- •Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України
- •Навчальний посібник до вивчення курсу «Основи проектування хімічних виробництв»
- •Оглавление
- •Глава 1 основные этапы и организация проектирования
- •Глава 2 состав исходных данных и основные стадии
- •Глава 3 системы автоматизированного проектирования 78
- •Глава 4 введение в проектирование 90
- •Глава 5 выбор и разработка технологической схемы
- •Глава 6 выбор технологического оборудования
- •Глава 7 уравнения материального баланса технологи-
- •Глава 8 технологический расчет основной и
- •Глава 9 тепловой расчет основного оборудования 141
- •Глава 10 гидравлические расчеты 166
- •Глава 11 механический расчет 175
- •Глава 12 конструкционные материалы в химическом
- •Глава 13 оформление отдельных элементов химической
- •Глава 14 трубопроводы и трубопроводная арматура 224
- •Глава 15 вспомогательное оборудование химических
- •Введение
- •Глава 1 основные этапы и организация проектирования химических производств
- •1.1. Перспективный план и технико-экономическое обоснование
- •1.2. Задание на проектирование
- •1.3. Выбор района размещения предприятия и площадки строительства
- •1.3. «Роза ветров» района размещения предприятия и площадки строительства
- •1.4. Основные принципы проектирования зданий и сооружений химической промышленности
- •1.5. Разработка проектной документации по охране окружающей среды
- •1.5.1. Экологическое прогнозирование
- •1.5.2. Разработка прогноза загрязнения воздуха
- •1.5.3. Прогнозирование состояния поверхностных и подземных вод
- •1.5.4. Прогноз воздействия объекта при возможных авариях
- •1.6. Технологический процесс как основа промышленного проектирования
- •1.7. Генеральный план химических предприятий
- •1.8. Типы промышленных зданий
- •1.8.1 Основные элементы конструкции производственных зданий и их назначение
- •1.8.2 Одноэтажные промышленные здания
- •1.8.3. Многоэтажные здания
- •1.8.4. Вспомогательные здания и помещения химических предприятий
- •1.8.5. Склады промышленных предприятий
- •1.9. Инженерные сооружения
- •1.10. Специальные вопросы проектирования химических предприятий
- •Глава 2 состав исходных данных и основные стадии
- •2.2 Виды конструкторских документов
- •2.3. Содержание разделов исходных данных для проектирования промышленного химического производства
- •Раздел 1. Общие сведения и технология
- •Раздел 2. Характеристика выполненных научно-исследовательских и опытных работ, положенных в основу исходных данных для проектирования
- •Раздел 3. Технико-экономическое обоснование рекомендуемого метода производства. Перспективы производства и потребления
- •Раздел 4. Патентный формуляр
- •Раздел 5. Техническая характеристика исходного сырья, вспомогательных материалов, основных и конечных продуктов. Целевое назначение и области применения основных продуктов
- •Раздел 6. Физико-химические корстанты и свойства исходных,
- •Раздел 7. Химизм, физико-химические основы и принципиальная
- •Раздел 8. Рабочие и технологические параметры производства
- •Раздел 9. Материальный баланс производства
- •Раздел 10. Технологическая характеристика побочных продуктов и
- •Раздел 11. Математическое описание технологических процессов и
- •Раздел 12. Данные для расчета, конструирования и выбора основного промышленного технологического оборудования и защиты строительных конструкций
- •Раздел 13. Рекомендации для проектирования автоматизации
- •Раздел 14. Аналитический контроль производства
- •Раздел 15. Методы и технологические параметры очистки химически и механически загрязненных сточных вод, обезвреживания газовых выбросов и ликвидации вредных отходов
- •Раздел 16. Мероприятия по технике безопасности, промсанитарии и противопожарной профилактике
- •Раздел 17. Указатель отчетов и рекомендуемой литературы по
- •2.4 Проектирование в системе подготовки
- •2.4.1 Курсовое проектирование
- •2.4.2. Дипломное проектирование
- •Глава 3 системы автоматизированного проектирования
- •3.1. История развития сапр
- •3.2. Основные принципы создания сапр
- •3.3 Применение эвм для автоматизации процесса пректирования
- •3.4. Автоматическое изготовление чертежей
- •3.5 Основные преимущества автоматизации проектирования.
- •3.6. Основные требования к сапр
- •3.7. Связь сапр с производством, расширение области применения
- •Глава 4 введение в проектирование
- •4.1. Проектно-сметная документация
- •4.2. Технико-экономическое обоснование проекта
- •4.2.1. Исходные положения
- •4.2.2. Обоснование способа производства химической продукции
- •4.2.3. Экономика строительства предприятия и производства продукции
- •Глава 5 выбор и разработка технологической схемы производства
- •5.1. Общие положения
- •5.2. Последовательность разработки технологической схемы
- •5.3. Принципиальная технологическая схема
- •5.4. Размещение технологического оборудования
- •Глава 6 выбор технологического оборудования химических производств
- •6.1. Основные типы химических реакторов
- •6.2. Химические факторы, влияющие на выбор реактора
- •6.2.1. Реакции расщепления
- •6.2.2 Реакции полимеризации
- •6.2.3. Параллельные реакции
- •6.2.4. Комбинация реактора смешения с реактором вытеснения
- •6.3. Эскизная конструктивная разработка основной химической аппаратуры
- •6.3.1. Общие положения
- •6.3.2. Реакторы
- •6.4. Оптимизация процессов химической технологии
- •Глава 7 уравнения материального баланса технологического процесса
- •7.1. Стехиометрические расчеты
- •7.2. Общее уравнение баланса массы
- •7.3. Практический материальный баланс
- •7.4. Физико-химические основы технологического процесса
- •Глава8 технологический расчет основной и вспомогательной аппаратуры
- •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
- •Глава 9 тепловой расчет основного оборудования
- •9.1. Общее уравнение баланса энергии
- •9.2. Практический тепловой баланс
- •9.3. Теплообмен в реакторах
- •9.4. Расчет энтальпий и теплоемкостей
- •9.5. Расчет реактора периодического действия
- •9.6. Степень термодинамического совершенства технологических процессов
- •Глава 10 гидравлические расчеты
- •10.1. Расчет диаметра трубопровода
- •10.2. Расчет гидравлических сопротивлений в трубопроводе
- •10.3. Гидравлическое сопротивление кожухотрубчатых теплообменников
- •10.4. Подбор насосов
- •Глава 11 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.
- •11.1.6. Подбор стандартных элементов
- •11.2. Расчет толстостенных аппаратов
- •Глава 12 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
- •12.3.2. Конструктивные особенности эмалированных аппаратов
- •12.3.3. Конструктивные особенности аппаратов из цветных металлов
- •12.3.4. Конструктивные особенности аппаратов из пластмасс
- •Глава 13 оформление отдельных элементов химической аппаратуры
- •13.1. Оформление поверхности теплообмена
- •13.2. Перемешивающие устройства
- •13.3. Уплотнения вращающихся деталей
- •Глава 14 трубопроводы и трубопроводная арматура
- •Глава 15 вспомогательное оборудование химических заводов
- •15.1. Виды вспомогательного оборудования
- •15.2. Транспортные средства
- •15.2.1. Классификация транспортных средств для твердых материалов
- •15.2.2. Машины для транспортировки жидкостей и газов
- •Список рекомендованой литературы
- •1Вимоги до оформлення розрахунково-пояснювальної записки та графічної частини
- •1.1 Загальні вимоги
- •1.2 Вимоги до тексту
- •1.2.10. Оформлення ілюстрацій і додатків.
- •1.3 Оформлення графічної частини
- •2 Склад розрахунково-пояснювальної записки
- •3 Стандартизація і метрологія
- •4 Матеріалоємність і ресурсозбереження
- •5 Будівельна частина
- •5.1 Вибір майданчика для будівництва
- •5.2 Пов’язування технологічної лінії з об’ємно-планувальним рішенням промислової будови
- •5.3 Вибір конструктивного рішення будівлі
- •5.4 Допоміжні будівлі і приміщення
7.2. Общее уравнение баланса массы
В расчетах процессов химической технологии обычно используется система координат Эйлера, т.е. система координат, фиксированная относительно некоторого неподвижного объема пространства, через который протекает материальная среда. Такой объем называют контрольным, а поверхность, ограничивающую контрольный объем, именуют контрольной.
Выделим на контрольной поверхности S элементарную площадку dS и восста
новим к ней нормаль n (см. рис. 7.1).
Рис. 7.1 Контрольная поверхность |
Тогда интегральное уравнение баланса мас- сы (при отсутствии процессов диффузионного переноса) будет иметь вид где р - плотность; τ - время; х – угол между вектором скорости и нормалью к контрольной поверхности S. Первый интеграл в уравнении характеризует |
расход вещества через контрольную поверхность, а второй - скорость накопления вещества в контрольном объёме. Для химических аппаратов можно полагать, что вектор скорости потока перпендикулярен контрольной поверхности в точках входа и выхода и параллелен ей в остальных точках, поэтому это уравнение можно проинтегрировать:
Два первых слагаемых в уравнении есть разность потоков на выходе и входе в аппарат, а третье - скорость накопления вещества в аппарате. Средняя скорость потока определяется выражением (по теореме о среднем)
Если определить массовый расход как , то предпоследнее уравнение при-
мет вид
Для стационарного процесса
∆W = 0; W1 = W2;
Все эти уравнения являются балансом массы по всему веществу, проходящему че-
рез контрольный объем. Уравнение баланса массы по компоненту в такой же фор-
ме можно записать так:
где Ri - скорость образования или расходования компонента i за счет химической реакции.
Последнее уравнение получено в предположении отсутствия диффузионных потоков. Его можно записать для каждого компонента системы. В сумме они дадут уравнение баланса массы по всему веществу, так как .
Таким образом, для n-компонентной системы можно составить n уравнений, причем одно уравнение общего баланса массы и (n - 1) уравнение балансов массы по компонентам смеси.
При отсутствии химических реакций уравнение общего баланса массы можно записать в мольных расходах:
При наличии химического взаимодействия уравнение в мольных расходах по ком-
поненту примет вид
где Ni — число молей компонента.
Суммирование последнего уравнения по всем компонентам дает
В обшем случае сумма скоростей превращения компонентов не всегда равна нулю, так как число молей в процессе реакции может изменяться. Рассмотрим пример применения уравнения материального баланса к нестационарному процессу
Пример 7.3. При упрощенном способе производства Н3РO4 в хорошо перемешива-
емую емкость, где реагирует 4000 кг/ч взвешенного в воде Са3(РO4)2, подается стехиометрическое количество 94%-ной серной кислоты. Вместе с фосфоритной мукой подается вода в количестве, достаточном для получения при стационарном ходе процесса 40%-ной фосфорной кислоты. Образующиеся раствор фосфорной кислоты и гипс (СаSO4∙2Н2O) равномерно удаляются из смесителя так что общая масса в нем остается постоянной. Какова будет концентрация раствора фосфорной кислоты в емкости по истечении 1 часа работы, если процесс начался, когда в емкости находилось 4000 кг 20%-ной фосфорной кислоты?
Решение: Запишем уравнение реакции и проведем стехиометрические расчеты в предположении полного превращения фосфорита:
Са3(РO4)2 + 3Н2SO4 + 6Н2O = 2Н3РO4 + 3(СаSO4∙2Н2О).
Или в буквенном выражении:
- А - 3С - 6В + 2F + 3G = 0.
Молекулярные массы компонентов реакции в кг/кмоль: MA = 310,18;
MC = 98,07; МB = 18,02; МF = 98,00; МG = 172,17.
Определим коэффициент расхода по фосфориту
Тогда расходы компонентов будут равны (кг/ч):
WC0=WC – w (-3) MC = 0- 12,896 ∙ (-3) 98,07 = 3794,1;
WB0= 0 - 12,896 ∙ (-6) 18, 02 = 1394, 3;
WF = WF0 + 2МF = 0 + 12,896 ∙2 ∙98, 00 = 2527, 6;
WC = 0+ 12,896 ∙3 ∙172, 17 = 6660, 92.
Определим количество воды, подаваемой с фосфоритной мукой.
Составим баланс по воде
По условию задачи dMB/dτ = 0. Расход воды, уходяшей с фосфорной кислотой
= 2527,6 ∙(1 - 0,4)/0,4= 3791,4 кг/ч.
Расход воды, приносимой с серной кислотой
,кг/ч.
Скорость образования воды по химической реакции
RW =WB0 = 1394, 3 кг/ч.
Тогда расход воды, подаваемой с фосфоритной мукой
= 3791,4 + 1394,3 - 242 = 4943,7 кг/ч.
Составим баланс по фосфорной кислоте:
RF = WF = 2527, 6 кг/ч
где х - концентрация фосфорной кислоты на выходе из емкости и в самой емкости; М - общее количество реакционной смеси, кг.
= 2527,6 + 3791,4 = 6319 кг/ч.
Для определения общего количества реакционной смеси (М) составим уравнение баланса по всему веществу:
W2 = W1; dM/dτ = 0; dM = 0; M = M0
где М0 — начальное количество вещества в емкости; М0 = 4000 кг.
Тогда
6319х - 2527,6 + 4000 (dx/dτ) = 0.
После разделения переменных
Проинтегрируем полученное уравнение в пределах от 0 до τ и от 0,2 до х. После преобразований получим
х=0,4 - 0,2ехр(-1,580τ).
За время 1 час концентрация фосфорной кислоты станет равной
х = 0,4 - 0,2ехр(-1,580) = 0,3588 или 35,88%.
Проверка физического смысла полученного решения дает:
при τ → ∞ х → 0,4.