2. Методические указания к изучению дисциплины

В курсе «Технология нефтегазохимических производств» рассматривается промышленное получение товарной продукции способами, в основе которых лежит химическое превращение исходных сырьевых материалов. Изучаются физико-химические (теоретические) основы процессов, а также их аппаратурное оформление.

Всякий производственный процесс должен осуществляться с наилучшими экономическими показателями, обеспечивающими высокую производительность труда и возможно более низкую себестоимость продукции. Технология производства увязывается с вопросами охраны окружающей среды.

Изучая отдельные химические производства, необходимо проработать последовательно следующие вопросы:

• характеристика продукта, его физико-химические свойства;

• области применения и значение продукта в народном хозяйстве;

• масштабы производства;

• сырьевые источники, методы обогащения сырья;

• теоретические основы производства;

• оптимальный технологический режим и его обоснование;

• технологические схемы и основная аппаратура;

• технологические расчеты (материальные и тепловые балансы) производства;

• основные параметры процессов и их авторегулирование;

• направления совершенствования технологии производства;

• технико-экономические данные, стандарты и технические условия, расходные коэффициенты, себестоимость, капиталовложения, сопоставления разных методов, схем и вариантов;

• перспективы развития производства данного продукта.

Этот план отражает основное содержание технологии химических производств.

В отдельных случаях, например, при упрощенных технологических процесса, или же при производстве продукции в относительно небольших количествах, а также при изучении процессов, имеющих вспомогательный характер, материал можно прорабатывать по сокращенному плану:

• важнейшие свойства продукта;

• области применения и значение в народном хозяйстве;

• химизм технологического процесса;

• основные параметры технологического режима;

• наиболее распространенная технологическая схема;

• перспективы развития производства.

3. Методические указания к выполнению контрольной работы

Рентабельность процесса производства характеризуется следующими технико-экономическими показателями: расходным коэффициентом и степенью превращения, выходом продукта и селективностью, качеством продукции, производительностью и мощностью аппаратуры, интенсивностью процесса или аппарата, себестоимостью продукта и прибылью.

Расходный коэффициент и степень превращения сырья

Масса каждого вида сырья или количество энергии, которое затрачивается на единицу готового продукта, полученного в данном производстве, называется расходным коэффициентом F_p, который выражается в тоннах на тонну, кубических метрах на тонну и киловатт-часах на тонну.

Глубина протекания реакции, от которой зависят степень использования сырья и другие показатели химико-технологического процесса, характеризуется степенью превращения, выходом продукта и селективностью.

Степень превращения – это отношение количества вещества, вступившего в реакцию, к его исходному количеству. Допустим, протекает простая необратимая реакция типа АВ. Если обозначить через ν_А0 исходное количество вещества А, а через ν_А – количество вещества А в данный момент, то степень превращения реагента А составит:

.

(1)

Чем выше степень превращения, тем большая часть исходного сырья вступила в реакцию и полнее прошел процесс химического превращения.

Выход продукта и селективность

Выход продукта η – это отношение практически полученной массы продукта G_пр к теоретически возможной массе G_теор (в процентах):

(2)

Максимальная масса продукта, которая может быть получена из данного сырья, рассчитывается по уравнению реакции, при этом учитывается содержание в сырье реагента, подлежащего превращению.

Для сложных реакций, когда с одним и тем же исходным веществом могут происходить несколько химических превращений и образовываться различные продукты, оценивать ход процесса лишь по степени превращения или выходу недостаточно. Степень превращения может быть высокой, т. е. большая часть исходных продуктов вступает в химическую реакцию, но не всегда приводит к обра­зованию нужных (целевых) продуктов. Наряду с целевыми могут образовываться и ненужные (побочные) продукты. Чем больше об­разуется целевых и меньше побочных продуктов, тем эффективнее протекает процесс. Для характеристики таких сложных процессов и установления доли целевых продуктов в общем количестве полу­ченных веществ пользуются величиной селективности.

Селективность - это отношение массы целевого продукта к об­щей массе полученных продуктов. Так, если в процессе протекают па­раллельные реакции АВ, AD и целевым является продукт В, а побочным D, масса которых выражается через G_B и G_D соответст­венно, то селективность составит:

(3)

Поскольку общая масса полученных продуктов равна массе прореагировавшего вещества А (G_B+G_D=G_A0-G_A), селективность можно рассматривать как отношение массы полученного целевого продукта В к массе превращенного реагента А:

(4)

Производительность, мощность и интенсивность аппарата

Производительностью аппарата П называется масса готового продукта G_пр, фактически вырабатываемого в единицу времени  при заданных условиях (режиме) про­цесса производства. Максимально возможная производи­тельность аппарата при оптимальных условиях процесса производства называется его мощностью W. Таким об­разом, мощность аппарата есть его максимальная про­изводительность:

(5)

Мощность и производительность печей по обжигу колчедана выражается в тоннах в сутки.

Интенсивностью J процесса или аппарата называется его производительность, отнесенная к единице полезного объема V или рабочей поверхности аппарата F. Так, ин­тенсивность печей по обжигу колчедана выражается мас­сой колчедана (в килограммах), обжигаемого в сутки на 1 м² рабочих сводов печи (например, 200 кг/(м²·сут)); сернокислотных установок башенной системы — массой безводной серной кислоты (в килограммах), получаемой в сутки с 1 м³ объема продукционных башен (например, 70 кг/(м³·сут)); процесса синтеза аммиака — массой NH₃ (в килограммах), получаемого в час с 1 м³ колонны синтеза, заполненной катализатором (например, 5000кг/ /(м³·ч)), и мартеновских печей — массой стали (в тон­нах), снимаемой в сутки с 1 м² пода печи (например, 8 т/(м²·сут)) и т. д.

Интенсивность и производительность аппарата взаи­мосвязаны между собой:

.	(6)
.	(7)

Чем интенсивнее протекает процесс, тем выше производительность аппарата.

Материальные и тепловые балансы производства

Для количественной оценки процессов, сравнения отдельных способов производства, а также выбора реакци­онных и других аппаратов проводятся технологические расчеты. С этой целью составляются материальный, энер­гетический и экономический балансы, которые отража­ют количественные изменения, происходящие в процессе, и позволяют определить его характеристики: расходный коэффициент, коэффициент использования сырья и энер­гии, количество производимых продуктов, основные раз­меры аппаратов для проектирования новых производств, транспортные устройства и др.

Материальный баланс составляется на основании за­кона сохранения массы вещества, согласно которому во всякой замкнутой системе масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, получившихся в резуль­тате реакции. Материальный баланс технологического процесса - это масса веществ, поступивших на техноло­гическую операцию (приход), равная массе веществ, по­лученных в ее результате (расход):

.

(8)

Материальный баланс составляется из расчета рас­хода сырья и полученных продуктов на единицу основно­го продукта. Поскольку на практике приходится иметь дело не с чистыми веществами, а с сырьем сложного хи­мического состава, при составлении материального ба­ланса учитывается масса всех компонентов. Для этого используются данные анализов.

В большинстве случаев масса вещества определяется отдельно для твердой, жидкой и газовой фаз. Таким об­разом, уравнение материального баланса имеет вид:

G (т) + G (ж) + G (г) = G' (т) + G' (ж) + G' (г),

(9)

где, G (т), G (ж), G (г) - масса поступающих в производ­ство твердого, жидкого и газообразного веществ соответ­ственно; G'(т), G'(ж), G'(г) - масса продуктов произ­водства.

В практических расчетах не всегда присутствуют все три фазы, может быть несколько веществ в какой-то од­ной фазе, и тогда уравнение (9) может упрощаться или усложняться. Нередко материальный баланс состав­ляется для какой-нибудь одной фазы гетерогенного про­цесса, происходящего в реакторе. Тогда в процессе пере­хода веществ из одной фазы в другую масса веществ, поступающих в реактор в составе этой фазы (например, газовой), не равна массе веществ, выходящих из реакто­ра. В реакторе увеличивается или уменьшается масса ве­ществ в данной фазе. В этом случае общее уравнение материального баланса, например для газовой фазы, примет вид:

G(г) + G (г)н = G' (г) + G(r)y,

(10)

где, G(г)_н — масса веществ, накопившихся в реакторе; G(г)_у — масса веществ, убывших из газовой фазы.

В многокомпонентных системах одновременно могут осуществляться передача нескольких компонентов в га­зовую фазу и массопередача (адсорбция, конденсация) из газовой фазы. Таким образом, в уравнении (10) мо­жет быть несколько членов G(г)_н и G(г)_у.

При составлении полного материального баланса опе­рации обычно решают систему уравнений типа (9) с двумя или тремя неизвестными. При этом могут исполь­зоваться формулы для вычисления равновесного и фак­тического выхода продукта или скорости процесса. Результаты расчетов сводятся в таблицу материального баланса по массе исходных веществ и продуктов реакции и выражаются в килограммах. При несовпадении G_прих и G_расх рассчитывается невязка баланса:

(11)

Материальный баланс служит основой для составле­ния теплового и экономического балансов.

Тепловой энергетический баланс в химико-технологи­ческих процессах, как правило, составляется на основе закона сохранения энергии: количество теплоты, поступившей на технологическую операцию, т. е. приход теп­лоты Q_прих, должно равняться его расходу Q_расх в той же операции: Q_прих= Q_расх. Тепловой баланс составляет­ся по данным материального баланса, тепловых эффек­тов химических реакций и физических превращений в ап­парате с учетом подвода теплоты извне и отвода ее с продуктами реакции, а также через стенки аппарата. Уравнение теплового баланса имеет вид:

Q (т) + Q (ж) + Q (г) + Qф + Qр +Qп= = Q' (т) + Q' (ж) + Q'ф + Q'р + Q'п.

(12)

где, Q (т), Q (ж), Q (г) - теплота, поступающая в аппарат с твердым, жидким и газообразным материалами соответст­венно; Q' (т), Q' (ж), Q' (г) - теплота для выходящих ма­териалов из аппарата; Q_ф и Q'_ф — теплота физических процессов, происходящих при выделении или поглощении тепла; Q_р и Q_р' — теплота экзотермической и эндотермиче­ской реакций; Q_п — теплота, подаваемая к аппарату извне, через его стенки (подогрев аппарата и т. д.); Q'_п — потери теплоты в окружающую среду и отвод ее через холодиль­ники, помещенные внутри аппарата.

Теплоту поступающего и выходящего материала вычис­ляют по формуле:

(13)

где, G - масса материалов; С - средняя удельная теп­лоемкость материалов, значения которой находятся по таблицам; t - температура.

Как правило, на практике приходится иметь дело со смесями веществ, поэтому в формулу (13) подставляют значение теплоемкости смеси (С_см), которую вычисляют по закону аддитивности. Для смеси трех материалов, имеющих теплоемкости С₁, С₂, С₃, при массе в ней мате­риала, равной G₁+G₂+G₃, теплоемкость находят по фор­муле:

(14)

Тепловые эффекты химических реакций Q_р и Q'_р могут рассчитываться на основе изобарных теплот образования из простых веществ q°_обр, или теплот сгорания, или энтальпии образования веществ ΔН°₂₉₈ в стандартных условиях (масса 1 моль, давление 1,01·10⁵ Па, температура 298 К). Изменение энтальпии реакции ΔН° численно равно тепловому эффекту реакции, взятому с обратным знаком: ΔН = - Q_р.

Изменение энтальпии ΔН° реакции находится как разность энтальпии продуктов реакции и исходных веществ:

(15)

После составления материального и энергетического балансов рассчитываются параметры реакционных аппа­ратов — производительность, основные габариты, время пребывания сырья в каждом аппарате и определяются конструкционные материалы, из которых изготавливают­ся аппараты.

Время пребывания вещества в аппаратах составляет отношение объема V (или массы G_а) материала к расхо­ду в течение часа (по объему V_р или массе G_р):

(16)

Установив производительность каждого аппарата, можно рассчитать необходимое количество однотипных аппаратов в цехе исходя из общей производительности проектируемого производства.

На основе материального и теплового балансов, а также стоимости сырья, топлива, электроэнергии, рабо­чей силы и других статей прихода и расхода, связанных с производством данного продукта, составляется эконо­мический баланс, который определяет стоимость продук­ции, а значит, и рентабельность химического производ­ства.

Ответы на теоретические вопросы должны содержать подробное освещение его сути. В случае необходимости привести примеры из промышленной практики, привести химические реакции, лежащие в основе ХТП.

Решение задач сопроводить необходимыми пояснениями.

В методических указаниях приведен минимальный список литературы, рекомендованной для выполнения работы. Однако, этот список может быть расширен студентами за счет использования других учебников, монографий, справочников и т.д.

Контрольная работа выполняется на листах формата А4 в сброшюрованном виде. Допускается выполнение в рукописном варианте, однако предпочтение отдается компьютерному набору. В вариантах с задачами по составлению материальных и энергетических балансов желательна проверка расчетов по специальным компьютерным программам. Образец титульного листа контрольной работы представлен в приложении 1. Страницы контрольной работы должны быть пронумерованы. Завершается работа списком использованной литературы, программ, нормативно-технических документов.

Выбор задач и вопросов контрольного задания осуществляется в соответствии с двумя последними цифрами студенческого билета (см. таблицу 1).

Таблица 1

Две последние цифры зачетной книжки	Вариант	Задачи	Вопросы
01,26,51,76	1	1, 10	1, 10, 20, 30
02,27,52,77	2	2, 9	2, 9, 19, 29

продолжение таблицы 1

03,28,53,78	3	3, 8	3, 12, 18, 28
04,29,54,79	4	4, 7	4, 14, 17, 27
05,30,55,80	5	5, 16	3, 5, 16, 26
06,31,56,81	6	6, 15	1, 9, 18, 25
07,32,57,82	7	7, 14	2, 4, 19, 24
08,33,58,83	8	8, 3	5, 8, 13, 23
09,34,59,84	9	9,2	3, 6, 11, 22
10,35,60,85	10	11, 20	1, 7, 15, 21
11,36,61,86	11	12, 21	10, 15, 7, 20
12,37,62,87	12	13, 22	9, 11, 6, 19
13,38,63,88	13	14, 23	1, 10, 15, 31
14,39,64,89	14	15, 24	2, 9, 11, 32
15,40,65,90	15	16, 25	3, 10, 13, 33
16,41,66,91	16	17, 6	4, 11, 19, 34
17,42,67,92	17	18, 12	5, 8, 18, 35
18,43,68,93	18	13, 1	6, 13, 17, 27
19,44,69,94	19	15, 2	16, 3, 10, 26
20,45,70,95	20	16, 3	17, 7, 21, 2
21,46,71,96	21	20, 2	1, 30, 10, 21
22,47,72,97	22	19, 3	29, 6, 22, 12
23,48,73,98	23	18, 4	21, 5, 8, 30
24,49,74,99	24	17, 3	20, 6, 7, 29
25,50,75,00	25	16, 4	21, 19, 1, 30