Расчет материального баланса нейтрализатора для аммиачной селитры

Вот решение двух задач. 18. Расчет материального баланса нейтрализатора для получения аммиачной селитры. Дано: Производительность по \( \text{NH}_4\text{NO}_3 \) = 20 т/ч Концентрация \( \text{HNO}_3 \) = 47% Концентрация \( \text{NH}_3 \) = 100% (газообразный) Потери \( \text{HNO}_3 \) = 1% от теоретического Потери \( \text{NH}_3 \) = 1% от теоретического Концентрация раствора \( \text{NH}_4\text{NO}_3 \) на выходе = 60% Реакция: \[ \text{HNO}_3 + \text{NH}_3 = \text{NH}_4\text{NO}_3 \] Молекулярные массы: \( M(\text{HNO}_3) = 1 + 14 + 3 \cdot 16 = 63 \) г/моль \( M(\text{NH}_3) = 14 + 3 \cdot 1 = 17 \) г/моль \( M(\text{NH}_4\text{NO}_3) = 14 + 4 \cdot 1 + 14 + 3 \cdot 16 = 80 \) г/моль \( M(\text{H}_2\text{O}) = 2 \cdot 1 + 16 = 18 \) г/моль 1. Определяем теоретический расход \( \text{HNO}_3 \) и \( \text{NH}_3 \) для получения 20 т/ч \( \text{NH}_4\text{NO}_3 \). Из стехиометрии реакции: 63 кг \( \text{HNO}_3 \) реагирует с 17 кг \( \text{NH}_3 \) с образованием 80 кг \( \text{NH}_4\text{NO}_3 \). Теоретический расход \( \text{HNO}_3 \): \( m_{\text{HNO}_3, \text{теор}} = \frac{20 \text{ т/ч} \cdot 63 \text{ кг/моль}}{80 \text{ кг/моль}} = 15.75 \) т/ч Теоретический расход \( \text{NH}_3 \): \( m_{\text{NH}_3, \text{теор}} = \frac{20 \text{ т/ч} \cdot 17 \text{ кг/моль}}{80 \text{ кг/моль}} = 4.25 \) т/ч 2. Учитываем потери реагентов. Потери \( \text{HNO}_3 \): \( \text{Потери}_{\text{HNO}_3} = 15.75 \text{ т/ч} \cdot 0.01 = 0.1575 \) т/ч Фактический расход \( \text{HNO}_3 \) (100%): \( m_{\text{HNO}_3, \text{факт}} = 15.75 \text{ т/ч} + 0.1575 \text{ т/ч} = 15.9075 \) т/ч Потери \( \text{NH}_3 \): \( \text{Потери}_{\text{NH}_3} = 4.25 \text{ т/ч} \cdot 0.01 = 0.0425 \) т/ч Фактический расход \( \text{NH}_3 \) (100%): \( m_{\text{NH}_3, \text{факт}} = 4.25 \text{ т/ч} + 0.0425 \text{ т/ч} = 4.2925 \) т/ч 3. Определяем массу 47%-ной азотной кислоты. Масса 47%-ной \( \text{HNO}_3 \) раствора: \( m_{\text{раствор } \text{HNO}_3} = \frac{m_{\text{HNO}_3, \text{факт}}}{0.47} = \frac{15.9075 \text{ т/ч}}{0.47} = 33.8457 \) т/ч Масса воды в 47%-ной \( \text{HNO}_3 \): \( m_{\text{H}_2\text{O}, \text{в } \text{HNO}_3} = m_{\text{раствор } \text{HNO}_3} - m_{\text{HNO}_3, \text{факт}} = 33.8457 \text{ т/ч} - 15.9075 \text{ т/ч} = 17.9382 \) т/ч 4. Определяем количество воды в растворе \( \text{NH}_4\text{NO}_3 \) на выходе. Производительность по \( \text{NH}_4\text{NO}_3 \) = 20 т/ч. Раствор \( \text{NH}_4\text{NO}_3 \) на выходе 60%. Масса раствора \( \text{NH}_4\text{NO}_3 \): \( m_{\text{раствор } \text{NH}_4\text{NO}_3} = \frac{20 \text{ т/ч}}{0.60} = 33.3333 \) т/ч Масса воды в растворе \( \text{NH}_4\text{NO}_3 \) на выходе: \( m_{\text{H}_2\text{O}, \text{на выходе}} = m_{\text{раствор } \text{NH}_4\text{NO}_3} - 20 \text{ т/ч} = 33.3333 \text{ т/ч} - 20 \text{ т/ч} = 13.3333 \) т/ч 5. Определяем количество влаги, испарившейся в результате экзотермической реакции. Влага, поступающая в нейтрализатор: \( m_{\text{H}_2\text{O}, \text{вход}} = m_{\text{H}_2\text{O}, \text{в } \text{HNO}_3} = 17.9382 \) т/ч Влага, выходящая из нейтрализатора в составе раствора: \( m_{\text{H}_2\text{O}, \text{выход}} = 13.3333 \) т/ч Масса испарившейся влаги: \( m_{\text{H}_2\text{O}, \text{испар}} = m_{\text{H}_2\text{O}, \text{вход}} - m_{\text{H}_2\text{O}, \text{выход}} = 17.9382 \text{ т/ч} - 13.3333 \text{ т/ч} = 4.6049 \) т/ч Материальный баланс нейтрализатора: Вход: Азотная кислота (47%): 33.8457 т/ч Аммиак (100%): 4.2925 т/ч Всего на входе: \( 33.8457 + 4.2925 = 38.1382 \) т/ч Выход: Аммиачная селитра (в растворе): 20 т/ч Вода в растворе \( \text{NH}_4\text{NO}_3 \): 13.3333 т/ч Испарившаяся вода: 4.6049 т/ч Потери \( \text{HNO}_3 \): 0.1575 т/ч Потери \( \text{NH}_3 \): 0.0425 т/ч Всего на выходе: \( 20 + 13.3333 + 4.6049 + 0.1575 + 0.0425 = 38.1382 \) т/ч Ответ: Количество влаги, испарившейся в результате экзотермической реакции нейтрализации, составляет 4.6049 т/ч. 19. Составление материального баланса нитратора производительностью 3 т/ч нитробензола. Дано: Производительность по \( \text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2 \) = 3 т/ч Выход \( \text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2 \) = 98% от теоретического Состав нитрующей смеси: \( \text{HNO}_3 \) - 20%, \( \text{H}_2\text{SO}_4 \) - 60%, \( \text{H}_2\text{O} \) - 20% Расход нитрующей смеси = 4 кг на 1 кг бензола Реакция: \[ \text{C}_6\text{H}_6 + \text{HNO}_3 = \text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O} \] Молекулярные массы: \( M(\text{C}_6\text{H}_6) = 6 \cdot 12 + 6 \cdot 1 = 78 \) г/моль \( M(\text{HNO}_3) = 63 \) г/моль \( M(\text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2) = 6 \cdot 12 + 5 \cdot 1 + 14 + 2 \cdot 16 = 123 \) г/моль \( M(\text{H}_2\text{O}) = 18 \) г/моль 1. Определяем теоретическую производительность по нитробензолу. Фактическая производительность = 3 т/ч, что составляет 98% от теоретической. Теоретическая производительность по \( \text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2 \): \( m_{\text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2, \text{теор}} = \frac{3 \text{ т/ч}}{0.98} = 3.0612 \) т/ч 2. Определяем теоретический расход бензола и азотной кислоты. Из стехиометрии реакции: 78 кг \( \text{C}_6\text{H}_6 \) реагирует с 63 кг \( \text{HNO}_3 \) с образованием 123 кг \( \text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2 \) и 18 кг \( \text{H}_2\text{O} \). Теоретический расход бензола: \( m_{\text{C}_6\text{H}_6, \text{теор}} = \frac{3.0612 \text{ т/ч} \cdot 78 \text{ кг/моль}}{123 \text{ кг/моль}} = 1.9436 \) т/ч Теоретический расход азотной кислоты (100%): \( m_{\text{HNO}_3, \text{теор}} = \frac{3.0612 \text{ т/ч} \cdot 63 \text{ кг/моль}}{123 \text{ кг/моль}} = 1.5680 \) т/ч 3. Определяем фактический расход бензола и нитрующей смеси. Расход нитрующей смеси составляет 4 кг на 1 кг бензола. Фактический расход бензола: \( m_{\text{C}_6\text{H}_6, \text{факт}} = m_{\text{C}_6\text{H}_6, \text{теор}} = 1.9436 \) т/ч (поскольку выход нитробензола уже учтен) Фактический расход нитрующей смеси: \( m_{\text{нитрующая смесь}} = 1.9436 \text{ т/ч} \cdot 4 = 7.7744 \) т/ч 4. Определяем состав нитрующей смеси по компонентам. Масса \( \text{HNO}_3 \) в нитрующей смеси: \( m_{\text{HNO}_3, \text{в смеси}} = 7.7744 \text{ т/ч} \cdot 0.20 = 1.5549 \) т/ч Масса \( \text{H}_2\text{SO}_4 \) в нитрующей смеси: \( m_{\text{H}_2\text{SO}_4, \text{в смеси}} = 7.7744 \text{ т/ч} \cdot 0.60 = 4.6646 \) т/ч Масса \( \text{H}_2\text{O} \) в нитрующей смеси: \( m_{\text{H}_2\text{O}, \text{в смеси}} = 7.7744 \text{ т/ч} \cdot 0.20 = 1.5549 \) т/ч 5. Определяем количество непрореагировавших веществ и побочных продуктов. Количество прореагировавшей \( \text{HNO}_3 \) (100%): \( m_{\text{HNO}_3, \text{прореаг}} = m_{\text{HNO}_3, \text{теор}} = 1.5680 \) т/ч (это количество, которое должно было прореагировать для получения теоретического выхода) Количество непрореагировавшей \( \text{HNO}_3 \): \( m_{\text{HNO}_3, \text{непрореаг}} = m_{\text{HNO}_3, \text{в смеси}} - m_{\text{HNO}_3, \text{прореаг}} = 1.5549 \text{ т/ч} - 1.5680 \text{ т/ч} = -0.0131 \) т/ч. Это означает, что азотной кислоты в нитрующей смеси недостаточно для теоретического выхода. Давайте пересчитаем, исходя из того, что бензол является лимитирующим реагентом, или что нитрующая смесь подается в избытке, как указано в условии "Расход нитрующей смеси составляет 4 кг на 1 кг бензола". Если выход 98% от теоретического, то это означает, что 98% бензола прореагировало. Пересчитаем теоретический расход бензола, исходя из фактического выхода нитробензола. Фактический выход \( \text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2 \) = 3 т/ч. Это соответствует прореагировавшему бензолу: \( m_{\text{C}_6\text{H}_6, \text{прореаг}} = \frac{3 \text{ т/ч} \cdot 78 \text{ кг/моль}}{123 \text{ кг/моль}} = 1.9024 \) т/ч И прореагировавшей \( \text{HNO}_3 \): \( m_{\text{HNO}_3, \text{прореаг}} = \frac{3 \text{ т/ч} \cdot 63 \text{ кг/моль}}{123 \text{ кг/моль}} = 1.5366 \) т/ч Теперь, если расход нитрующей смеси 4 кг на 1 кг бензола, то фактический расход бензола, который подается в нитратор: \( m_{\text{C}_6\text{H}_6, \text{подано}} = \frac{m_{\text{C}_6\text{H}_6, \text{прореаг}}}{0.98} = \frac{1.9024 \text{ т/ч}}{0.98} = 1.9412 \) т/ч (Это количество бензола, которое должно быть подано, чтобы 98% его прореагировало и дало 3 т/ч нитробензола). Непрореагировавший бензол: \( m_{\text{C}_6\text{H}_6, \text{непрореаг}} = m_{\text{C}_6\text{H}_6, \text{подано}} - m_{\text{C}_6\text{H}_6, \text{прореаг}} = 1.9412 \text{ т/ч} - 1.9024 \text{ т/ч} = 0.0388 \) т/ч Фактический расход нитрующей смеси (исходя из поданного бензола): \( m_{\text{нитрующая смесь}} = 1.9412 \text{ т/ч} \cdot 4 = 7.7648 \) т/ч Состав нитрующей смеси по компонентам (пересчитанный): Масса \( \text{HNO}_3 \) в нитрующей смеси: \( m_{\text{HNO}_3, \text{в смеси}} = 7.7648 \text{ т/ч} \cdot 0.20 = 1.5530 \) т/ч Масса \( \text{H}_2\text{SO}_4 \) в нитрующей смеси: \( m