охт (6sem) / методички митхт / Tasks for course works
.pdfФедеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова
Кафедра Общей химической технологии.
СБОРНИК ЗАДАНИЙ И МЕТОДИЧЕСКИХ УКАЗАНИЙ ПО РАСЧЁТУ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
Москва – 2008
3
www.mitht.ru/e-library
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К
ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОЙ РАБОТЫ
Курсовая (домашняя) работа по дисциплинам «Основы химической технологии» и «Основы системных закономерно-
стей технологических процессов» является завершающим эта-
пом инженерной подготовки студента. В её задачу входит ана-
лиз (качественный и количественный) предлагаемой конкрет-
ной химико-технологической системы (ХТС), что позволяет на уровне бакалавра подготовить студентов для оценки любого инженерного проекта в целом и дать основу для расчета курсо-
вых проектов по специальным дисциплинам на современном уровне – инженера химика-технолога.
Учитывая, что методологически наиболее целесообразно использовать для этой цели системный подход, предлагается провести расчет ХТС с использованием интегрального метода.
Расчет сложных систем, к которым относятся ХТС, не-
мыслим без тщательного анализа химической, технологиче-
ской и экологической концепции данного метода. Поэтому структура курсовой работы должна включать следующие раз-
делы:
1. Введение. Обосновать постановку задачи; дать сведе-
ния о применении целевого продукта и масштабах его произ-
водства.
2. Исходное сырье. Дать характеристику сырья по основ-
ному компоненту и примесям, способствующим протеканию
4
www.mitht.ru/e-library
побочных реакций и образованию отходов. Отметить этапы подготовки сырья в технологической схеме. В случае исполь-
зования полупродукта описываются не только его свойства, но и источники получения.
3. Характеристика целевого продукта. Привести физи-
ческие и химические свойства продукта, поскольку с ними свя-
зана не только химическая схема, но и обоснование этапов раз-
деления и очистки. Желательно привести на целевой продукт ГОСТ или ТУ, указывающий содержание основного вещества
иограничения на примеси.
4.Физико-химическое обоснование основных процессов производства целевого продукта и экологической безопасно-
сти производства. На уровне химической концепции провес-
ти анализ различных вариантов производства целевого продук-
та. После химического описания альтернативных вариантов и их сравнения необходимо тщательно обосновать предлагаемую технологию и выбор технологических параметров процесса с учетом равновесия, кинетики, фазовой характеристики процес-
са. На основе химической концепции метода (с учетом эколо-
гических требований к производству) представить функцио-
нальную (принципиальную) схему ХТС.
5. Описание технологической схемы процесса. Дать описание технологической схемы и её чертеж. Затем провести формализацию технологической схемы. Представить струк-
турную и операторную схемы ХТС.
5
www.mitht.ru/e-library
6. Расчет материального баланса ХТС. На первом этапе работы по составлению материального баланса задан-
ной химико – технологической системы необходимо ознако-
миться с рекомендациями, приведенными в методическом пособии*). В предлагаемом пособии приведена форма записи
(таблицы) исходных данных и результатов расчета. Матери-
альный баланс следует представить в виде таблицы и поточ-
ной диаграммы.
7. Расчет основных технологических показателей про-
цесса. Рассчитать расходные коэффициенты по сырью (прак-
тические и стехиометрические), а также степень превращения,
выход и селективность образования целевого продукта. Про-
вести анализ технологических показателей.
8. Список использованной литературы. Список литера-
туры представить по ГОCT'y.
*) Кононова Г.Н., Сафонов В.В., Егорова Е.В. Расчет материального баланса химико–технологической системы. –
М.: ИПЦ МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 1999. – 26 с.
6
www.mitht.ru/e-library
ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ ДЛЯ РАСЧЕТА
Задание 1. Производство серной
кислоты из серы
Процесс производства серной кислоты из элементарной серы состоит из следующих основных стадий:
-подготовка сырья: а) очистка и плавление серы; б) очи-
стка, сушка и дозировка воздуха;
-сжигание серы: S+О2= SO2 (1). Процесс ведут с избыт-
ком воздуха;
-контактное окисление SO2 в SO3: SO2 + 0,5 О2 SO3 (2).
Процесс ведут на ванадиевом катализаторе при температуре
420–550°С;
-абсорбция SO3: SO3 + H2O = Н2SО4 (З). Абсорбционная колонна орошается 98,3% Н2SО4. Перед отправкой на склад кислота разбавляется до ~ 93% Н2SО4.
Исходные данные для расчета
Показатель |
|
Вариант |
|
||
1 |
2 |
3 |
|
4 |
|
Степень превращения серы в SO2, % |
93,0 |
94,0 |
92,0 |
|
95,0 |
Степень превращения SO2 в SO3, % |
98,0 |
99,5 |
99,0 |
|
99,7 |
Степень абсорбции SO3, % |
99,5 |
99,7 |
99,8 |
|
99,9 |
|
|
|
|
|
|
Содержание SO2 в газе, поступающем |
8,5 |
8,8 |
8,0 |
|
9,0 |
в контактный аппарат, %(по объему) |
|
||||
Содержание Н2SO4 в целевом продук- |
93,0 |
93,5 |
92,5 |
|
92,8 |
те, %. (по массе) |
|
||||
Базис расчета, кг Н2SО4 в продукте |
1200 |
2500 |
2000 |
|
5000 |
7
www.mitht.ru/e-library
Методические рекомендации по выполнению расчета
При составлении структурной блок-схемы материальных потоков исключить стадию подготовки сырья (потери серы на данной стадии отнести к стадии сжигания серы). Блок-схему следует свести к трем блокам: сжигание серы, контактное окисление оксида серы (IV) и абсорбция оксида серы (VI). Со-
держанием влаги в воздухе пренебречь. Считать, что вся вода,
необходимая для получения целевого продукта, вводится в от-
делении абсорбции.
При составлении балансовых уравнений необходимо учи-
тывать степень превращения веществ по стадиям. Количество компонентов в потоках целесообразно выражать в киломолях
(первый и второй блоки) и в килограммах – третий блок. В
дальнейшем при составлении материального баланса системы все потоки, входящие в систему и выходящие из неё, должны быть выражены в килограммах.
По первому блоку – сжигание серы – можно составить балансовые уравнения по сере, кислороду и азоту. При состав-
лении балансового уравнения по сере необходимо учесть сте-
пень её превращения в оксид серы (IV). На выходе из печи газ состоит из оксида серы (IV), кислорода и азота (аргон, гелий и др. не учитывать). Реакция горения серы (1) идет без измене-
ния числа молей в газовой фазе. Поэтому количество молей полученного raзa (N12) равно количеству молей исходного воз-
8
www.mitht.ru/e-library
духа (Nвозд.). Считать содержание в этих потоках азота 79% (по
объему), а сумму кислорода и оксида серы (IV) 21% (по объе-
му). Следовательно, долю кислорода в полученном газе можно
выразить как 12о2 = 0,21 – 12so2. Поэтому можно балансовые
уравнения по кислороду и азоту не составлять, а впоследствии
ввести их количества как N12 12o2 и 0,79 N12. т.е. по первому
блоку можно ограничиться только балансовым уравнением по
сере.
По второму блоку – контактное окисление оксида серы
(IV) – составляют два уравнения: по оксиду серы (VI) и кисло-
роду (учесть коэффициенты уравнения реакции (2)).
По третьему блоку – абсорбция оксида серы (VI) – состав-
ляют балансовые уравнения по воде и выхлопным газам, а
также уравнение, выражающее количество Н2SO4 в целевом
продукте, и вводится базис расчета. Выхлопные газы содержат
азот, кислород и оксиды серы (IV) и (VI).
Рекомендуемая литература
Кутепов А.М.. Бондарева Т.И.. Беренгартен М.Г. Общая химическая технология. – М.: Высш. шк., 1990. – 520 с. Соколов Р.С. Химическая технология: Учебн. Пособие для студ. высш. учебн. заведений в 2-х т. Т. 1. – М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2000. – 368 с. Общая химическая технология: Учебник для химико–технологических специальностей. Т. 2. Важнейшие химические производства. / Авт.: И.П.Мухлёнов, А.Я.Авербух, Д.А.Кузнецов и др. Под ред. И.П.Мухлёнова. –
М.: Высш. шк., 1984. – 264 с. Васильев Б.Т., Отвагина М.И.
9
www.mitht.ru/e-library
Технология серной кислоты. – М.: Химия, 1985. – 354 с. Сороко В.Е., Вечная С.В., Попова Н.Н. Основы химической техно-
логии. – Л.: Химия, 1986. – 296 с.
Задание 2. Производство аммиака
Процесс синтеза аммиака может быть описан уравнением реакции: N2 + 3H2 2NН3. Наибольшее число установок син-
теза работает на железных катализаторах при температуре 400– 500°С, давлении 30 МПа и объемной скорости 30000 ч-1. В этих условиях концентрация аммиака на выходе из колонны дости-
гает 13-20%. Поэтому непрореагировавшую азотоводородную смесь необходимо вернуть в процесс. Для этого из смеси кон-
денсируют аммиак в водяном или воздушном холодильниках
(до 30°С), а затем в аммиачном (при –5°С), отделяют в сепара-
торах I и II ступени соответственно, дросселируют до 1,6 МПa
и направляют в хранилища (танки). При снижении давления аммиак вскипает, частично испаряется и из жидкости десорби-
руются растворенные в ней газы (азот, водород, инертные примеси). Для снижения содержания инертных примесей в циркулирующем газе перед второй конденсацией производят отдувку части газа.
10
www.mitht.ru/e-library
Исходные данные для расчета
Показатель |
|
Вариант |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
Содержание NH3 в газе после ко- |
14 |
15 |
16 |
13 |
лонны синтеза, % (по объему) |
||||
Давление газа, МПа: |
|
|
|
|
– в сепараторе I ступени |
28 |
29 |
30 |
27 |
– в сепараторе II ступени |
30 |
31 |
32 |
29 |
Температура газа, оС: |
|
|
|
|
– после водяного (воздушного) ох- |
|
|
|
|
лаждения |
28 |
30 |
35 |
32 |
– после аммиачного холодильника |
–5 |
–8 |
0 |
–10 |
Растворимость азотоводородной |
|
|
|
|
смеси в жидком аммиаке, нм3/кг |
|
|
|
|
NH3: |
0,028 |
0,029 |
0,033 |
0,028 |
– в сепараторе I ступени |
||||
– в сепараторе II ступени |
0,017 |
0,018 |
0,020 |
0,016 |
Концентрация NH3 в танковых газах, |
40 |
39 |
38 |
37 |
% (по объему) |
||||
Содержание инертных примесей, % |
|
|
|
|
(по объему): |
|
|
|
|
– в свежей АВС |
1 |
2 |
1 |
2 |
–в продувочных газах |
10 |
10 |
15 |
15 |
Базис расчета, кг NH3 на выходе из |
2500 |
3600 |
4500 |
2800 |
танка |
Методические рекомендации по выполнению расчета
При составлении структурной блок-схемы учитывают только те элементы, в которых происходит изменение матери-
альных потоков. Операции конденсации и сепарации объеди-
няют в один блок. Блок-схему рекомендуется свести к четырем
11
www.mitht.ru/e-library
блокам: синтез аммиака, конденсация и сепарация I ступени,
конденсация и сепарация II ступени, сборник жидкого аммиа-
ка.
При охлаждении газа происходит частичная конденсация аммиака, устанавливается равновесие между жидкостью и га-
зом, причем концентрация аммиака, оставшегося после кон-
денсации в газе, является функцией температуры и давления и
определяется по формуле: |
|
|
|
|||
lg ijNH3 = 2,35916 + |
6, |
56799 |
|
– |
11681288, |
, |
|
|
|
|
|||
|
|
10,2Р |
|
273 t |
где ijNH3 – содержание аммиака в газовой фазе, мольн.
доли; Pi и ti – давление (МПа) и температура газа (оС). Следует обратить внимание на размерность приведённого в задании значения растворимости азотоводородной смеси (АВС) в жид-
ком аммиаке.
Количества компонентов (k) и потоков целесообразно вы-
ражать числом киломолей (Nijk). В массовых единицах удобно выразить лишь количество жидкого аммиака в потоках(GijNH3) .
т.к. растворимость АВС в этих потоках задана в нм3/кг NH3(ж).
Пo первому блоку – синтез аммиака – составляют только одно уравнение - баланс по АВС. Необходимо учесть, что по реак-
ции для образования 1 моля аммиака требуется 2 моля АВС. В
остальных трех блоках происходит распределение аммиака между жидкой и газообразной фазами. По каждому блоку должны быть составлены балансовые уравнения по АВС и NH3
с учетом растворимости АВС в жидком аммиаке. Если в зада-
12
www.mitht.ru/e-library