Контрольная работа по "Химии"

1. Исходные данные для расчета

 

Заданная производительность печи G=10 т/час. Состав обрабатываемого боксита приведен в табл. 1. Влажность боксита составляет 9,9 %. Состав используемого в процессе спекания известняка приведен в табл. 2. Содержание Na₂CO₃ в соде составляет 98 %. Содержание Al₂O₃ в товарном глиноземе равно 98,8 %. Товарный выход глинозема из боксита составляет 80 %.

Таблица 1.

Состав  боксита, %

Al2O3	SiO2	Fe2O3	CaO	TiO2	П.П.П.	Прочие
51,9	3,9	23,4	4,1	2,1	14,2	0,4
П.П.П. – потери при прокаливании

 

Таблица 2.

Состав  известняка, %

CaO	SiO2	П.П.П.	прочие
50,0	1,2	48,3	0,5

 

Таблица 3.

Химический  состав природного газа, %

CH4с.г.	C2H2с.г.	C2H6с.г.	C4H10с.г.	C5H12с.г.	N2с.г	CO2с.г.
91,4	2,9	1,3	1,1	0,1	2,3	0,9

 

Влагосодержание 1м³ сухого газа равно g^с.г.=12 г/м³.

Подогрев воздуха, подаваемого на горение, осуществляют в барабанном или рекуперативном холодильнике (выбрать самостоятельно). Температура подогрева воздуха t_в=200˚С и коэффициент избытка воздуха α=1,08.

 

2. Расчет минералогического состава  боксита

 

В соответствии с данными минералогических исследований сухого боксита можно принять:

• Al₂O₃ содержится в бемите и диаспоре в виде Al₂O₃, а также в каолините в виде Al₂O₃×2SiO₂×2H₂O;
• Кремнезем SiO₂ находится в каолините (80%) и кварце;
• Железо находится в гематите Fe₂O₃ и гидрогематите Fe₂O₃×H₂O;
• Титан содержится в рутиле TiO₂;
• Оксид кальция CaO в известняке CaСO₃.

Количество  каолинита можно рассчитать по содержанию в нем кремнезема. Общее количество кремнезема в 100 кг боксита равно 3,9 кг. (см. табл. 1.), причем 80% его содержится в каолините, т.е. 3,9×0,8=3,12 кг.

Дальнейшие  расчеты необходимо вести, используя  массовые соотношения отдельных  компонентов в каолините Al₂O₃×2SiO₂×2H₂O. Справочные данные по атомным массам некоторых химических элементов сведены в табл. 4.

 

Таблица 4.

Атомные массы некоторых химических элементов

Химический  элемент	Атомная масса	Химический  элемент	Атомная масса	Химический  элемент	Атомная масса
Водород Кислород Углерод Натрий	1 12 16 23	Алюминий Кремний Фосфор Сера	27 28 31 32	Калий Кальций Титан Железо	39 40 48 56

 

Молекулярная  масса каолинита равна 

 

(27×2)+(16×3)+2(28+32)+2(2+16)=258.

Молекулярная  масса кремнезема равна 60, но в каолините  содержится две молекулы SiO₂, масса которых равна 120. Следовательно, 3,36 кг кремнезема содержатся в

       3,12*258/120=6,71 кг каолинита

 

В каолините количество Al₂O₃, молекулярная масса которого равна 102, составит

       6,71*102/258=2,65 кг.

 

Количество воды, молекулярная масса которой в каолините  равна 2(2+16)=36, составит

       6,71*36/258=0,94 кг.

 

Общее количество Al₂O₃ в 100 кг боксита равно 51,9 (см. табл. 1). Его содержание в диаспоре и бемите составит

 

51,9-2,65=49,25 кг.

 

Количество  диаспора и бемита (Al₂O₃×H₂O), имеющих молекулярную массу 120, можно определить по количеству содержащегося в них Al₂O₃:

          49,25*120/102=57,94кг.

 

Количество  в них воды определяют как разницу

57,94-48,78=9,16 кг.

 

 

 

 

 

 

Таблица 5.

Минеральный состав сухого боксита, %

 

Минералогический состав сухого боксита, %
Соединения	Всего	Al2O3	SiO2	H2O	Fe2O3	TiO2	CaO	CO2	Прочие
Al2O3*H2O	57,94	49,25		8,691
Al2O3*2SiO2*2H2O	6,708	2,652	3,12	0,936
SiO2	0,78		0,78
Fe2O3	19,39				19,40
Fe2O3*3H2O	5,357			1,35	4,00
TiO2	2,1					2,1
CaCO3	7,321						4,1	3,221
Прочие	0,4								0,4
Итого	100	51,9	3,9	10,98	23,4	2,1	4,1	3,221	0,4

 

По содержанию в боксите  CaO (молекулярная масса равна 56) можно рассчитать количество CaСO₃ (молекулярная масса - 100):

   4,1*100/56=7,32кг.

 

Количество CO₂ в CaСO₃ равно

 

7,32 - 4,1=3,22 кг.

 

В процессе спекания боксит теряет эту углекислоту (3,22 кг), а также влагу, содержащуюся в  каолините (0,94 кг), диаспоре и бемите (8,61 кг) и гидрогематите, количество которой можно рассчитать, зная величину потерь при прокаливании (табл. 1):

 

14,2 – (0,94+8,69+3,22)=1,35 кг.

Количество  гидрогематита (Fe₂O₃×3H₂О) с молекулярной массой 214 определяют по содержанию в нем влаги (молекулярная масса 3×18=54):

1,43*214/54=5,35кг.

 

Количество  оксида железа в гидрогематите равно

5,35 – 1,35=4,00 кг.

 

Следовательно, количество гематита в боксите составит:

23,4 – 4,00=19,4 кг.

Результаты  расчетов сухого боксита представлены в табл. 5.

Аналогично  определяем минералогический состав известняка.

В 100 кг известняка (см. табл. 2) содержится 50 кг CaО, имеющего молекулярную массу 56. Тогда количество известняка (молекулярная масса 100) составит

        50*100/56=89,29 кг.

 

Содержание CO₂ (молекулярная масса 44) в известняке равно

        89,29*44/100=39,29 кг.

 

Количество воды в известняке определяют по разнице между общей массой (100 кг) и суммой других компонентов в нем:

100 – (89,29+1,2+0,5)=9,01 кг.

Результаты  расчета минералогического состава  известняка сведены в табл. 6.

Таблица 6.

Минералогический  состав известняка, %

Минералогический  состав известняка, %
Соединения	Всего	CaO	CO2	SiO2	H2O	Прочие
CaCO3	89,29	50	39,29
SiO2	1,2			1,2
H2O	9,01				9,01
Прочие	0,5					0,5
Итого	100	50	39,29	1,2	9,01	0,5

 

 

3. РАСЧЕТ ШИХТЫ

 

Шихта состоит из боксита, известняка, кальцинированной соды и оборотного раствора.

Расчет шихты производят по упрощенной методике на 100 кг сухого боксита. При этом состав оборотных  продуктов принимаем, исходя из состава  бокситов и данных заводской практики.

Для обеспечения полноты  протекания кристаллохимических преобразований при формировании шихты необходимо соблюдать следующие требования:

 

 

Для того, чтобы  рассчитать количество компонентов, участвующих  в процессе спекания (СaO, SiO₂, Nа₂О, Al₂O₃, Fe₂O₃), необходимо проссумировать содержание каждого из них во всех составляющих шихты (боксите, кальцинированной соде, известняке и оборотном растворе).

В соответствии с технологией спекания для формирования исходной шихты используется оборотный  содовый раствор, получаемый после выщелачивания спеков, отделения красного шлама и частичного выпаривания. Техническое его название – белый шлам. Исходя из данных заводской практики, принимаем следующий состав белого шлама, % 25,0 Al₂O₃; 20,0 SiO₂; 23,0 Nа₂О; 9,0 H₂O_связ.; 23,0 H₂O_вн.

Из данных практики, извлечение SiO₂ в белый шлам из спека составляет 10…15%. Остальные 85…90% кремнезема переходят в красный шлам при выщелачивании. Примем извлечение SiO₂ в белый шлам равным 13%.

При условии, что  примерный расход известняка на 100 кг боксита, содержащего 3,9% SiO₂ (см. табл. 1), составляет 39 кг с содержанием 1,2 % SiO₂ (см. табл. 2), общее количество кремнезема в твердых составляющих исходной шихты равно 3,9+39×0,012=4,368 кг. Тогда общее количество SiO₂ в белом шламе равно

  4,368*13/100=0,568 кг.

 

Количество  белого шлама, с учетом содержания в  нем 20 % SiO₂, составит

   0,567*100/20=2,839 кг.

 

Результаты  расчетов состава и количества белого шлама сведены в табл. 7.

 

Таблица 7. Состав и количество белого шлама

	Всего	Al2O3	SiO2	Nа2О	H2Oсвяз	H2Oвн
Содержание, % Количество, кг.	100 2,839	25 0,71	20 0,568	23 0,653	9 0,256	23 0,653

 

С учетом количества SiO₂, поступающего с белым шламом, исходная шихта содержит условно свободный SiO₂ в количестве 3,9+0,568=4,468 кг. Условно свободный СаО (молекулярная масса 40+16=56) в боксите при спекании образует двухкальциевый силикат 2СаО×SiO₂, связывая SiO₂ (молекулярная масса 60) в количестве

  4,1*60/112=2,196 кг.

Оставшееся  количество SiO₂, которое необходимо связать оксидом кальция равно

 

4,468 – 2,196=2,272 кг.

 

Составим пропорцию, приняв потребное количество известняка X с учетом его минералогического состава (0,012Х кремнезема и 0,50Х СаО, см. табл. 6):

 

_{0,5Х/(2,272+0,012Х)=112/60}

 

Решая уравнение, получим Х=8,88 кг.

Состав и  количество известняка, входящего в шихту спекания, представлены в табл. 8.

 

Таблица 8.

Состав  и количество известняка в шихте

Состав и  количество известняка в шихте
	Всего	CaO	CO2	SiO2	H2O	Прочие
Содержание, %	100	50	39,29	1,2	9,01	0,5
Количество, кг	8,88	4,44	3,489	0,10656	0,8001	0,0444

 

Для определения  количества оборотного раствора и свежей соды, добавляемой в шихту, используем практические данные по составу оборотного раствора, г/л: 22,39 Al₂O₃; 391,26 Na₂O; 242,24 CО₂; 972,1 H₂O. Удельная плотность такого раствора составляет 1,628 г/л.

Исходя из практических данных, общее суммарное извлечение Na₂O при выщелачивании, обескремнивании и карбонизации примем равным 85%.

Теперь определим  количество оксида натрия Na₂O, необходимого для осуществления процесса спекания. Учтем:

• Количество Al₂O₃ в шихте из боксита (табл. 5) и оборотного раствора (см. табл. 7) равно

51,9+0,71=52,61 кг.

 

• Количество Fe₂O₃ в шихте из боксита составляет 23,4 кг.
• Количество ТiO₂ в шихте из боксита составляет 2,1 кг.

Тогда потребное количество Na₂O (молекулярная масса 62) составит:

• Для получения Na₂O×Al₂O₃ через Al₂O₃(молекулярная масса 102)
• 62*52,641/102=31,997 кг.