Рассчитать материальный баланс для 3 стадий производства орто-толуолсульфамида:
1. Амидирование
2. Декантирование и промывка
3. Растворение в NaOH
Производительность в год 150 тонн в год, время работы производства - 330 дней. Число операцией производимых за год 1131,43, а количество производимого орто-толуолсульфамида будет равно 132,58 кг/операция.
Исходные данные:
Стадия: Выход, %
Амидирование
85,3
Декантирование и промывка 93,4
Растворение в NaOH
99,4
Очистное фильтрование 98,03
Выделение ОТСА соляной кислотой 96,0
Фильтрование и промывка 91,07
Отжим на центрифуге 99,6
Поглощение аммиака 97,4
Общий выход по стадиям = 67,67
Уравнение химической реакции:
- Основная реакция:
- Побочная реакция:
Таблица 1 - Количество реагентов на стадии амидирования (приход)
№ Наименование Молярная масса, кг/кмоль
Плотность,
кг/м3 Содержание основного вещества, % Масса, кг Количество, кмоль
Объем, л
Техн. 100%
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Приход
1 Орто-толуолсульфохлорид
1300
100
220,415
169,55
1.1 А) ОТСХ 190,65
84,0
185,149
1.2 Б) примеси
6,0
13,225
1.3 В) вода 18
10,0
22,042
2 Аммиачная вода
910 100 66,116
72,65
2.1 А) аммиак
17,02
25,0
16,529
2.2 Б) вода
18
75,0
49,587
ИТОГО
286,531
242,2
Таблица 2 – Количество полученных веществ (расход)
№ Наименование Молярная масса, кг/кмоль
Плотность,
кг/м3 Содержание основного вещества, % Масса, кг Количество, кмоль
Объем, л
Техн. 100%
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Расход
3 Реакционная масса
100
230,66
3.1 А) ОТСамид
172,22
31,66
142,665
3.2 Б) примеси -
8,4
18,515
3.3 В) хлористый аммоний 53,49
11,6
51,94
3.4 Г) аммиак 17,02
4,64
3,068
3.5 Д) вода
18
43,7
14,434
4 Отходящие газы
4.1 А) аммиак 17,02
100
ИТОГО
Решение
На первом этапе рассчитываем количество производственных циклов в год. Годовая производительность получения орто-толуолсульфамина составляет Gгод= 150000 кг/год, тогда суточную мощность производства Gсут пересчитывают на операционную производительность по формуле (2):
Gоп=Gгодn= 1500001131,43=132,58 кг/операция
Общий выход рассчитывается по формуле:
ωобщ= 0,853*0,934*0,994*0,9803*0,96*0,9107*0,996*0,974=0,6584
Таким образом, мы можем рассчитать необходимое для одной операции количество 100% орто-толуолсльфохлорида:
GОТСХ=G100%MОТСамид×MОТСХωобщ×α=132,58172,22×190,650,6584×1=222,9 кг
Из данных регламента знаем, что орто-толуолсльфохлорид поступает в виде водного раствора с концентрацией исходного вещества – 84 %. Следовательно, общая масса орто-толуолсльфохлорида будет равна:
GрастворОТСХ=GрастворОТСХ84×100= 222,984×100=265,36 кг
Зная массу орто-толуолсльфохлорида, найдем массы его компонентов:
GH2O=GрастворОТСХ×10100=265,36×10100=26,54 кг
Gпримеси=GрастворОТСХ×6100=265,36×6100=15,92 кг
Теперь найдем необходимую массу аммиака:
GNH3100%=GОТСХMОТСХ×MNH3×21=222,9190,65×17,02×21=39,8 кг
Из данных регламента известно, что в реакцию берут 3,5 раза избыток аммиака по отношению к ОТСХ, следовательно, количество аммиака будет равно:
GNH3=GNH3100%2×3,5=19,9×3,5=69,65 кг
Зная количество 100 %-го аммиака и его процентное содержание в водном растворе, можем вычислить массу аммиачного раствора:
GрастворNH3=GNH325×100=69,6525×100=278,6кг
Зная массу аммиачного раствора, найдем массы его компонентов:
GNH3=GрастворNH3×25100=278,6×25100=69,65 кг
GH2O=GрастворNH3×75100=278,6×75100=208,95 кг
После проведенных расчетов составляется таблица приходной части материального баланса:
Наименование полупродуктов и сырья Молярная масса, г/моль Содержание вещества, % Загружено
Техническое вещество,
кг 100 % вещество, кг Количество вещества, кмоль
1) Орто-толуолсульфохлорид
100 265,36
ОТСХ 190,65 84
222,9 1,1692
Примеси - 6
15,92 -
Вода 18 10
26,54 1,4742
2) Аммиачная вода:
100 278,6
Аммиак 17,02 25
69,65 4,0922
Вода 18 75
208,95 11,6083
ИТОГО:
543,96
18,3439
После составления таблицы загрузок рассчитаем количества веществ, вступивших в реакцию.
С учетом выхода 85,3% масса вступившего в реакцию ОТСХ будет равна 222,9*0,853 = 190,134 кг.
Рассчитаем сколько аммиака вступило в реакцию сочетания:
GNH3=190,134190,65×17,02×21=33,948 кг
Не прореагировало: 69,65-33,948= 35,702 кг.
Рассчитаем количества веществ, образовавшихся в реакции.
Образовалось ОТСамида:
GОТСамид=190,134190,65×172,22×11=171,754 кг
Образовалось хлорида аммония и воды в реакции:
GNH4Cl=190,134190,65×53,49×11=53,35 кг
GH2O=190,134190,65×18×21=35,9 кг
Рассчитаем общее количество воды в реакционной массе, оно будет складываться из воды, пришедшей с исходными веществами, и воды, образованной в ходе реакции:
GH2O= GH2Oисх+GH2Oреак=26,54+208,95+35,9=271,39 кг
После проведенных расчетов составим таблицу расходной части материального баланса:
Наименование продуктов, отходов и потерь Молярная масса, г/моль Содержание вещества, % Получено
Техническое вещество, кг 100 % вещество, кг Количество вещества, кмоль
Реакционная масса
100 544,116
А) ОТСамид
172,22 31,34
171,754 0,9974
Б) примеси - 2,9
15,92 -
В) хлористый аммоний 53,49 9,7
53,35 0,9974
Г) аммиак 17,02 6,5
35,702 2,09
Д) вода 18 49,56
271,39 15,077
Отходящие газы
100 0,13
А) аммиак 17,02
0,13 0,0074
ИТОГО:
544,246
19,1692
В заключение определим величину относительной погрешности расчета материального баланса
.
∆ = |544,246-543,96|544,246×100%=0,05%
Допустимая величина относительной погрешности, принятая при расчетах материального баланса периодического процесса – не более 0,5%.
Стадия декантирования и промывки
Рассчитаем количество промывных вод. По регламенту количество воды, расходуемое на промывные воды, берется в соотношении 54,5 раза по отношению к ОТСамиду, следовательно
Gпр.воды=171,754172,22×54,5×18= 978,35 кг
После проведенных расчетов составим таблицу приходной части материального баланса:
Наименование продуктов, отходов и потерь Молярная масса, г/моль Содержание вещества, % Получено
Техническое вещество, кг 100 % вещество, кг Количество вещества, кмоль
Реакционная масса
100 544,116
А) ОТСамид
172,22 31,34
171,754 0,9974
Б) примеси - 2,9
15,92 -
В) хлористый аммоний 53,49 9,7
53,35 0,9974
Г) аммиак 17,02 6,5
35,702 2,09
Д) вода 18 49,56
271,39 15,077
Отходящие газы
100 0,13
А) аммиак 17,02
0,13 0,0074
Вода на промывку 18
978,35
54,3528
ИТОГО:
1522,466
73,5146
С учетом выхода 93,4 % масса ОТСамида в реакционной массе после промывки будет равна:
GОТСамида = 171,754*0,934 = 160,418 кг
Тогда с промывными водами уходит 171,754-160,418 = 11,336 кг
Рассчитаем количества других компонентов ушедшие с промывными водами после промывки с учетом из содержания:
Примеси:
В промывной воде:
Gпримеси'=11,3361,07×0,77=8,16 кг
В реакционной смеси: Gпримеси = 15,92-8,16 = 7,76 кг
Хлористый аммоний:
В промывной воде:
GNH4Cl'=11,3361,07×4,66=49,37 кг
В реакционной смеси: GNH4Cl = 53,35-49,37 = 3,98 кг
Аммиак:
В промывной воде:
GNH3'=11,3361,07×0,77=8,16 кг
В реакционной смеси: GNH3 = 35,702-8,16 = 27,542 кг
Вода:
В промывной воде:
GH2O'=11,3361,07×92,73=982,42 кг
В реакционной смеси: GNH4Cl = 978,35+271,39-982,42 = 267,32 кг
После проведенных расчетов составим таблицу расходной части материального баланса:
Наименование продуктов, отходов и потерь Молярная масса, г/моль Содержание вещества, % Получено
Техническое вещество, кг 100 % вещество, кг Количество вещества, кмоль
Реакционная масса после промывки
100 467,05
А) ОТСамид
172,22 34,35
160,418 0,9315
Б) примеси - 1,66
7,76 -
В) хлористый аммоний 53,49 0,85
3,98 0,0711
Г) аммиак 17,02 5,9
27,572 1,62
Д) вода 18 57,24
267,32 14,8511
Промывные воды
100 1059,446
А) ОТСамид
172,22 1,07
11,336 0,0658
Б) примеси - 0,77
8,16 -
В) хлористый аммоний 53,49 4,66
49,37 0,923
Г) аммиак 17,02 0,77
8,16 0,4794
Д) вода 18 92,73
982,42 54574,56
Отходящие газы
100
А) аммиак 17,02
0,13 0,0074
ИТОГО:
1526,626
54593,5093
В заключение определим величину относительной погрешности расчета материального баланса
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24.
