1 Технико-экономические показатели химических производств

Практическая целесообразность и рентабельность химического производства определяются технико-экономическими показателями, важнейшими из которых являются расходный коэффициент сырья, выход продукта, производительность аппарата, интенсивность и мощность процесса (аппарата).

Для закрепления понятий технико-экономических показателей производства дадим их определение и рассмотрим ряд примеров.

1.1 Расходный коэффициент сырья и выход продукта

1. Расходным коэффициентом сырья (F_p) называется количество каждого вида сырья (кг, т, кратные и дольные им величины), затраченное на единицу готового продукта, полученного в процессе данного производства.

Пример. Определить расходный коэффициент аммиака в производстве азотной кислоты (без учета производственных потерь).

Решение. Процесс окисления аммиака в азотную кислоту протекает по схеме:

NH₃ NO NO₂ HNO₃

17 кг 63 кг

На образование 63 кг азотной кислоты теоретически расходуется 17 кг аммиака, тогда для получения 1 кг кислоты теоретический расход аммиака составит:

(кг).

Следовательно, теоретический расходный коэффициент (F_p) аммиака равен 0,27 кг.

2. Выход продукта (η) – это отношение количества практически полученного продукта m_пр (в кг) к теоретически возможному m_теор (в кг), выраженное в процентах:

(1)

Если производственный процесс состоит из нескольких стадий и каждой из них соответствует определенный выход, то общий выход готового продукта по всему процессу в целом определяется следующим уравнением:

(1а)

где – выход продукта по отдельным стадиям процесса производства.

Чем выше выход продукта, тем экономичнее производство. Снижение выхода продукта обусловлено загрязненностью сырья, потерей сырья в процессе транспортировки, негерметичностью аппаратуры, протеканием побочных реакций, обратимостью реакций.

Пример. Теоретически 17 кг аммиака NH₃ при окислении дают 63 кг азотной кислоты HNO₃. Практически же получено 54 кг кислоты. Определить выход азотной кислоты.

Решение. По условию m_пр =54 кг, a m_теор = 63 кг, то по уравнению (1) получим:

1.2 Производительность и мощность аппарата

1. Производительность аппарата (П) – это количество готового продукта m_пр, практически выработанного данным аппаратом в единицу времени при данных условиях процесса производства, выражается в кг/ч (т/сут):

(2)

Пример. В контактном аппарате в течение 12 ч окисляется 180 т ангидрида SO₂, степень окисления 98,5%. Определить производительность аппарата в кг/ч.

Решение. Пользуясь уравнением (2), находим производительность контактного аппарата:

2. Мощность (W) аппарата – это производительность аппарата при оптимальных условиях процесса:

П_опт=W (кг/ч). (2а)

1.3 Интенсивность аппарата (процесса)

Интенсивность аппарата (I) – это производительность, отнесенная к единицам полезной площади (S_П) или полезного объема (V_П):

(3)

(3а)

Пример. Объем контактной массы в аппарате окисления сернистого газа в серный ангидрид составляет 14,5 м³. Производительность контактного аппарата – 360 т/сут (по H₂SO₄). Определить интенсивность процесса окисления.

Решение. Пользуясь уравнением (3а), определяем интенсивность окисления:

(по H₂SO₄).

Задачи для самостоятельного решения

1. При производстве серной кислоты контактным способом из 30 т колчедана, содержащего 42,4% серы, получено 33,6 т серной кислоты H₂SO₄. Какой процент это составляет от теоретически возможного выхода?

Ответ. 86,2%.

2. На химическом заводе для получения кальциевой селитры 10 т мела обработали азотной кислотой. При этом выход селитры составил 85%. Определить, сколько селитры было получено.

Ответ. 13940 кг.

3. Сернокислотная установка башенной системы объемом 740 м³ дает 150 т 75%-ной серной кислоты H₂SO₄ в сутки. Определить производительность установки (П) (в кг/ч) по безводной серной кислоте H₂SO₄.

Ответ. П = 4687,5 кг/ч.

4. Производительность печи для обжига серного колчедана составляет 30 т в сутки. Выход сернистого газа – 97,4% от теоретического. Сколько тонн SO₂ производит печь в сутки, если содержание серы в колчедане 42,4%?

Ответ. 24,8 т/сут SO₂.

5. При обработке 1 т фосфорита, содержащего 62% третичного фосфата кальция Са₃(РО₄)₂, серной кислотой было получено 727,2 кг суперфосфата:

Определить выход суперфосфата и расходный коэффициент руды.

Ответ. Выход суперфосфата – 73%; практический расходный коэффициент руды – 1,375 кг.

6. Реакция получения дивинила из этилового спирта по способу С. В. Лебедева протекает по уравнению:

2С₂Н₅ОН СН₂ = СН—СН = СН₂ + 2Н₂О + Н₂.

Выход дивинила составляет 75%. Вычислить, сколько килограммов дивинила можно получить из 2000 л 96%-ного спирта С₂Н₅ОН, плотность которого 0,8 кг/л.

Ответ. 676,1 кг дивинила.

7. Негашеная известь содержит 95% окисла СаО, 1,2% известняка СаСО₃ и 3,8% примесей. Получается она обжигом известняка, содержащего 85% СаСО₃. Рассчитать:

а) расходный коэффициент известняка указанного состава на 1 т СаО;

б) степень обжига известняка.

Ответ. а) Расходный коэффициент – 2,03 т известняка, содержащего 85% карбоната СаСО₃; б) степень обжига – 98,8%.

8. Продукционная башня – (денитратор) в нитрозном способе производства серной кислоты имеет высоту 16 м и диаметр 5,5 м. Полезный объем башни составляет 85%. Съем кислоты 90 т в сутки. Определить интенсивность процесса.

Ответ. 11,6 кг/м³∙ч H₂SO₄.

9. Годовая производительность домны составляет 1800 тыс. т чугуна. Определить интенсивность процесса выплавки чугуна, если полезный объем печи составляет 2700 м³.

Ответ. 76,1 кг/м³ ч.

10. Рассчитать суточную производительность печи с кипящим слоем, если полезный объем печи равен 100 м³, а интенсивность обжига пирита FeS₂ 1000 кг/м³сут.

Ответ. П = 100 кг/сут (по FeS₂).

11. Объем колонны синтеза аммиака, занятый катализатором, составляет 1,5 м³. Производительность колонны – 7500 кг/ч. Рассчитать: а) годовую производительность колонны синтеза аммиака (в т); б) интенсивность процесса синтеза аммиака.

Ответ. П = 657·10²т NH₃ в год; I = 5000 кг/м³ ч.

12. Рассчитать производительность печи пылевидного обжига колчедана, если ее диаметр 4,4 м, высота 8 м, а интенсивность 1000 кг/м³сут.

Ответ. П = 121580,8 кг/сут.

13. Определить расходные коэффициенты для производства 1 т фосфата аммония, если исходные продукты: 55% Н₃РО₄ и 98% NH₃.

Ответ. Расходный коэффициент аммиака – 0, 35 т/т; расходный коэффициент фосфорной кислоты – 1,19 т/т.

14. Через контактный аппарат для окисления аммиака пропускают газовую смесь, содержащую 11% NH₃. Сколько образуется 100% азотной кислоты из 2000 л газовой смеси, если общие потери в расчете на 100% кислоту составляют 2%.

Ответ. 606,375 кг.

15. На химическом заводе для получения кальциевой селитры 10 т мела обработали азотной кислотой. При этом выход селитры составил 85%. Определить массу полученной селитры.

Ответ. 11220 кг.

16. Сернокислотная установка башенной системы объемом 740 м³ дает 150 т 75%-ой серной кислоты в сутки. Определить производительность установки (П) (в кг/ч) по безводной серной кислоте и интенсивность процесса (I).

Ответ. П = 4687,5 кг/ч; I = 6,33 кг/м³∙ч.

17. Определить интенсивность процесса обжига колчедана в печи КС (в кг/м³ ·сут), если производительность печи 4, 0 т/сут., площадь решетки 20 м², высота кипящего слоя 2,67 м.

Ответ. 74,9 кг/м³∙сут.

18. Какая масса технического сырья с массовой долей карбида кальция СаС₂, равной 0,60, потребуется для получения 60% уксусной кислоты массой 200 кг карбидным способом, если принять, что выход составляет 90% от теоретического.

Ответ. 236,8 кг.

19. Определить общий объем башенной системы и высоту башен при равенстве высот всех семи башен и среднем диаметре 4,5 м. Интенсивность процесса 200 кг/м³∙сут; производительность системы 350 т/сут. моногидрата Н₂SO₄ (SO₃·Н₂О).

Ответ. Объем – 1750 м³; высота – 15,07 м.

20. Определить расходный коэффициент технического уксусного альдегида 99%-го содержания для получения 1 т уксусной кислоты, если выход кислоты составляет 93,5%.

Ответ. Расходный коэффициент технического уксусного альдегида – 0,776т.

21. В механической печи системы ВХЗ обжигают 1,6 т/ч колчедана, содержащего 40% серы S. Печь имеет 7 рабочих подов, площадь каждого 20 м². Определить интенсивность обжига на 1 м² пода печи в сутки. Расчет произвести на 45%-ный колчедан.

Ответ. I = 243,6 кг/м³∙сут.

22. Производительность современной колонны синтеза аммиака среднего давления составляет 150 т/сут аммиака NH₃. Определить, сколько азота N₂ и водорода Н₂ (в нм³) потребуется в сутки для работы пяти колонн синтеза, если на 1 т аммиака NH₃ расходуется 2850 нм³ азотно-водородной смеси.

Ответ. 534375 нм³/сут; 1603125 нм³/сут.

23. Рассчитать основные технико-экономические показатели синтеза аммиака: а) практический расходный коэффициент сырья по Н₂ и N₂ (в нм³) на 1 т NH₃; б) годовую производительность; в) интенсивность процесса (в т/м³) в сутки; г) выход NH₃ (%). Исходные данные: на заводе работает 5 колонн синтеза под давлением 300 атм., производительностью 5000 кг/ч NH₃ каждая; высота колонны 13 м, диаметр 1,2 м; полезный объем колонн 50%. На 1 т NH₃ практически расходуется 3000 нм³ азото-водородной смеси, теоретически – 2635 м³.

Ответ. а) Расходный коэффициент азота – 750 нм³, водорода – 2250 нм³; б) П = 219∙10³ т/год; в) I = 16,4 т/м³∙сут; г) выход аммиака – 87,8%.

24. Из 320 т железного колчедана FeS₂, содержащего 45% серы, было получено 270 т SO₂. Вычислить расходный коэффициент и выход SO₂ по сере.

Ответ. Расходный коэффициент по сере – 0,533 т; выход SO₂ по сере – 93,75%.

25. Определить практические расходные коэффициенты песка, мела, углекислого и сернокислого натрия для варки простого стекла. Состав шихты для варки стекла: кремнезема – 74%, окиси кальция – 10%, окиси натрия – 16%, из них 15,5% вводится за счет соды и 0,5% – за счет сернокислого натрия. Потери шихты в процессе производства составляют 5%.

Ответ. Расходные коэффициенты с учетом производственных потерь (5%) равны: для песка – 0,78; для мела – 0,19; для соды – 0,27; для сульфата натрия – 0,01.

26. При получении серной кислоты контактным способом на 1 т обжигаемого колчедана с содержанием 42% серы практически получается 1,2 т олеума, содержащего 20% «свободного» ангидрида SO₃. Определить процент выхода серной кислоты.

Ответ. Выход серной кислоты – 97,7%.

27. Согласно материальной отчетности, на производство 1 т 65%-ной азотной кислоты HNO₃, полученной окислением аммиака, расходуется 186,2 кг аммиака NH₃. Рассчитать:

а) выход азотной кислоты;

б) теоретический и практический расходные коэффициенты сырья по аммиаку.

Ответ. а) Выход азотной кислоты – 94,2%; б) расходные коэффициенты по аммиаку равны: теоретический – 0,27 кг, практический – 0,286 кг.

28. Определить годовую (365 дней) производительность колонны синтеза аммиака в расчете на 100%-ный NH₃ (в тыс. т), если за 8 ч вырабатывается 60000 кг 99%-го аммиака.

Ответ. П = 65700 т/год NH₃ 99%-го.

29. Определить суточную производительность механической обжиговой печи (в т), если в течение часа обжигается 1900 кг природного колчедана, содержащего 21,5% пустой породы. В огарок отходит 2% колчедана FeS₂.

Ответ. П =35,1 т/сут FeS₂.

30. Доменная печь объемом 2700 м³ выплавляет в год 1642,5 тыс. т чугуна. Определить производительность домны и интенсивность процесса выплавки чугуна.

Ответ. П = 187,5 т/ч; I = 70 кг/м³∙ч.

31. В коксовую камеру длиной – 14 м, высотой – 4 м и шириной – 0,4 м загружают 16 т каменного угля, который занимает 80% объема камеры. Процесс коксования угля осуществляется в течение 14 ч. Рассчитать производительность коксовой камеры и интенсивность процесса коксования.

Ответ. П = 1143 кг/ч; I = 63,5 кг/м³∙ч.

32. Производительность печи КС равна 8,33 т/ч (по флотационному колчедану). Определить интенсивность процесса обжига колчедана в кг/м³·сут. Площадь решетки печи – 20 м², высота кипящего слоя (h) – 1,5 м.

Ответ. I = 6664 кг/м³∙сут.