|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция |
Методические указания к выполнению курсовой работыХимическая технология Методические указания по выполнению курсовой работы для студентов 4-го курса специальности 020101.65 - Химия
Великий Новгород 2007 г. Составитель: Грошева Л. П.
Методические указания по выполнению курсовой работы для студентов 4-го курса подготовлены в соответствии с общей программой обучения студентов по специальности 020101 – «Химия» при изучении курса «Химическая технология».
© Новгородский государственный университет, 2007г.
© Грошева Л.П., 2007 г. Введение Студенты специальности 020101- «Химия» в процессе изучения курса «Химическая технология» должны освоить основные принципы разработки химико-технологических процессов, технологические схемы процесса получения ряда химических продуктов, ознакомиться с аппаратурным оформлением процессов. Химико-технологические расчеты составляют главную, наиболее трудоемкую часть проекта любого химического производства. Они являются завершающей стадией проведения научно-исследовательских работ и выполняются при проведении обследовательских работ, направленных на решение задач действующих производств. Целью этих расчетов может быть определение кинетических констант и оптимальных параметров производства или же вычисления размеров основного оборудования, их производительности, выхода продукции и т.п. В соответствии с программой данной дисциплины в курсовой работы по химической технологии студентам предлагается, используя определенные исходные данные, изучить физико-химические основы отдельной стадии химико-технологического процесса, провести расчеты материального и теплового балансов. Данное методическое пособие содержит указания и рекомендации по выполнению и оформлению курсовой работы.
Содержание и объем курсовой работы
Студенты выполняют курсовую работу в соответствии с заданием, который определяет преподаватель. Курсовая работа состоит из двух частей. В первой части студентам предлагается дать оценку данного способа производства. В этой части курсовой необходимо: – отметить значение технологического процесса; – сравнить с другими существующими технологиями; – указать основные стадии и химизм процесса; – перечислить оптимальные значения основных технологических параметров; – перечислить основные аппараты химико-технологического процесса; указать основные мероприятия по охране окружающей среды и экологические аспекты данного производства. Во второй части студенты должны провести все необходимые расчеты в соответствии с заданием. Далее необходимо проанализировать полученные результаты и сделать выводы. Общий объем курсовой работы составляет 20-30 печатных листов формата А 4, включает титульный лист, содержание и список используемой литературы.
Задание
При заданной производительности и основных технологических параметрах, составе сырья или исходной смеси составить и рассчитать материальный и тепловой балансы процесса. Потери тепла в окружающую среду составляют 5% для всех вариантов задания (если потери не оговорены в задании).
Методические указания к выполнению курсовой работы Материальные и тепловые балансы являются основой технологических расчетов химических процессов. Материальный баланс любого технологического процесса или части его составляется на основании закона сохранения веса (массы) вещества:
ΣGисх = ΣGкон, (3.1) где ΣGисх – сумма весов (масс) исходных продуктов процесса; ΣGкон – сумма весов (масс) конечных продуктов процесса в тех же единицах измерения. Таким образом, если в какой-либо аппарат или технологический узел поступает GА кг продукта А, GВ кг продукта В и т.д., а в результате переработки их получается GС кг продукта С, GД кг продукта Д и т.д., а также если в конечных продуктах остается часть начальных продуктов А (GА' кг), В (GВ' кг) и т.д., то при этом должно сохраниться равенство:
GА + GВ +…. = GА' + GВ' + GС + GД +….+ ΔG, (3.1а) где ΔG – производственные потери продукта. Определение массы вводимых компонентов и полученных продуктов производится отдельно для твердой, жидкой и газообразных фаз согласно уравнению:
Gг + Gж + Gт.= Gг' + Gж' + G'т. (3.1б) В процессе не всегда присутствуют все фазы, в одной фазе может содержаться несколько веществ, что приводит к упрощению или усложнению уравнения (3.1). При составлении полного баланса обычно решают систему уравнений (3.1) с несколькими неизвестными. При этом могут быть использованы соответствующие формулы для определения равновесного и фактического выхода продукта, скорости процесса и т. д. Теоретический материальный баланс рассчитывается на основе стехиометрического уравнения реакции и молекулярной 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. п. По данным материального баланса можно найти расход сырья и вспомогательных материалов на заданную мощность аппарата, цеха, себестоимость продукта, выходы продукта, объем реакционной зоны, число реакторов, производственные потери. Результаты этих подсчетов обычно сводят в таблицу материального баланса. Типовая таблица материального баланса
На основе материального баланса составляют тепловой баланс, позволяющий определить потребность в топливе, величину теплообменных поверхностей, расход теплоты или хладагентов. При составлении теплового баланса учитывают тепловые эффекты реакций и физических превращений, подвод теплоты извне, и отвод ее с продуктами реакций, а также через стенки аппарата. В основе уравнения теплового баланса любого процесса или аппарата лежит закон сохранения энергии, согласно которому количество теплоты (ΣQ'), поступающей в данный процесс, если в последнем нет превращения ее в другой вид энергии, равно количеству теплоты, выделившейся в процессе (ΣQ''). ΣQ' =ΣQ'' (3.2) ΣQ' –ΣQ'' = 0 (3.2а) Тепловой баланс составляют в Дж, кДж, ГДж на одну единицу, 100 или 1000 единиц массы основного сырья, или конечного продукта, или же в форме теплового потока – в Дж/сек (вт). При составлении теплового баланса необходимо учитывать: 1) теплоту, которую несут с собой входящие и выходящие продукты; 2) теплоту, образующуюся за счет физических и химических превращений, если таковые имеют место в данном процессе; 3) теплоту, теряемую аппаратом в окружающую среду и т.д. В уравнение теплового баланса входят главным образом следующие величины. В приход: а) теплота (Q1) входящих в аппарат продуктов; б) теплота (Q2) физических и химических превращений, протекающих в данном аппарате; в) теплота (Q3), вносимая за счет посторонних продуктов, не принимающих непосредственного участия в процессе. В расход: г) теплота (Q4) выходящих из аппарата продуктов; д) потери тепла (Q5) в окружающую среду. В расходе может быть также и величина Q2, если она является отрицательной. Таким образом, уравнение теплового баланса (3.2) принимает вид
Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5. (3.2б) Подсчет каждой из этих величин является одной из главных задач расчета технологического процесса и проектирования химической аппаратуры. Остановимся коротко на каждой из них а) Q1 –теплота входящих в аппарат продуктов – подсчитывается по уравнению Q1 = МSi (3.3) или же Q1 = МS ĈSt, (3.3а) где МS – количество продуктов, входящих в процесс (кг, м3 или моль); эту величину берут из данных материального баланса, который обычно составляется раньше, чем тепловой; i – теплосодержание продуктов приданной температуре; ĈS –средняя теплоемкость продуктов при температуре t поступления их в процесс; t –температура продуктов при поступлении в процесс.
МS = МS1+ МS2 + МS3 При подсчете величины Q1 вопрос сводится к нахождению значений ĈS и t или же i, так как величины МS1, МS2, МS3 обычно известны из материального баланса или из задания. б) Q2 – теплота химических и физических превращений, протекающих в данном процессе. Эта величина включает или теплоту превращения продукта из одного агрегатного состояния в другое или теплоту растворения и т.д., или же, наконец, и то и другое одновременно. Таким образом, в значение Q2 могут входить несколько величин в зависимости от того, какие химические и физические превращения имеют место в данном процессе. Поэтому при подсчете величины Q2 необходимо предварительно знать эти превращения. Значение тепловых величин всегда берут из таблиц и диаграмм, где они даются в джоулях для определенных условий и отнесены к определенному количеству вещества. Эти табличные данные нередко приходится пересчитывать для тех условий работы, при которых должен работать рассчитываемый аппарат. Величины, входящие в значение Q2 могут быть положительными и отрицательными; это обстоятельство всегда необходимо иметь в виду при подстановке этих величин в уравнение теплового баланса. Положительные значения этих величин следует относить к приходу тепла, отрицательные – к расходу. в) Q3 – теплота, подающаяся к аппарату извне через его стенки продуктами, не принимающими непосредственного участия в процессе (например, подогрев аппарата горячими газами, сжигание под ним топлива). Эта величина подсчитывается в зависимости от конкретных условий, т.е. от того, какой продукт и в каком виде является здесь носителем тепловой энергии. г) Q4 – теплота уходящих из аппарата продуктов – подсчитывается точно так же, как и количество теплоты Q1. д ) Q5 – тепловые потери в окружающую среду, которые вызываются теплопроводностью стенок аппарат, переходом тепловой энергии в лучистую и конвекцией. При составлении теплового баланса довольно часто величиной Q 5 задаются на основе практических данных или же выводят ее как разность:
Q5 = (Q1 + Q2 + Q3) – Q4 Примеры расчетов 4.1 Составить материальный и тепловой балансы сжигания сероводорода для сернокислотного завода производительностью 10 т/ч моногидрата. Исходный газ содержит 90% Н2S, 5% Н2О и % (об.) N2. На 1 м3 сероводородного газа в печь подается 10 м3 воздуха (в пересчете на сухой); содержание влаги в воздухе 1% (об.). Температура поступающего воздуха и сероводородного газа 200С. Решение. Производим материальный расчет. Количество 100%-ного сероводородного газа, которое необходимо сжечь в печи:
10000 · 22.4/98 = 2290 м3/ч. С учетом производственных потерь (5%), необходимо подать в печь, м3/ч: 100%-ного Н2S 2290/0.95 = 2410 или 90%-ного сероводородного газа 2290 /(0.9 · 0.95) = 2680 Количество сухого воздуха, подаваемого в печь: 2680 · 10 = 26800 м3/ч С воздухом войдет в печь водяных паров: (2680 · 0.01) /0.00 = 270 м3/ч. Кроме того, с воздухом поступит, м3/ч: О2……………………………26800 · 0.21 = 5600 N2…………………………….26800 · 0.79 = 21200 На сжигание сероводорода согласно реакции:
Н2S + 1.5О2 = SО2 + Н2О израсходуется кислорода: 2680 · 0.9 · 1.5 = 3630 м3/ч При этом образуется по 2410 м3/ч сернистого ангидрида и водяных паров. Количество и состав обжигового газа: м3/ч %об. SО2 ………………………………….2410 8.45 О2…… ………………. 5600 – 3630 = 1970 6.9 Н2О……….2680 · 0.05 +2410 + 270 = 2814 9.85 N2…………….21200 + 2680 · 0.05 = 21334 74.8 Всего…………………………..28 528 100 Составляем материальный баланс сжигания сероводорода:
Невязка баланса: (38550 – 38470)/38500 · 100 = 0.2% Определим статьи теплового баланса. Приход теплоты За счет поступающего сероводородного газа (условно считаем, что газ содержит только Н2S): 2680 · 1.47 · 20 = 78800 кДж/ч где 1.47 – теплоемкость сероводорода, отнесенная к 1 м3 газа при нормальных условиях, кДж/(м3 *К). Теплота, вносимая воздухом:
(26800 +270) · 1.34 · 20 = 725500 кДж/ч где 1.34 – теплоемкость воздуха, (ввиду малого содержания влаги в воздухе различием теплоемкости водяного пара и сухого воздуха пренебрегаем) кДж/(м3·К). При сжигании сероводорода выделится
(2410 · 519.3 · 1000) /22.4 = 55871000 кДж/ч где 519.3 кДж – теплота сгорания 1 моль Н2S. Общее количество поступившей теплоты:
Qприх = 78800 + 725500 + 55871000 = 55675300 кДж/ч Расход теплоты За счет теплопотерь из печи в окружающее пространство, принимаем равными 20% от прихода теплоты, уходит:
55675300 · 0.2 = 11135000 кДж/ч Теплота, уносимая обжиговым газом, равна разности между приходом тепла и теплопотерями: 55675300 – 11350000 = 44325300 кДж/ч Принимая среднюю теплоемкость обжигового газа 1.38 кДж/(м3 *К), определим температуру газа, уходящего из печи:
T = 44325300/1.38 · 28528 = 11260С. Составляем часовой тепловой баланс сжигания сероводорода
4.2 Составить материальный и тепловой балансы процесса нейтрализации азотной кислоты аммиаком в аппарате ИТН. Составление материального баланса необходимо для определения расходных коэффициентов исходных реагентов и для подсчета размеров реакционной и вспомогательной аппаратуры. Тепловой баланс нейтрализатора позволяет проверить возможность получения раствора аммиачной селитры заданной концентрации.
Материальный баланс Расчет ведется на 1000 кг 100% NН4NО3. Принимаем концентрацию азотной кислоты 48% НNО3, аммиака 97% NН3, получаемого раствора 66% NН4NО3; потери аммиака на всех стадиях производства 0.3%, азотной кислоты 0.75% от выхода NН4NО3. Согласно реакции NН3(газ) + НNО3(жидк) = NН4NО3(тв) + 145.8 кДж, теоретический расход 100% НNО3:
63 · 1000/80 = 787.5 кг 100% NН3: 17 · 1000/80 = 212.5 кг где 63, 17, 80 – масса 1 моль соответственно НNО3, NН3, и NН4NО3. Расход 100% НNО3 с учетом потерь:
787.5 + (0.75 · 1000/100) = 795.0 кг или в пересчете на 48% НNО3:
795 · 100/48 = 1656.0 кг Расход 100 % NН3 с учетом потерь:
212.5 + (0.3 · 1000/100) = 215.5 кг или в пересчете на 97% газообразный аммиак:
212.5 · 100/97 = 222.0 кг. Содержание инертных газов в аммиаке:
222.0 – 215.5 = 6.5 кг. Вся вводимая азотная кислота нейтрализуется аммиаком. Определяем массу образующейся 100% NН4NО3:
795 · 80/63 = 1009.7 кг Масса 66% раствора аммиачной селитры, полученного в нейтрализаторе (включая потери раствора):
1009.7 · 100/66 = 1529.8 кг или за вычетом потерь раствора:
1000 · 100/66 = 1515.1 кг потери 66% раствора аммиачной селитры:
1529.8 – 1515.1 = 14.7 кг. На образование 1009.7 кг NН4NО3 расходуется 100% NН3:
1009.7 · 17/80 = 214.5 кг. Отсюда потери 100% NН3 с соковым паром равны:
215.5 – 214,5 = 1.0 кг. Выход сокового пара (включая инертные газы и потери газообразного аммиака): 1656.0 + 222.0 – 1529.8 = 348.2 кг. В том числе содержание собственно водяного пара:
348.2 – (6.5 + 1.0) = 340.7 кг. Полученные результаты сведем в таблицу. Таким образом, на 1 т аммиачной селитры (100% NН4NО3) расходуется 0.215 т газообразного аммиака (100% NН3) и 0.795 т азотной кислоты (100% НNО3). Материальный баланс процесса нейтрализации (на 1 т NН4NО3)
Тепловой баланс Расчет ведется на 1000кг NН4NО3. Приняты следующие исходные показатели: Начальная температура, 0С азотной кислоты………………………………………………………….30 аммиака……………………………………………………………………50 Давление аппарате ИТН, кПа………………………………………….120 Температура 66% раствора NН4NО3 на выходе из аппарата ИТН, 0С 122 Приход тепла Физическое тепло 48% азотной кислоты:
1656 · 2.91 · 30 = 144069 кДж где 2.91 кДж/(кг·К) – теплоемкость 48% НNО3. Физическое тепло газообразного аммиака:
222 · 2.19 · 50 = 24309 кДж, где 2.19 кДж/(кг·К) – теплоемкость газообразного аммиака. Тепловой эффект реакции определяется по номограмме. Количество тепла, выделяющегося при нейтрализации 48% НNО3 равна 1486 кДж/кг (кривая 1). Теплота растворения NН4NО3 при получении 66% раствора составляет 184 кДж/кг (кривая 2). Рисунок 1. Диаграмма для определения суммарного теплового эффекта (разность значений на кривых 1 и 2) нейтрализации растворов HNO3 аммиаком при 18 0С (данные Я. И. Кильмана): 1 — теплота реакции NН3(газ) + HNО3 (жидк.) = NH4NO3(тв.) с учетом теплоты разбавления азотной кислоты водой; 2 — теплота растворения NH4NO3 в воде.
Суммарный тепловой эффект процесса нейтрализации в заданных условиях: 1486 – 184 =1302 кДж/кг Количество тепла, выделяющегося при образовании 1009.7 кг NН4NО3:
1009.7 · 1302 = 1314629 кДж Общий приход тепла в нейтрализаторе:
144069 + 24309 + 1314629 = 1483007 кДж Расход тепла Количество тепла, уносимого раствором NН4NО3 из нейтрализатора:
1529.8 · 2.47 · 122 = 460990 кДж где 2.47 кДж/ (кг·К) – теплоемкость 66% раствора NН4NО3 Расход тепла на образование сокового пара в нейтрализаторе:
2682.6 · 340.7 = 913962 кДж где 2682.6 кДж/кг – энтальпия насыщенного водяного пара при абсолютном давлении 120 кПа. Количество тепла, уносимого из нейтрализатора инертными газами, относим к тепловым потерям аппарат в окружающую среду. Общее количество уносимого тепла:
460990 + 913962 = 1374952 кДж Разность между приходом и расходом тепла составляет:
1483007 – 1374952 = 108055 кДж или по отношению к приходу тепла:
108055 · 100/1483007 = 7.3% Подсчитанная разность между приходом и расходом тепла (7.3%) может быть отнесена на тепловые потери в окружающую среду. Полученные результаты сведем в таблицу. Тепловой баланс процесса нейтрализации (на 1 т NН4NО3)
Результаты расчета показывают, что образование 66% раствора аммиачной селитры в заданных условиях возможно. Из теплового баланса процесса нейтрализации видно, что основное количество тепла (88.7%) поступает за счет теплового эффекта реакции. Наибольшее количество поступающего тепла (61.6%) тратится на парообразование (концентрирование раствора) непосредственно в аппарате –нейтрализаторе. Содержание:
Введение. 3 1 Содержание и объем курсовой работы.. 4 2 Задание. 4 3 Методические указания к выполнению курсовой работы.. 4 4 Примеры расчетов. 8
Поиск по сайту: |
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.029 сек.) |