III. Материальные и тепловые расчеты химико-технологических процессов

1. Составления материальных балансов

И материальные расчеты химико-технологических процессов

Химико-технологические расчеты составляют главную, наиболее трудоемкую часть проекта любого химического производства, они же являются завершающей стадией лабораторного технологического исследования и выполняются также при обследовании работающих цехов и установок. Целью этих расчетов может быть определение кинетических констант и оптимальных параметров производства или же вычисление реакционных объемов и основных размеров химических реакторов.

Материальные расчеты, наряду с тепловыми, являются основой технологических расчетов. К ним следует отнести определение выхода основного и побочных продуктов, расходных коэффициентов по сырью, производственных потерь. Только определив материальные потоки, можно произвести необходимые конструктивные расчеты производственного оборудования и коммуникаций, оценить экономическую эффективность и целесообразность процесса.

Материальный баланс может быть представлен уравнением, левую часть которого составляет масса всех видов сырья и материалов, поступающих на переработку  G, а правую – масса получаемых продуктов  G^/ плюс производственные потери G_пот:

 G =  G^/ + G_пот (3.1)

Основой материального баланса являются законы сохранения массы вещества и стехиометрических соотношений.

Материальный баланс составляют по уравнению основной суммарной реакции с учетом побочных реакций согласно закону сохранения массы вещества. Общая масса всех поступающих в аппарат (или в цех) материалов, т.е. приход, равен общей массе выходящих материалов, т.е. расходу. Материальный баланс составляют на единицу массы основного продукта (кг, т) или на единицу времени (ч, сутки). Определение массы вводимых компонентов и полученных продуктов производится отдельно для твердой, жидкой и газообразной фаз согласно уравнению:

G_г + G_Ж + G_т = (3.2)

В процессе не всегда присутствуют все фазы, в одной фазе может содержаться несколько веществ, что приводит к упрощению или усложнению уравнения.

При составлении полного баланса обычно решают систему уравнений с несколькими неизвестными. При этом могут быть использованы соответствующие формулы для определения равновесного и фактического выхода продукта, скорости процесса и др.

Теоретический материальный баланс рссчитывается на основе стехиометрического уравнения реакции. Для его составления достаточно знать уравнение реакции и молекулярные массы компонентов.

Практический материальный баланс учитывает состав исходного сырья и готовой продукции, избыток одного из компонентов сырья, степень превращения, потери сырья и готового продукта и т.д.

Из данных материального баланса можно найти расход сырья и впомогательных материалов на заданную мощность аппарата, цеха, предприятия, себестоимость продукции, выходы продуктов, объем реакционной зоны, число реакторов, производственные потери (непроизводительный расход сырья, материалов, готового продукта на разлив, утечку, унос).

На основе материального баланса составляют тепловой баланс, позволяющий определить потребность в топливе, величину теплообменных поверхностей, расход теплоты или хладоагентов. Все эти данные записывают в виде таблицы.

Расчеты обычно выполняют в единицах массы (кг, т); можно вести расчет в молях. Только для газовых реакций, идущих без изменения объема, в некоторых случаях возможно ограничиться составлением баланса в кубических метрах.

Расходные коэффициенты – величины, характеризующие расход различных видов сырья, воды, топлива, электроэнергии, пара на единицу вырабатываемой продукции. При конструировании аппаратов и определении параметров технологического режима задаются также условия, при которых рационально сочетаются высокая интенсивность и производительность процесса с высоким качеством продукции и возможно более низкой себестоимостью.

Себестоимостью называется денежное выражение затрат данного предприятия на изготовление и сбыт продукции. Для составления калькуляции себестоимости, т.е. расчета затрат на единицу продукции – определяют статьи расхода и в том числе расходные коэффициенты по сырью, материалам, топливу и энергии и с учетом цены на них рассчитывают калькуляцию. На практике обычно чем меньше расходные коэффициенты, тем экономичнее процесс и соответственно тем меньше себестоимость продукции. Однако снижение расходных коэффициентов ниже определенного минимума связано с необходимостью повышения чистоты исходных материалов, степеней извлечения, выхода продукта, что требует значительных расходов и может повести к увеличению себестоимости продукта.

Особое значение имеют расходные коэффициенты по сырью, поскольку для большинства химических производств 60-70% себестоимости приходится на эту статью.

Для расчета расходных коэффициентов необходимо знать все стадии технологического процесса, в результате осуществления которых происходит превращение исходного сырья в готовый продукт.

Теоретические расходные коэффициенты А_т учитывают стехиометрические соотношения, по которым происходит превращение исходных веществ в целевой продукт. Практические расходные коэффициенты А_пр, кроме этого, учитывают производственные потери на всех стадиях процесса, а также побочные реакции, если они имеют место.

Расходные коэффициенты для одного и того же продукта зависят от состава исходных материалов и могут значительно отличаться друг от друга. Поэтому в тех случаях, когда производство и сырье отдалены друг от друга, необходима предварительная оценка по расходным коэффициентам при выборе того или иного типа сырья с целью определения экономической целесообразности его использования.

Пример 3.1. Рассчитать расход бензола и пропан-пропиленовой фракции газов крекинга ₁ = 30% (об.) пропилена и ₂ = 70% (об.) пропана для производства G = 1т фенола, если выход изопропиленбензола из бензола составляет ₃ = 90% от теоретического, а фенола из изопропилбензола – ₄ = 93%.

Решение. Получение фенола и ацетона на основе бензола и пропилена состоит из трех стадий:

первая стадия

получение изопропиленбензола (кумола)

СН₃

|

С₆Н₆ + СН₂ = СН – СН₃ → С₆Н₅ – СН

|

СН₃

вторая стадия

окисление изопропиленбензола в гидроперекись

СН₃ СН₃

| |

С₆Н₅ – СН + О₂ → С₆Н₅ – С – О – ОН

| |

СН₃ СН₃

третья стадия

разложение гидроперекиси изопропиленбензола (кипячением с Н₂SO₄)

СН₃ СН₃ СН₃

| О₂ | |

С₆Н₆ + СН₂ = СН – СН₃ → С₆Н₅ – СН → С₆Н₅ – С – О – ОН → С₆Н₅ОН + С=0

бензол | | фенол |

СН₃ СН₃ СН₃

ацетон

а) Получение 1 кмоль фенола обеспечивает 1 кмоль бензола; таким образом, теоретический расход бензола на 1т продукта (фенола)

830 кг = 0,83 т

С учетом степеней превращения на стадиях процесса получим:

= 0,99 т бензола

б) На образование 1 кмоль фенола идет 22,4 м³ пропилена, т.е. объем пропилена, необходимого для получения 1 т фенола

= 238 м³

Вместе с пропиленом будет подано пропана

= 60 м³

Всего пропан-пропиленовой фракции

283 + 660 = 943 м³

или расход:

пропилена

= 541 кг

пропана

= 1300 кг

Всего пропан-пропиленовой фракции: 1841 кг = 1,84 т.

параметры	Вариант
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	20
1%	27	28	29	30	31	32	33	34	35	36
2%	73	72	71	70	69	68	67	66	65	64
Gт	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
3%	87	87,5	88	88,5	89	89,5	90	90,5	91	91,5
4 %	90	90,5	91	91,5	92	92,5	93	93,5	94	94,5

Пример 3.2. Рассчитать расходный коэффициент для природного газа, содержащего ₁ = 97% (об.) метана в производстве уксусной кислоты на G = 1т из ацетальдегида. Выход ацетилена из метана составляет ₂ = 15% от теоретически возможного, ацетальдегида из ацетилена ₃ = 60%, а уксусной кислоты из ацетальдегида ₄ = 90% (масс.).

Решение. Уксусная кислота получается из метана многостадийным методом. Схематично процесс может быть описан следующими, последовательно протекающими реакциями:

2СН₄ ⇄ С₂Н₂ + 3Н₂

С₂Н₂ + Н₂О ⇄ СН₃СНО

СН₃СНО + 0,5О₂ ⇄ СН₃СООН

Мол. масса: С₂Н₂ – 26; СН₃СНО – 44; СН₃СООН – 60; СН₄ – 16.

Теоретический расход метана на 1т уксусной кислоты составит:

= 534 кг

с учетом выхода продукта по стадиям

= 6590 кг

или

= 9226 м³ СН₄

или

= 9500 м³ природного газа

параметры	Вариант
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1 %	93	93,5	94	94,5	95	95,5	96	96,5	97	97,5
G т	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1
2 %	13	13,5	14	14,5	15	15,5	16	16,5	17	17,5
3 %	57	57,5	58	58,5	59	59,5	60	60,5	61	61,5
4 %	88	88,5	89	89,5	90	90,5	91	91,5	92	92,5

Пример 3.3. Составить материальный баланс производства окиси этилена прямым каталитическим окислением этилена воздухом. Состав исходной газовой смеси в % (об.): этилен – _э = 3, воздуха – _в = 97. Степень окисления этилена х = 0,5. Расчет следует вести на G = 1т окиси этилена.

Решение. Окись этилена является одним из важнейших полупродуктов, имеющих широкое применение в различных синтезах – для получения этиленгликоля, полигликолей, лаковых растворителей, пластификаторов, этаноламинов, различных эмульгирующих и моющих средств; соединения, синтезируемые из окиси этилена, находят применение в производстве синтетических волокон, каучуков и других продуктов.

В настоящее время применяются два основных метода получения окиси этилена:

1. Гипохлорирование этилена с последующим отщеплением хлористого водорода от получающегося этиленхлоргидрина.

2. Прямое каталитическое окисление этилена. При пропускании смеси воздуха с этиленом (нижний предел взрываемости этиленовоздушной смеси – 3,4% С₂Н₄) на серебряном катализаторе при 250 – 280°C образуется окись этилена:

2СН₂ = СН₂ + О₂ = 2СН₂ – СН₂

\ 

^О

Окись этилена из газовой смеси выделяют водной абсорбцией, а остаточный газ направляют во 2-й контактный аппарат.

По уравнению реакции находим расход этилена на 1т окиси этилена. Из 28 кг этилена образуется 44 кг С₂Н₄О или расход С₂Н₄ на 1000 кг окиси этилена составит:

= 640 кг

С учетом степени окисления:

= 1280 кг или = 1020 м³

Объем воздуха в этиленвоздушной смеси составит

= 33000 м³

в том числе кислорода 33000 · 0,21 = 6800 м³ или

кг

азота 33000 · 0,79 = 26200 м³ или

кг

Израсходовано кислорода на окисление

м³

В продуктах окисления содержится кислорода:

6800 – 255 = 6545 м³ или кг

Результаты расчетов сведены в таблицу: