книги / Расчеты химико-технологических процессов

6П7.1

Р24

УД К 66.011(075.8)

А.Ф. Туболкин, Е. С. Тумаркина, Э. Я. Тарат, , Е. С. Румян- qeoa, Л. Я. Авербух, В. А. Холодное, И. П. Мухленов

Расчеты химико-технологических процессов: Учеб­ ное пособие для вузов/Туболкин А. Ф ., Тумарки­

на Е. С , Тарат Э. Я. и др.; под ред. И. П. М ухленова

Иэложенм расчеты основных технологических процессов химиче­ ской промышленности. Особое внимание уделено общим принципам к методам расчета, определению кинетических параметров, расчету реакторов различных .типов. Во втором иэдаиинДЬе—+976г.') сокращены материальные н тепловые расчеты, приведены расчеты с использова­ нием ЭВМ.

Предназначено дли студентов химических' вузов и факультетов; может быть, использовано также кнжекерно-техннческныи работниками химической, нефтехимической, коксохимической и целлюлозно-бумаж­ ной промышленности.

248 стр., 54 рис., 28 табл., список литературы 30 ссылок.

Р е ц е н з е н т ы : 1. Кафедра общей химической технологии Куйбышевского политехнического-института им. В. В. Куйбы­ шева (зав. кафедрой В. С. Сафронов).

2. Доктор технических наук, профессор Э. Л. Аким (Ленинградский технологический институт целлюлозно-бумаж­ ной промышленности).

Издательское объединение <g) “Интеграл”

г. Киев, 2007 год

ЧАСТЬ I

МАТЕРИАЛЬНЫЕ И ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ

ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Глава I

ПРИНЦИПЫ СОСТАВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНЫХ БАЛАНСОВ И МАТЕРИАЛЬНЫЕ РАСЧЕТЫ НЕОБРАТИМЫХ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ВВЕДЕНИЕ

Химико-технологические расчеты составляют главную, наибо­ лее трудоемкую часть проекта любого химического производства, они же являются завершающей стадией лабораторного техноло­ гического исследования и выполняются также при обследовании работающих цехов и установок. Целью этих расчетов может быть определение кинетических констант и оптимальных параметров производства или' же вычисление реакционных объемов - и основ­ ных размеров химических реакторов.

Основой технологических расчетов являются материальные и тепловые расчеты. К ним следует отнести определение оыхода основного и побочных продуктов, расходных коэффициентов по сырью, производственных потерь. Только определив материаль­ ные потоки, можно произвести конструктивные расчеты производ­ ственного оборудования и коммуникаций, оценить экономическую эффективность и целесообразность процесса. Составление мате­ риального баланса необходимо как при проектировании нового, так и при анализе работы действующего производства. При проек­ тировании новых производств используют опыт существующих с учетом результатов современных новейших исследований. На основе сравнительного технико-экономического анализа действую­ щих производств можно выбрать наиболее рациональную техно­ логическую схему, оптимальные конструкции аппаратов и усло­ вия осуществления процесса.

Материальный баланс может быть представлен уравнением, левую часть которого составляет масса всех видов сырья и мате­

Основой материального баланса являются законы сохранения (массы вещества и стехиометрических соотношений.

Материальный баланс составляют по уравнению основной сум­ марной реакции с учетом побочных реакции согласно закону со­ хранения массы вещества. Общая масса всех поступающих

5

D аппарат (или в цех) материалов, т. е. приход, равен общей массе выходящих материалов, т. е. расходу. Материальный баланс со­ ставляют на единицу массы основного продукта (кг, т) или на единицу времени (ч, сутки). Определение массы вводимых ком* понентов и полученных продуктов производят отдельно для твер­ дой, жидкой и газообразной фаз согласно уравнению:

В процессе не всегда присутствуют все фазы, в одной фазе может содержаться несколько веществ, что приводит к упроще­ нию или усложнению уравнения (1. 2).

При составлении полного баланса обычно решают систему уравнений (1.1) с несколькими неизвестными. При этом могут быть использованы соответствующие формулы для определения равновесного и фактического выхода продукта, скорости про* цесса и др.

Теоретический материальный баланс рассчитывают на основе стехиометрического уравнения, реакции. Для его составления до* статочно знать уравнение реакции и молекулярные массы компо* нентов.

Практический материальный баланс учитывает состав исход* ного сырья и готовой продукции, избыток одного из компонентов

и вспомогательных материалов на заданную мощность аппарата, цеха, предприятия, себестоимость продукции, выходы продуктов, объем реакционной зоны, число реакторов, производственные по­ тери (непроизводительный расход сырья, материалов, готового продукта на разлив, утечку, унос).

На основе материального баланса составляют тепловой ба­ ланс, позволяющий определить потребность в топливе, размеры теплообменных поверхностей, расход теплоты или хладагентов. Все эти данные записывают в виде таблицы:

Приход кг м* % Расход кг м> %

Здесь <5х» Os, Ga —массы исходных реагентов; Сг4, Сг6, (?в — массы целевого, побочных продуктов н отходов соответственно.

Расчеты обычно выполняют в единицах массы (кг, т); можно зести расчет в молях. Только для газовых реакций, идущих без изменения объема, в некоторых случаях можно ограничиться соЬтацдением баланса в кубических метрах.

Расходные коэффициенты — величины, характеризующие рас* ход различных видов сырья, воды, топлива, электроэнергии, пара

6

на единицу вырабатываемой продукции. При конструировании «аппаратов и определении параметров технологического режима задаются также условия, при которых рационально сочетаются высокая интенсивность и производительность процесса с высоким качеством продукции и возможно более низкой себестоимостью.

Себестоимостью называется денежное выражение затрат дан­ ного предприятия на изготовление и сбыт продукции. Для со­ ставления калькуляции себестоимости, т. е. расчета затрат на единицу продукции, определяют статьи расхода, в том числе рас­ ходные коэффициенты по сырью, материалам, топливу и энергия, и с учетом цены на них рассчитывают калькуляцию. На практике обычно чем меньше расходные коэффициенты, тем экономичнее процесс и соответственно тем меньше себестоимость продукции. Однако снижение расходных коэффициентов ниже определенного минимума связано с необходимостью повышения чистоты исход­ ных материалов, степеней извлечения, выхода продукта, что тре­ бует значительных расходов и может повести к увеличению себе­ стоимости продукта.

Особое значение имеют расходные коэффициенты по сырью, поскольку для большинства химических производств 60—70% себестоимости приходится на эту статью.

Для расчета расходных коэффициентов необходимо знать все стадии производства*, в результате осуществления которых проис­ ходит превращение исходного сырья в готовый продукт. Теорети­ ческие расходные коэффициенты учитывают стехиометрические соотношения, по которым происходит это превращение. Практиче­ ские расходные коэффициенты, кроме этого, учитывают производ­ ственные потери на всех стадиях процесса, а также возможные побочные реакции.

Расходные коэффициенты для одного и того же продукта за­ висят от состава исходных материалов и могут значительно от­ личаться друг от друга. Поэтому в тех случаях, когда производ­ ство и сырье отдалены друг от друга, необходима предваритель­ ная оценка по расходным коэффициентам при выборе того или иного типа сырья с целью определения экономической целесооб­ разности его использования.

РАСЧЕТЫ РАСХОДНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ

Пример 1. Определить теоретические расходные коэффициенты железных руд, используемых при выплавке чугуна, содержащего 92% Fe, при условии, что в руДах отсутствуют пустая порода и примеси.

Молекулярная масса железных, руд: шпатовый железняк FeCOj— 115,8; ли­ монит 2FezOv ЗН'20 — 373; гетит 2Fej02•2Н20 - Зо5; • красный железняк Fe2Oj — 159,7; магнитный железняк FegO* — 231,5.

7

чугуна с содержанием 92% (масс.) Fe необходимо

1 •0,92 • 115,8/55,9 = 1,9 т FeC03

Аналогично находим значения теоретических расходных коэф фициентов для других руд:

Ь 0,92 ♦ 373/(Ф* 55,9) = 1,55 т 2Fe*03• ЗН20; 1 * 0,92 • 355/(4 • 55,9) =

= 1,45 т 2Fe20 3• 2НгО; I • 0,92 * 159,7/(2 • 55,9)L= 1,33 т Fea0 3; 1 * 0,92 • 231,5/(3 • 55,9) = 1,28 т FesO,

Пример 2. Рассчитать расход алунитовой руды, содержаще 23% А120 3, для получения 1 т алюминия, если потери алюминия на всех производственных стадиях составляют 12% (масс.).

Алунит можно представить формулой ЗА120 з •КаО■4SO* •6Н30 . Молекуляр­ ная масса: алунита — 828, А120 3— 102; А1 — 27.

Р е ш е н и е . Процесс получения металлического алюминия из алунита со­ стоит нз двух стадий:

1. Получение оксида алюминия (глинозема). С этой целью алуннтовую руду обжигают при 500—580 °С, а затем обрабатывают раствором аммиака. Остав­ шиеся в осадке А120 3 и А1(ОН)3 обрабатывают 10—12% раствором NaOH и получают раствор алюмината, из которого при пропускании С02 выпадает оса­ док А1(ОН)3; последующее прокаливание осадка заканчивает стадию образова­ ния глинозема.

2. Электролиз оксида алюминия, растворенного в расплавленном криолите Na$AlFe.

Для получения 1 т алюминия теоретически требуется

пана] для производства 1 т фенола, если выход изопропилбен­ зола из бензола составляет 90% от теоретического, а фенола ив изопропилбензола — 93%.

а

5 се стадии процесса можно изобразить схемой:

СбНб + СН2СНСН3 — ► СеН6СН(СН8)*

бензол

— ► СвН5С<СНя)2ООН — ► С0Н6ОН + С(СН,)*О

фенол ацетон

а) Получение 1 кмоль фенола обеспечивается 1 кмоль бен­ зола; таким образом, теоретический расход бензола на I т про­ дукта (фенола)

78 • 1/94 = 0,83 т

с учетом степеней превращения на стадиях процесса:

0,83/(0,90-0,93) я* 0,99 т

б) На образование 1 кмоль фенола требуется 22,4 м3 пропн» лена, т. е. для получения 1 т фенола необходимо

22,4 • 1000/94 = 238 мэ пропилена

л с учетом степеней превращения по стадиям:

238/(0,90 •0,93) = 284 м3 пли 284 • 42/(22,4.1000) = 0,533 т

Вместе с пропиленом подано

284 •70/30 = 664 м3 или 662 • 44/(22,4 • 1000) = 1,3 т пропана

Всего пропан-пропиленовой фракции: 946 м3 или 1,833 т.

Пример 4. Рассчитать расход ильменитовой руды и серной кис­ лоты для получения 1 т диоксида титана ТЮ2, если содержание титана в руде составляет 24,3% (масс.), а степень разложения FeTiOe 89%. В состав ильменитовой руды входят FeTi03 и Fe2Oa. В производстве применяют 80%-ную H2S 0 4 с 50%-ным избытком от теоретического.

Чтобы определить содержание FeTiOs в ильменитовой породе, находим сначала содержание Ti в чистом ильмените:

48100/152 = 31,5% Ti и 24,3-100/31.5 = 78% FeTiOs

На долю Fe2Oa приходится: 100 — 78 = 22% (масс.). Расход (т) ильменита FeTiOa для получения 1 т ТЮ2:

яо реакциям (1)— (3) 152 -1/80= 1,9

9

Расход (т) H2SO4*.

с учетом ее 50%*ного избытка от теоретического 2,31*1,5 =» 3,47 80%-ной HaS 0 4 3,47/0,8 = 4,34

Пример 5. Определить расходные коэффициенты в производ­ стве карбида кальция (технического), содержащего [% (масс.)]* СаСг — 78; СаО — 15, С — 3; прочие примеси — 4. Известь со­ держит 96,5% СаО. Содержание (%) в коксе: золы — 4, лету­ чих— 4, влаги — 3.

Расчет вестн на 1 т технического продукта. Молекулярная масса: €аС* — 64, СаО— 56.

топлива в газообразное при воздействии на него при высоких температурах кислорода воздуха, водяного пара пли их смеси, согласно уравнениям;

С + Н ,0 — ► СО + На (I); 2С + Оа — » 2СО (2)

Как явствует нз состава, генераторный газ получается при воздействия науголь паровоздушной смеси.

По условию в 1000 м8 газа содержится 420 м3 азота. Следо­

Выход водорода по реакции (1) составляет 1 моль из 1 моль водяного пара. 180 м3 водорода, содержащихся в 1000 м8 гене­ раторного газа, потребуют затраты такого же количества водя­ ного пара, т. е. 180 м3 или 180*18/22,4 = 145 кг.

10