Химико-технологические расчеты составляют главную часть проекта новых химических производств, они же являются завершающей стадией научных исследований и выполняются при обследовании работающих цехов и установок. Основой технологических расчетов является составление материальных и тепловых балансов.
Материальный балансоснован на законе сохранения массы вещества, согласно которому масса веществ, поступивших в замкнутую систему, равна массе веществ на выходе из нее. Применительно к материальному балансу любого технологического процесса это означает, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию, –приход, равна массе всех веществ, получившихся в результате ее, – расходу.
Материальный баланс может быть представлен уравнением, левую часть которого составляет масса всех видов сырья и материалов, поступающих на переработку (Σmприх), а правую – масса получаемых продуктов плюс производственные потери (Σmрасх):
Σmприх = Σmрасх. (24)
Уравнение материального балансаможет быть представлено в следующем виде:
m
+m
+m
+m
=m
+m
+m
+m
+m7, (25)
где m1иm2 массы поступившего газообразного, жидкого и твердого сырья и вспомогательного материала;m3,m4,m5полученные целевой продукт, побочный продукт, отход соответственно;m6непрореагировавшее сырье;m7 –производственные потери. Слагаемые прихода и расхода, число которых зависит от состава производственных потоков, называютстатьями материального баланса.
Материальный баланс – зеркало технологического процесса, отражающее расходные коэффициенты по сырью, наличие твердых отходов, газообразных выбросов, жидких стоков, состав образующихся продуктов. Чем подробнее изучен процесс, тем более полно можно составить материальный баланс. Составляют его по уравнению основной суммарной реакции с учетом параллельных и побочных реакций. Поскольку на практике приходится иметь дело не с чистыми веществами, а с сырьем сложного химического состава, то для составления материального баланса следует учитывать массу всех компонентов, входящих в его состав. Для этого пользуются данными химических анализов.
2.1. Стехиометрический материальный баланс
Теоретический (стехиометрический) материальный баланс рассчитывают на основе стехиометрических уравнений реакции. Часто стехиометрический баланс составляется для реакции, выражающей полный ход процесса и являющейся суммой промежуточных этапов, т. е. для такой реакции, которой в действительности не существует. Удобнее всего составлять материальный баланс, отнеся все расчеты к 1 моль или 1 кмоль основного исходного вещества. После этого по числу моль или кмоль находят объемы и массы исходных веществ и продуктов (кг, т, м3, л).
Стехиометрические коэффициенты в химических уравнениях показывают количество моль компонентов, вступивших в химическое взаимодействие. Их можно выразить в массовых величинах, умножая стехиометрические коэффициенты на молярную массу. Например, окисление диоксида серы описывается уравнениемSO2+ 0,5O2SO3. Молярные массы, г/моль или кг/кмоль:SO2– 64;O2– 32; SO3– 80, и это же уравнение с «массовыми» стехиометрическими коэффициентами будет иметь вид 64SO2+ 16O280SO3. В такой записи очевиден материальный баланс: суммарная масса исходных веществ равна массе продукта.
Рассмотрим пример: в производстве азотной кислоты определить количество HNO3, образующейся из 1 т аммиака. В химико-технологическом процессе протекают следующие реакции:
окисление аммиака
4NH3+ 5O2= 4NO+ 6H2О (26)
(принимаем, что NH3полностью окисляется доNO);
окисление оксида азота
2NO+O2= 2NO2; (27)
хемосорбция диоксида азота
3NO2+ Н2О = 2HNO3+NO. (28)
В абсорбционную колонну подается кислород, и образующийся оксид азота повторно окисляется до NO2по реакции (27).
Таким образом, образование азотной кислоты представлено стехиометрическими уравнениями (2628). Умножим первое из них на 1, второе – на 3, третье – на 2 и сложим их. Получим суммарное стехиометрическое уравнение (брутто-уравнение)
NH3+ 2O2=HNO3+H2О. (29)
Конечно, такая реакция не известна. Но стехиометрическое уравнение показывает, в каких соотношениях реагенты вступают во взаимодействие друг с другом, и этому определению отвечает уравнение (29). Умножим стехиометрические коэффициенты в (29) на мольные массы соответствующих компонентов (г/моль или кг/кмоль) (NH3 – 17;O2 – 32;HNO3 – 63; Н2О – 18) и получим
Материальный баланс(МБ) производства является важной составляющей нормативно-технической документации.
На основании данных материального баланса рассчитываются расходные нормы сырья для производства изделий. Для индустрии пластмасс это является основополагающим вопросом, определяющим себестоимость изделий в части сырьевой составляющей, которая может превышать 80% от полной себестоимости.
Материальный баланс помогает оценить возможные потери сырья на различных стадиях технологического процесса, провести анализ причин этих потерь, разработать и реализовать мероприятия по их снижению.
Материальный баланс составляется уже на стадии организации производства, на основе имеющихся литературных данных, а также данных содержащихся в нормативно-технической документации(ГОСТ,ТУ,паспорта качества на сырье),при этом данные материального баланса являются основой для расчета проектных расходных норм и соответственно проектной себестоимости.
В процессе освоения и эксплуатации производства, данные материального баланса могут быть откорректированы исходя из фактических потерь на различных стадиях технологического процесса.
Материальный баланс составляется как вы виде таблицы, в которой отражается приход и расход сырья, полуфабрикатов и потерь на каждой стадии техпроцесса, так и в виде схема на которой отражаются материальные потоки при производстве изделия.
В качестве примера ниже приведен материальный баланс канализационных труб из непластифицированного поливинилхлорида.
Таблица 1. Материальный баланс канализационных труб из непластифицированного поливинилхлорида.
| Предыдущий раздел | Следующий раздел | Критерии термодинамического совершенства технологических систем |
3.1. Уравнения баланса потоков масс компонентов и основанные на них критерии эффективности использования сырья
В этой и следующей главах выводятся интегральные уравнения баланса потоков вещества и энергии для систем, функционирующих в стационарном режиме. В этом режиме параметры поступающих в систему потоков, внутренние параметры системы и параметры выходящих потоков не изменяются во времени. Значительным преимуществом стационарных режимов является простота контроля и автоматизации производства. В тех ситуациях, когда поддержание стационарного режима либо невозможно вследствие самой природы используемого процесса, либо нерационально по причине существования более эффективных нестационарных режимов по сравнению со стационарными, предпочтение среди множества возможных нестационарных режимов отдается периодическим. В периодическом режиме все фазы процесса в точности повторяются через определенный временной интервал, называемый периодом процесса. Эта регулярная повторяемость производственного цикла также облегчает контроль и автоматизацию производства. Периодические процессы родственны стационарным в том отношении, что сохраняются постоянными средние по периоду значения всех параметров системы. Таким образом, в конечном счете все сводится к среднему по периоду изменению характеристик выходящих потоков по отношению к входящим. Поэтому критерии эффективности, разработанные для стационарных процессов, переносятся и на периодические процессы.
Пусть система имеет l входов и выходов материальных потоков ( l – общее число входов и выходов). Обозначим через 
, кг/с материальный поток через j-й вход (или выход), j = 1,2…l, причем поступающие в систему потоки будем считать положительными, а отводимые из системы потоки – отрицательными. Таким образом, для каждого входа в систему 
и характеризует скорость поступления вещества, а для каждого выхода 
и характеризует, соответственно, скорость отвода вещества из системы.
В стационарном режиме работы системы скорость поступления вещества в систему равна скорости отвода вещества, или
.(3.1)
Соотношение (3.1) выражает собой закон сохранения массы вещества в применении к технологической системе.
В любом химико-технологическом процессе за исключением радиохимических производств соблюдается также и закон сохранения массы каждого отдельного химического элемента, входящего в состав сырья, перерабатываемого в системе. Поэтому для стационарного режима можно записать
,(3.2)
где , моль/с – поток i-го элемента через j-й вход (или выход) системы, i = 1,2…k, где k – общее число химических элементов, составляющих систему, с сохранением правила знаков, принятого для потоков массы . Каждый j-й материальный поток можно представить как сумму
, (3.3)
где Ai, кг/моль – молярная масса i-го элемента. Очевидно, что просуммировав (3.3) по всем входам и выходам и учитывая соотношения (3.2), возвращаемся к соотношению (3.1), т.е. из условия сохранения масс отдельных элементов, конечно, вытекает условие сохранения массы в целом.
Элементарные балансовые соотношения (3.1) – (3.3) играют основополагающую роль в контроле точности аналитических измерений составов поступающих и выходящих потоков химического производства, а также в определении неконтролируемых утечек веществ. На основе балансовых уравнений составляются также показатели эффективности использования сырьевых материалов в конкретных химических производствах. Эффективность процесса, очевидно, тем выше, чем больше производится целевого продукта в расчете на единицу массы расходуемого сырья. Эквивалентным показателем является обратная величина – расход сырья в расчете на единицу массы производимого продукта. Эти показатели позволяют оценивать различные варианты технологических систем одного и того же назначения по эффективности использования сырьевых ресурсов. Поясним это на конкретном примере производства азотной кислоты из аммиака.
Рис.3.1. Принципиальная схема производства азотной кислоты: I – каталитический реактор окисления NH3 ; II – блок доокисления NO в NO2 (N2O4); III – абсорбционный узел.
Упрощенная схема этого производства, которая тем не менее полностью отражает основные стадии превращения исходных веществ в конечные продукты производства, дана на рис. 3.1. Производство включает в себя три главных технологических узла, в которых происходят химические превращения веществ: I –блок каталитического окисления аммиака кислородом воздуха, подаваемого в большом избытке, на Pt-катализаторе при температуре выше 9000С; II –блок доокисления образовавшегося на первой стадии оксида азота NO в оксиды NO2 и (N2O4); под действием избыточного кислорода реакция протекает самопроизвольно при охлаждении реакционной смеси; III – блок абсорбции высших оксидов азота из газовой смеси водой с образованием продуктового раствора азотной кислоты концентрации около 60%. Указанные три блока, вместе со связывающими их материальными потоками, составляют главную подсистему производства азотной кислоты, материальный баланс которой определяет эффективность использования сырья и в производстве в целом. Из упрощенной схемы производства исключены узлы, в основном относящиеся к его энергетической инфраструктуре.
Рассматриваемая подсистема имеет 3 входа (аммиак, воздух и вода) и 2 выхода (60% HNO3 и смесь отходящих газов, состоящая из компонентов воздуха с примесью неабсорбированных оксидов азота), пронумерованных на схеме. В протекающих в подсистеме химических превращениях участвуют три химических элемента N, O и H, для которых могут быть записаны балансовые соотношения
в которых – скорость поступления в подсистему (отвода из подсистемы) элемента B через j-й канал, где, B = N, O или H. В данном случае наиболее ценным сырьевым потоком является поток аммиака , а единственный продуктовый поток – это поток раствора азотной кислоты , или в пересчете на 100% азотную кислоту, 0.6. Поэтому очевидно, что эффективность использования сырья в данном производстве будет характеризоваться отношением
(3.4)
показывающим, сколько тонн аммиака расходуется на получение одной тонны азотной кислоты (в пересчете на 100% HNO3), и называемым расходным коэффициентомпо аммиаку.
Сравним по этому показателю две технологические схемы действующих производств HNO3, разработанные одна – в СССР институтом ГИАП, а другая – в США компанией D.M.Weatherly Co. Для агрегата, разработанного ГИАП, производительностью 1150 т/сутки = 0.286, для второго агрегата производительностью 227 т/сутки = 0.282. В данном случае расходные коэффициенты в двух схемах оказались весьма близки.
Расходные коэффициенты по сырью позволяют сопоставить новое технологическое решение с уже известными, однако на основе этого показателя нельзя ответить на важный для технологов вопрос, в какой мере возможно дальнейшее улучшение системы, насколько она далека от технологического идеала.
Чтобы получить более объективный показатель уровня совершенства системы, необходимо соотнести достигнутое значение расходного коэффициента по сырью с тем его значением, которое соответствовало бы его минимальному значению, совместимому с законом сохранения масс химических элементов в ходе химических превращений. В рассматриваемом примере минимальное значение расходного коэффициента по аммиаку соответствовало бы полному, стехиометрическому переходу азота аммиака в азотную кислоту по уравнению реакции
Отсюда равно отношению молярных масс NH3 и HNO3, = 0.270. Тогда фундаментальной характеристикой степени совершенства процесса с точки зрения эффективности использования сырья будет выраженное в процентах отношение
100%,(3.5)
называемое выходом продукта. Физический смысл этого термина становится ясным, если учесть, что величина показывает количество целевого продукта (его выход) в тоннах в расчете на 1т потребляемого сырья, и выражение (3.5) можно представить в виде
100%.
Легко подсчитать, что в действующих производствах азотной кислоты достигаются весьма высокие значения выхода продукта: в схеме ГИАП = 94% и в схеме D.М.Weatherly Co = 96%. С чем связаны успехи химиков-технологов в эффективном использовании сырья в данном производстве и чем обусловлены хотя и небольшие, но ощутимые потери сырья? Достижения технологии проявились, во-первых, в подборе селективного платинового катализатора окисления аммиака и температурного режима каталитического процесса. Хотя термодинамически разрешенным является образование трех возможных продуктов окисления NH3 кислородом – N2, N2O и NO, процесс с высокой селективностью идет именно по траектории образования оксида NO. Во-вторых, весьма эффективным является процесс абсорбции смеси высших оксидов азота NO2 и N2O4 потоком воды, идущий по схеме
Факторами, способствующими достижению полноты поглощения оксидов азота, являются использование принципа противотока газовой смеси и растворителя в абсорбционной башне, наличие в газовой смеси большого избытка воздуха, окисляющего выделяющийся из раствора NO, повышение давления в системе и увеличение высоты башни.
Часть аммиака остается все-таки неиспользованной вследствие частичного образования N2 и N2O при окислении аммиака, которые затем беспрепятственно проходят через абсорбционную башню, а также вследствие проскока некоторого количества NO. Для нейтрализации вредных примесей NO и N2O на выходе газов из абсорбционной башни в схеме ГИАП предусмотрена их каталитическая очистка. Этот пример показывает, что повышение выхода целевого продукта, важное само по себе, облегчает также решение вопросов экологической безопасности производства.
Вместе с тем нельзя не отметить, что современное производство азотной кислоты, эффективное с точки зрения полноты химического превращения сырья в целевой продукт, характеризуется весьма низким уровнем использования энергетического потенциала сырья (см. Главу 4).
Как явствует из разобранного примера, не вызывает затруднений формулирование критериев эффективности использования сырья в ситуации, когда речь идет о единственной разновидности ценного сырья и из системы отводится единственный целевой продукт. Задача оптимизации технологической системы становится много сложнее, если в системе потребляется несколько видов сырья сопоставимой ценности и получается несколько целевых продуктов. В этом случае чисто балансовых соотношений явно недостаточно: критерии эффективности использования сырья должны включать стоимости отдельных видов сырья и целевых продуктов.
1.3.Пример составления материального баланса
Задание: составить материальный баланс стадии нитрования бензола в производстве нитробензола мощностью 1000 т/год.
Решение: При заданной мощности производства, принимая в расчете 330 рабочих дней в году, определим суточную мощность производства:
1000*1000/330=3030.3 кг 100%-ного нитробензола.
Реакция образования нитробензола из бензола соответствует следующему стехиометрическому соотношению:
Согласно данным производственного регламента, выход нитробензола равен 98% от теоретического, следовательно суточный расход бензола составит:
(3030*78)/(123*0.98)=1960.9 кг 100%-ного продукта.
Допуская, что технический бензол содержит 99% чистого продукта, определим суточный расход технического бензола:
1960.9/0.99=1980.7 кг.
Весовой состав 1980.7 кг технического бензола:
Бензол 1980.7*0.99=1960.9 кг
Примеси 1980.7*(1-0.99)=19.8 кг
Удельный вес технического бензола равен 0.879 кг/л, следовательно объем бензола, расходуемого в сутки, составляет:
1980.7/0.879=2252.6 л.
По произведенному регламенту на каждые 500 кг технического бензола, загружаемого в аппарат для нитрования, расходуется 2020 кг нитрующей смеси, которая содержит 59.6% серной кислоты, 20% азотной кислоты и 20.4% воды.
При вычисленном расходе бензола потребуется следующее количество нитрующей смеси:
2020*1980.7/500=8001.9 кг
Весовой состав 8001.9 кг нитрующей смеси:
Азотная кислота 8001.9*0.2=1600.4 кг
Серная кислота 8001.9*0.596=4769.2 кг
Вода 8001.9*0.204=1632.4 кг
Удельный вес нитрующей смеси такого состава равен 1.5 кг/л; следовательно объем указанного количества нитрующей смеси составит:
8001.9/1.5=5334.6 л
Процесс нитрования бензола соответствует стехиометрическому уравнению:
Согласно этому уравнению, при нитрования 1960.9 кг бензола расходуется азотной кислоты:
1960.9*63/78=1583.8 кг
При выходе продукта в стадии нитрования 98% от теоретического образуется нитробензола:
1960.9*(123/78)*0.98=3030.3 кг
Образуется воды:
1960.9*18/78=452.5 кг
Останется не прореагировавшей азотной кислоты:
1600.4-1583.8=16.6 кг
Серной кислоты останется 4769.2 кг
Общее содержание воды в реакционной массе в конце процесса:
Примеры составления материальных балансов необратимых химико-технологических процессов
Пример 1.
Молекулярная масса:
C6H6 — 78; C6H5Cl -112,5; C6H4Cl2 — 147; C6H3Cl3 — 181,5; Cl2 — 71; HCl — 36,5. Подход 1 к решению примера 1:
Решение. Хлорбензол является полупродуктом для получения различных производных бензола, таких, как фенол, анилин и др. Получают его, пропуская хлор в жидкий бензол, в присутствии хлорида железа (III). По мере образования хлорбензола по основной реакции
C6H6 + Cl2 ® C6H5Cl + HCl (1)
происходит дальнейшее хлорирование
C6H5Cl + Cl2 ® C6H4Cl2 +HCl
или C6H6 + 2Cl2 ® C6H4Cl2 + 2HCl (2)
C6H4Cl2 + Cl2 ® C6H3Cl3 или C6H6 + 3Cl2 ® C6H3Cl3 + 3HCl (3)
Чтобы предотвратить образование больших количеств полихлоридов хлорирование следует прекращать при содержании в реакционной смеси несколько больше половины введённого бензола (60 — 65%).
В продукционной (жидкой) смеси находится, согласно заданному составу жидких продуктов реакции, 1000 кг
C6H5Cl; 1000*2,5/32 = 78 кг C6H4Cl2; 1000*0,5/32 = 15,6 кг C6H3Cl3 , а, кроме того, 372,4 кг HCl, полученного:
по реакции (1) 1000*36,5/112,5 = 324 кг
по реакции (2) 78*2*36,5/147 = 39 кг
по реакции (3) 15,6*3*36,5/181,5 = 9,4 кг
Расход (кг) чистого бензола (на 1 т продукта):
на образование
C6H5Cl 1000*78/112,5 = 693
на образование
C6H4Cl2 78*78/147 = 41
на образование
C6H3Cl3 15,6*78/181,5 = 6,7
непрореагировавшего 1000*65/32 = 2031,0
общий 2771,7
технического 2771,7/0,975 = 2842,8
Расход (кг) хлора:
на образование
C6H5Cl 1000*71/112,5 = 631
на образование
C6H4Cl2 78*2*71/147 = 75
на образование
C6H3Cl3 15,6*3*71/181,5 = 18,3
общий 724,3
технического 724,3/0,98 =
739
Материальный баланс хлоратора бензола (на 1 т хлорбензола):
Приход кг Расход кг
Технический бензол
C6H5Cl 1000
C6H6 2771,7 C6H4Cl2 78
примеси
71,1 C6H3Cl3 15,6
Технический хлор
C6H6 2031
Cl2 724,3 HCl 372,4
примеси 14,7 примеси к C6H6 71,1
примеси к
Cl2 14,7
Итого
: 3581,8 Итого: 3582,8
Подход 2 к решению примера 1:
Рассчитать материальный баланс хлоратора в производстве хлорбензола (1тонна), если состав жидких продуктов следующий:
W()= 0,65
W()= 0,32
W()= 0,025
W()= 0,005
W1(
)= 0,975 — содержание чистого бензола в техническом бензоле
W2(
)= 0,98 — содержание чистого хлора в техническом хлоре
Происходят следующие реакции хлорирования:
Решение:
Находим молекулярные массы всех имеющихся веществ.
М(
)=12× 6+1× 6 = 78 г/моль
М(
)=35,5× 2 = 71 г/моль
М(
)=1+35,5 = 36,5 г/моль
М(
)=12× 6+1× 5+35,5 = 112,5 г/моль
М(
)=12× 6+1× 4+35,5× 2 = 147 г/моль
М(
)=12× 6+1× 3+35,5× 3 = 181,5 г/моль Находим массу смеси и её компонентов из следующих соображений.
Если содержание в смеси
W(С6Н5Сl)= 0,32 а его, масса =1000 кг (всей смеси)= 1, тогда масса смеси = m(всей смеси) кг — масса смеси.
Массы остальных компонентов аналогично:
Подставляем полученные данные в уравнения реакции:
Мы не можем вместо
X1, подставить массу бензола, полученную в пункте 2., т.к.
неизвестно сколько его пошло в реакцию.
Мы не можем вместо
X3 и X6, подставить массы хлоридов, полученных в пункте 2., т.к.
X3 = 1000 +X
4 — часть из Х3 пошло на следующую реакцию,
X6 = 78,125 +X
8 — часть из Х6 пошло на следующую реакцию.
Но мы точно знаем, что
не расходовался на другие реакции.
Будем считать от него, постепенно передвигаясь к первому уравнению.
Масса
в третьем уравнении кг
Тогда
X6 = 78,125 + X8 =78,125 + 12,655 = 90.78 кг
Масса
во втором уравнении кг
Тогда
X3 = 1000 +X4 = 1000 + 69,5 = 1069,5 кг Рассчитаем массы остальных веществ в реакциях. кг кг кг
Всего
m()= 347+22,54+3,14= 372,68кг кг кг кг
Всего
m()= 674,97+43,85+6,11= 724,93кг
Масса технического хлора пошедшего на реакцию
кг
Масса прореагировавшего бензола
кг
Всего масса бензола в т.ч. непрореагировшего бензола:
кг
Масса технического бензола всего
кг
Ответ:
масса технического бензола
= 2843,87 кг
масса технического хлора
кг
масса выделевшегося хлороводорода
m()= 372,68 кг
Подход 3 к решению примера 1:
Дано:
Рассчитать материальный баланс хлората в производстве хлорбензола (1тонна), если состав жидких продуктов следующий:
W()= 0,65
W()= 0,32
W()= 0,025
W()= 0,005
W1(
)= 0,975 — содержание чистого бензола в техническом бензоле
W2(
)= 0,98 — содержание чистого хлора в техническом хлоре
Происходят следующие реакции хлорирования:
Решение:
Находим молекулярные массы всех имеющихся веществ.
М(
)=12× 6+1× 6 = 78 г/моль
М(
)=35,5× 2 = 71 г/моль
М(
)=1+35,5 = 36,5 г/моль
М(
)=12× 6+1× 5+35,5 = 112,5 г/моль
М(
)=12× 6+1× 4+35,5× 2 = 147 г/моль
М(
)=12× 6+1× 3+35,5× 3 = 181,5 г/моль Находим массу смеси и её компонентов.
Если содержание в смеси
W(С6Н5Сl)= 0,32,а его масса =1000 кг
Решим пропорцию и определим массу смеси
0,32¾ ¾ ¾ ¾
1000 кг
1 ¾ ¾ ¾ ¾ m
(всей смеси) — масса смеси.
Массы остальных компонентов аналогично:
Подставляем полученные данные в уравнения реакции:
Взаимодействие хлора и бензола может протекать, если хлор взят в избытке, а бензол в недостатке вступил в реакцию. Это означает, что количество молей хлора больше, чем кол-ва молей бензола. Количество молей вещества — это отношение массы вещества к его молярной массе.
n=m/M
Определение масс веществ участвующих в материальном балансе начнём находить с уравнения №3. Это последняя стадия превращения, следовательно, в ней вещества находятся в равновесии, и их кол-ва молей равны.
Нахождение масс веществ, вступивших в реакцию №3.
Нам известна масса продукта реакции
,относительно её найдём и кол-ва молей веществ реакции.
n()=n()=n()=n()=0,086
кг/моль
m()=n()*M()=0,086*36,5=3,1
кг
m()=n()*M(
)=0,086*147=12,63кг
m()=n()*M(
)=0,086*71=6,106кг Определение масс веществ, вступивших в реакцию №2.
Из данных задачи нам известно, что
m()=78,125
Это та, часть
, которая осталась после всех превращений.
Но нам для определения кол-ва молей
в реакции №2 надо учесть и ту массу , которая пошла на образование .
В итоге получим
m()=78,125+12,63=90,755 кг кг/моль
n()=n(
)=0,616 кг/моль.
n()=n(
)=0,616 кг/моль
т.к.
находился в недостатке
В этой реакции хлор находитися в избытке по-этому для определения его кол-ва молей
необходимо сложить кол-во молей
и кол-во молей хлора вступившего в реакцию №3.
n()=n()+n(
)=0,616+0,086=0,702 кг/моль
m()=n()*M(
)=0,616*36,5=22,5кг
m()=n()*M(
)=0,616*112,5=69,3кг
m()=n()*M(
)=0,702*71=49,86кг Нахождение масс веществ, вступивших в реакцию №1.
Из данных задачи нам известно, что в смеси
m()=1000кг
Это та, часть
, которая осталась после всех превращений.
Но нам для определения кол-ва молей
в реакции №1 надо учесть, и ту массу, которая пошла на образование.
В итоге получим
m()=1000+69,3=1069,3 кг
Найдём кол-ва вещества
n()=m()/M(
)=1069,3/112,5=9,505 моль
В этой реакции бензол в недостатке, значит,
n()=n()=n(
)=9,505 моль
Кол-во молей хлора равно сумме кол-во молей бензола, пошедшего на образование
, и кол-во молей хлора.
n()=n()+n(
)=9,505+0,702=10,202 моль
Определяем массы веществ:
m()=n()*M(
)=9,505*78=741,39 кг
m()=n()*M()=10,202*71
=724,2 кг
m()=n()*M(
)=9,505*36,5=346,933 кг Запишем общие массы веществ
m(
)=724,2 кг
m()=m1()+m2()+m3(
)=346,933+22,5+3,1=372,533 кг
Масса прореагировавшего бензола
m(
)=741,39 кг
m(
)=1000 кг
m(
)=78,25 кг
m(
)=15,625 кг
Масса технического хлора пошедшего на реакцию
кг
Всего масса бензола в т.ч. непрореагировшего бензола:
кг
Масса технического бензола всего
кг
Ответ:
масса технического бензола
= 2844,733 кг
масса технического хлора
кг
масса выделившегося хлороводорода
m()= 372,533 кг
Пример 2.
Составить материальный баланс печи для сжигания серы производительностью 60 т/сутки. Степень окисления серы 0,95 (остальная сера возгоняется и сгорает вне печи). Коэффициент избытка воздуха
= 1,5. Расчёт вести на производительность печи по сжигаемой сере в кг/ч.
Решение.
Процесс сгорания серы описывается уравнением:
S + O2 = SO2.
Производительность печи 60*10
3/24 = 2500 кг/ч.
Масса серы:
Окисленной до
SO2 2500*0,95 =2375 кг
Неокисленной 2500 — 2375 = 125 кг
Израсходовано кислорода:
на окисление 2375*22,4/32 = 1663 м
3
с учётом
м3 2495*32/22,4 = 3560 кг
Поступило с кислородом азота:
2495*79/21 = 9380 м
3 или 9380*28/22,4 = 11700 кг
Образовалось
SO2 по реакции:
2375*64/32 = 4750 кг или 4750*22,4/64 = 1663 м
3
Осталось неизрасходованного кислорода:
*0,5 = 831 м3 или 831*32/22,4 = 1185 кг
Материальный баланс печи (1 ч):
Приход кг м
3 Расход кг м3
S 2 500 S 125
O2 3 560 2 495 SO2 4 750 1 663
N2 11 700 9 380 O2 1 185 831
N2 11 700 9 380
Итого: 17 760 11 875 Итого: 17 760 11758
Пример 3.
Составить материальный баланс производства оксида этилена прямым каталитическим окислением этилена воздухом. Состав исходной газовой смеси : этилен — 3, воздух — 97. Степень окисления этилена 0,5. Расчёт вести на 1 т оксида этилена.
Решение. Оксид этилена — это один из важнейших полупродуктов различных синтезов: получения этиленгликоля, полигликолей, лаковых растворителей, пластификаторов, этаноламинов, эмульгирующих и моющих средств; соединения, синтезируемые из оксида этилена, находят применение в производстве синтетических волокон, каучуков и других продуктов. Применяют два метода получения оксида этилена:
- Гипохлорирование этилена с последующим отщепления хлороводорода от получающегося этиленхлоргидрина.
- Прямое каталитическое окисления этилена. При пропускании смеси воздуха с этиленом (нижний предел взрываемости этиленовоздушной смеси — 3,4%
C2H4) на серебряном катализаторе при 250 — 280 Co образуется оксид этилена
2CH2 = CH2 + O2 = 2(CH2)2O
который выделяют из газовой смеси водной абсорбцией; остаточный газ направляют во 2-й контактный аппарат.
Расход этилена на 1 т оксида этилена по реакции
28*1000/44 = 640 кг
с учётом степени окисления:
640/0,5 = 1280 кг или 1280*22,4/28 = 1020 м
3
Объём воздуха в этиленовоздушной смеси
1020*97/3 = 33000 м3
в том числе кислорода
33000*0,21 = 6800 м3 или 6800*32/22,4 = 9700 кг
азота
33000*0,79 = 26200 м
3 или 26200*28/22,4 = 32500 кг
Израсходовано кислорода на окисление:
1020*0,5/2 = 255 м3
Содержание кислорода в продуктах окисления:
6800 — 255 = 6545 м
3 или 6545*32/22,4 = 9340 кг
Материальный баланс на 1 т оксида этилена:
Приход кг м
3 Расход кг м3
Этилен 1 280 1 020 Оксид этилена 1000 510
Кислород
9 700 6 800 Этилен 640 510
Азот
32 500 26 200 Кислород 9 340 6 545 Азот 32 500 26 200
Итого: 43 480 34 020 Итого: 43 480 33 76
5
Пример 4.
Молекулярная масса: CaF2 -78; H2SO4 — 98; CaSO4 -136; HF — 20; SiO2 -60; H2SiF6 — 144.
Решение:
Разложение идёт по реакциям:
CaF2 + H2SO4 = CaSO4 + 2HF (1) SiO2 + 6HF = H2SiF6 + 2H2O (2)
Фтороводород растворяется в воде с образованием плавиковой кислоты, которая используется как в производстве фторидов, так и для органического синтеза, травления стекла и т. д.
По условию в 100 кг шпата содержится 96 кг
CaF2 и 4 кг SiO2. При разложении 100 кг породы
По реакции (1) образуется 96*20*2/78 = 49 кг
HF
По реакции (2) образуется 6*20*4/60 = 8 кг
HF
В результате реакций (1) и (2) из 100 кг породы получается 49 — 8 =41 кг
HF, т.е. для обеспечения выхода 1 т HF требуется
100*1000/41 = 2440 кг породы, из них 2340 кг
CaF2 и 100 кг SiO2.
с учётом степени разложения:
2440/0,95 =2570 кг породы, из них 2467 кг
CaF2 и 103 SiO2
Расход (кг) серной кислоты (моногидрата):
по реакции 98*2340/78 = 2950
с учётом её избытка 2950*1,15 =3400
93%-ной 3400/0,93 = 3640
Расход вводимой с
H2SO4 воды: 3640 — 3400 = 240 кг.
Состав (кг) продукционной смеси:
CaSO4 2340*136|78 = 4050
H2SiF6 144*100|60 = 240
(по реакции) 36*100/60 = 60
Материальны баланс реактора (на 1 т
HF): Приход кг Расход кг
CaF2 2467 HF 1000
SiO2 103 CaSO4 4050
H2SO4 (
моногидрат) 3400 H2SiF6 240
H2O 240 H2O
(по реакции) 60 (вводимая с H2SO4 ) 240 H2SO4 450
CaF2 127
SiO2 3
Итого: 6210
Итого: 6170
Пример 5
.
Составить материальный баланс реактора для каталитического окисления метанола в формальдегид. Производительность реактора 10000 т
CH2O в год. Степень превращения CH3OH в CH2O 0,7. Общая степень превращения метанола 0,8(с учётом побочных реакций). Содержание метанола в спирто-воздушной смеси 40% (об.). Мольное соотношение побочных продуктов в продукционном газе HCOOH: CO2: CO: CH4 = 1,8: 1,6:0,1:0,3. Агрегат работает 341 день в году (с учётом планово-предупредительного ремонта и простоев). Окисление происходит на твёрдом серебряном катализаторе при 600 Co .
Расчёт вести на производительность реактора в кг/ч. молекулярная масса: формальдегида — 30; метанола — 32; кислорода — 16
.
Решение. Чрезвычайная реакционная способность формальдегида обусловливает его широкое применение в качестве полупродукта в органических синтезах, особенно в производстве синтетических смол и других веществ. Формальдегид получают главным образом окислением метанола воздухом при 550 — 600
Co на серебряном катализаторе; одновременно протекает реакция дегидрирования метанола:
CH3OH + 1/2 O2 = CH2O + H2O (1); CH3OH = CH2O + H2 (2)
Обычно на реакцию подают лишь около 80% воздуха от количества, соответствующего мольному отношению
CH3OH: O2 = 2:1 и проводят процесс с неполным сгоранием образовавшегося водорода по реакции
H2 + 1/2O2 = H2O (3)
Выходящие из контактного аппарата газы содержат 20 -21% формальдегида, 36 -38% азота и примеси в виде
CO, CO2 , CH4, H2, CH3OH, HCOOH и др. Образование примесей можно представить уравнениями:
CH3OH = CO + 2H2 (4); CH3OH + H2 = CH4 + H2O (5)
CH3OH + O2 = HCOOH + H2O (6); CH3OH + 1,5O2 = CO2 + 2H2O (7)
Вся эта смесь после охлаждения в холодильнике до 60
Co поступает в поглотительную башню, орошаемую водой. Полученный в результате поглощения раствор формалина содержит 10 — 12% метанола, который в данном случае является желательной примесью, так как препятствует полимеризации формальдегида. Производительность реактора:
10000*1000/(341*24) = 1220 кг/ч или 1220/30 40,7 кмоль/ч CH2O
Для получения такого количества формальдегида необходимо метанола :
1220*32/(30*0,7) = 1860 кг или 1860/32 = 58,12 кмоль
Определим объёмы:
метанола 1860*22,4/32 =1300 м
3
спирто-воздушной смеси 1300/0,4 = 3250 м
3
воздуха 3250 -1300 = 1950 м
3 , из них 1950*0,21 = 410 м3 или 586 кг O2 и 1930*0,79 = 1540 м3 или 1920 кг N2
В составе газовой продукционной смеси содержатся
CH2O, неокисленный CH3OH, азот и побочные продукты: HCOOH, CO2, CO, CH4, H2, а также водяной пар. Определим, какое количество метанола расходуется на образование побочны продуктов. На образование 1 моля побочных продуктов по реакциям (4) — (7) расходуется 1 моль CH3OH. Всего на образование побочных продуктов израсходовано 58,12*0,8 — 40,7 = 5,8 кмоль CH3OH
Осталось неокисленным в составе продукционных газов:
58,12*0,2 = 11,6 кмоль или 372 кг CH3OH Образовалось в соответствии с заданным мольным соотношением
HCOOH: CO2: CO: CH4 = 1,8: 1,6: 0,1: 0,3 (
всего 3,8): кмоль кг
HCOOH 5,8*1,8/3*8 = 2,75 126,5
CO2 5,8*1,6/3*8 = 2,45 108
CO 5,8*0,1/3*8 = 0,158 4,3
CH4 5,8*0,3/3*8 = 0,459 7,3
Для определения количества водяного пара и водорода в газах синтеза составляем баланс по кислороду и водороду.
В реактор поступило кислорода (кг):
с воздухом 586
в составе CH3OH 1860*16/32 = 930
Всего 1516 кг. Израсходовано кислорода (кг):
на образование
CH2O 1220*16/30 = 650
>> >> HCOOH 126,5*32/46 = 88
>> >> CO2 108*32/44 = 78,6
>> >> CO 4,3*16/28 = 2,45
в составе неокисленного метанола 372*16/32 = 186
H2O.
В реактор поступило водорода:
0*4/30 = 233 кг
Израсходовано водорода (кг):
на образование
CH2O 1220*2/30 = 81,5
>> >> HCOOH 126,5*2/46 = 5,5
>> >> CH4 7,3*4/16 = 1,82
>> >> H2O 572*2/18 = 63,6
в составе неокисленного
CH3OH 372*4/32 = 46,5
Всего 198,92 кг. Остальное количество водорода входит в состав контактных газов в свободном состоянии: 233 — 198,92 = 34,08 кг.
Материальный баланс реактора (1 ч работы):
Приход кг Расход кг
Спирто-воздушная смесь Формальдегид
1220 1860 Метанол 372
кислород 586 Водяной пар 572
азот
1920 HCOOH 126,5
CO2 108
CO 4,3
CH4 7,3
H2 34,08
N2 1920
Итого: 4366 Итого: 4364,18
Пример 6.
Сырьём для производства ПЭТФ являются терефталевая кислота (ТФК) HOOC COOH и этиленгликоль HO — CH2 — CH2 — OH.
Молекулярная масса: ТФК = 166; элементарного звена полимера
O O
n -192; этиленгликоля — 62.
Решение: Для изготовления 1 т волокна потребуется:
ПЭТФ 1,000 — (0,005+0,005+0,005) = 0,985 т
с учётом потерь 0,985*1,0485 = 1,033 т
Расход 100%-ной ТФК:
1,033*166/192 = 0,893 т
На 1 моль ТФК берётся (по опытным данным) 1,5 моля этиленгликоля, т. е. На 1 т ТФК потребуется:
1,5*62/166 = 0,56 т этиленгликоля (100%-ного)
Затрачивается этиленгликоля:
на процесс поликонденсации 0,56*0,893 = 0,5 т
на регенерацию 0,5*0,5/1,5 = 0,167 т
нерегенерированного 0,5 = 0,167 = 0,333 т
Избыточные 0,5 моля этиленгликоля, направленные на регенерацию, возвращаются в процесс.
При образовании элементарного звена ПЭТФ выделяется 2 моля
H2 O, следовательно, на 1,033 т ПЭТФ образуется:
