- •1 Загальні вимоги до курсового проекту
- •2 Матеріальні розрахунки
- •3 Принципова технологічна схема виробництва
- •4 Технологічні розрахунки
- •4.1 Загальна методика розрахунку параметрів апаратів безперервної дії
- •4.2 Загальна методика розрахунку апаратів періодичної дії (реакторів ємнісного типу)
- •5 Опис технологічної схеми
- •6 Теплові розрахунки
- •6.1 Розрахунок кількості тепла, яке потрібно підвести або відвести від апарату
- •Атомні теплоємності елементів речовин у твердому () або у рідкому стані (), Дж/(моль·к)
- •6.2 Визначення витрат теплоносіїв і холодоагентів
- •6.3 Визначення поверхні теплообміну
- •Значення коефіцієнтів теплопередачі
- •7 Будівельна частина та компонування обладнання
- •7.1 Основні принципи проектування промислових будівель
- •7.2 Конструктивні схеми будівель
- •7.3 Основні конструктивні елементи будівель
- •7.3.1 Фундаменти
- •7.3.2 Колони одноповерхових і багатоповерхових будівель
- •7.3.3 Міжповерхові перекриття та покриття
- •7.3.4 Підлоги
- •7.3.5 Двері, вікна, ворота
- •7.3.6 Сходи та ліфти Залежно від призначення сходи промислових будівель ділять на основні, службові, аварійні і пожежні.
- •7.4 Основні принципи компонування технологічного обладнання
- •7.5 Допоміжні будівлі та приміщення промислових підприємств
- •7.6 Деякі вимоги до будівельного проектування і компонування обладнання
- •Література
- •Додаток а
- •Графічна частина
- •Одержання о-толуенсульфаміду
- •Стадія 2. Фільтрування суміші о- і п-толуенсульфамідів
- •1 Характеристика вихідної сировини і готової продукції
- •25% Водний розчин аміаку [5, 6, 7]
- •36% Хлоридна кислота [5, 7, 10, 11]
- •5% Водний розчин гідроксиду натрію [5, 11]
- •2 Матеріальні розрахунки виробництва
- •2.1 Хімізм одержання о-толуенсульфаміду і коефіцієнти виходу по стадіях
- •2.2 Розрахунок витрати вихідного продукту
- •2.3 Постадійні матеріальні розрахунки Стадія 1. Одержання о-толуенсульфаміду
- •Стадія 2. Фільтрування суміші о- і п-толуенсульфамідів
- •Стадія 3. Промивання осаду суміші о- і п-толуенсульфамідів водою
- •Стадія 4. Виділення о-толуенсульфаміду
- •Стадія 5. Фільтрування осаду о-толуенсульфаміду
- •Стадія 6. Промивання осаду о-толуенсульфаміду водою
- •3 Технологічні розрахунки
- •3.1 Умовні позначення при технологічних розрахунках
- •3.2 Норми технологічного режиму
- •3.3 Розрахунок обладнання Реактор р1
- •Реактор р2
- •Мірник розчину аміаку м1
- •Мірник о-толуенсульфохлориду м2
- •Мірник води м3
- •Мірник розчину хлоридної кислоти м4
- •Мірник води м5
- •Сховище розчину аміаку Сх1
- •Збірник фільтрату Зб2
- •Фільтр ф1
- •Фільтр ф2
- •4 Теплові розрахунки
- •Тепловий розрахунок і теплової підстадії
- •Визначення витрати охолоджуючого агенту
- •Визначення поверхні теплообміну
- •5 Технологічна схема та її опис
- •6 Будівельна частина
- •Висновки
- •Література
- •Додаток б Умовні графічні позначення на технологічних схемах
- •Додаток в
- •Характеристика ємнісної апаратури
- •Додаток в.1
- •Номінальний об'єм апаратів (гост 13372-78)
- •Додаток в.2 Номінальні розміри обичайок апаратів
- •Додаток в.3 Основні параметри і розміри корпусів типу вее сталевих зварних посудин і апаратів (гост 9931-85)
- •Додаток в.4 Основні параметри і розміри реакторів закритих з оболонкою, пропелерною мішалкою і електродвигуном
- •Додаток в.5 Номінальні розміри апаратів сталевих емальованих з механічними перемішуючими пристроями (гост 2400-97)
- •Додаток в.6 Розміри сталевих мірників з випуклими днищами і накривками (матеріал - Ст.3)
- •Додаток в.7 Товщина стінок циліндричних сталевих обичайок Ст.3, що працюють під внутрішнім тиском
- •Додаток в.8 Номінальні розміри і маса горизонтальних (довгих) сховищ (матеріал Ст.3)
- •Додаток в.9 Номінальні розміри і маса горизонтальних (коротких) сховищ (матеріал Ст.3)
- •Додаток в.10 Фільтри Фастовського заводу «Червоний Жовтень»
- •Додаток в.11 Апарати пластинчасті теплообмінні
- •Додаток в.12 Параметри кожухотрубних холодильників (гост 15118-79, гост 15120-79, гост 15122-79)
- •Додаток в.13 Рекомендований асортимент труб із вуглецевих та високолегованих сталей
- •Додаток в.14 Основні розміри змійовиків
- •Додаток в.15 Помпи відцентрового типу
- •Додаток в.16 Розпилювальні сушарки
- •Додаток в.17 Номінальні розміри осьових вентиляторів
- •Додаток в.18 Номінальні розміри і маса центробіжних вентиляторів
- •Додаток в.19 Технічні дані і розміри одноходових калориферів
- •Додаток г
- •Властивості речовини і матеріалів
- •Додаток г.1
- •Властивості насиченої водяної пари в залежності від тиску
- •Додаток г.2 Теплота розчинення газоподібного аміаку у воді
- •Додаток г.3 Властивості найважливіших органічних розчинників
- •Додаток г.4 Чисельні значення теплових поправок
- •Додаток г.5 Коефіцієнт теплопровідності деяких матеріалів при 0 – 100 °с
- •Додаток г.6 Коефіцієнт тепловіддачі від теплоізоляції в довкілля
- •Додаток г.7 Густина твердих матеріалів
- •Додаток г.8 Середня питома теплоємність деяких твердих матеріалів
- •Додаток д Умовні позначення на будівельних кресленнях
- •Література
- •Методичні вказівки
- •До виконання комплексного курсового проекту
- •З технології та проектування виробництв харчових добавок та косметичних засобів
- •Для студентів спеціальності 7.091628 “Хімічна технологія харчових добавок та косметичних засобів”.
4 Теплові розрахунки
Теплові розрахунки виконуються з метою визначення кількості тепла, яке необхідно підвести або відвести для здійснення процесу, обчислення поверхні теплообміну і витрат теплоносіїв і холодоагентів.
Для періодичного процесу теплові розрахунки і тепловий баланс складаються на одну операцію за прийнятим або заданим температурним графіком роботи апарату [13]. Для першої стадії технологічного процесу одержання о-ТСА температурний графік роботи реактора матиме такий вигляд:
Рис. 4.1 Температурний графік роботи реактора Р1
І теплова підстадія – розігрів вихідних речовин від 20 до 50°С;
ІІ теплова підстадія – витримка при постійній температурі 50°С;
ІІІ теплова підстадія – охолодження продуктів реакції від 50 до 20°С.
Тепловий розрахунок і теплової підстадії
Рівняння теплового балансу має вигляд:
,
де - тепло, що вноситься в апарат з вихідними речовинами, кДж;
- тепло, що підводиться теплоносієм або відводиться холодоагентом, кДж;
- тепловий ефект процесу, кДж;
- тепло, що виноситься з апарата продуктами реакції (або тепло, що міститься в продуктах в кінці теплової стадії), кДж;
- тепло, що витрачається на нагрівання (охолодження) окремих частин апарату, кДж;
- тепло, що витрачається апаратом у навколишнє середовище, кДж.
Основну величину визначають з рівняння:
.
Кількість тепла, що вноситься в апарат з вихідними речовинами, або ж виноситься з апарата з продуктами реакції, може бути визначена за формулою:
,
де - маса і-того компоненту на одне операційне завантаження, кг;
- питома теплоємність і-того компоненту, кДж/(кг·К);
- температура і-того компоненту, °С.
,
де - маса і-того компоненту на 1 тонну 100-ного % готового продукту;
- перерахунковий коефіцієнт від завантаження на 1 тонну готового продукту до операційного завантаження;
,
де - перерахунковий коефіцієнт від завантаження на 1 тонну готового продукту до добового завантаження,;
- число операцій, які проводяться на даній стадії за добу, оп/добу;
.
Оскільки в довіднику вказані молярні теплоємності неорганічних речовин [5], то необхідно провести їх перерахунок в питомі за формулою [13]:
,
де - молярна теплоємність і-того компонента, Дж/(моль·К);
- молекулярна маса, г/моль.
кДж/(кг·К);
кДж/(кг·К);
кДж/(кг·К).
За відсутності дослідних даних значень питомої теплоємності 25%-ного водного розчину аміаку розрахуємо її за формулою [13]:
,
де - масовий вміст аміаку і води у розчині, %;
- питомі теплоємності аміаку і води, кДж/(кг·К).
кДж/(кг·К).
За відсутності даних теплоємності органічних речовин, визначаємо її за правилом Коппа [13]:
,
де - атомна теплоємність елементів, що входять у склад молекули, кДж/(кг·К);
- число однойменних атомів у молекулі;
- молекулярна маса сполуки.
кДж/(кг·К);
кДж/(кг·К);
кДж/(кг·К).
Теплоємність, розраховану за формулою Коппа, рекомендується збільшити на 5-10%:
кДж/(кг·К);
кДж/(кг·К);
кДж/(кг·К).
Таблиця 4.1
Значення питомих теплоємностей речовин
№ п/п |
Назва речовини |
Питома теплоємність, кДж/( кг·К) |
1. |
о-Толуенсульфохлорид |
1,780 |
2. |
п-Толуенсульфохлорид |
1,780 |
3. |
о-Толуенсульфамід |
1,362 |
4. |
п-Толуенсульфамід |
1,362 |
5. |
о-Толуенсульфонат амонію |
2,335 |
6. |
Аміак |
2,094 |
7. |
Вода |
4,183 |
8. |
Амонію хлорид |
1,572 |
Маси і-тих компонентів на одне операційне завантаження взяті із таблиці 2.1. Обчислимо кількість тепла, що вноситься в реактор з вихідними речовинами:
кДж.
При розрахунку прийнятий ступінь перетворення вихідних речовин у продукти реакції на даній стадії спричиняє необхідність проведення додаткових матеріальних розрахунків. Припустимо, що на першій тепловій підстадії ступінь перетворення складає 80%. Очевидно, що продукти реакції на цій стадії будуть представляти собою суміш, у якій міститься по 80% (від загальної кількості речовин, що утворюються з урахуванням коефіцієнту виходу на стадії) кінцевих продуктів реакції і по 20% вихідних продуктів, які вступають у хімічну взаємодію, плюс надлишок вихідних компонентів.
Склад продуктів реакції на І тепловій підстадії на одне операційне завантаження (див. табл. 2.2):
1. о-Толуенсульфамід……..……….………..…….......кг
2. п-Толуенсульфамід………..……....….…...………….кг
3. о-Толуенсульфонат амонію…...……..........…...............кг
4. Амонію хлорид.............................................................кг
5. о-Толуенсульфохлорид...............................................кг
6. п-Толуенсульфохлорид..................................................кг
7. Аміак..........................................кг
8. Вода................................................................кг
Обчислимо кількість тепла, що міститься в продуктах реакції в кінці першої теплової підстадії:
Тепловий ефект процесу - це сумарна кількість тепла, яке виділяється або поглинається при перебігу хімічних реакцій і фізико-хімічних процесів, що їх супроводжують:
,
де - маса 100%-ної реагуючої сполуки на одне завантаження, кг;
- коефіцієнт виходу хімічної реакції, соті долі відсотка;
- коефіцієнт виходу хімічної реакції на тепловій підстадії, соті долі відсотка;
- молярний тепловий ефект хімічної реакції, кДж/моль.
Відповідно до закону Гесса для розрахунку молярного теплового ефекту хімічної реакції необхідно від суми теплот утворення продуктів реакції відняти суму теплот утворення вихідних речовин:
,
де і- сума теплот утворення сполук, що вступають в реакцію і утворюються в результаті реакції відповідно, кДж/моль.
При відсутності теплот утворення сполук їх можна розрахувати за теплотами згоряння, як різницю між теплотою згоряння елементів, що входять до складу сполуки і теплотою згоряння самої сполуки [13]:
,
де - теплота утворення сполуки, кДж/моль;
- число однойменних атомів у молекулі;
- теплота згоряння 1 грам-атома елемента, кДж;
- теплота згоряння сполуки, кДж/моль.
Для визначення теплот утворення сполук, що знаходяться в іншому агрегатному стані, вноситься поправка на теплоти фізичних процесів [13]:
.
Оскільки вихідні речовини – рідини, а в результаті реакції утворюється тверді речовини – о-ТСА і п-ТСА, то теплова поправка на агрегатний стан для о-ТСА і п-ТСА буде рівною теплоті топлення відповідно о-ТСА і п-ТСА, яка розраховується за формулою [13]:
кДж/моль,
де - постійна величина, яка для органічних сполук рівна 9-15; приймаємо, що;
- температура топлення, °К; для о-ТСА °С, а дляп-ТСА °С.
кДж/кг;
кДж/кг.
Теплота згоряння рідких органічних сполук визначається за формулою:
кДж/моль,
де - число електронів, що переміщуються при згорянні органічної сполуки;
- число однойменних замісників;
- теплова поправка на зв'язок із замісником, кДж/моль.
Розрахунок теплоти згоряння о-ТСХ:
- число електронів, що переміщуються при згорянні:
;
- число теплових поправок: ;
- чисельні значення теплових поправок [41, 46]:
кДж/моль;
кДж/моль;
кДж/моль.
Розрахунок теплоти згоряння о-ТСА і п-ТСА:
- число електронів, що переміщуються при згорянні:
;
- число теплових поправок: ;
- чисельні значення теплових поправок:
кДж/моль;
кДж/моль;
кДж/моль;
кДж/моль.
Розрахуємо теплоти утворення о-ТСХ, о-ТСА і п-ТСА:
кДж/моль;
;.
Теплота утворення о-толуенсульфонату амонію (сіль органічної кислоти) розраховується за формулою:
кДж/моль,
де - теплота утворення о-толуєнсульфокислоти (о-ТСК), кДж/моль;
- теплота заміщення –SO2OH на –SO2ONH4, кДж/моль.
кДж/моль,
де - теплота утворення амонію сульфату, кДж/моль;
- теплота утворення сульфатної кислоти, кДж/моль;
кДж/моль; кДж/моль [26];
кДж/моль.
Розрахунок теплоти згоряння о-ТСК:
- число електронів, що переміщуються при згорянні:
;
- число теплових поправок: ;
- чисельні значення теплових поправок:
кДж/моль;
кДж/моль;
кДж/моль.
Теплота утворення о-ТСК:
кДж/моль.
Теплота утворення о-толуенсульфонату амонію рівна:
кДж/моль.
Таблиця 4.2
Значення теплот утворення речовин [5]
№ п/п |
Назва речовини |
Теплота утворення, кДж/моль |
1. |
о-Толуенсульфохлорид |
135,41 |
2. |
п-Толуенсульфохлорид |
135,41 |
3. |
о-Толуенсульфамід |
298,58 |
4. |
п-Толуенсульфамід |
286,86 |
5. |
о-Толуенсульфонат амонію |
570,71 |
6. |
Аміак |
46,19 |
7. |
Вода |
285,83 |
8. |
Амонію хлорид |
314,20 |
Розрахуємо тепловий ефект основної реакції:
кДж/моль.
Розрахуємо тепловий ефект побічних реакцій:
кДж/моль;
кДж/моль.
Тепловий ефект процесу дорівнює:
кДж;
кДж;
кДж;
кДж.
Витрата тепла на охолодження окремих частин апарату визначається за формулою:
,
де - маса окремих частин апарату, кг;
- теплоємність окремих частин апарату, кДж/(кг·К);
- середня початкова температура окремих частин апарату, °С, °С;
- середня кінцева температура окремих частин апарату, °С.
Середня кінцева температура дорівнює середньому арифметичному між температурами стінок з боку холодоагента і реакційної маси:
,
де - температура стінки апарату з боку холодоагента, °С;
- температура стінки апарату з боку реакційної маси, °С;
;
;
,
де - температура холодоагента, °С;
- температура реакційної маси, °С;
- коефіцієнт тепловіддачі від стінки апарату до холодоагенту, Вт/(м2·К);
- коефіцієнт тепловіддачі від реакційної маси до стінки апарату, Вт/(м2·К);
- коефіцієнт теплопередачі від реакційної маси до холодоагенту, Вт/(м2·К);
- товщина стінки апарату (одного шару стінки), м;
- теплопровідність стінки (одного шару стінки), Вт/(м2·К).
розраховується для кожної частини апарату.
Рис. 4.2 До розрахунку Q5 i Q6: 1-емалеве покриття; 2 – стінка апарата;
3 – стінка сорочки; 4 - теплоізоляції
Для розрахунку витрати тепла на охолодження окремих частин апарату випишемо із довідникової літератури необхідні дані.
Процес протікає в реакторі об'ємом 0,5 м3. Діаметр апарату мм, діаметр апарату з сорочкоюмм. Висота апарату становитьмм. Маса окремих частин апарату становить [13]:
- маса царги кг;
- маса накривки кг;
- маса днища кг;
- маса лопатевої мішалки кг;
- маса сорочки кг;
- маса ізоляції кг.
Товщина стінок апарату і сорочки: мм;мм.
Товщина ізоляції з пінополістиролу (ППС): мм.
Товщина емалевого покриття мк.
Температура холодоагенту (розсолу) становить 1 °С, температура реакційної маси рівна 50 °С.
Теплоємність матеріалів становить [18]: кДж/(кг·К);кДж/(кг·К).
Теплопровідність матеріалів складає [18]: Вт/(м·К);Вт/(м·К);Вт/(м·К).
Коефіцієнт тепловіддачі при нагріванні і охолодженні розсолу Вт/(м2·К) [13].
Коефіцієнт тепловіддачі при нагріванні і охолодженні органічних речовин Вт/(м2·К) [13].
Розрахуємо коефіцієнт теплопередачі від реакційної маси до холодоагенту:
Вт/(м2·К);
Вт/(м2·К).
Температура стінки з боку холодоагента:
°С.
Температура стінки з боку реакційної маси:
°С.
Середня кінцева температура стінки апарату:
, °С ;
°С.
Для розрахунку кількості тепла, що віддає накривка апарата, визначимо коефіцієнт теплопередачі від верхньої частини апарату до повітря:
Вт/(м2·К).
Приймаємо, що середня кінцева температура накривки апарату становить 25 °С.
Розрахуємо коефіцієнт теплопередачі від навколишнього середовища до холодоагенту через теплоізоляцію і стінку сорочки:
,
де - коефіцієнт теплопередачі від навколишнього середовища до холодоагенту через теплоізоляцію і стінку сорочки, Вт/(м2·К).
- товщина стінки сорочки, м;
- товщина теплоізоляції, м;
- теплопровідність стінки сорочки, Вт/(м2·К);
- теплопровідність ізоляції, Вт/(м2·К);
- коефіцієнт тепловіддачі від навколишнього середовища до стінки апарату, Вт/(м2·К);
Коефіцієнт є алгебраїчною сумою тепловіддачі конвекцієюі випромінюванням. Якщо температура стінок не перевищує 200 °С, то величиноюможна знехтувати. Величинавизначається за формулою:
,
де - температура зовнішньої поверхні стінки апарату, °С;
- температура навколишнього середовища (приміщення цеху), °С;
Приймаємо, що °С; °С, тоді
Вт/(м2·К).
Вт/(м2·К).
Розрахуємо середню температуру стінки сорочки:
,
де - температура стінки сорочки зі сторони холодоагенту, °С;
- температура стінки сорочки зі сторони теплоізоляції, °С;
;
;
де , а;
; ;
°С;
°С;
°С.
Аналогічно розраховуємо середню температуру шару теплоізоляції:
температура шару ізоляції зі сторони сорочки:
°С;
температура шару ізоляції зі сторони навколишнього середовища дорівнює температурі зовнішньої стінки ізольованої поверхні апарату °С;
оскільки співвідношення , то середню температуру шару ізоляції обчислюємо за такою формулою:
, °С;
°С.
Розрахуємо :
Тепло, що витрачається в навколишнє середовище:
,
де - поверхня частини апарату, що втрачає тепло (холод), м2;
- тривалість процесу, год; год (табл. 3.1);
Площа поверхні ізольованої частини апарату:
м2.
Площа поверхні неізольованої частини апарату:
м2.
Коефіцієнт тепловіддачі від неізольованої стінки апарату в навколишнє середовище:
Вт/(м2·К);
Коефіцієнт тепловіддачі від навколишнього середовища до ізольованої стінки апарату:
Вт/(м2·К);
Визначаємо :
кДж.
Визначаємо тепло, що необхідно відвести за допомогою холодоагенту:
кДж.