Материальные и тепловые расчеты

Тип работы:
Контрольная
Предмет:
Химия


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Введение

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.

Название и формула железной руды

Молекулярная масса

Шпатовый железняк FeCO3

115,8

Лимонит 2Fe2O3•3H2O

373

Гетит 2Fe2O3•2H2O

355

Красный железняк Fe2O3

159,7

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 — 30оС,

аммиака — 50оС.

Температура кипения 70% раствора NH4NO3 120оС.

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 104оС 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=212,5кг

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 NH4NO3:

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.

Приход

кг

Расход

кг

1. Аммиак

2. Азотная кислота (50%)

В том числе:

HNO3

Вода

Всего:

214,6

1590,8

795,4

795,4

805,4

1. 70%-ный раствор NH4NO3,

в том числе: NH4NO3

Вода

2. Пар

3. Потери:

азотная кислота (100% HNO3)

аммиак

Всего:

1428,5

1000

428,5

366,9

7,9

2,1

1805,4

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:

Qпр = 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):

Qрасх= Q11+ Q21 = 342 840 + 979 623 = 1 322 463 кДж

Потери тепла могут быть подсчитаны, как разность между приходом и расходом тепла:

Qпр— Qрасх= 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.

Приход

кДж

Расход

кДж

1. Физическое тепло азотной кислоты

2. Физическое тепло газообразного аммиака

3. Тепло реакции

133 593

21 997

1 312 500

1. Тепло, уносимое раствором аммиачной селитры

2. Тепло, пошедшее на испарение воды

3. Потери тепла

342 840

979 623

145 627

Всего:

1 468 090

Всего:

1 468 090

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 460оС. Выходящего — 580оС. Среднюю теплоемкость смеси (условно считать ее неизменной): с = 2,052 кДж/м3 оС. Потери теплоты в окружающую среду принимаем 5% от прихода теплоты. Процесс идет по реакции:

SO2 (г)+ ½О2(г)=SO3(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 SO3, 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 SO2 (г)+ ½О2(г)=SO3(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.

Приход

кг

м3

Расход

кг

м3

SO2

О2

N2

6428,6

3928,6

25 277,5

2250

2750

20 000

SO3

SO2

О2

N2

7071

771,5

2514,3

25 277,5

1980

270

1760

20 000

Итого:

35 634,7

25 000

Итого:

35 634,3

24 010

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:

Qпот=31 925 226•0,05=1 596 261 кДж

Общий расход теплоты:

Qрасх= Q3+ Qпот=30 172 003 кДж

Следовательно, необходимо отвести теплоты:

Qотв= Qпот— Qрасх= 3 192 522−30 172 003=1753223 кДж.

Составляем таблицу теплового баланса:

Приход

Расход

Исходные данные

кДж

%

Конечные данные

кДж

%

Q1

Q2

23 598 000

8 327 225

73,9

26,1

Q3

Qпот

Qотв

28 575 742

1 596 261

1 753 223

89,6

5,0

5,4

Итого:

31 925 226

100

Итого

31 925 226

100

Литература

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.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой