Шихтоподготовка и тукосмешение

 

Технологические расчеты, связанные с шихтоподготовкой и приготовлением туков (механическая смесь двух и более простых удобрений), являются весьма важными и часто встречающимися в практической деятельности химика-технолога широкого спектра специальностей.

Наиболее часто задача приготовления той или иной смеси (шихты, тука) сводится к решению системы линейных уравнений. Начальными условиями задачи, как правило, являются данные о составе (химическом, фазовом и т. д.) исходных ингредиентов и данные о задаваемом составе и количестве конечной смеси. Получение заданного продукта (смеси, шихты, тука) может сопровождаться протеканием химической реакции, которую необходимо учесть в расчете.

Примером решения такого типа задач может служить следующий.

Пример. В каких массовых соотношениях необходимо смешать фосфоритную муку, сульфат аммония и хлористый калий, чтобы получить 1000 кг комплексного минерального удобрения, в котором массовое отношение N: P: К будет 1: 1: 1. Задачу решить при условии, что фосфоритная мука содержит 28 мас. долей Р₂О₅, %; сульфат аммония содерит 95 мас. долей основного вещества, %; галургический хлористый калий содержит 91 мас. долей KCl, %.

Напомним, что по общепринятым обозначениям (правилам) отношение N: P: К расшифровывается (соответствует) как массовое отношение N к Р₂О₅ и к К₂О.

Решение. Введем следующие обозначения:

Х₁ – масса фосфоритной муки, кг; Х₂ – масса сульфата аммония, кг; Х₃ – масса хлористого калия, кг.

Тогда по условию задачи можно составить первое уравнение:

Х₁ + Х₂ + Х₁ = 1000. (1)

Рассчитаем массовую долю азота (N) в сульфате аммония. Молекулярная масса (NH₄)₂SO₄ – 132. Массовая доля N в сульфате аммония Сm_(N) = 28 / 132 = 0,212.

Молекулярная масса KCl – 74,5; молекулярная масса К₂О – 94. Массовая доля К₂О в KCl будет 94 / 149 = 0,63.

Так как содержание основного вещества в сульфате аммония 95 %, масса N в потоке Х₂ будет 0,95 × Х₂ × 0,212.

По аналогии содержание К₂О в Х₃ будет 0,63 × Х₃ × 0,91.

Учитывая изложенное и условие задания, можно составить еще два уравнения:

(Х₁ × 0,28) / (Х₂ × 0,95 × 0,212) = 1,0; (2)

(Х₁ × 0,28) / (Х₃ × 0,91 × 0,63) = 1,0. (3)

Решая систему из трех независимых уравнений

Х₁ + Х₂ + Х₃ = 1000;

(Х₁ × 0,28) / (Х₂ × 0,95 × 0,212) = 1,0;

(Х₁ × 0,28) / (Х₃ × 0,91 × 0,63) = 1,0

находим: Х₁ = 347,2 кг; Х₂ = 482,6 кг; Х₃ = 170,2, что и является требуемым ответом на поставленный вопрос.

 

Вариант 0

 

Элементарный фосфор получают при высокотемпературном восстановлении шихты, состоящей из фосфорита, кварцита и кокса, взятых в заданных соотношениях. Соотношения задают:

1) модулем кислотности (М_К), определяемым как отношение суммы молей (количества) оксидов кремния и алюминия к сумме молей (количеству) оксидов кальция и магния:

М_К = (n_SiO2 + n_Al2O3) / (n_CaO + n_MgO);

2) нормой восстановителя (углерода), рассчитанной по реакции:

Р₂О₅ + 5С = Р₂ + 5СО₂.

Рассчитать массы фосфорита, кварцита и кокса, необходимые для реализации условия Х.

Состав ингредиентов шихты, мас. доля, %

Химический состав	Фосфорит	Кварцит	Кокс
СаО		–
Р2О5			–
SiO2
Al2O3			–
MgO			–
C	–	–

 

Задание	Номер примера
0, 1	2, 3	4, 5	6, 7	8, 9
Расчет провести на:
1000 кг фосфора	Х
1000 кг шихты		Х
1000 кг фосфорита			Х
1000 кг кварцита				Х
1000 кг кокса					Х
Модуль кислотности, МК	0,9	0,95	1,0	1,1	1,2
Норма восстановителя, %

 

Вариант 1

 

Комплексное удобрение получают путем смешения двойного суперфосфата, карбамида и хлористого калия. Какие массы ингредиентов нужно взять для выполнения условиях Х и заданном соотношении N: P: К, если:

– двойной суперфосфат содержит, мас. доля, %: СаНРО₄ – 40,5; Са(Н₂РО₄)₂ – 10,5;

– карбамид содержит, мас. доля, %: N – 45,5;

– хлористый калий содержит, мас. доля, %: KCl – 95,0.

 

Задание	Номер примера
0, 2	1, 3	4, 6	5, 8	7, 9
Расчет провести на:
получение 1000 кг удобрен.	Х
1000 кг суперфосфата		Х			Х
1000 кг карбамида			Х
1000 кг хлористого калия				Х
Соотношение N: P: К	1:1:1	0,9:1:0,9	1:0,9:1,3	0,8:1,2:1	1:1,5:0,9

 

Вариант 2

 

Тугоплавкое стекло получают путем сплавления шихты, состоящей из поташа, кальцита и кварцита. Состав тугоплавкого стекла задан:

– А (мас. доля, %): К₂О – 18,4; СаО – 11,0; SiO₂ – 70,6;

– Б (мольная доля): К₂О – 0,11; СаО – 0,23; SiO₂ – 0,66.

В каких массовых соотношениях нужно смешать ингредиенты, чтобы выполнить условие Х?

Состав ингредиентов, мас. доля, %:

поташ: К₂СО₃ – 95,0; SiO₂ – 5,0;

кальцит: СаСО₃ – 90,0; SiO₂ – 10,0;

кварцит: SiO₂ – 95,0; СаСО₃ – 5,0.

 

Задание	Номер примера
0, 3	1, 4	2, 5	6, 9	7, 8
Расчет провести на:
1000 кг стекла	Х
1000 кг шихты		Х
1000 кг поташа			Х
1000 кг кальцита				Х
1000 кг кварцита					Х
Состав задан: А (мас. доля, %) Б (мол. доля)	А	Б	А	Б	А

 

Вариант 3

 

Портландцемент получают путем спекания при 1500 °С шихты, состоящей из глины, огарка и известняка.

Состав ингредиентов шихты, мас. доля, %:

глина: SiO₂ – 70,0; Al₂O₃ – 10,0; Н₂О – 20,0;

огарок: Fe₂O₃ – 100,0;

известняк: СаСО₃ – 100,0.

Требуется получить портландцемент состава, мас. доля, %: алит (3СаО × SiO₂) – 50,0; белит (2СаО × SiO₂) – 25,0; трехкальциевый алюминат (3СаО × Al₂O₃) – 10,0; четырехкальциевый алюмоферрит (4СаО × Al₂O₃ × Fe₂O₃) – 15,0. В каких массовых соотношениях необходимо смешать ингредиенты, чтобы выполнить условие Х?

 

Задание	Номер примера
0, 5	1, 6	2, 7	3, 8	4, 9
Расчет провести на:
100 кг шихты	Х
100 кг глины		Х
100 кг цемента			Х
100 кг известняка				Х
100 кг огарка					Х

 

Вариант 4

 

Кормовые обесфторенные фосфаты (КОФ) получают путем обжига при 1300 °С шихты, состоящей из фосфорита, известняка и фосфорной кислоты. Качество КОФ характеризуется содержанием Р₂О₅ мас. доля, % – 35,0 и соотношением числа молей (количества) оксидов кальция и фосфора – n_СаО / n_Р2О5 = 2,5.

В каких массовых соотношениях нужно смешать фосфорит, известняк и фосфорную кислоту, чтобы выполнить условие Х?

Состав ингредиентов, мас. доля, %:

фосфорит: СаО – 30,0; Р₂О₅ – 20,0; SiO₂ – 50,0;

известняк: СаСО₃ – 90,0; SiO₂ – 10,0;

фосфорная кислота: Н₃РО₄ – 70,0; Н₂О – 30,0.

В расчете учесть потерю массы шихты вследствие испарения воды и декарбонизации.

 

Задание	Номер примера
9, 1	8, 2	7, 3	6, 4	5, 0
Расчет провести на:
1000 кг фосфорита	Х
1000 кг известняка		Х
1000 кг фосфорной кислоты			Х
1000 кг КОФ				Х
1000 кг испаряющейся воды					Х

 

Вариант 5

 

Одним из способов переработки фосфогипса (отход производства экстракционной фосфорной кислоты) является способ получения на его основе цементного клинкера и серной кислоты. В основе лежит реакция

3CaSO₄ + SiO₂ + 3C = Ca₃SiO₅ + 3SO₂ + 3CO.

В каких соотношениях масс нужно смешать ингредиенты, чтобы выполнить условие Х?

Состав ингредиентов, мас. доля, %:

фосфогипс: СаО – 40,0; SO₂ – 57,1; SiO₂ – 2,9;

кварцит: СаСО₃ – 15,0; SiO₂ – 85,0;

кокс: СаО – 15,0; SiO₂ – 5,0; С – 80,0.

 

 

Задание	Номер примера
0, 8	1, 6	2, 4	3, 9	5, 7
Расчет провести на:
1000 кг шихты	Х
1000 кг фосфогипса		Х
1000 кг кварцита			Х
1000 кг кокса				Х
1000 кг диоксида серы					Х
Мольное отношение оксидов, М = nСаО / nSiО2	2,5	3,0	2,8	2,3	3,2
Норма восстановителя, %

 

Вариант 6

 

Хрустальное стекло имеет состав, мас. доля: Na₂O – 0,06; PbO – 0,64; SiO₂ – 0,30. Его получают путем плавления шихты, состоящей из соды (Na₂CO₃), минерала церуссита (PbСО₃) и кварцита (SiO₂).

Состав исходных ингредиентов, мас. доля, %:

сода: Na₂CO₃ – 100,0;

церуссит: PbСО₃ – 95,0; SiO₂ – 5,0;

кварцит: SiO₂ – 98,0; PbO – 2,0.

В каких массовых соотношениях необходимо смешать указанные ингредиенты, чтобы выполнить условие Х?

В расчетах следует учесть потерю массы вследствие декарбонизации.

 

Задание	Номер примера
9, 1	8, 2	7, 3	6, 4	5, 0
Расчет провести на:
1000 кг шихты	Х
1000 кг стекла		Х
1000 кг соды			Х
1000 кг церуссита				Х
1000 кг кварцита					Х

Вариант 7

 

При выплавке литейного чугуна используют шихту, состоящую из железной руды, кокса и флюса. В каких массовых соотношениях нужно смешать руду, кокс и флюс, чтобы выполнить условие Х, получить чугун с содержанием железа (Fe) – Y (мас. долей) и выдержать модуль основности М_о – Z? М_о определяется как отношение суммы молей основных оксидов (СаО и MgO) к сумме молей кислых оксидов (SiO₂ и Al₂O₃):

М_о = (n_CaO + n_MgO) / (n_SiO2 + n_Al2O3).

Состав ингредиентов, мас. доля, %:

железная руда: Fe₂O₃ – 80,0; CaO – 5,0; MgO – 5,0; Al₂O₃ – 5,0;

флюс (доломит): СаСО₃ – 75,0; MgСО₃ – 25,0;

кокс: С – 85,0; СаО – 5,0; SiO₂ – 10,0.

Углерод ввести в состав шихты в соответствии со стехиометрией реакции

Fe₂O₃ + 1,5С = Fe + 1,5СО₂.

 

Задание	Номер примера
4, 5	6, 3	7, 2	8, 1	9, 0
Расчет провести на:
1000 кг чугуна	Х
1000 кг шихты		Х
1000 кг железной руды			Х
1000 кг флюса				Х
1000 кг кокса					Х
Модуль основности, МО	1,30	1,40	1,50	1,35	1,45
Содержание железа в чугуне, мас. доля	0,93	0,94	0,95	0,92	0,96

 

Вариант 8

 

Смесь концентрированных азотной и соляной кислот, взятых в соотношении объемов 1: 3, называют «царской водкой».

В каком соотношении масс нужно взять азотную кислоту с содержанием основного вещества Х и соляную кислоту с содержанием основного вещества Y, чтобы получить Z «царской водки»?

 

 

Задание	Номер примера
0, 5	1, 4	2, 3	6, 9	7, 8
Расчет вести при:
Х (моль/л), r = 1,23 г/см3	13,0			13,0
Х (моль / 1000 г Н2О), r = 1,21 г/см3		10,0	10,0		10,0
Y (мас. доля, %), r = 1,15 г/см3	30,0		30,0
Y (моль / 1000 г Н2О), r = 1,13 г/см3		12,0		12,0	12,0
Z (м3, кг)	10 м3	100 кг	10 м3	100 кг	10 м3

Вариант 9

 

Экстракционную фосфорную кислоту (ЭФК) получают путем разложения природных фосфатов кальция (апатитов или фосфоритов) серной кислотой. При этом протекает реакция

Са₃(РО₄)₂ + 3H₂SO₄ + mН₂О = 3СаSO₄ × nH₂O + 2H₃PO₄ + (m – n)H₂O;

где m – определяется концентрацией используемой серной кислоты; n – число молей Н₂О, входящих в кристаллогидрат сульфата кальция.

Сколько нужно взять фосфорита или апатита (кг) и какой концентрации должна быть серная кислота, чтобы при 100 %-ном протекании реакции концентрация Р₂О₅ в полученной пульпе была заданной номером примера.

 

Задание	Номер примера
0, 4	1, 6	2, 5	3, 8	7, 9
Расчет вести при:
содержании Р2О5 (мас. доля)
фосфорит	0,28		0,29		0,30
апатит		0,39		0,39
n	2,0	0,5	0,5
содержание Р2О5 в пульпе (мас. доля)	0,10	0,12	0,13	0,09	0,11
Расчет вести на: 100 кг фосфорита 100 кг моногидрата H2SO4	Х	Х	Х	Х	Х

 

Материальный баланс

 

Составление материального баланса необходимо при проектировании новых производств, а также для анализа работы существующих. Основой материального баланса являются законы сохранения массы вещества и стехиометрических соотношений. Применительно к материальному балансу любого технологического процесса это означает, что масса вещества, поступившего на технологическую операцию – приход, равна массе всех веществ, полученных в результате операции – расход.

Материальный баланс составляют на единицу массы основного продукта (кг, т) или на производительность установки (кг/ч, т/ч). Определение массы вводимых компонентов и полученных продуктов производят отдельно для твердой, жидкой и газообразной фаз.

Материальный баланс составляют по уравнению основной суммарной реакции с учетом параллельных и последовательных реакций. При расчете практического материального баланса учитывают полный состав исходного сырья и готовой продукции, избыток компонентов, степень превращения, селективность, потери сырья и готового продукта и т. д. Результаты расчета сводят в таблицу материального баланса.

Материальный баланс является основой для составления теплового баланса.

Пример. Составить материальный баланс процесса окисления аммиака на платиновом катализаторе. Исходные данные: производительность по 100 %-ной азотной кислоте 1000 кг/ч; концентрация аммиака в аммиачно-воздушной смеси – 10,5 об.%; степень контактирования – 97,0 %; степень окисления оксида азота – 100 %; степень абсорбции – 98 %.

Решение. Производство азотной кислоты из аммиака состоит из следующих стадий:

– контактное окисление аммиака на платиновом катализаторе:

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O; (1)

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O; (2)

– окисление NO до NO₂ по реакции

2NH + O₂ = 2NO₂; (3)

– абсорбция диоксида азота водой с образованием разбавленной азотной кислоты:

3NO₂ + H₂O = 2HNO₃ + NO (4)

или, суммируя уравнения, получим

NH₃ + 2O₂ = HNO₃ + H₂O. (5)