- •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
6319x − 2527,6 + 4000 dxdτ = 0 .
После разделения переменных |
dτ = |
dx |
|
. |
||
0,6319 |
− |
1,580x |
||||
|
|
|
Проинтегрируем полученное уравнение в пределах от 0 до τ и от 0,2 до
x. После преобразований получим x=0,4−0,2exp(−1,580τ).
За время 1 час концентрация фосфорной кислоты станет равной
|
|
x=0,4−0,2exp(−1,580)=0,3588, или 35,88 %. |
|
Проверка физического смысла полученного решения дает: |
|
при |
τ → ∞ |
x → 0,4 . |
7.4. ПРАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС
Практический материальный баланс учитывает составы исходного сырья и готовой продукции, избыток одного из компонентов сырья, степень превращения реагентов, потери сырья и готового продукта и т. д.
Исходными данными для составления такого баланса являются:
−технологическая схема, отражающая вид и последовательность стадий производства;
−годовая производительность по данному продукту или данному спектру продуктов;
−производственная рецептура загрузки компонентов на каждой технологической стадии;
−потери сырья и готового продукта на каждой технологической стадии производства.
Все эти величины определяются по данным научно-исследовательских разработок, по результатам расчетов теоретического материального баланса или же по данным, полученным при обследовании аналогичных производств во время производственной практики.
Взависимости от характера требований материальный баланс периодических процессов может составляться в трех вариантах: во-первых, исходя из суточной производительности вещества; во-вторых, на единицу массы готового продукта (чаще всего на 1 тонну); в третьих, на количество готового продукта, полученного за один цикл работы. В этом случае наиболее целесообразен суточный материальный баланс.
Для непрерывных процессов материальный баланс составляется с уче-
том выработки в единицу времени (т/год, т/сут, т/ч, кг/ч, кг/мин, кг/с и т. д.). В любом случае баланс делится на две основные части – это общий и
пооперационный (постадийный) материальный балансы.
При общем балансе материальные расчеты связаны с определением расходов всех видов сырья. В большинстве случаев такие расчеты завершаются определением расходных коэффициентов всех компонентов процесса на единицу массы готового продукта (например, на 1 тонну) и сравнением их
181
с расходными коэффициентами аналогичного существующего производства (по материалам производственной практики).
Первым этапом будет определение рабочего времени в цехе. Его величина зависит от характера производства. Для периодических процессов
Ä=365-(Ð+Â),
где Д – количество рабочих дней в году; Р – количество дней в году, отведенных на все виды ремонта;
В – количество праздничных и выходных дней в году. Для непрерывных процессов
Ä=365-Ð.
В этом случае величина Р включает в себя и время на все виды ремонтов, и время периодических остановок на чистку оборудования, замену катализатора и т. п.
Далее необходимо определить производительность готового продукта. Вначале рассчитывается его производительность без учета потерь
Ï áñ = NÄ ,
где Псб – суточная производительность готового продукта без учета потерь, т/сут;
N – годовой выход готового продукта, т. Производительность с учетом потерь продукта по стадиям
Ï á
ñ ,
1− a
где a – общая доля потерь продукта на всех стадиях процесса. Общая величина потерь по всем стадиям
Ï =Ï áñ -Ï ïñ , где П – общее количество потерь по всем стадиям.
Определяя доли потерь по стадиям как ai, можем найти их количество из соотношения
Ï iï = ai ЧÏ .
При этом
å ai = 1.
Далее определяется расход каждого вида сырья с учетом потерь, исходя из рецептуры загрузки компонентов реакционной смеси. При этом предварительно рассчитывается рецептура в процентах на содержание каждого компонента, полагая за 100 % всю реакционную смесь. Потери реакционной смеси на каждой стадии в равной степени относятся к каждому из компонентов, если нет отгона одного из продуктов, выделения его в осадок и др.
К полученным расходам сырьевых компонентов добавляются их возможные потери до получения реакционной смеси при транспортировке, загрузке и т. д.
182
Окончательно производят расчет расходных коэффициентов сырьевых компонентов на тонну готового продукта. Кроме расходных коэффициентов сырья рассчитываются аналогичные величины, характеризующие расход воды, пара, топлива, электроэнергии и т. д. Естественно, чем меньше расходные коэффициенты, тем экономичнее технологический процесс.
Особое значение имеют расходные коэффициенты по сырью, так как для большинства химических производств львиная доля себестоимости продуктов приходится на эту статью.
Результаты расчета расходных коэффициентов оформляются в виде табл. 7.1.
Таблица 7.1. Пример представления расходных коэффициентов
№ |
Наименование |
Расход, |
Расходные коэффициенты, |
|
п/п |
сырья |
т/сут (т/год) |
т/т готового продукта |
|
1 |
Сырье А |
А1 |
(А1·Д) |
А1/Псб |
2 |
Сырье В |
В1 |
(В1·Д) |
В1/Псб |
… |
. . . . . . . . |
. . . . . . . . |
. . . . . |
Постадийный материальный баланс составляется в виде таблиц на каждой стадии, исходя из результатов расчета общего материального баланса. Рассмотрим составление такого баланса на примере.
Пример 7.4. Составить материальный баланс реактора каталитического окисления метанола в формальдегид. Производительность реактора по формальдегиду 10000 т/год. Степень превращения метанола в формальдегид – 0,7; общая степень превращения метанола (с учетом побочных реакций) – 0,8. Содержание метанола в спирто-воздушной смеси – 40 % по объему. Мольные соотношения побочных продуктов на выходе из реактора
HCOOH:CO2:CO:CH4=1,8:1,6:0,1:0,3.
Аппарат работает 341 день в году с учетом времени ППР (планово-предупре- дительных ремонтов) и простоев.
Решение: Формальдегид получается в результате окисления паров метанола кислородом воздуха при температуре 550−600 °С на серебряном катализаторе, где протекают следующие реакции:
CH3OH+1/2O2=CH2O+H2O, |
(1) |
CH3OH=CH2O+H2, |
(2) |
CH3OH=CO+2H2, |
(3) |
CH3OH+H2=CH4+H2O, |
(4) |
CH3OH+O2=HCOOH+H2O, |
(5) |
CH3OH+1,5O2=CO2+2H2O. |
6) |
Возможная реакция H2+1/2O2=H2O стехиометрически зависима, так как она в сумме с реакцией (2) дает реакцию (1), поэтому ее нужно из балансовых расчетов исключить.
183
На реакцию подается лишь около 80 % воздуха от мольного соотношения метанол: кислород=2 : 1 и процесс проводится с неполным сгоранием водорода, образующегося по реакции (3). Отходящие газы содержат 20−21 % формальдегида, 36−38 % азота и примеси в виде СО, CO2, CH4, CH3OH, HCOOH и др. Вся эта смесь после охлаждения в котле-утилизаторе и холодильнике до 60 °С подается в поглотительную башню, орошаемую водой. Полученный раствор формалина содержит 10−12 % метанола, который в данном случае является желательной примесью, так как препятствует полимеризации формальдегида. Молекулярные массы: формалина – 30; метанола
– 32; кислорода – 16.
Производительность реактора по формальдегиду 10000·1000/341/24=1220 кг/ч или 1220/30=40,7 кмоль/ч.
Так как по реакциям (1) и (2) на образование 1 моля формальдегида расходуется 1 моль метанола, то, при 70 % степени превращения метанола в формальдегид, имеем расход метанола в этом случае
40,7/0,7=58,12 кмоль/ч или 58,12·32=1860 кг/ч.
Определим объемные расходы исходных веществ при нормальных условиях. Метанол – 58,12·22,4=1300 м3/ч.
Спирто-воздушная смесь – 1300/0,4=3250 м3/ч. Воздух – 3250−1300=1950 м3/ч, в нем:
кислорода – 1950·0,21=410 м3/ч или 410·32/22,4=586 кг/ч; азота – 1950·0,79=1540 м3/ч или 1540·28/22,4=1920 кг/ч.
Определим расход метанола, пошедшего на образование побочных продуктов по реакциям (3)−(6). При общей степени превращения метанола 80 % имеем расход метанола по побочным реакциям
58,12·(0,8−0,7)=5,81 кмоль/ч.
Не прореагировало метанола 58,12·0,2=11,6 кмоль/ч или 11,6·32=372 кг/ч. Сумма долей побочных продуктов 1,8+1,6+0,1+0,3=3,8.
Тогда расходы побочных продуктов в отходящих газах будут равны: Уксусная кислота (HCOOH) – 5,8·1,8/3,8=2,75 кмоль/ч или 2,75·46=126,5 кг/ч.
Диоксид углерода (СО2) – 5,8·1,6/3,8=2,45 кмоль/ч или 2,45·44=108,0 кг/ч. Оксид углерода (СО) – 5,8·0,1/3,8=0,158 кмоль/ч или 0,158·28=4,3 кг/ч. Метан (СН4) – 5,8·0,3/3,8=0,459 кмоль/ч или 0,459·16=7,3 кг/ч.
Для определения расходов водяного пара и водорода составим баланс по кислороду и водороду. В реактор поступает кислорода:
с воздухом – 586 кг/ч; в составе метанола – 1860·16/32=930 кг/ч. Всего:586+930=1516 кг/ч.
Расходуется кислорода:
на образование формальдегида – 1220·16/30=650 кг/ч; на образование НСООН – 126,5·32/46=88 кг/ч; на образование СО2 – 108·32/44=78,6 кг/ч; на образование СО – 4,3·16/28=2,45 кг/ч;
184