ЗАДАНИЕ № 1

         Теоретическая часть.

         Материальные расчеты, в частности составление материального баланса, начинают с расчета расходных коэффициентов. Расходный коэффициент – величина, характеризующая расход различного вида сырья, воды, топлива, электрической энергии, пара на единицу вырабатываемой продукции. Для расчета расходного коэффициента необходимо знать все стадии технологического процесса, в результате которых осуществляется превращение исходного сырья в готовый продукт.

         Теоретические расходные коэффициенты АТ учитывают стехиометрические соотношения, по которым происходит превращение исходных веществ в целевой продукт.

         Практические расходные коэффициенты АПР кроме этого учитывают производственные потери на всех стадиях процесса, а также побочные реакции, если они имеются.

Коэффициенты рассчитывают по следующей формуле:

АТ (либо АПР) = mС / mПР,

где mС – количество сырья, кг, необходимого для получения продукции массой mПР, кг.

         Примеры решения задач по определению расходных коэффициентов.

         Пример 1. Определить теоретические расходные коэффициенты для следующих железных руд, применяемых при производстве 1000 кг чугуна, который содержит 92 % железа, при условии, что руды не содержат пустой породы и примесей:

         Шпатовый железняк FeCO3 (молекулярная масса М = 115,8 г/моль);

         Лимонит 2Fe2О3∙3Н2О (М = 373 г/моль);

         Гетит 2Fe2О3∙2Н2О (М = 355 г/моль);

         Красный железняк Fe2О3 (М = 159,7 г/моль);

         Магнитный железняк Fe3О4 (М = 231,5 г/моль).

         Решение.

         Расчет расходного коэффициента по FeCO3.

         Из 1 кмоль FeCO3 можно получить 1 кмоль Fe или можно записать:

115,8 кг FeCO355,9 кг Fe (где 55,9 – молекулярная масса железа). Отсюда для получения 1000 кг чугуна с содержанием железа 92 % необходимо:

АТ  = (1000 ∙ 0,92 ∙ 115,8) / 55,9 = 1905 кг шпатового железняка.

         Аналогично находим значения теоретических расходных коэффициентов для других руд:

Для лимонита:

АТ  = (1000 ∙ 0,92 ∙ 373) / 4 ∙ 55,9 = 1535 кг.

         Для гетита:

АТ  = (1000 ∙ 0,92 ∙ 355) / 4 ∙ 55,9 = 1461 кг.

         Для красного железняка:

АТ  = (1000 ∙ 0,92 ∙ 159,7) / 2 ∙ 55,9 = 1314 кг.

         Для магнитного железняка:

АТ  = (1000 ∙ 0,92 ∙ 231,5) / 3 ∙ 55,9 = 1270 кг.

         Пример 2. Рассчитать практический расходный коэффициент алунитовой руды, содержащей 23 % Al2O3, для получения 1000 кг алюминия, если потери алюминия на всех технологических стадиях составляет 12 % по массе. Алунит имеет формулу: 3Al2O3K2O∙4SO3∙6H2O (М = 828 г/моль).

Схематично производство алюминия можно отобразить следующим образом:

3Al2O3K2O∙4SO3∙6H2OAl2O3 → Аl.

         Решение.

         Для получения 1000 кг алюминия теоретически потребуется следующее количество Al2O3:

АТ  = (102 ∙ 1000) / (2 ∙ 27) = 1888,9 кг

         или чистого алунита:

АТ  = 1888,9 ∙ 828 / (3 ∙ 102) = 5111,1 кг.

         Содержание Al2O3 в алуните составляет:

ω = (3 ∙ 102 ∙ 100 %) / 828 = 37 %.

         По условию в алунитовой руде содержится 23 % Al2O3. Следовательо, расход алунитовой руды заданного состава на 1000 кг алюминия при условии полного ее использования составит:

АТ  = 5111,1 кг ∙ 37 % / 23 % = 8222,2 кг.

         Практический расход, учитывающий производственные потери алюминия на всех стадиях составит:

Апр = 8222,2:0,88 = 9343,4 кг.

         Ответ: для получения 1000 кг алюминия необходимо 9343,4 кг алунита.

 

         Контрольное задание № 1 для самостоятельного выполнения.

         Определить расходные коэффициенты извести и кокса в производстве технического карбида кальция (ТКК), имеющего по анализу следующий состав: СаС2 =  А %, СаО =  Б %, С = В %, прочие примеси (ПП) = Г %. Расчет вести на 1000 кг технического продукта. Содержание в коксе: золы – Д %, летучих компонентов (ЛК) – Е %, влаги – Ж %, углерода – И %. Известь содержит К % чистого СаО. Карбид кальция получается по следующей реакции СаО + 3С → СаС2 + СО. Варианты решения контрольного задания представлены в табл. 1.

 

Таблица 1

Варианты решения контрольного задания

Вариант

Состав ТКК, %

Состав кокса, %

СаО в извести, %

(К)

СаС2

(А)

СаО

(Б)

С

(В)

ПП

(Г)

Зола

(Д)

ЛК

(Е)

Влага

(Ж)

С

(И)

1

78

15

3

4

4

4

3

89

96,5

2

77

16

3

4

3

3

5

89

96,0

3

78

15

4

3

2

3

6

89

97,0

4

76

15

3

6

4

4

4

88

96,4

5

76

14

5

5

2

2

3

93

96,6

6

77

13

3

7

4

4

3

89

96,5

7

77

12

3

8

3

3

5

89

96,0

8

77

11

3

9

2

3

6

89

97,0

9

77

14

3

6

4

4

4

88

96,4

10

77

15

3

5

2

2

3

93

96,6

11

78

15

3

4

4

3

2

91

96,5

12

77

16

3

4

3

3

2

92

96,0

13

78

15

4

3

2

3

2

93

97,0

14

76

15

3

6

4

2

1

93

96,4

15

76

14

5

5

2

2

1

95

96,6

16

77

13

3

7

4

2

1

93

96,5

17

77

12

3

8

3

2

1

94

96,0

18

77

11

3

9

2

4

1

93

97,0

19

77

14

3

6

4

4

1

91

96,4

20

77

15

3

5

2

4

1

93

96,6

 

ЗАДАНИЕ № 2

         Теоретическая часть.

Материальный баланс − отражает закон сохранения массы вещества: во всякой замкнутой системе масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, получившейся в результате реакции. Это означает, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию - приход, равна массе всех веществ, получившихся в результате ее, - расходу.

Или Smисх = Smкон.

         Таким образом, если в какой-либо аппарат или технологический узел поступает mА кг продукта А, mВ кг продукта В и т.д., а в результате физической обработки или химической переработки получается mС кг продукта С, mD кг продукта D и т.д., а также если в конечных продуктах остается часть начальных продуктов А (mА/ кг), В (mВ/ кг) и т.д., то при этом должно сохраниться равенство:

mA + mB + ... = mC + mD + ... + mA/ + mB/ + ... + Dm,

где Dm - производственные потери продукта.

         Результаты подсчетов сводятся обычно в таблицу материального баланса как по массе исходных веществ, так и продуктов реакции в целом и по отдельным химическим элементам.

         Расхождения прихода и расхода по массе не должно быть, по объему – не более 5 %.

Типовая таблица материального баланса

Приход

Расход

Статья прихода

Кол-во, кг

Статья расхода

Кол-во, кг

Продукт А

Продукт В

mA

mB

Продукт А (остаток)

Продукт В (остаток)

Продукт С

Продукт D

Производственные потери

mA/

mВ/

mC

mD

Dm

Итого

m

Итого

m

 

         Материальный баланс составляется (в зависимости от условий или задания) на единицу (1 кг, 1 кмоль), или на 100 единиц (100 кг и т.п.), или на 1000 единиц массы основного вида сырья или продукта.

Материальный баланс обычно составляют при проектировании нового, а также при анализе уже существующего технологического процесса.

         Примеры решения задач по расчету материальных балансов.

         Пример. Составить материальный баланс производства оксида этилена при прямом производстве каталитическим окислением этилена воздухом. Состав исходной газовой смеси, об. %: этилен – 3, воздух – 97. Степень окисления этилена х = 0,5. Расчет вести на 1000 кг оксида этилена. Производство оксида этилена происходит по следующей схеме: 2СН2=СН2 + О2 → 2(СН2-СН2)О.

         Решение. Рассчитываем статьи прихода.

По уравнению реакции находим расход этилена на 1000 кг оксида этилена. Из 28 кг этилена образуется 44 кг (СН2-СН2)О [где 28 – молярная масса этилена, 44 – молярная масса оксида этилена], или

АТ= (28 кг/моль · 1000 кг) : 44 кг/моль = 636,4 кг.

         С учетом степени окисления 634,6 : 0,5 = 1272,8 кг

или 1272,8 кг ∙ 22,4 м3/моль : 28 кг/моль = 1018,2 м3. Данные заносим в таблицу материального баланса – табл. 2 в статью прихода. Так как этилен и воздух – газы, материальный баланс ведется также и на объем.

Объем воздуха в этиленвоздушной смеси составит:

V = 1018,2 м3 ∙ 97 % : 3 % = 32923,1 м3,

в том числе кислорода 32923,1 ∙ 0,21 = 6913,9 м3 [где 0,21 – доля кислорода в воздухе] или (6913,9: 22,4) ∙ 32 = 9877 кг,

азота 32923,1 ∙ 0,79 = 26009,2 м3 [где 0,79 – доля азота в воздухе] или (26009,2: 22,4) ∙ 28 = 32511,5 кг. Результаты заносим в табл. 2 в статью прихода.

Рассчитываем статьи расхода.

Сразу записываем в статью расхода оксид этилена, которого необходимо получить 1000 кг. Этилена не израсходовано половина количества, которое приходит на окисление, то есть 1272,8: 2 = 636,4 кг.  Объемы оксида этилена и этилен можно рассчитать как 1018,2: 2 = 509,1 м3. Запишем эти данные в статью расхода.

Кислорода израсходовано на окисление: (1018,2 ∙ 0,5) : 2 = 254,6 м3. В продуктах окисления содержится следующее количество кислорода:

6913,9 - 254,6 = 6659,3 м3 или (6659,3 ∙ 32) : 22,4 = 9513,4 кг.

Количество азота переписываем из прихода, так как он в реакции не участвует.

Таблица 2

Материальный баланс на 1000 кг оксида этилена

Приход

Расход

Статья прихода

Количество

Статья расхода

 

Количество

кг

м3

кг

м3

Этилен

1272,8

1018,2

Оксид этилена

1000

509,1

Воздух, в том числе

 

 

Этилен

636,4

509,1

кислород

9877

6913,9

Воздух, в том числе

 

 

азот

32511,5

26009,2

кислород

9513,4

6659,3

 

 

 

азот

32511,5

26009,2

Итого

43661,3

33941,3

Итого

43661,3

33686,7

 

Ответ: для получения 1000 кг оксида этилена необходимо 1272, 8 кг этилена и 42388,5 кг воздуха. Объем прихода и расхода не сходится в пределах 5 %, поэтому данный ответ удовлетворителен.

 

         Контрольное задание № 2 для самостоятельного выполнения.

         Составить материальный баланс печи для сжигания серы. Расчет вести на производительность печи по сжигаемой сере в кг/ч. Процесс горения описывается уравнением: S + O2SO2. Исходные данные приведены в табл. 3.

 

Таблица 3

Исходные данные для решения контрольного задания № 2

Вариант

Производительность печи, т/сутки

Степень окисления серы

Коэффициент избытка воздуха

1

60

0,95

1,5

2

60

0,95

1,4

3

60

0,95

1,3

4

60

0,95

1,2

5

60

0,95

1,1

6

50

0,95

1,5

7

50

0,95

1,4

8

50

0,95

1,3

9

50

0,95

1,2

10

50

0,95

1,1

11

55

0,95

1,5

12

55

0,95

1,4

13

55

0,95

1,3

14

55

0,95

1,2

15

55

0,95

1,1

16

60

0,96

1,5

17

60

0,96

1,4

18

60

0,96

1,3

19

60

0,96

1,2

20

60

0,96

1,1