124376 (Системы технологий), страница 7

Мт + Мж + Ме=М'м + М'ж + М'г,

где М'т , М'ж , М'г - массы продуктов, получившихся в результате технологического процесса (расход).

В реальных технологических процессах не всегда участвуют все фазы. Кроме того, часть продуктов остается не прореагировавшей. Тогда уравнение материального баланса будет иметь вид:

где ц г - фактическая теплота, поступившая в зону взаимодействия с исходными веществами;

Qa - теплота экзотермических реакций и физических переходов из одного агрегатного состояния в другое (плавление, испарение, кристаллизация, растворение).

-Если тепловой эффект взаимодействия отрицательный, то Q3 помещают в расходную часть баланса;

Qe - теплота, введенная в зону процесса и не принимающая участия в химических превращениях (обогрев, охлаждение за счет использования газа, топлива, горячей воды, хладоагента и т. д.);

Q'ti ~ физическая теплота, выходящая из процесса с продуктами реакции;

Q'n - потери тепла в окружающую среду.

Расход воздуха, необходимый для окисления аммиака, будет равен:

Пример 6. Составить материальный баланс печи окислительного обжига ванадийсодержащего сырья производства ванадата аммония (NaV03) в расчете на 1 т готового продукта. Исходное сырье: ванадиевый шлак, содержащий .15% (масс.) оксида ванадия /V/ (V2Os); хлорид натрия (NaCl), расходуемый в количестве 10% от массы шлака; воздух.

Решение. Ванадий, широко применяемый для изготовления твердых сплавов, чугуна, сталей специального назначения, а также как катализатор при производстве серной кислоты, нафталина, анилиновых красителей, получают из ванадийсодержащего сырья (шлаков, концентратов, руды). Такие шлаки образуются при выплавке стали из чугуна, предварительно полученного из железных и ванадиевых руд. Ванадийсодержащие шлаки включают до 18% оксида ванадия /V/.

Сырье смешивают с NaCl, измельчают и подвергают окислительному обжигу во вращающихся печах при температуре 800 - 900°С.

На первой стадии идет окисление хлорида натрия по уравнению:

На основе проведенного расчета составляют таблицу материального баланса (табл. 2).

Таблица 2

Материальный баланс ванадийсодержащего сырья

Невязка баланса 0,50 кг (9ДЗх10~3 %)

Пример 7. Рассчитать материальный баланс процесса электрокрекинга природного газа имеющего состав 98% (объемн.) метана (СН4), 2% (объемн.) азота (N2). В газе, выходящем из аппарата, содержится 14% ацетилена. Побочные реакции не учитывать. Расчет вести на 1000 м3 исходного природного газа.

Решение. Ацетилен получают из метана в газовой фазе при температуре 1200 - 1600°С в электродуговых печах. Процесс описывается уравнением:

Полученные данные используют для составления таблицы материального баланса (табл. 3).

Таблица 3

Материальный баланс процесса электрокрекинга метана

* плотность метана - 0,7168 кг/м3; азота - 1,250 кг/м3; водорода - 0,08988 кг/м3; ацетилена - 1,1535 кг/м3. Невязка баланса составляет 2,25 кг (0,31 % масс).

Пример 8. Рассчитать количество теплоты, выделяющейся при образовании 200 л ацетилена из карбида кальция, если теплота образования (кДж/кмоль) равна: карбида кальция (СаС2) -62 700; оксида кальция (СаО) - 635 100; воды (НаО) - 241 840; ацетилена (С2Н2) - 226 750.

Решение. Разложение карбида кальция с образованием ацетилена описывается схемой:

СаС2 + Н20 = СаО + С2Н2 + Qp.

Согласно закону Гесса тепловой эффект реакции равен сумме теплоты образования конечных продуктов минус сумма теплоты образования начальных продуктов с учетом стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции. Тогда:

Qp = (635 100 + 226 750) - (62 700 + 241 840) = 557 310 кДж/кмоль.

Результаты расчета сводят в табл. 4.

Таблица 4 Тепловой баланс процесса пиролиза ацетона

2.3 Контрольные задания к практическим занятиям

1. Сухой коксовый газ включает следующие компоненты (% объемн.): Н2 - 59%; СН4 - 25%; CnHm- 3,5%; СО - 7,5%; С02 - 3,6%; 02 - 0,7%; N2 - 6,7%. Какое количество сухого воздуха необходимо для полного сгорания сухого коксового газа?

2. Определить выход моногидрата серной кислоты из элементной серы.

3. Вычислить теоретические расходные коэффициенты для железного колчедана (Fe304) в процессе выплавки чугуна. Чугун включает 93% железа, а колчедан не содержит примесей.

4. Рассчитать расходные коэффициенты в производстве карбида кальция. Исходное сырье - известь - содержит 95% оксида кальция. Кокс включает 3% золы; 4,5% летучих веществ; 2,5% влаги. Готовый продукт содержит 78% карбида кальция, 15% оксида кальция, 3% углерода, 4% примесей.

5. Технологический процесс производства азотной кислоты характеризуется производительностью 50 000 т/год кислоты. На стадию окисления аммиачно-воздушная смесь подается с концентрацией аммиака 10% (объемн.). Выход оксида азота составляет 95%, степень абсорбции 89%. Рассчитать расход воздуха, требуемый для окисления аммиака, а также количество аммиака для получения азотной кислоты.

1. Для производства ванадата аммония применяют: ванадиевый шлак, включающий 14,5% масс, оксида ванадия /V/, хлорид натрия расходуемый в количестве 10% от массы шлака, воздух. Составить материальный баланс процесса окислительного обжига ванадийсодержащего сырья на 1 т продукта.

2. Рассчитать материальный баланс процесса электрокрекинга природного газа, имеющего состав (% объемн.): метана - 96, азота - 4. Газы, выходящие из аппарата, содержат 18% (объемн.) ацетилена.

3. Определить количество теплоты, выделяющейся при образовании 400 л ацетилена из карбида кальция.

4. Какое количество теплоты образуется при сгорании 2 кг (м3) этана, если теплота сгорания газа при стандартных условиях составляет 1 559 880 кДж/кмоль?

1. Сколько потребуется мазута для получения 1,5 т оксида алюминия из гидроксида алюминия?

2. Рассчитать тепловой баланс процесса пиролиза ацетона в производстве уксусного ангидрида, если производительность по уксусному ангидриду равна 20 т/сут, температура пиролиза 800°С, степень превращения ацетона в кетен 22%, состав пригодного газа: 98% метана, 2% азота.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫХОДА, ВОЗМОЖНОГО

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

РЕСУРСОВ И ЭКОНОМИИ ТОПЛИВА ЗА СЧЕТ ИХ

ПРИМЕНЕНИЯ

1. Определение вторичных энергетических ресурсов, их

классификация и направления использования

Одним из направлений экономии топливно-энергетических ресурсов является использование вторичных (побочных) энергетических ресурсов (ВЭР). Под ВЭР понимают энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующихся в технологических процессах (установках, агрегатах), который не применяется в самом процессе (агрегате), но может быть частично или полностью реализован для энергоснабжения других агрегатов, процессов.

Термин «энергетический потенциал» подразумевает наличие в перечисленных продуктах запаса энергии: физического тепла, химически связанного тепла, потенциальной энергии избыточного давления. Химически связанное тепло продуктов топливно-перерабатывающих установок (нефтеперерабатывающих, коксовых печей, газогенераторных, углеобогатительных) к ВЭР не относится.

ВЭР делятся на следующие группы:

1. Горючие (топливные) ВЭР. Это горючие отходы процессов химической и термохимической переработки углеродистого и углеводородного сырья; твердые и жидкие топливные отходы, не пригодные для дальнейшей технологической переработки; отходы деревообработки; щелока целлюлозно-бумажного производства и т. д.

2. Тепловые ВЭР. Физическое тепло отходящих газов технологических процессов (агрегатов); физическое тепло основной, побочной и промежуточной продукции; отходов основного производства; тепло рабочих тел систем принудительного охлаждения установок, агрегатов; тепло горячей воды, пара, отработанных в технологических процессах, силовых установках.

3. ВЭР избыточного давления. Это потенциальная энергия газов, жидкостей, покидающих технологические агрегаты с избыточным давлением, которое нужно снижать перед следующей ступенью использования газов, жидкостей или при сбросе их в атмосферу либо очисткой.

Исходя из классификации ВЭР, выделяют направления их применения. Топливное - непосредственное использование горючих ВЭР в качестве топлива. Тепловое - использование тепла, получаемое непосредственно в качестве ВЭР или вырабатываемое за счет ВЭР в утилизационных установках. Сюда относят и выработку холода. Силовое направление включает применение механической (электрической) энергии, вырабатываемой за счет ВЭР в утилизационных установках. Комбинированное направление характеризует использование потребителями тепла, электрической (механической) энергии, одновременно вырабатываемых за счет ВЭР.

Для проведения расчетов используют следующие основные понятия. Выход ВЭР - количество ВЭР, образующихся в данном технологическом процессе (агрегате) в единицу времени. Выработка за счет ВЭР - это количество тепла, холода, электроэнергии, механической энергии (работы), получаемых за счет ВЭР в утилизационных установках. Различают возможную, планируемую, фактическую выработку за счет ВЭР. Возможная - максимальное количество холода, тепла, энергии, которое практически можно получить за счет данного вида ВЭР. Планируемая выработка - количество тепла, холода, энергии, которое предполагается получить за счет ВЭР. Фактическая - это фактически полученное количество тепла, холода, энергии за определенный период.