlF6(ж) + 6 H2O(ж).

Для получения труднорастворимого осадка образующийся раствор нейтрализуют содой:

2 H3AlF6(ж) + 3 Na2CO3(т) = 2 Na3AlF6(т) + 3 CO2(г) = 3 H2O(ж).

24

Для улучшения качества продукта процесс ведут при температуре 80 С в кислой среде с недостатком соды, расход которой составляет 96 % от стехиометрии. Исходные реагенты имеют температуру 20 С.

Рассчитать материальный и тепловой балансы процесса.

13.Для получения диоксида серы в печи сжигают 2000 кг/ч предварительно расплавленной при температуре 120 С серы. В качестве окислителя используют воздух с избытком 50 %. Степень окисления составляет 98 %. Потери тепла в окружающую среду – 5 % от прихода.

При расчете материального и энергетического балансов найти температуру горения.

14.При извлечении ванадия из конвертерного шлака проводят окислительный обжиг шлака с содой при температуре 750 С.

Основные реакции процесса :

В результате окисления нерастворимый оксид ванадия V2O3 переходит в водорастворимый ванадат натрия NaVO3. В составе шлака содержится (мас. %): V2O3 – 18, SiO2 – 20, остальное – FeO. Для приготовления шихты берут стехиометрическое количество соды в соответствии с содержанием в шлаке V2O3.

Степень превращения по реакции (1) при избытке воздуха 20 % составляет 90 %. Остаток соды реагирует по реакции (3). Реакция (2) протекает до конца.

Рассчитать материальный и тепловой балансы процесса.

15. Аммиачно-воздушная смесь содержит 10 об. % NH3. При температуре 850 °С происходит каталитическое окисление по реакциям:

25

Провести расчет материального и теплового балансов процесса на 1000 кг NH3, приняв, что 97 % аммиака участвует в реакции (1), а остальная часть в реакции (2).

16. При производстве суперфосфата апатит разлагают 75%-ной серной кислотой при температуре 80 С по реакции:

2Ca5F(PO4)3(т) + 7 H2SO4 (ж) =

=3 Ca(H2PO4)2(т) + 7CaSO4(т) + 2 HF(г).

Провести расчет материального и теплового балансов процесса на 1000 кг апатита с учетом того, что вся вода, поступающая с серной кислотой, связывается с образованием гипса CaSO4·2H2O.

17. Цинковая руда содержит 28 % серы в виде ZnS. Окисление кислородом воздуха при температуре 800 С идет по реакции

ZnS + 3/2 O2 = ZnO + SO2.

Степень превращения составляет 97 %, избыток воздуха – 50 %. Определить состав руды и количество примесей (SiO2). Провести расчет материального и теплового балансов процесса на 1 т руды.

18.Эстонский сланец имеет состав (мас. %): С – 70, Н2 – 6,5, О2 – 10, S – 2, N2 – 1, зола – 5,5, влага – 5. Сгорает 1000 кг сланца в кислороде воздуха с избытком 200 %.

Рассчитать материальный и энергетический балансы и определить температуру горения, приняв потери тепла в окружающую среду 5 % от прихода.

19.Торф содержит в своем составе (мас. %): C – 58, H2 – 6, O2 –

31, S – 0,5, N2 – 1,5, H2O – 2,0, золы – 1,0. Горение происходит в из-

бытке кислорода воздуха, равном 20 %. Потери тепла составляют 3 %.

Врезультате расчета материального и теплового балансов на 1000 кг топлива определить температуру горения.

20.В качестве топлива используют газ, содержащий (об.%):

CO – 30, CO2 – 6, N2 – 62, O2 – 1, H2S – 1. Для окисления горючих составляющих газа CO и H2S в аппарат поступает воздух с избытком от стехиометрии 20 %. Реакции окисления протекают до конца.

26

Определить состав газа на выходе, составить материальный и тепловой балансы, найти температуру продуктов сгорания.

21. Для производства едкого натра используют негашеную известь СаО и 15%-ный содовый раствор в стехиометрическом соотношении. При 80 С протекают следующие реакции:

Известь имеет следующий состав (мас. %): CaO – 85, CaCO3 – 5, Ca(OH)2 – 5, нерастворимые примеси – 5. Степень гидратации по реакции (1) составляет 90 %. Реакция (2) протекает до конца.

Провести расчет материального и теплового балансов на 1000 кг негашеной извести. Определить состав продуктов взаимодействия и расход энергии.

22. Для получения полифосфата натрия (NaPO3)n в качестве сырья используют 60%-ный раствор NaH2PO4. Этот раствор при постепенном нагревании в печи до 700 С испаряется, а затем происходит реакция дегидратации:

NaH2PO4 = NaPO3 + H2O.

Провести расчет материального и теплового балансов на 1000 кг сырья.

23. Реакционный газ, содержащий (мас. %): HF – 80, SiF4 – 10, H2O – 6, CO2 – 2, SO3 – 2, поступает с температурой 150 С на охлаждение до 20 С для получения жидкого фтороводорода-сырца. При этом в жидкой фазе протекают следующие реакции:

Степень конденсации HF составляет 70 %; SO3 и SiF4 полностью связываются жидкой фазой; CO2 и часть водяного пара уходят в виде несконденсировавшегося газа.

Рассчитать материальный и тепловой балансы процесса.

27

24. Синтез хлороводорода проводят по реакции: H2 + Cl2 = 2 HCl.

Для него используют газы, полученные при электролизе с температурой 40 С. Состав хлора (мас. %): Cl2 – 98, O2 – 2. Состав водорода (мас. %): H2 – 97, H2O – 1, N2 – 2. Водород берется с избытком 5 % от стехиометрии.

При наличии кислорода в газовой смеси протекает побочная реакция:

2 H2 + O2 = 2 H2O.

Температура в зоне реакции составляет 1000 С.

Провести расчет материального и теплового балансов на 1000 кг хлорсодержащего газа.

25. Для получения водорастворимого Na2CrO4 при температуре 1000 °С проводят окислительный обжиг хромитовой руды со щелочной добавкой – содой по реакциям:

В качестве окислителя используют воздух с избытком 50 % от стехиометрии. Количество соды в реакции (1) берут по стехиометрии

всоответствии со степенью окисления Cr2O3, равной 90 %. Реакция

(2)протекает до конца. Реагенты поступают в печь при температуре

20 С. Состав хромитовой руды (мас. %): FeO · Cr2O3 – 90, примесь

SiO2 – 10.

Рассчитать материальный и тепловой балансы процесса.

26. Хлормагниевые щелока, получаемые в производстве карналлита, используют для производства карбоната магния по реакции:

MgCl2(р) + Na2CO3(р) = MgCO3(т) + 2 NaCl(р).

Состав хлормагниевых щелоков (мас.%): MgCl2 – 28, KCl – 2, NaCl – 2. Для осаждения применяют 20%-ный содовый раствор в стехиометрическом соотношении по реакции. Степень осаждения MgCO3 составляет 90 %. Реагенты поступают на переработку с температурой 22 С, а в реакторе поддерживается температура 95 С.

Рассчитать материальный и тепловой балансы процесса.

28

27. В производстве сульфида натрия осуществляют реакцию восстановления сульфата натрия углеродом:

Na2SO4 + 2 C = Na2S + 2 CO2.

Сырьем служит природный сульфат натрия следующего состава (мас. %): Na2SO4 – 97, NaCl – 1, H2O – 2. В качестве восстановителя используют уголь, взятый в стехиометрическом соотношении, имеющий состав (мас. %): C – 92, SiO2 – 4, Fe2O3 – 4. Степень восстановления составляет 95 %.

При расчете материального и теплового балансов на 1000 кг природного сульфата натрия определить расход топлива для поддержания в зоне восстановления температуры 1200 С.

28. Фосфорное удобрение (преципитат) получают при температуре 50 С путем разложения известняка 45%-ной фосфорной кислотой по реакции:

CaCO3(т) + H3PO4(ж) + H2O(ж) = CaHPO4 · 2H2O(т) + CO2(г).

Степень осаждения составляет 98 %. Природный известняк содержит 97 % CaCO3 и 3 % Al2O3 и подается с избытком 5 % от стехиометрии в виде водной суспензии, содержащей 30 % твердой фазы.

Провести расчет материального и теплового балансов на 1000 кг фосфорной кислоты.

29. Для получения кальцинированной соды в содовой печи при температуре 150 С прокаливают сырой гидрокарбонат натрия сле-

дующего состава (мас. %): NaHCO3 – 85, NH4Cl – 0,5, H2O – 14,5.

При этом до конца протекают следующие реакции:

Рассчитать материальный и тепловой балансы на 1000 кг сырья.

30. В производстве аммиака очистка азотоводородной смеси от диоксида углерода осуществляется 20%-ным водным раствором моноэтаноламина (МЭА) при температуре 30 С по реакции:

2 NH2CH2CH2OH + CO2 + H2O = (NH3CH2СН2OH)2CO3.

29

При избытке МЭА 50 % от стехиометрии степень очистки составляет 97 %. Состав газа, поступающего на очистку (об. %): Н2 –

61,7, СО – 0,5, N2 – 19,8, СН4 – 0,3, Ar – 0,3, СО2 – 17,4.

Рассчитать материальный и тепловой балансы на 1000 кг исходного газа.

Раздел 2 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

2.1. Методика расчета равновесия

Термодинамический анализ промышленных процессов, основанных на обратимых химических реакциях в газовой фазе, позволяет найти условия, при которых степень превращения ценного компонента сырья и выход целевого продукта будут максимальными. Предел протекания любого химико-технологического процесса определяется достижением равновесия. Полученные к моменту равновесия степень превращения сырья и выход продуктов являются максимально возможными при заданных условиях.

Основными факторами, влияющими на равновесные показатели технологического процесса, являются исходный состав газовой смеси, температура и давление. Величина термодинамической константы равновесия характеризует степень равновесия в системе и зависит от термодинамических свойств всех веществ, участвующих в реакции, а также от температуры.

С одной стороны, значение термодинамической константы равновесия можно рассчитать по приближенной формуле:

30