- •Рис. 9.2. К расчету теплообмена в реакторе вытеснения
- •Рис. 7.2. К примеру 10.1
- •Рис. 11.4. К примеру 11.1
- •Рис. 11.9. К расчету шпилек
- •Рис. 11.10. К примеру 11.3
- •Рис. 11.11. К примеру 11.5
- •Рис. 13.10. Рамные мешалки
- •Рис. 13.11. Якорные мешалки
- •Предисловие
- •Экологическое и технико-экономическое обоснование проектов химических производств.
- •Этапы проведения экологической экспертизы
- •Принципы экологической экспертизы
- •Рис. 1.1. Общая система организации проектирования
- •Рис. 1.2. Основные этапы и стадии разработки проектов для промышленного строительства
- •1.2. Задание на проектирование
- •Рис. 1.3. Пример построения розы повторяемости и силы ветров
- •Рис.1.4. Схема выпадения дымовых частиц при наличии зеленых защитных насаждений между застройкой и источником задымления и при отсутствии их:
- •Рис. 1.5. Совмещенная схема движения загрязненных нижнего и верхнего потоков
- •1.5. Разработка проектной документации по охране окружающей среды
- •1.5.2. Разработка прогноза загрязнения воздуха
- •1.5.4. Прогноз воздействия объекта при возможных авариях
- •1.6. Технологический процесс как основа промышленного проектирования
- •Рис. 1.6. Схема производства серной кислоты контактным способом:
- •Рис. 1.8. Процессы и аппараты химической технологии
- •Рис. 1.9. Виды оборудования химической технологии
- •Рис. 1.11. Уровни организации химического предприятия
- •1.7. Генеральный план химических предприятий
- •Рис. 1.12. Генеральный план предприятий химической промышленности
- •1.8. Типы промышленных зданий
- •1.8.1. Одноэтажные промышленные здания
- •Рис. 1.13. Одноэтажное здание павильонного типа:
- •Рис. 1.14. Многоэтажное производственное здание:
- •1.8.2. Многоэтажные здания
- •Рис. 1.15. Многоэтажное производственное здание:
- •Рис. 1.16. Поперечные разрезы зданий I и II очередей сернокислотного производства:
- •1.8.3. Вспомогательные здания и помещения химических предприятий
- •1.8.4. Склады промышленных предприятий
- •1.9. Инженерные сооружения
- •инженерных сооружений
- •1.10. Специальные вопросы проектирования химических предприятий
- •2.1. Основные стадии проектирования химических производств и оборудования
- •Рис. 2.1. Основные стадии проектирования
- •2.2. Виды конструкторских документов
- •2.4.1. Курсовое проектирование
- •2.4.2. Дипломное проектирование
- •2.4.3. Пример использования АвтоЛиспа
- •Рис. 2.2. Схема установки для ректификации трехкомпонентной смеси:
- •СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
- •3.1. История развития САПР
- •3.2. Основные принципы создания САПР
- •Рис. 3.1. Модульная структура программного обеспечения
- •Рис. 3.2. Области использования ЭВМ в процессе проектирования
- •3.4. Автоматическое изготовление чертежей
- •3.5. Основные преимущества автоматизации проектирования
- •3.6. Основные требования к САПР
- •Рис. 3.3. Схема взаимодействия пользователя со средствами САПР:
- •3.7. Связь САПР с производством, расширение области применения
- •3.8. Система автоматизированного проектирования цементных заводов
- •3.8.1. Функционирование САПР
- •ВВЕДЕНИЕ В ПРОЕКТИРОВАНИЕ
- •4.1. Проектно-сметная документация
- •4.2.1. Исходные положения
- •4.2.2. Обоснование способа производства химической продукции
- •ВЫБОР И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА
- •5.1. Общие положения
- •5.2. Последовательность разработки технологической схемы
- •Рис. 5.1. Примерная схема стадий технологического процесса:
- •Рис. 5.2. Блок-схема физико-химических процессов, протекающих в гетерофазном реакторе с мешалкой
- •5.3. Принципиальная технологическая схема
- •5.4. Размещение технологического оборудования
- •Выбор технологического оборудования химических производств
- •6.1. Основные типы химических реакторов
- •Рис. 6.1. Установка для непрерывного процесса:
- •Рис. 6.5. Изменение концентрации веществ в реакторах:
- •Рис. 6.6. Реакторы смешения:
- •6.2. Химические факторы, влияющие на выбор реактора
- •6.2.1. Реакции расщепления
- •Рис. 6.7. Относительный выход реакции расщепления:
- •Реактор
- •6.2.2. Реакции полимеризации
- •6.2.3. Параллельные реакции
- •Объем реактора
- •РВНД
- •6.3. Эскизная конструктивная разработка основной химической аппаратуры
- •6.3.1. Общие положения
- •6.3.2. Реакторы
- •6.4. Оптимизация процессов химической технологии
- •УРАВНЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
- •7.1. Стехиометрические расчеты
- •7.2. Термодинамический анализ процессов
- •7.2.1. Равновесие химической реакции
- •Рис. 1.1. Зависимость коэффициента активности газв от приведенных давления и температуры
- •7.2.2. Расчет состава равновесной смеси
- •7.3. Общее уравнение баланса массы
- •7.4. Практический материальный баланс
- •7.5. Физико-химические основы технологического процесса
- •8.1. Общие положения
- •8.2. Расчет объемов реакторов
- •8.2.1. Основные положения химической кинетики
- •8.2.2. Расчет идеальных реакторов
- •8.3. Определение объемов аппарата
- •Тепловой расчет основного оборудования
- •9.1. Общее уравнение баланса энергии
- •Рис. 9.1. К примеру 9.1
- •9.2. Практический тепловой баланс
- •9.3. Теплообмен в реакторах
- •9.4. Расчет энтальпий и теплоемкостей
- •9.6. Расчет реактора периодического действия
- •Рис. 9.3. К тепловому расчету реактора периодического действия
- •9.7. Степень термодинамического совершенства технологических процессов
- •Рис. 9.6. Технологическая схема 1:
- •Рис. 9.7. Технологическая схема 2
- •Рис. 9.8. Схемы использования тепла реакций:
- •Гидравлические расчеты
- •10.1. Расчет диаметра трубопровода
- •Пары, насыщенные при абсолютном давлении (МПа)
- •Рис. 10.1. Зависимость коэффициента трения от критерия Рейнольдса и степени шероховатости трубы
- •10.3. Гидравлическое сопротивление кожухотрубчатых теплообменников
- •10.4. Подбор насосов
- •МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
- •11.1. Расчет сварных химических аппаратов
- •11.1.1. Основные расчетные параметры
- •11.1.2. Расчет на механическую прочность
- •11.1.3. Требования к конструированию
- •11.1.4. Расчет цилиндрических обечаек
- •Рис. 11.1. Номограмма для определения толщины цилиндрических обечаек, работающих под наружным давлением
- •Рис.11.2. Схема пользования номограммой на рис. 11.1:
- •11.1.5. Расчет крышек и днищ
- •Рис. 11.3. Основные конструкции днищ сварных аппаратов:
- •11.1.6. Подбор стандартных элементов
- •11.2. Расчет толстостенных аппаратов
- •Рис. 11.7. Основные конструкции уплотнений затворов высокого давления:
- •Рис. 11.8. К расчету усилий, действующих на затворы высокого давления
- •КОНСТРУКционНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ХИМИЧЕСКОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
- •12.1. Виды конструкционных материалов
- •12.2. Коррозия металлов и сплавов
- •12.2.1. Виды коррозии
- •12.2.2. Виды коррозионных разрушений
- •12.2.3. Способы борьбы с коррозией
- •12.3. Влияние материала на конструкцию аппарата и способ его изготовления
- •12.3.1. Конструкционные особенности аппаратов из высоколегированных сталей
- •Рис. 12.1. Сварка встык:
- •Рис. 12.2. Способы подготовки кромок под сварку
- •Рис. 12.4. Способы сварки легированной и углеродистой стали
- •12.3.2. Конструктивные особенности эмалированных аппаратов
- •Рис. 12.5. Элементы конструкции эмалированных аппаратов
- •Рис 12.6. Пайка элементов медных аппаратов
- •12.3.3. Конструктивные особенности аппаратов из цветных металлов
- •Рис. 12.7. Основные типы паяных соединений
- •12.3.4. Конструктивные особенности аппаратов из пластмасс
- •ОФОРМЛЕНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ХИМИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ
- •13.1. Оформление поверхности теплообмена
- •Рис. 13.5. Реактор со змеевиковой рубашкой
- •Рис. 13.6. Рубашка с вмятинами
- •Рис. 13.8. Вывод змеевика через крышку аппарата:
- •13.2. Перемешивающие устройства
- •Рис. 13.12. Листовая мешалка
- •Рис. 13.13. Пропеллерные мешалки
- •Рис. 13.14. Турбинные мешалки открытого (а) и (б) закрытого типа
- •Рис. 13.15. Крепление мешалок к ступице:
- •13.3. Уплотнения вращающихся деталей
- •Рис. 13.18. Одинарное торцовое уплотнение:
- •ТРУБОПРОВОДЫ И ТРУБОПРОВОДНАЯ АРМАТУРА
- •Рис 14.5. Фасонные части трубопроводов
- •Рис. 14.7. Крепление горизонтальных и вертикальных трубопроводов на подвесках
- •Рис. 14.8. Компенсаторы:
- •ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЗАВОДОВ
- •15.1. Виды вспомогательного оборудования
- •Рис. 15.1. Схема многостадийного диспергирования твердой фазы с контрольной классификацией продукта
- •15.2. Транспортные средства
- •15.2.1. Классификация транспортных средств для твердых материалов
- •15.2.2. Машины для транспортировки жидкостей и газов
- •ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ГРАНУЛИРОВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
- •16.1. Классификация методов гранулирования и особенности уплотнения гранул
- •Рис. 16.1. Тарельчатый гранулятор:
- •Рис. 16.2. Гранулятор барабанного типа конструкции НИИХиммаша
- •16.3. Основные закономерности и аппаратурное оформление метода экструзии
- •16.5. Гранулирование в псевдоожиженном слое
- •16.6. Технологические схемы процессов гранулирования дисперсных материалов
- •Рис. 16.11. Технологическая схема гранулирования шихты методом окатывания
- •Рис. 16.13. Схема уплотнения шихты в роторном грануляторе
- •Рис. 16.14. Схема гранулирования шихты методом экструзии
- •Рис. 16.15. Схема установки для компактирования шихты
- •ЛИТЕРАТУРА
Среднее значение теплового потока выразится также формулой
q3 |
= |
|
Q3 |
. |
τ 5 |
|
|||
|
|
− τ 4 |
Требуемая поверхность теплообмена в этом случае будет равна
S3 = K3q3Tñð .
6-ая и 7-ая стадии. Эти стадии расчету не подлежат, так как их основной параметр – время протекания – задан.
В качестве расчетной, принимают наибольшую поверхность теплообмена из полученных.
Если в реакторе на какой-либо стадии происходит плавление, кристаллизация, испарение или конденсация компонентов реакции, то энтальпии этих процессов должны быть учтены соответствующими слагаемыми в уравнениях теплового баланса.
При проектном расчете реактора необходимо иметь данные о годовой производительности установки, о стехиометрических и кинетических закономерностях процесса и о выходе целевого продукта реакции. Разбивка процесса на стадии и определение времени их протекания входит в задачу такого расчета. Основным результатом проектного расчета является определение основных конструктивных размеров реактора и его теплопередающих поверхностей.
Сложность проектного расчета заключается в зависимости конструктивных размеров аппарата и времен проведения процесса на стадиях 3, 4 и 5. Здесь приходится составлять систему материальных и тепловых балансов совместно для всех трех стадий и решать ее любыми численными методами (чаще всего методом последовательных приближений).
9.7. СТЕПЕНЬ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО СОВЕРШЕНСТВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Применение прогрессивных энергосберегающих технологических схем и повышение энерготехнологической эффективности оборудования являются важными задачами химического производства.
При разработке высокоэффективных и малоэнергоемких технологий и оборудования большое значение имеют вопросы использования вторичных ресурсов и утилизации побочных энергоресурсов, под которыми понимают неиспользованный в технологическом процессе энергетический потенциал всех продуктов и отходов. Например, применение котлов-утилизаторов, которые позволяют использовать теплоту отходящих газов для производства пара или подогрева воды. Другим примером может служить использование теплоты, полученной за счет охлаждения химически очищенной водой элементов, расположенных в высокотемпературной зоне (например, печи). При
222
этом охлаждаемые поверхности используются в качестве испарителей для получения водяного пара.
Первым шагом по пути модернизации любого процесса является анализ степени его совершенства и сопоставление его с другими вариантами процессов, предназначенных для одной цели.
Объективная оценка степени энергетического совершенства любого технологического процесса и агрегата может быть сделана лишь на основе термодинамического анализа.
Простейшим из них является энергетический метод – на основе первого закона термодинамики. Например, энергетический баланс тепловой установки (рис. 9.4) можно записать следующим образом: Q1=Q2+Qn,
где – Qn – это энергия, которая не используется в технологической системе.
|
Если предположить, что |
|
|
Qn=0, |
а Q2=Q1, |
|
то тепловой (энергетический) коэффициент |
|
|
полезного действия (КПД) |
|
Рис. 9.4 |
η = |
Q2 = 1 |
|
Q1 |
Известно, что любой процесс, независимо от того, как он будет технологически оформлен, при правильном подсчете всех энергетических потоков имеет коэффициент полезного действия близкий к единице, и нет смысла в его совершенствовании. Кроме того, из данного уравнения энергетического баланса неясно, используется энергия Q2 где-то или нет.
Таким образом, энергетический баланс не дает полной информации, прежде всего о качественных изменениях, происходящих в системе. При составлении энергетического баланса невозможно объективно учесть вторичные энергоресурсы (ВЭР). Если ВЭР вычесть из суммы общих энергозатрат, то расход энергозатрат будет заниженным, а если их вообще не учитывать, то энергозатраты получаются сильно завышенными. Кроме того, при комплексном производстве невозможно правильно распределить затраты энергии на различные виды продукции.
Для оценки степени совершенства технологического процесса следует использовать энергетический анализ на основе второго закона термодинамики и степень совершенства процесса понимать как степень его обратимости.
В обратимом процессе сумма энергии потоков, подведенных к системе, равна сумме потоков энергии, отведенных от нее:
е Eâõ = е Eâû õ ,
тогда коэффициент полезного действия в обратимом процессе равен
еEâû õ
ηå = е Eâõ = 1.
Влюбом реальном процессе вследствие его необратимости
223
е Eâû õ < е Eâõ
и тогда
еEâû õ
ηe = е Eâõ < 1.
Таким образом, в реальных процессах эксергетический коэффициент полезного действия (ηе) всегда меньше единицы, на величину эксергетических потерь ( D)
D = е Eâõ − е Eâû õ .
По существу, е Eâõ является суммой всех энергетических затрат на
осуществление данного процесса, а е Eâû õ − обобщенная валовая произво-
дительность агрегата.
Таким образом, ηе отражает степень совершенства любого процесса: будь то производство энергии или другой технологический процесс.
В табл. 9.12 приведены значения энергетических (тепловых) и эксергетических коэффициентов полезного действия электрических машин и тепловых установок.
Таблица 9.12. Сравнение энергетических и эксергетических КПД
Вид установки (машины) |
Энергетический, ηθ |
Эксергетический, |
|
ηе |
|||
|
|
||
Электродвигатель |
0,85−0,95 |
0,90 |
|
Электрогенератор |
0,96−0,99 |
0,98 |
|
Паровой котел |
0,88−0,92 |
0,49 |
|
Газовая печь |
0,60−0,85 |
0,13 |
|
Печь на жидком топливе |
0,45−0,70 |
0,11 |
Из табл. 9.12 видно, что менее совершенными являются тепловые процессы, для которых значения эксергетических коэффициентов полезного действия в 2−5 раз ниже энергетических коэффициентов полезного действия.
Для того, чтобы составить эксергетический баланс типового хими- ко-технологического процесса, необходимо перечислить основные виды эксергии:
−эксергия теплового процесса [Eq];
−эксергия вещества [Eв];
−эксергия химическая [Ex];
−эксергия нулевая [E0].
Тогда эксергетический баланс можно изобразить так, как это показано на рис. 9.5.
224
Рис. 9.5
Для такой системы уравнение эксергетического баланса можно записать в следующем виде:
е Eqâõ + е Ebâõ + е Exâõ + е Lâõ = е Eqâû õ + е Ebâû õ + е Exâû õ + е Lâû õ + е D .
Вобщем виде эксергетический коэффициент полезного действия равен
еEâû õ
ηe = е Eâõ .
Если е |
Eâõ = 0, то е Eâû õ = 0 , тогда уравнение эксергетического ба- |
ланса запишется следующим образом: |
|
|
е Eâõ = е Eâû õ + е D ; |
|
е Eâû õ = е Eâõ − е D ; |
и |
η e = е Eâõ − е D . |
|
е Eâû õ |
Для приближенной оценки степени совершенства процессов можно использовать эксергетические потери.
Эксергетические потери делятся на внутренние и внешние:
−внутренние потери эксергии связаны с необратимостью процессов, протекающих внутри системы ( потери при дросселировании, трении, при наличии гидравлических сопротивлений);
−внешние потери эксергии связаны с условиями сопряжения системы с окружающей средой (выброс продуктов производства в окружающую среду, плохая изоляция системы и т. д.).
Внутренние потери чаще всего связаны с несовершенством машин и аппаратов, а внешние – с несоответствием между процессом и условиями его проведения.
Практическое значение такого разделения эксергетических потерь связано с различными способами уменьшения внутренних и внешних потерь.
Ниже приводится пример использования эксергетических потерь для оценки степени совершенства типового технологического процесса и его технологического оформления.
Пример 9.8. Условия проведения процесса в реакторе:
−сырье поступает в реактор при температуре t1=195 °С;
−продукты реакции выходят из реактора с температурой t2=185 °С;
−исходная температура сырья tисх=30 °С;
−теплоемкость сырья и продуктов реакции не меняется;
−тепловыми потерями в окружающую среду пренебрегаем;
−конечная температура продуктов реакции tкон=30 °С;
−температура сухого насыщенного пара tп=200 °С;
225
−процесс конденсации пара изотермический;
−количество тепла, необходимое для нагревания сырья от tисх до t1, равно 1 МДж;
−температура в котле утилизаторе tку=150 °С;
−потери эксергии в реакторе для всех схем одинаковы.
Решение: Так как потери эксергии в реакторе одинаковы, для оценки технологических схем достаточно определить потери эксергии за счет теплообмена в теплообменниках (D T).
Расчет производится по формулам:
е D T = DT1T + DT2T + ...;
D Τ = T0 ЧQ ЧTa −ЧÒb ; Òa Òb
где Т0=298К;
Q – теплота, передаваемая от одного теплоносителя со средней температурой Ta к другому – со средней температурой Тб.
Теплота, необходимая для нагревания сырья, по условию равна 1 МДж, теплоту, необходимую для охлаждения продуктов реакции от t2 до tкон, определяют по формуле
Qî õë = m Чc Ч(tê − tí )
где tн и tк − температуры теплоносителя на входе и выходе.
Так как теплоемкость (с) и масса (m) продуктов реакции равны теплоемкости и массе сырья, то произведение m × c можно определить по формуле
Qí àãð = m Чc Ч( t1 + tèñõ ) = 1 |
откуда |
||||||||
m Чc = |
|
|
|
1 |
|
|
, МДж/К. |
||
t |
− t |
èñõ |
|||||||
1 |
|
|
|
|
|
||||
Тогда количество теплоты на охлаждение равно |
|||||||||
Qî õë = m Чc Ч( t2 − tèñõ ) = |
|
|
1 |
|
|
Ч( t2 |
− tèñõ ) = 0,939 МДж. |
||
t |
|
− t |
èñõ |
||||||
1 |
|
|
|
|
Отметим, что сумма е Q = Qí àãð + Qî õë = 1+ 0,939 = 1,939 МДж сохра-
няется постоянной во всех схемах.
Рассчитаем потери эксергии для первого варианта технологической схемы (рис. 9.6).
Потери эксергии в теплообменнике Т1 равны
DT1T = T0 ЧQT1 ЧTïT1 − TcT1 , TïT1 ЧTcT1
где |
QT1 = Qí àãð = 1 МДж, |
средняя температура сырья равна
226