Методические указания к выполнению курсовой работы

Химическая 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:

ΣG_исх = ΣG_кон, (3.1)

где ΣG_исх – сумма весов (масс) исходных продуктов процесса; ΣG_кон – сумма весов (масс) конечных продуктов процесса в тех же единицах измерения.

Таким образом, если в какой-либо аппарат или технологический узел поступает G_А кг продукта А, G_В кг продукта В и т.д., а в результате переработки их получается G_С кг продукта С, G_Д кг продукта Д и т.д., а также если в конечных продуктах остается часть начальных продуктов А (G_А' кг), В (G_В' кг) и т.д., то при этом должно сохраниться равенство:

G_А + G_В +…. = G_А' + G_В' + G_С + G_Д +….+ 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:

G_г + G_ж + G_т.= G_г^' + G_ж^' + 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 = М_Si (3.3)

или же Q₁ = М_S Ĉ_St, (3.3а)

где М_S – 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;

Ĉ_S –средняя теплоемкость продуктов при температуре t поступления их в процесс;

t –температура продуктов при поступлении в процесс.

М_S = М_S1+ М_S2 + М_S3

При подсчете величины Q₁ вопрос сводится к нахождению значений Ĉ_S и t или же i, так как величины М_S1, М_S2, М_S3 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:

Q_прих = 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% NН_3, получаемого раствора 66% NН₄NО₃; потери аммиака на всех стадиях производства 0.3%, азотной кислоты 0.75% от выхода NН₄NО₃.

Согласно реакции NН_3(газ) + НNО_3(жидк) = NН₄NО_3(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% НNО_3.

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: