- •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
9.3. Теплообмен в реакторах
При проведении реакции при постоянной температуре (изотермический про-
цесс) степень превращения реагентов зависит от их концентрации и не зависит от температуры, поэтому уравнение материального баланса можно проинтегрировать и получить зависимость степени превращения от времени.
При не изотермическом проведении процесса (адиабатическом или программно регулируемом) приходится решать совместно уравнения материального и теплово-
го баланса с учетом зависимости скорости реакции от температуры и, при необхо-
димости, процесса теплопередачи.
Для создания приблизительно изотермических условий в реакторе можно применить несколько способов теплообмена:
- теплообмен при постоянной скорости теплопередачи; когда реактор обогревается топочными газами или пламенем, коэффициент теплопередачи изменяется мало, а температура настолько высока, что изменение температуры реагентов практически не влияет на температурный напор;
- теплообмен при постоянном коэффициенте теплопередачи; например, в аппаратах с мешалкой коэффициент теплопередачи зависит в основном от скорости перемешивания, которую можно держать постоянной, и скорость теплопередачи будет определяться изменением температуры реагентов;
- автоматическое регулирование скорости теплопередачи путем регулирования расхода теплоносителя или изменения температуры его фазового перехода, напри-
мер за счет давления.
Последний способ, в принципе, является самым лучшим, но не всегда экономически целесообразным.
Теплообмен в реакторах смешения. Рассмотрим химическую реакцию
А + В = К + ∆Нr
где ∆Нr - энтальпия реакции, Дж/моль.
Запишем уравнение теплового баланса, относя мольные энтальпии к некоторой температуре Tс, например 0°, являющейся уровнем отсчета.
Начальная температура реагентов T0, конечная - Т:
Q - количество отводимого или подводимого тепла, Дж.
Если отсутствуют фазовые превращения, то энтальпии компонентов можно выразить через теплоемкости:
Если полагать, что теплоемкости не зависят от температуры в исследуемом интервале температур, а температура Т0 является уровнем отсчета, то уравнение упростится:
(NАСА + NВСВ + NRСR) (Т - Т0) + (NА0 - NА)(∆Нr)То = Q
Зная состав исходной смеси, можно связать степень превращения и температуру.
Для стехиометрической смеси, разделив последнее уравнение на NA0 получим:
[(1-ХA)(СA + СB) + ХAСR]∆Т = Q/NA0.
После преобразований, получим:
где С' и С" — сумма теплоемкостей реагентов и продуктов реакции соответствен но.
Но, так как (∆Нr)Т0 + (С' - С")∆Т = (∆Нr)Т,
то
Здесь у энтальпии реакции и теплоты термодинамическое правило знаков, т.е. тепло, подводимое к системе, считается положительным. Для адиабатических условий Q=0, поэтому
Пример 9.4. Для реакции первого порядка А + В = R, протекающей в адиабатических условиях, известны следующие данные: T0 = 28 °С; NA0 = NB0 = 1 кмоль;
NR0 = 0; СА = СВ= 125 Дж/(моль ∙ К); СR = 167 Дж/(моль∙К); Н= - 11600 Дж/моль. Константа скорости реакции в узком интервале температур зависит линейно от температуры: k = 4,4 + 0,08(T-28) ч-1. Определить степень превращения реагентов и время ее достижения, если температура в реакторе повысилась за счет реакции на 28 К.
Решение: Полагая отсутствие фазовых превращений в процессе, составим уравнение теплового баланса
[(1 - XA)(125 + 125) + 167XA] (T-28) – 11600XA = 0;
(250 – 83XA)(T - 28) = 11600XA; T - 28 = 28 = 11 600XA/(250 – 83XA); ХA = 0,503.
Определим время реакции из баланса массы при условии реакции первого порядка
τА = k(1-ХA).
(Последний интеграл вычислен численным методом по формуле Симпсона.)
Составим тепловой баланс в дифференциальной форме, полагая, что за элементар-
ное время dτ скорость реакции rA и скорость теплопередачи R определяются урав-
нениями
Теплоемкость и скорость реакции являются известными функциями температу-
ры. Если скорость теплопередачи задана в функции от температуры, то послед-
нее уравнение можно проинтегрировать. Для трех рассмотренных способов теп-
лообмена связь между температурой и скоростью теплопередачи имеет вид:
- теплообмен при постоянной скорости теплопередачи
R = соnst;
- теплообмен при постоянном коэффициенте теплопередачи
R = КS (Tт - Т), КS = соnst, Тт = соnst;
- автоматическое регулирование скорости теплопередачи
R= ∆Нr∙rА = КS(Тт - Т), T= const.
Здесь: К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2∙К); S - поверхность теплопереда-
чи, м2; Тт - температура теплоносителя.
Пример 9.5. Для реакции первого порядка известны следующие данные: энталь-
пия реакции ∆Нr = 11600 Дж/моль; константа скорости реакции k= 0,8 ч-1; коэф-
фициент теплопередачи К = 51 Вт/(м2∙К); начальная загрузка реагента
NА0 = 2270 моль. Определить поверхность теплообмена, необходимую для поддержания постоянной температуры t = 49 °С до конечной степени превращения XA = 70%. Нагрев осуществляется паром, температуру которого Tт можно регулировать в пределах от 110 до 177 °С.
Решение: Скорость подвода тепла должна быть наибольшей в начале процесса, когда ХА = 0, а скорость реакции — наибольшая. Расчет будем производить, используя уравнение
∆Нr∙rA=КS1(Тт-T)
Откуда максимальная поверхность теплопередачи в этот момент выразится урав
нением
При такой поверхности и конечной степени превращения ХA = 0,7 температура теплоносителя должна быть равна
Эту температуру не обеспечить паром заданных параметров. Степень превраще-
ния, отвечающая наиболее низкой заданной температуре теплоносителя110 °С, при поверхности теплопередачи S1 составит
При температуре теплоносителя 110 °С и степени превращения 0,7 имеем
м2
При ХА = 0,524 и S2 = 0,564 м2 имеем
Таким образом, нагреватель должен состоять из двух параллельных змеевиков, один из которых с поверхностью S1 = 0,564 м2, а другой - S2 = 0,896 - 0,564 = 0,332 м2. При снижении температуры пара до 110 °С змеевик с поверхностью 0,332 м2 следует отключить.
Кривые регулирования строятся по уравнениям
При XA ≤ 0,52 TТ = 49 + 128(1 - ХА); при ХА > 0,52 TT = 49 + 203(1-XA)
Теплообмен в реакторах вытеснения. Если полагать отсутствие в реакци-
онной зоне реактора идеального вытеснения радиальных градиентов температур, то можно составить три уравнения, одно из которых - баланс массы, второе - баланс тепла по реакционной массе и третье - баланс тепла по теплоносителю. Схема тепло - и массообмена в элементе реактора представлена на рис. 9.2.
Уравнение баланса массы
Рис.9.2 К расчёту теплообмена в реакторе вытеснения |
Уравнение баланса тепла в элементе реакционной зоны
Уравнение баланса тепла в элементе рубашки |
Совместное решение системы из трех дифференциальных уравнений дает возможность определить распределение степеней превращения, температур реакционной смеси и теплоносителя по длине реактора идеального вытеснения.
Для адиабатического реактора идеального вытеснения получаем систему из двух дифференциальных уравнений
Пример 9.6. В гомогенном реакторе идеального вытеснения, представляющем собой трубу с внутренним диаметром 50 мм, протекает адиабатическая реакция второго порядка. Кинетические параметры реакции: энергия активации
Е = 58200 Дж/моль, k0 = 2∙107 м3/(моль∙ч). Начальная концентрация реагента
20 кмоль/м3, его мольный расход 60 кмоль/ч, теплоемкость реакционной смеси 125 Дж/(моль∙К). Энтальпия реакции ∆Нr = - 10000 Дж/моль. Определить длину реактора при 90%-ной степени превращения, если начальная температура реагентов 770C
Решение: Подставим исходные данные в систему дифференциальных уравнений материального и теплового баланса адиабатического реактора:
После преобразований получим:
Решая полученную систему численным методом, можем найти длину реактора. Например, при решении модифицированным методом Эйлера при шаге интег-
рирования 0,2 м получаем длину реактора 1,3 м (см. табл. 9.6).
Таблица 9.6. Результаты решения дифференциального уравнения
z, м |
0,0 |
0,2 |
0,4 |
0,6 |
0,8 |
1,0 |
1,2 |
1,3 |
XA,% |
0,00 |
12,94 |
30,31 |
51,50 |
70,54 |
82,22 |
88,32 |
90,21 |
T, K |
350,0 |
360,4 |
372,2 |
391,2 |
406,4 |
415,8 |
420,7 |
422,2 |