Расчет расходных коэффициентов по сырью

Задание 1.  Расчет расходных коэффициентов по сырью

 

1. Теоретические и практические  расходные коэффициенты.

 

Расходный коэффициент  – показывает количество сырья, материалов или энергии, затраченных на производство единицы продукции (чаще всего на 1 т продукции). Выделяют теоретические  и практические расходные коэффициенты.

Теоретические расходные коэффициенты рассчитываются на основании стехиометрических  уравнений реакций протекающих  в аппаратах химических процессов. Для каждой реакции они постоянны  и для их определения достаточно знать только молекулярные массы реагентов и продуктов.

Практические  расходные коэффициенты – фактически расходуемые количества сырья, энергии  и т.п. в конкретном производстве, эти величины получаются в ходе исследования действующего производства. Расчет практических расходных коэффициентов производится с учетом его особенностей. Учитываются  состав сырья и продуктов, концентрации растворов, потери сырья и продуктов, избыток реагентов и др. Т.е. практические расходные коэффициенты – величины непостоянные и зависящие от различных  факторов, они могут колебаться в  достаточно широких пределах.

 

2. Как рассчитывается содержание  вещества в смеси (сплаве, породе, растворе)?

 

Содержание  вещества в сплаве, породе, растворе характеризуется чаще всего его  массовой долей (W) – отношением массы  данного вещества к массе всего  раствора, породы, сплава, принятой равной единице (или 100 %):

,

где  m_i – масса вещества, содержание которого определяем;

m_общ – общая масса раствора, сплава, породы.

Зная же массовую долю вещества в растворе сплаве и  т.п., можно для любого его количества рассчитать массу данного вещества:

 

Задача 3. Рассчитать теоретические расходные коэффициенты  никелевых руд, используемых при получении монеля, важнейшего сплава никеля (содержание Ni 65%), при условии, что в рудах отсутствуют пустая порода и примеси.

Сырьем для  получения никеля являются: пентландит NiS•2FeS, купферникель NiAs, мышьяковоникелевый блеск NiAsS.

 

 

Дано:

m = 1 т

W_Ni = 65 %

 

А_NiS-2FeS - ?

A _NiAs - ?

A _NiAsS - ?

Решение

 

Масса чистого  никеля в сплаве:

Расходные коэффициенты руд:

, где k_Ni -  индекс никеля в формуле соответствующей руды

Для NiS-2FeS:   

Для NiAs:   

Для NiAsS:  

Поскольку при использовании второй руды для  получения сплава ее требуется наименьшее количество, то наиболее целесообразно  в качестве источника для получения  сплава применять NiAs_.

 

Ответ: 2941,5 кг, 1476,3 кг, 1828,8 кг.

 

Задание 2.  Расчеты по химическим реакциям

 

14. Сформулируйте основные стехиометрические  законы: сохранения массы, постоянства  состава, эквивалентов, закон Авогадро  и следствия из него.

 

Закон сохранения массы: масса веществ, вступающих в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

Закон постоянства  состава: соотношения между массами элементов, входящих в состав данного соединения, постоянны и не зависят от способа получения этого соединения. Другая формулировка: всякое химическое соединение, независимо от способа его получения, имеет один и тот же состав.

Закон эквивалентов: вещества взаимодействуют друг с другом в количествах, пропорциональных их эквивалентам.

Закон Авогадро: в равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и при одинаковом давлении, содержится одно и то же количество молекул.

Следствия из закона Авогадро: 1) один моль любого газа при одинаковых условиях занимает один и тот же объем (при н.у.: Р = 101320 Па и Т = 273 К он равен 22,4 л/моль); 2) массы равных объемов двух газов, взятых при одинаковых условиях, относятся друг к другу, как их молекулярные массы.

 

15. В каком случае уравнение  реакции называется стехиометрическим  (сбалансированным)? Каким законом  пользуются для подбора коэффициентов  в уравнении реакции?

 

Стехиометрическое уравнение – уравнение с правильно  подобранными коэффициентами, обозначающими  количества молей вещества, вступающего  в реакцию. Для стехиометрического уравнения выполняется закон  сохранения массы. Для подбора коэффициентов  в уравнении пользуются, как правило, законом эквивалентов.

 

16. Что такое выход реакции? Как рассчитывается теоретический и практический выход реакции?

 

Выход реакции  – отношение получаемого количества продукта к максимально возможному количеству продукта, которое можно  получить из того же количества исходного  сырья при протекании реакции  до конца: m / m_max.

Максимально возможное количество продукта (m_max) рассчитывается по стехиометрическому уравнению реакции на основании закона эквивалентов. При определении теоретического выхода для расчета m принимается, что в реакции достигнуто равновесие (в случае обратимой реакции). Практический выход, как правило, определяется экспериментально на основании анализа продуктов реакции для каждого действующего производства, поскольку равновесие, как правило, не достигается, возможны потери сырья или продукта, сырье может содержать примеси и т п.,  т.е. m рассчитать теоретически невозможно.

 

Задача 39. Какой объем азота (0⁰ С и 101,3 кПа) и сколько килограммов карбида кальция необходимо для получения 1 т технического цианамида кальция, содержащего 60 % CaCN₂? Уравнение реакции: CaC₂ + N₂ = CaCN₂ + C.

 

Дано:

m^т_СaCN2 = 1 т

W_CaCN2 = 60 %

 

m_CaC2 - ?

V_N2 - ?

Решение

 

Масса чистого цианамида кальция:  

Согласно уравнению реакции:

         _{х кг                   у м3                      600 кг}

CaC₂     +      N₂    =        CaCN₂     +        C.

                                                               ^{64 кг/кмоль        22,4 м3/кмоль       80 кг/кмоль}       

 

CaC₂  

N₂  

 

Ответ: 480 кг, 168 м³.

 

Задание 3. Материальный и тепловой баланс химико-технологического процесса.

 

40. Приведите основные уравнения материального баланса.

 

Основное  уравнение материального баланса  может быть записано в виде:

 

Σ G^вх _i = Σ G^вых_i + ∆G,

 

где  Σ G^вх _i - сумма масс входящих в аппарат веществ;

Σ G^вых _i - сумма масс выходящих из аппарата веществ.

∆G – производственные потери.

Σ G^вх _i можно определить как сумму масс исходного сырья (кроме реагентов, непосредственно участвующих в реакции, в состав сырья входят примеси, вода – для реакций в растворах, инертны – для газовых реакций, и т.п.)

Σ G^вых _i определяется как сумма масс продуктов реакции (в том числе и побочных), непрореагировавшей части реагентов, инертов, примесей, воды и др.

∆G – это потери как сырья, так и получаемого продукта, определяемые особенностями технологического процесса.

 

41. Что такое теоретический и  практический материальный баланс?

 

Теоретический материальный баланс – материальный баланс, рассчитываемый теоретически на основании стехиометрического уравнения  реакции.

Практический  материальный баланс, как и теоретический, составляется на основании расчетов, проведенных в соответствии с  законом сохранения массы и законом  эквивалентов по уравнениям протекающих  в аппарате реакций. Однако, в отличие  от теоретического, при расчете практического  материального баланса учитываются  потери реагентов и продуктов  реакции, избыток одного из реагентов, степень превращения реагентов, концентрации растворов, наличие примесей и другие производственные факторы. Т.е. сначала по уравнению реакции  производят расчет теоретически необходимого количества чистых реагентов, а затем  учитывают различные производственные факторы.

 

42. Приведите основные уравнения  теплового баланса

 

 Основное  уравнение теплового баланса  имеет вид:

 

Q_вх + Q_Ф.П. + Q_p + Q_подв = Q_вых + Q’_Ф.П. + Q’_p + Q_отв + Q_п,

 

где  Q_вх – тепло, вносимое в аппарат с исходным сырьем;

Q_Ф.П. – тепло, выделяющее при фазовых переходах (напр., при конденсации пара);

Q_p – тепло, выделяющееся при экзотермических реакциях;

Q_подв – подводимое тепло (если расход тепла больше прихода);

Q_вых – тепло, выносимое из аппарата с конечными продуктами;

Q_Ф.П. – тепло, поглощаемое при фазовых переходах (напр., при испарении воды);

Q_p – тепло, поглощаемое при эндотермических реакциях;

Q_отв – отводимое тепло (если приход тепла больше расхода);

Q_п – тепловые потери.

 

Задача 65. Составить материальный и тепловой баланс процесса окисления сернистого газа по реакции: 2SO_{2 (г)}+ О_2(г)=2 SO_3(г).

Расчет  вести на 1 м³ исходного газа. Состав исходного газа, степень превращения SO₂, температура газа на входе, выходе, потери тепла взять в таблице вариантов. Среднюю теплоемкость смеси (условно считать ее неизменной): с = 2,05 кДж/м^{3 о}С.

 

Состав исходного газа (об.%)			Степень превраще-ния О2	Температура газа на входе (оС)	Температура газа на выходе, оС	Потери тепла, в % от прихода
SO2	О2	N2
7,7	10,6	81,7	0,983	345	440	5,0

 

Дано:

 

V^н = 1 м³

φ_SO2 = 7,7 %

φ_O2 = 10,6 %

φ_N2  = 81,7 %

x_SO2  = 0,983

t_н = 345 °C

t_к = 440 °C

Q_п = 0,05 ^. Q_прих

c = 2,05 кДж/(м³ °C)

 

МБ -?

ТБ - ?

Решение

 

Материальный баланс

 

1) Исходный газ

Объемы компонентов  рассчитываем по формуле:

Vi = V^{н .} φ_i

V_SO2 = 1000 ^. 0,077 = 77 (л)

V_O2 = 1000 ^. 0,106 = 106 (л)

V_N2 = 1000 ^. 0,817 = 817 (л)

Массы компонентов  рассчитываем по формуле:

,

где  М – молярная масса, г/моль

V_М = 22,4 л/моль

 

2) Расчет по уравнению  реакции.

_{x кг              х л     y л}

SO₂  +      ½  O₂     =      SO₃

^{22,4 л/моль             11,2 л/моль     22,4 л/моль}

Реакционный объем SO₂ с учетом его степени превращения составляет:

77 ^. 0,983 = 75,691 (л) ≈ 75,7 (л)

Согласно уравнению реакции, кислорода потребуется:

SO₃ образуется:

или

3) Рассчитываем конечные  объемы и массы веществ в  газе после реакции:

О₂ остается: 106 – 37,85 = 68,15 (л) или

SO₂ останется: 77 – 75,7 =1,3 (л) или

SO₃ образуется:

По рассчитанным данным составляем таблицу материального баланса:

 

 

 

 

 

Приход	г	л	Расход	г	л
Исходный газ, в.т.ч.: SO2 O2 N2	1380,5   220,0 151,4 1021,3	1000   77 106 817	Конечный газ, в.т.ч.: SO3 SO2 O2 N2	1392,7   270,4 3,7 97,3 1021,3	966,3   75,7 1,3 68,15 817
Всего:	1392,7	1000		1392,7	962,15

 

Тепловой баланс

Приход тепла:

1) С исходным газом.

Q₁ = V ^. c ^. tн = 1 ^. 2,05 ^. 345 = 707,3 (кДж)

2) Тепло реакции:

SO₂ + ½  O₂ = SO₃ + 94,207 кДж

 

Общий приход тепла: 707,3 + 318,4 = 1025,7 (кДж)

 

Расход тепла:

1) С конечным газом:

Q’₁ = 0,96215 ^. 2,05 ^. 440 = 867,9 (кДж)

2) Потери тепла:

Q’₂ = 0,05 ^. 1025,7 = 51,3 (кДж)

 

Расход тепла: 867,9 + 51,3 = 919,2 (кДж)

 

Отводимое тепло: 1025,7 – 919,2 = 106,5 (кДж)

 

По рассчитанным данным составляем таблицу теплового  баланса:

 

Приход	кДж	%	Расход	кДж	%
1. С исходным газом  2. Тепло реакции	707,3 318,4	69,0 31,0	1. С конечным газом  2. Отводимое тепло 3. Потери тепла	867,9 106,5 51,3	84,6 10,4 5,0
Всего:	1025,7	100,0	Всего:	1025,7	100,0