УМП к курсовой работе ХП

Учебно-методическое пособие предназначено для обучающихся по направлению 18.03.01 – Химическая технология профиль «Химическая технология органических веществ». В пособии представлены методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Химический процесс», приведена структура курсовой работы, требования к ее содержанию и методика проведения расчета материального и теплового баланса химического процесса.

Составитель: Лузина М.С., ст. преподаватель кафедры «Общая химическая технология» филиала ФГБОУ ВО УГНТУ в г. Стерлитамаке

Рецензент: Исламутдинова А.А., канд. техн. наук, доцент кафедры «Общая химическая технология» филиала ФГБОУ ВО УГНТУ в г. Стерлитамаке

2

3

Введение

Химический процесс является ключевым типовым процессом химической технологии, определяющим потенциальные возможности химического производства. В технологической цепи любого химического производства в процессах, предшествующих химическому процессу, подготавливают технологический поток к химическому превращению, а во всех последующих

— реализуют результаты химического превращения — выделяют из реакционной смеси продукт нужного качества.

Долгое время химический процесс не считался типовым процессом химической технологии. Теоретические основы и аппаратурное оформление всех типовых процессов химической технологии, за исключением химического процесса, подробно изучались в дисциплине "Процессы и аппараты химической технологии". Химический процесс традиционно рассматривался как часть курса "Общая химическая технология" и долгое время составлял его теоретическую базу. Такое объединение было вполне оправданно, когда ввиду слабой разработанности теоретических основ технологическое оформление химических производств оставалось моновариантным и было скорее искусством, основанным на опыте и интуиции проектанта, и изучалось в курсе ОХТ в основном иллюстративно на примере отдельных, наиболее распространенных химических производств.

Во второй половине XX столетия произошло бурное развитие теоретических основ химической технологии. Исследование макрокинетики химического превращения на уровне реакционного объема и особенностей масштабного перехода при создании промышленных реакторов позволило рассматривать химический процесс как типовой процесс химической технологии, представляющий собой химическое превращение, осложненное массо- и теплообменными явлениями. В результате были разработаны основы теории химических процессов.

В то же время произошел огромный скачок в понимании закономерностей создания технологии химических производств. В развитии этих знаний определяющую роль сыграл системный подход, превративший разработку технологии химических производств в науку о рациональной композиции типовых процессов и позволяющий оптимизировать технологические схемы, существенно повышая эффективность создаваемых технологий.

Целью выполнения курсовой работы по дисциплине «Химический процесс» является изучение химического процесса и его основных закономерностей именно как типового процесса химической технологии.

4

1. Структура курсовой работы

Курсовая работа является одной из важнейших форм учебного процесса, выполняется в соответствии с учебными планами и направлена преимущественно на практическую подготовку. Курсовая работа носит учебно-исследовательский характер, и в то же время она должен опираться на новейшие достижения науки в своей сфере.

Цель курсовой работы:

а) закрепить теоретические знания по курсу «Химический процесс»; б) овладеть навыками самостоятельной работы при изучении

химических процессов; в) выработать умения формулировать суждения и выводы, логически

последовательно и доказательно их излагать; г) выработать умение публичной защиты;

д) подготовиться к более сложной задаче – выполнению дипломной работы.

Структура курсовой работы должна способствовать раскрытию заданной темы и быть аналогична структуре дипломной работы: иметь титульный лист, содержание, введение, основную часть, заключение, список использованных источников и приложения.

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, определяется общая цель курсовой работы, конкретные задачи и методы исследования. Далее следует остановиться на описании степени разработанности темы в научной литературе. Здесь необходимо привести названия основных источников, охарактеризовать сложившиеся подходы и методы, отметить и оценить индивидуальный вклад в разработку проблемы различных ученых. Вместе с тем следует показать, что еще осталось неразработанного в ней, так, чтобы было понятно, с какой целью лично вы за нее беретесь.

Основная часть состоит из следующих разделов:

1.Литературный обзор

2.Физико-химические основы процесса, основные параметры процесса

3.Технология производства

4.Расчетная часть

4.1.Расчет материального баланса.

4.2.Расчет теплового баланса.

5

Влитературном обзоре приводятся краткие сведения о рассматриваемом химическом процессе, его целевом назначении, области применения целевых продуктов.

Вразделе «Физико-химические основы процесса, основные параметры процесса» приводятся химические реакции, являющиеся основой рассматриваемого химического процесса, основные технологические показатели химического процесса (конверсия, селективность, выход продукта), основные параметры проведения процесса (температура, давление, тип катализатора и т.д.).

Расчетная часть содержит расчет материального и теплового баланса процесса согласно исходным данным, выданным преподавателем.

Заключение содержит сделанные автором проекта выводы, итоги изучения химического процесса.

Список использованной литературы должен быть составлен в соответствии с установленными требованиями. Если в курсовой работе имеются приложения, они оформляются на отдельных листах, и их следует пронумеровать.

Содержание курсовой работы следует иллюстрировать таблицами, графическим материалом (рисунками, схемами, графиками, диаграммами и т.п.).

Написание курсовой работы предполагает более глубокое изучение избранной темы, нежели она раскрывается в учебной литературе. При написании курсовой работы при возможности следует пользоваться действующими технологическими регламентами исследуемых производств.

Объем курсовой работы – 20-25 страниц печатного текста, выполненного через 1,5 межстрочных интервала. Работу сшивают в папку-скоросшиватель или переплетают.

Выполнение курсовой работы осуществляется под руководством преподавателя – руководителя работы. Руководство начинается с выдачи задания и продолжается в форме консультаций. Образец задания на курсовую работу приведен в Приложении А.

Студент во время консультаций уточняет круг вопросов, подлежащих изучению, составляет план исследования, определяет структуру работы, сроки выполнения разделов, необходимую литературу и другие материалы, а также устраняет недостатки в работе, на которые указывает руководитель.

При заочной форме обучения курсовые работы являются одной из основных форм межсессионного контроля студенческих знаний. Выполнение

6

их несколько отличается от выполнения текущих курсовых работ студентами очного отделения. Студенты заочного отделения выполняют работы на материалах предприятий (организаций, учреждений), где они работают или проходят практику.

Задание на выполнение курсовой работы студентам заочного отделения выдает преподаватель во время установочной сессии.

Если курсовая работа по заключению преподавателя является неудовлетворительной и подлежит переработке, то после исправления она представляется на повторную проверку с обязательным представлением первоначального варианта.

Курсовая работа должна быть защищена до начала экзаменационной сессии.

К защите студент должен подготовить презентацию, в которой отражаются ключевые вопросы курсовой работы. На защите студент обязан кратко изложить содержание работы, дать исчерпывающие ответы на вопросы руководителя. Критериями оценки курсовой работы являются актуальность выбранной темы, глубина освоения материала, качество подбора и использования источников, степень самостоятельности выводов, общая культура изложения.

Готовая курсовая работа сдается на кафедру.

2. Расчет материального баланса химического процесса

При разработке химико-технологических процессов проводятся разнообразные расчеты для определения количественных характеристик протекающих операций, подбора реакционных аппаратов, а также для определения оптимальных параметров технологических процессов. Во всех случаях при расчетах учитываются законы гидродинамики, тепло- и массопередачи, химической кинетики и термодинамики. Расчеты материальных потоков обычно сочетаются с энергетическими расчетами, для этого составляются материальный и тепловой балансы.

Материальные расчеты являются основой технологических расчетов. Для любого аппарата, задействованного в химико-технологическом процессе, его части, либо совокупности аппаратов можно составить материальный баланс. Расчеты любого производственного оборудования проводятся только после определения материальных потоков сырья и продуктов синтеза, представленных в виде материального баланса процесса.

7

Материальный баланс – это вещественное выражение закона сохранения массы вещества, согласно которому во всякой замкнутой системе масса веществ, вступивших во взаимодействие, равна массе веществ, образовавшихся в результате этого взаимодействия, т.е. приход вещества ∑ прихравен его расходу ∑ расх. Таким образом, уравнение материального баланса можно представить в виде:

∑ прих = ∑ расх.

Расчет материального баланса основан на двух объективных законах:

1)Закон сохранения массы, который, применительно к расчету материального баланса, можно сформулировать следующим образом: общая масса всех поступающих в реактор материалов (приход) равна общей массе выходящих материалов (расходу).

2)Закон стехиометрических соотношений, согласно которому, если известна масса хотя бы одного участника реакции, можно определить массы всех остальных, предварительно сосчитав молярные массы всех участников реакции.

Для реакции:

+ → +

где MA, MB, MR, MS – молекулярные массы реагентов и продуктов; а, b, r, s - стехиометрические коэффициенты,

согласно закону стехиометрических соотношений:

= = =

где mA, mB – массы реагентов А и В (без примесей); mR – масса целевого продукта;

mS - масса побочного продукта.

Теоретический материальный баланс рассчитывается на основе стехиометрического уравнения реакции, предполагая, что в процессе участвуют реагенты, не содержащие примесей при их полной конверсии.

Например, для реакции

+ → +

теоретический материальный баланс

8

+ = + .

При составлении практического материального баланса учитывают состав исходного сырья и готовой продукции, степень превращения сырья, потери сырья и готового продукта и т.д.

Для периодических процессов материальный баланс составляют в расчете на одну операцию, для непрерывных процессов – за единицу времени.

Материальный баланс составляют по уравнению основной суммарной реакции с учетом параллельных и побочных реакций. Обычно учитываются не все протекающие реакции и побочные продукты, а лишь те, которые имеют существенное значение, таким образом, материальный баланс носит приближенный характер.

В любом случае при расчете материального баланса должны учитываться следующие факторы:

1)Сырье в реальных процессах, протекающих в промышленности, подается на взаимодействие с определенной долей примесей – такое сырье называется техническим.

2)В результате протекания химического процесса из исходного сырья образуется смесь целевого и побочного продуктов.

3)При неполной конверсии сырья в реакторе остаются непрореагировавшие остатки сырья и его примеси.

Материальный баланс любого процесса, протекающего в химическом реакторе, может быть представлен как в виде уравнения, так и в виде таблицы,

влевой части которых суммируют массы всех видов сырья и вспомогательных материалов, поступающих на переработку, а в правой части – массы потоков, прошедших переработку и разделение.

Если процесс протекает в химическом реакторе, то после переработки в графе расход будут присутствовать следующие потоки:

1)целевой продукт;

2)побочные продукты;

3)непревращенные остатки сырья;

4)примеси, поступающие вместе с сырьем;

5)производственные потери и т.д.

Для наглядности при расчетах составляют схему материальных потоков поступающих в реактор и выходящих из него.

Методика составления материального баланса зависит от организационной структуры производства (периодический или непрерывный

9

процесс), от типа технологической схемы (открытая или с рециклом), от технологической классификации реакции (простая необратимая, простая обратимая, сложная необратимая (параллельная, последовательная), сложная обратимая и т.д.) и от того, как представлены исходные данные (задана производительность по продукту или по смеси продуктов или указана пропускная способность по сырью).

3. Технологические показатели химического процесса

Назначение химического процесса в составе химического производства - наиболее полное превращение исходного сырья в целевой продукт.

Эффективность выполнения этой функции характеризуют показатели химического процесса: степень превращения, селективность процесса, выход целевого продукта, расходные коэффициенты по сырью.

Указанные критерии эффективности процесса рассчитываются на основе данных материального баланса.

Степень превращения (конверсия) - доля превращенного исходного вещества от его первоначального количества; характеризует полноту превращения исходного вещества в химическом процессе и определяется как отношение количества превращенного реагента к его первоначальному количеству.

Для реакции aA+bB→rR+sS степень превращения реагента А:

реакционной смеси)/ Исходное число молей реагента А.

через массы = ,−, =

, ,

Степень превращения вещества может быть определена для каждого из исходных реагентов. На практике, как правило, степень превращения определяют по наиболее ценному компоненту, который обычно в недостатке и называется ключевым компонентом.

Зная конверсию одного из реагентов, можно выразить конверсии других реагентов, участвующих в реакции:

Согласно закону стехиометрических соотношений:

Конверсия реагента В определяется по формуле:

10