Расчет материального баланса.

Введем некоторые упрощения для расчета. Будем считать, что после кристаллизации у нас образуется конечный продукт, а также примем, что в реактор не добавляют маточный раствор. Но на самом деле после кристаллизации идет фильтрование и промывка кристаллов, а затем сушка.

Молярные массы веществ.

Вещество	Молярная масса
НCl	36,5
KNO3	101
NaNO3	85
КCl	74,5
НNO3	63
NOCl	65,5
Cl2	71
NaCl	58,5

1. Стадия кристаллизации.

Так как в конечном итоге мы должны получить 1 кг конечног продукта 1-ого сорта:

m(КNО₃) = 998 г

m(NaCl)= 0,3 г

m(H₂O)=1 г

примеси – 0,7 г

Исходный раствор содержит КNО₃ 34,2%, а маточный раствор содержит КNО₃ 9,1%.

Обозначим за х – массу исходного раствора, а за у – массу маточного раствора, тогда составим уравнения:

0,342*х=998+0,091*у

х=1000+у

Решая эти уравнения совместно получим: у=2613,5 г; х=3613,5 г

Зная концентрации КNО₃, HCl, HNO₃:

ω(КNО₃)=0,091

ω(HCl)=0,074

ω(HNO₃)=0,038

найдем массы этих веществ в маточном растворе.

m(HCl)=0,074*2613,5=193,4 г

m(КNО₃)=0,091*2613,5=237,8 г

m(HNO₃)=0,038*2613,5=99,3 г

Так же в маточном растворе у нас находится NaNO₃ и H₂O. Определим количество NaNO₃. Для этого нам необходимо узнать сколько было исходного продукта, а точнее сколько было NaNO₃.

Расчитаем количество KNO₃ в исходном растворе.

m(КNО₃)=0,342*3613,5=1235,8 г

Тогда по реакции КCl + HNO₃ = KNO₃ + НCl

m(КCl)=1235,8*74,5/101=911,5 г

m¹(HNO₃)=911,5*63/74,5=770,8 г

m¹(НCl)=911,5*36,5/74,5=446,6 г

Найдем массу NaCl в исходном сырье.

m(КCl)= 911,5 г – 90%

m(NaCl)=х - 10%

m(NaCl)=911,5*10/90=101,3 г

Тогда масса исходного сырья m^исх=911,5+101,3=1012,8 г прибавим сюда не участвующие в процессе примеси 0,7 г, m^исх=1013,5

Пусть эти примеси останутся в NaCl, тогда m(NaCl)=102 г

Теперь рассмотрим реакцию

NaCl + HNO₃ = NaNO₃ + НCl

Так как в конечном продукте остается 0,3 г NaCl, то прореагирует 101,7 г NaCl, поэтому расчет будем вести на 101,7 г NaCl.

m²(HNO₃)=101,7*63/58,5=109,5 г

m(NaNO₃)=101,7*85/58,5=147,8 г

m²(НCl)=101,7*36,5/58,5=63,5 г

Теперь зная m(NaNO₃)=147,8 г найдем массу воды в маточном растворе

m(H₂O)=2613,5-193,4-237,8-99,3-147,8=1935,2 г

Теперь мы можем составит таблицу материального баланса кристаллизации.

Материальный баланс процесса кристаллизации.

Приход			Расход
Статья прихода	количество, г		Статья расхода	количество, г
	поток	компонент		поток	компонент
Исходный раствор, в том числе KNO3 HNO3 HCl NaCl Примеси H2O NaNO3	3613,5	1235,8 99,3 193,4 0,3 0,7 1936,2 147,8	Конечный продукт, в том числе KNO3 NaCl H2O Примеси Маточный раствор, в том числе HCl KNO3 HNO3 H2O NaNO3	1000 2613,5	998 0,3 1 0,7 193,4 237,8 99,3 1935,2 147,8
Итого:	3613,5	3613,5	Итого:	3613,5	3613,5

Расчет материального баланса в реакторе.

Так как выше мы посчитали количество НCl по 1 и 2-ой реакции найдем массу НCl, которая образовалась в результате этих реакций.

m(НCl)=446,6+63,5=510,1 г

но так как в конечном растворе остается 193,4 г НCl, то на (3) реакцию идет 510,1-193,4=316,7 г НCl.

Рассмотрим (3) реакцию

3НCl+ HNO₃=NOCl+Cl₂+2H₂O

Рассчитаем массу азотной кислоты исходя из того, что m(НCl)=316,7 г

m³(HNO₃)=316,7*63/(3*36,5)=182,2 г

Тогда m(NOCl)=316,7*65,5/(3*36,5)=189,4 г

m(Cl₂)=316,7*71/(3*36,5)=205,3 г

m(H₂O)=316,7*2*18/(3*36,5)=104,1 г

Найдем массу m^∑(HNO₃)= m¹(HNO₃)+ m²(HNO₃)+ m³(HNO₃)=770.8+109,5+ +182,2=1062.5 г

Найдем массу раствора азотной кислоты, учитывая что она у нас 40%.

M^раст(HNO₃)=1062,5*100/40=2656,25 г

Тогда масса воды пришедшей с кислотой m(H₂O)=2656,25-1062,5=1593,75 г

Так как в результате реакции (3) у нас выделилось воды 104,1 г, а также с азотной кислотой пришло воды 1593,75 г ,то острый пар принес воды 4007,6-1013,5-2656,25=337,35 г.

Материальный баланс реактора.

Приход			Расход
Статья прихода	количество, г		Статья расхода	количество, г
	поток	компонент		поток	компонент
Исходное сырье, в том числе NaCl КCl Азотная кислота, в том числе HNO3 H2O Острый пар, в том числе H2O	1013,5 2656,25 337,35	102 911,5 1062,5 1593,75 337,35	Конечный раствор, в том числе KNO3 HNO3 HCl NaCl Примеси H2O NaNO3 Выделяющиеся газы, в том числе NOCl Cl2	3613,5 394,1	1235,8 99,3 193,4 0,3 0,7 1936,2 147,8 189,1 205
Итого:	4007,6	4007,6	Итого:	4007,6	4007,6

Составим общую таблицу материального баланса

Приход			Расход
Статья прихода	количество, г		Статья расхода	количество, г
	поток	компонент		поток	компонент
Исходное сырье, в том числе NaCl КCl Азотная кислота, в том числе HNO3 H2O Острый пар, в том числе H2O	1013,5 2656,25 337,35	102 911,5 1062,5 1593,75 337,35	Конечный продукт, в том числе KNO3 NaCl H2O Примеси Маточный раствор, в том числе HCl KNO3 HNO3 H2O NaNO3 Выделяющиеся газы, в том числе NOCl Cl2	1000 2613,5 394,1	998 0,3 1 0,7 193,4 237,8 99,3 1935,2 147,8 189,1 205
Итого:	4007,6	4007,6	Итого:	4007,6	4007,6

Расчет теплового баланса.

Теплоемкости веществ

Температура	Вещество	Теплоемкость, кДж/кг*оС	Массовая концентрация
80	NaCl	-	0,0003
80	КNO3	1,736	0,34
80	HNO3	4,253	0,03
80	НCl	3,017	0,05
80	NаNO3	3,87	0,04
80	H2O	4,609	0,54
30	HCl	2,556	0,075
30	КNO3	1,24	0,091
30	HNO3	4,189	0,038
30	NаNO3	2,46	0,056
30	H2O	4,19	0,74
30	КNO3	1,24	0,998
30	H2O	4,19	0,001
30	NaCl	0,864	0,001

В основе уравнения теплового баланса лежит закон сохранения энергии: , где Q^,-поступающая энергия, а Q^,,-выделяющаяся энергия. В тепловом балансе учитываются:

1. теплота входящих и выходящих продуктов

2. теплота за счет химических превращений

3. теплота, теряемая аппаратом в окружающую среду.

Рассмотрим процесс кристаллизации.

Найдем удельную теплоту кристаллизации по формуле.

, где С₁ и С₂ – растворимости при температурах Т₁ и Т₂, М - молярная масса кристаллизующегося вещества. Пусть раствор поступает при температуре 80 градусов, а уходит при температуре 30^о.

По графику растворимости различных солей в воде при различных температурах найдем: С(80)=17 моль безводной соли/1000г воды; С(30) 11 моль безводной соли/1000 г воды.

q=19.2*10³*lg(17/11)/(101*(1/303-1/353))=3629,9/0,0505=71,88*10³ Дж/кг

Количество теплоты выделяемой при кристаллизации находится по формуле:

Q=m^{нач. раст.}*С^{нач.раст.}*(T₁-T₂)+ m^крист.*q, где

С^{нач.раст.} - удельная теплоемкость раствора поступающего на кристаллизацию, рассчитывается по формуле:

С^{нач.раст}=∑С_i*ω_i, где - массовая концентрация вещества в растворе, а С - его теплоемкость.

С^{нач.раст}=0,34*1,736+0,03*4,253+0,05*3,017+0,04*3,87+0,54*4,609=3,51

Q=3613,5*3,51*(80-30)*10^-3+1*71,88*10³=72514,2 Дж

Рассчитаем теплоты веществ расходующихся и образующихся

в ходе кристаллизации по формуле

, где m- масса вещества, Т- температура, С - теплоемкость.

Q^{нач.раст}=3.51*3,6135*80=1014,67 кДж

Найдем теплоемкость конечного продукта

С^маточ.= 2,556*0,075+1,24*0,091+4,189*0,038+2,46*0,056+4,19*0,74= 3,7 Q^маточ= 3.7*2.6135*30=290.1 кДж

Q_KNO3=1.24*0.998*30=37.1 кДж

Q_NaCl=0,864*0,001*30=0,026 кДж

Q_Н2О=4,19*0,001*30=0,1257 кДж

Потери равны 3% от Q_физ, где Q_физ= Q^{нач.раст} - Q^маточ=1014,67 - 290,1 = =724,57 кДж

Q^пот=0,03*724,57=21,737 кДж

таблица теплового баланса

Приход			Расход
Статья прихода	количество, кДж		Статья расхода	количество, кДж
	поток	компонент		поток	компонент
Начальный раствор, в том числе KNO3 HNO3 HCl NaCl H2O NaNO3 Кристал- лизация.	1014,6 72,5	171,6 33,8 46,7 2,9 713,9 45,7 72,5	Конечный продукт, в том числе KNO3 NaCl H2O Маточный раствор, в том числе HCl KNO3 HNO3 H2O NaNO3 Потери Отвод тепла	37,3 290.1 21,7 738,1	37.1 0,1 0,1 14,8 8,7 12,5 243,2 10,9 21,7 738,1
Итого:	1087,2	1087,2	Итого:	1087,2	1087,2

Расходные коэффициенты

Найдем расходные коэффициенты:

Хлорид калия

β=911,5/1000=0,9115

Хлорид натрия

β=102/1000=0,1023

Азотная кислота

β=2656,25/1000=2,656

Острый пар

β=337,35/1000=0,337

Заключение

В данном курсовом проекте подробно описан технологический процесс получения нитрата калия из хлорида калия и азотной кислоты. Приведен расчет материального баланса для всего процесса и расчет теплового баланса на стадии кристаллизации. Также приведены расходные коэффициенты, их значения ниже 1 кроме коэффициента по азотной кислоте, который равен 2,6. Так как расходуется много азотной кислоты этот способ не нашел широкого распространения.

Список использованных источников:

1. Технология минеральных солей, М. Е. Позин, издательство «ХИМИЯ», 1947, два тома.

2. Процессы и аппараты химической технологии, Я. Д. Авербух, Ф. П. Заостровский, Л. Н. Матусевич, издание УПИ, 1973, два тома.

3. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков, «ХИМИЯ», 1987.

4. Полный энциклопедический справочник.- М.: Русское энциклопедическое товарищество, 2001.-928с.