Файл: 161.pdf

Федеральное 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

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

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

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