Методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения

3 Контрольные задания

Вариант контрольной работы выбирается студентами по последним цифрам номера зачетной книжки с 1 по 21 вариант. Если последние цифры номера зачетной книжки больше 21, то вариант выбирается по сумме двух последних цифр. Например, последние цифры номера зачетной книжки 44, это соответствует 8 варианту контрольного задания.

3.2.1 Технические показатели. Технико-экономический уровень химического производства определяется совокупностью технико-экономических показателей. К ним относят: расходные коэффициенты по сырью и энергии, выход готового продукта и степень превращения сырья, селективность процесса, производительность, интенсивность работы аппарата, качество продукции, производительность труда, себестоимость продукции.

3.2.1.1 Выход готового продукта. Определяется как отношение массы полученного продукта к массе сырья, затраченного на его производство. Для одностадийного процесса, протекающего по схеме , выход определяется по формуле (1)
(1)
Если в основе процесса лежит химическая реакция, описываемая конкретным уравнением, то для многостадийного процесса по схеме суммарный выход всего процесса равен произведению выходов каждой стадии (2)
(2)
3.2.1.2 Степень превращения (конверсии) сырья. Степенью превращения называется отношение массы сырья, вступившего в химическое превращение за время , к исходной массе его (). Степень превращения рассчитывается по формуле
, (3)
где - количество сырья, не вступившего в реакцию

превращения за время .

Выход продукта и степень превращения сырья выражаются в долях единицы или процентах.

3.2.1.3 Селективность - это отношение массы целевого продукта к общей массе продуктов, полученных в данном процессе, или к массе превращенного сырья за время . Селективность характеризует преобладание одного из направлений процесса, если превращение сырья приводит к образованию нескольких конечных продуктов.

Выход продукта, степень превращения сырья и селективность характеризуют глубину протекания химико-технологического процесса, его полноту и направленность в сторону образования целевого продукта.

3.2.1.4 Производительность. Производительностью называется количество целевого продукта или переработанного для его получения сырья в единицу времени. Производительность может быть отнесена к отдельному аппарату, технологической линии, цеху, предприятию в целом. Максимально возможная в данных условиях производительность называется мощностью. Производительность и мощность выражаются в кг/ч, т/ч, т/год и так далее в зависимости от масштабов производства.

3.2.1.5 Интенсивность. Интенсивностью аппарата называется его производительность, отнесенная к единице величины, характеризующей размеры рабочей части аппарата – его реакционного объема V или площади сечения S.

Интенсивность – это критерий эффективности работы аппарата. Она позволяет сравнивать по эффективности аппараты различной мощности. Выражается интенсивность, соответственно в кг/м³ и кг/м².

3.2.1.6 Качество продукции. Качеством продукции называется совокупность технических, эксплуатационных, экономических и других свойств, обуславливающих пригодность для производственных потребностей в соответствии с ее назначением.

3.2.1.7 Расходные коэффициенты. Расходными коэффициентами называется количество сырья или энергии каждого вида, затрачиваемое на производство единицы массы или объема готовой продукции. Единицы измерения расходных коэффициентов по энергии кВт∙ч/т, кВт∙ч/нм³, по сырью кг/кг, т/кг, т/т и так далее.

Для расчета расходных коэффициентов необходимо знать все стадии производства в результате которых происходит превращение исходного сырья в готовой продукт. Теоретические расходные коэффициенты учитывает стехиометрическое соотношение, по которому происходит превращение (по реакции). Практические расходные коэффициенты кроме стехиометрических соотношений учитывают производственные потери на всех стадиях процесса, а также возможность побочных реакций.

Расходные коэффициенты для одного и того же продукта зависят от состава исходного материала и могут сильно отличаться.

Пример 1 Рассчитать расход бензола и пропан-пропиленовой фракции газов крекинга (30% объемных пропилена СН₃-СН=СН₂ и 70% объемных пропана СН₃-СН₂–СН₃) для производства 1 тонны фенола. Если выход изопропилбензола из бензола составляет 90% от теоретически возможного, а фенола из изопропилбензола 93%.

Решение. Mr () = 78; Mr () = 42; Mr () = 44; Mr () = 94

Кумольный способ получения фенола из бензола с получением еще одного ценного продукта ацетона, который идет через три стадии.

1 стадия – получение кумола

2 стадия – окисление кумола в гидроперекись кумола

3 стадия – разложение гидроперекиси кумола

Все три стадии процесса изображаем схемой

Судя по схеме для получения, один моль фенола требуется один моль бензола, то есть теоретически расход бензола на одну тонну фенола будет равен

С учетом степеней превращения на стадиях процесса, бензола требуется больше. Рассчитаем практический расходный коэффициент бензола

Для получения 1 моль фенола требуется 1 моль (94 кг) пропилена или 22,4 м³. Рассчитаем объем пропилена (м³), вступившего в реакцию

Вместе с пропиленом подано пропана

Расходный коэффициент пропан-пропиленовой фракции составит: 662 + 284 = 946 м³ или 0,533 т + 1,3 т = 1,833 т.

Пример 2 Рассчитать производительность колонны синтеза аммиака при работе ее на свежем катализаторе и после двухлетней работы на том же катализаторе. Содержание NH₃ на выходе С₂ – 17%; высота колонны Н – 14 м; Внутренний диаметр колонны D – 0,85 м; содержание в цикле инертных примесей η – 7%; Конечная температура конденсации t - 5°C; содержание NH₃ на входе в колонну С₁ – 4%; объемная скорость s – 25000 с^-1; давление в системе – 30 МПа; коэффициент использования внутреннего объема (паковки) колонны β – 35%; снижение активности катализатора после двухлетней работы z – 20%.

Решение. Объем катализатора, загруженного в колонну синтеза, рассчитываем по формуле (4)

Производительность колонны синтеза аммиака (кг/ч) рассчитываем по формуле (5)

Подставив значения получим = 6,75 т/ч или 162 т/сут.

Через два года в результате снижение активности катализатора содержание аммиака после колонны уменьшится и составит

Следовательно, производительность колонны через два года будет равна

= 5 т/ч или 120 т/сут
4.2 Пример расчета материального баланса

При разработке химико-технологических процессов проводятся разнообразные расчеты для количественной оценки протекающих операций, а также для определения оптимальных значений параметров технологического процесса. Во всех случаях при расчетах учитываются законы гидродинамики, тепло- и массопередачи и химической кинетики, поэтому расчеты материальных потоков обычно сочетаются с энергетическими расчетами, для этого составляют материальный и энергетический балансы.

Материальный баланс – это вещественное выражение закона сохранения массы, согласно которому во всякой замкнутой системе масса веществ, вступивших во взаимодействие, равна массе веществ, образовавшихся в результате этого взаимодействия, то есть приход веществ равен его расходу. Таким образом, уравнение материального баланса можно представить в виде
(6)
Для периодических процессов материальный баланс составляют в расчете на одну операцию, для непрерывных процессов – за единицу времени.

Материальный баланс составляют по уравнению основной суммарной реакции с учетом параллельных и побочных реакций. Он может быть составлен для всех веществ, участвующих в процессе, или только для одного какого – либо вещества. Обычно учитываются не все протекающие реакции и получаемые побочные продукты, а лишь те, которые имеют существенное значение, то есть материальный баланс носит приближенный характер.

Материальный баланс составляют для процесса в целом или для отдельных его стадий. При этом учет массы веществ производиться отдельно для твердой, жидкой и газовой фаз, поэтому в общем виде материальные балансы выражаются обычно в виде уравнения (7)
, (7)
где - массы твердых, жидких и газообразнывеществ,

поступающих в производство или данную

операцию в единицу времени;

- массы получаемых продуктов.

Иногда при проведении практических расчетов могут не приниматься во внимание отдельные фазы (твердая, жидкая или газообразная) либо в одной какой – либо фазе не учитывается существование несколько разных веществ, поэтому уравнение (7) соответственно упрощается или усложняется. При проектировании обычно задаются массой целевого продукта; массу сырья и массу побочных продуктов определяют по уравнению материального баланса. Материальный баланс считается верным, если невязка баланса (процент ошибки) составляет до 5 %.

Все данные записываются в виде таблицы 1.
Таблица 1 – Материальный баланс

Приход	кг	м3	%	Расход	кг	м3	%

Пример 3 Составить материальный баланс обжига колчедана, содержащего 42% S и 4% Н₂О. Концентрации SO₂ и SO₃ в сухом обжиговом газе 14,5 и 0,1% объемных. Содержание серы в огарке 1%.

Решение. Вычислим составляющие материального баланса на 1000 кг колчедана.
4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8 SO₂
Статьи прихода

1. 
   сухого колчедана, поступающего на обжиг кг;
   
2. 
   влаги, поступающей с колчеданом кг;
   
3. 
   содержание серы в сухом колчедане
   
4. 
   
   

5. 
   выход огарка на 1 тонну сухого колчедана
   

6. 
   количество выгоревшей серы
   

7. 
   расход воздуха на 1 т сухого колчедана
   

где C_SO2 – сумма концентраций SO₂ и SO₃ в газе;

m – стехиометрическое отношение числа молекулкислорода к числу молекул диоксида серы;
,
где 14,6 – сумма концентраций SO₂ и SO₃ в газе;

расход воздуха на 1 т влажного колчедана

8. 
   количество кислорода и азота, поступающих с воздухом
   

9. 
   количество влаги, поступающей с воздухом. Принимаем, что воздух поступает с температурой 20ºC и степень насыщения его влагой равна 0,5. Содержание водяного пара в воздухе при 20ºC равно 17,29 г/м³ (Справочник сернокислотчика).
   
10. 
    Количество влаги, приносимой воздухом
    

1. 
   количество полученного огарка:
   
2. 
   количество образовавшегося сухого обжигового газа вычислим по формуле (8)
   

3. 
   содержание в газе:
   
   • 
     кислорода
     

• 
  азота (по разности)
  

100 – 14,5 – 0,1 – 2,05 = 83,35% (об.);

• 
  влаги, поступающей из колчедана и воздуха
  

40 + 23,6 = 63,6 кг или 79 м³

• 
  SO₂ – 287 м³ или 820 кг;
  
• 
  SO₃ – 2 м³ или 7,1 кг;
  
• 
  O₂ – 42 м³ или 60 кг;
  
• 
  N₂ – 1650 м³ или 2075 кг;
  
• 
  Н₂О – 79 м³ или 63,6 кг.
  

Невязка баланса составляет

2 Перечислить и сравнить способы получения термической фосфорной кислоты. Изобразить технологическую схему производства термической фосфорной кислоты двухступенчатым методом.

3 Рассчитать расходные коэффициенты 76%-ного С₂Н₅ОН и Nа, необходимого для производства диэтилового эфира, если выход С₂Н₅ОNa составляет 90% от теоретически возможного, а выход бромэтана из этанола 89%. Расчет вести на 500 кг эфира.

4 Определить расходный коэффициент раствора муравьиной кислоты, содержащей 70% НСООН необходимой для реакции нейтрализации гидроксидом натрия. Если степень превращения муравьиной кислоты 47%. Расчет вести на 5 тонн готового продукта.