Общая химическая технология

Содержание:

1.Задание………………………………………………………………………………………….....2

2.Химическая, функциональная, структурная, расчетная система  ХТС……………………......3

3.Описание технологической  схемы ХТС с учетом рассчитанного  материального баланса....5

4.Математическое  описание расчетных элементов………………………………………………6

5.Математическое  описание процесса в слое катализатора……………………………………..7

6.Метод решения  математического описания ХТС……………………………………………....9

7.Оценка количеств  исходных веществ, для обеспечения заданной производительности Н₂SO₄   ………………………………………………………………………………………………9

8.Таблица с материальным балансом ХТС……………………………………………………...12

9.Расчет контактного  аппарата в схеме………………………………………………………….15

10.Рекомендации  по экологии……………………………………………………………………18

11.Выводы…………………………………………………………………………………………19

12.Список использованной  литературы…………………………………………………………20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Задание.

Рассчитать материальный баланс ХТС производства серной кислоты  при следующих условиях:

 
 

Нарисовать технологическую  схему производства серной кислоты  из серы («короткая схема»), дать ее функциональную, структурную, операторную  и расчетную формы. Описать функционирование схемы и ее технологические параметры с учетом рассчитанного материального баланса.

Определить:

• количество серы, воздуха и воды для обеспечения заданной производительности с точностью 1%
• расходные коэффициенты по сере, воздуху, воде на 1 тонну продуктов (100%)
• количество оксидов серы, выбрасываемых в атмосферу на 1 тонну продуктов
• кратность циркуляции жидкости в абсорбере
• количество твердых отходов на 1 тонну продуктов.

После расчета  материального баланса ХТС провести расчет контактного аппарата (КА) окисления SO₂ в SO₃ на условия Р=1,2ата, определить необходимое количество катализатора и его оптимальное распределение по слоям v_k v_ki, если между слоями тепло снимается: вводом холодного газа 1-ого слоя и теплообменниками между остальными слоями катализатора. Температура холодного газа T_х.г.=200⁰С.

Построить (Т-X)_eq диаграмму (eq-равновесие), ЛОТ и профили температуры по слоям катализатора в КА (реакторе) на одном графике. Температура газовой смеси на входе в КА Т_н=420⁰С.

Дать рекомендации по уменьшению выбросов SO₂ и SO₃ в окружающую среду. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.Химическая, функциональная, структурная, расчетная схема ХТС. 

Химическая  система ХТС:

- это совокупность  химических уравнений, которыми  описывается ХТС

S₂+2O₂=2SO₂

SO₂+0,5О₂=SO₃

SO₃+H₂O= H₂SO₄ 

Функциональная система ХТС:

- это совокупность  последовательных технологических  операций по превращению сырья  в продукт в рамках данной  ХТС, представленная в виде  схемы 

 

Структурная система ХТС:

- упрощенная  схема с указанием связей между аппаратами.

1 - плавилка  серы

2 - печь сжигания  серы

3 - парогенератор

4 - контактный  аппарат

5,7 - теплообменники 

6 - моногидратный  абсорбер 

Операторная схема ХТС:

- совокупность  типовых технологических операторов  и связей между ними. 

1,2-плавилка серы

3,4-печь  сжигания серы

5-парогенератор

6-контактный  аппарат

7-теплообменник

8,9-абсорбер

10-насос

11-теплообменник 

Расчетная схема ХТС: 

Некоторые элементы не изменяют состав потоков  и их величину, например, теплообменники, насосы, котлы-утилизаторы. Поэтому для расчета материального баланса ХТС такие элементы, как парогенератор (3), теплообменник (5,7) и насос (8), входящие в нашу систему, приведенную на рис.3, можно исключить. Сокращенный вариант ХТС, предназначенный для расчета материального баланса , представлен на рис.1. 

 

рис.1 Упрощенная технологическая схема ХТС 

Использование расчетных элементов позволяет  существенно упростить составление  и, соответственно, расчет материального  баланса сложной ХТС.

Схему ХТС, показанную на рис.1, можно составить из отдельных расчетных элементов, воспроизводящих работу технологических аппаратов, тогда мы получим расчетную схему ХТС. Обратим внимание, что переход к расчетной схеме не всегда связан с простой заменой технологических аппаратов на указанные элементы. 
 

рис.2 Расчетная схема ХТС

(пунктиром  выделены технологические  аппараты) 

Также расчетная схема ХТС рис.2 может быть представлена в виде таблицы. Для этого пронумеруем все расчетные элементы на рис.2. Для каждого расчетного элемента укажем номера элементов, из которых потоки входят в данный расчетный элемент, и номера элементов, в которые направляются потоки, выходящие из данного расчетного элемента. В каждой строчке таблицы укажем номер и наименование элемента и его связи.

таблица 1

Расчетная схема ХТС в табличном виде.

 

3.Описание  технологической  схемы ХТС с  учетом рассчитанного  материального баланса. 

Приведем  короткую схему получения серной кислоты методом простого (одинарного) контактирования. 

рис.3 Технологическая  схема производства серной кислоты из элементарной серы.

1-плавилка  серы с ее очисткой от негорючих  примесей; 2-печь сжигания серы; 3-парогенератор; 4-контактный аппарат; 5-теплообменник; 6-моногидратный абсорбер; 7-теплообменник; 8-жидкостной насос. 

«Кроткой» называется технологическая схема получения Н₂SO₄ из элементарной серы. Она значительно проще, так как элементарная сера не содержит вредных для контактной массы (катализатора) примесей и отпадает необходимость системы очистки.

Расплавленная сера (0,667т), очищенная в 1 от негорючих примесей (3кг), и очищенный воздух (4,949 тыс. м³) подаются в печь сжигания серы 2, где при сгорании серы образуется SO₂ (0,4661 тыс. м³): 

S₂+2O₂=2SO₂ 

Температура сернистого газа на выходе из печи составляет 1100-1200⁰С. В парогенераторе 3 снимается тепло, и температура потока понижается до 420-440⁰С, после чего газовая смесь  (4,9492 тыс. м³) подается в контактный аппарат 4 для окисления SO₂ в SO₃: 

SO₂+0,5О₂=SO₃ 

Это гетерогенно-каталитическая реакция, для проведения которой  используется катализатор на основе пятиоксида ванадия. Полученный триоксид серы (0,4596 тыс. м³), после охлаждения в теплообменнике 5,  поступает в абсорбер 7, где образуется серная кислота. 

SO₃+H₂O= H₂SO₄. 

Циркуляция  кислоты (64,85т) через абсорбер с помощью  насосов 9 позволяет проводить абсорбцию при оптимальных концентрациях поглотителя и мало меняющемся составе жидкости в абсорбере. При этом отбирается 2,006 т/ч товарной кислоты (48 т/сут. 100%-ой H₂SO₄) В рецикл добавляется необходимое количество воды (0,377т). Тепло абсорбции снимается в теплообменнике 8. Непрореагировавшие  газы выбрасываются в атмосферу (SO₂ -7м³/ч; SO₃ - 0,002кг/ч; О₂ – 344м³/ч; N₂ - 3,91тыс.м³/ч). 

4.Математическое  описание расчетных  элементов. 

Элемент ХТС изменяет состояние входящих в него потоков. Можно составить математическое описание каждого из расчетных элементов данной ХТС – уравнения материального баланса. Материальный баланс основан на законе сохранения массы (равенстве масс входящих и выходящих потоков). Характеристикой потока при расчете материального баланса является его величина (общее количество вещества) и покомпонентный состав (наименование и количества всех веществ). Будем иметь ввиду, что мы будем обозначать количества веществ с двумя индексами: первый будет обозначать аппарат, в котором происходит изменение потока, а второй обозначает компонент, по которому записан баланс.

Рассмотрим  нашу ХТС производства серной кислоты  из элементарной серы. 

1.Делитель  линейный (разделяет поток на  два, и для него определен  коэффициент разделения каждого компонента α_i, выходящего с одним из потоков).

G_1сера= α_сераG_0сера         (1 поток)

G_1сера=(1- α_сера)G_0сера       (2 поток)

2.Смеситель  (объединяет 2 потока)

Будем записывать материальный баланс массовых величин потоков на выходе из смесителя и 1-ого и 2-ого потоков на входе, а также материальный баланс по какому-нибудь из компонентов.

G_1сера+G_0возд=G_2смеси

G_1сераg_1сера+G_0воздg_0сера=G_2смесиg_2сера

3.Реактор  (протекает химическое превращение)

Изменение химического состава реагирующей  смеси описывается стехиометрическим уравнением:

S₂+2O₂=2SO₂ 

Изменение количества любого вещества определяется через степень превращения x исходного компонента. Будем выражать мольные количества продукта реакции после реактора:

=

4.Реактор

Стехиометрическое уравнение:

SO₂+0,5О₂=SO₃

=

5.Смеситель

+ =

+ =

6.Реактор

Стехиометрическое уравнение:

SO₃+H₂O= H₂SO₄.

=

7.Делитель  линейный

=α           (1поток)

=(1-α )         (2поток) 

8.Делитель  простой (разделяет на два потока, при этом составы потоков не изменяются).

Полагаем, что один из выходящих из делителя потоков составляет долю α от входящего  потока.

= α            (1поток)

=(1- α)            (2поток)

9.Смеситель

+ =

+ =  

5.Математическое  описание процесса  в слое катализатора. 

    Каталитическое  окисление сернистого ангидрида  является типичным примером гетерогенного  катализа окислительной простой  обратимой экзотермической реакции. Компоненты реакционной смеси взаимодействуют с катализатором и образуют соединении, которые собственно, и катализируют реакцию.

    На  промышленном зерне катализатора окисление  тормозится переносом реагентов  в порах катализатора.

    При расчете слоя катализатора используем программу кафедры ОХТ по лабораторному практикуму (см. пункт 9). Мы задаем температуру перед первым слоем Т_1н, количество слоев катализатора N, степень превращения на выходе из реактора на выходе из реактора (после последнего слоя) x_к= x_nк. Требуется определить координаты режима слоев катализатора: х_iн, Т_iн, х_iк, Т_iк, обеспечивающие достижение заданного превращения х_к в минимальном объеме катализатора, то есть ∑ν_кi=min.

    У нас реактор с вводом холодного  газа после первого слоя и теплообменниками после остальных. Схема реактора и режим его работы в координатах «Т-х» показаны на рис.4. В таком реакторе в первый слой направляется доля β от общего объема газа V₀ с температурой Т_1н. Оставшаяся часть с температурой Т_х.г. подается после первого слоя для охлаждения прореагировавшего в нем потока. Вместе с температурой меняется и степень превращения

Т_2н= Т_х.г.+ β(Т_1к- Т_х.г);   х_2н= βх_1к                                        (1)

    Объем катализатора в i-ом слое ν_кi=τV₀, и при заданной нагрузке на реактор V₀ условие оптимальности будет βτ₁+ τ_i=min

    Адиабатический  процесс в слое катализатора описывается  уравнением:

dx/dτ=W(x,T),    T=T_н+ΔТ_ад(х-х_н)

τ=

, где f(x,T)=1/W(x,T)

Между слоями в  теплообменниках степень превращения  не меняется :

х_iк=х_i+1,н                                    (2)

    Оптимальному  режиму отвечают следующие соотношения:

• Равенство скорости реакции в конце предыдущего и начале следующего слоев

W(x_ik,T_ik)=W(x_i+1,н,Т_i+1,н)

(для  i=1 надо учитывать связи (1), для i>1-(2));

• Интегральные выражения для слоев

=[x_1kf(x_1k,T_1k)- τ₁]/(Т_1н- Т_х.г);

=0, i=3,…..,N

f(x,T)=1/W(x,T); f_T(x,T)=df/dT 
 

рис. 4 Схема реактора окисления  SO₂ с адиабатическими слоями катализатора, вводом холодного газа после первого слоя и теплообменниками после остальных слоев (а) и диаграмма «Т-х» его режима (б):

К - слой катализатора; Т - теплообменник; х.г. - холодный газ;

х_р - равновесные степени превращения; Т_орт- оптимальные температуры; х_iк,Т_iн –степень превращения и температура перед i-м слоем; х_ik,T_ik – то же после слоя.

6.Метод решения математического описания ХТС. 

     Для расчета материального баланса  ХТС производства серной кислоты  воспользуемся комплексом программ SPT ХТС, она позволит рассчитать количества веществ, входящих в каждый аппарат и выходящих из него (результаты расчета смотри пункт 9). ХТС при этом представляем как совокупность расчетных элементов, соединенных между собой потоками.

     В SPT ХТС для решения системы алгебраических уравнений используется метод простой итерации. Все элементы расчетной схемы предварительно нумеруются от 1 до К. Расчет производится последовательно по аппаратам в направлении возрастающих их номеров.

     При наличии рециклов ( в нашем случае он есть) первоначально неизвестная  величина потока в рецикле задается равной нулю. После первого «прохода» получают некоторое значение величины рециркулирующего потока. Далее повторяют последовательно расчет с полученными значениями величин потока рециркуляции. Данную итерационную процедуру повторяют до тех пор, пока не удовлетворится неравенство:

     

<ε 

где G_i,вх, G_i,вых- величины входного и выходного потока i-ого компонента соответственно; ε – заданная точность расчета (в программе использовано значение ε=0,0001).

Результаты расчета  будут выведены на экран монитора в виде таблиц материального баланса по всем избранным элементам ХТС, а также в виде таблицы потоков ХТС. В таблицах материального баланса по элементам (аппаратам) ХТС данные о потоках представлены в массовых и объемных величинах по всем компонентам и потокам в целом, а также в процентном содержании компонентов в потоках.  
 

7.Оценка  количеств исходных  веществ для обеспечения  заданной производительности  по H₂SO₄ . 

Составим таблицу  материального баланса для нашей  ХТС.

Для удобства проводим все расчеты на час.

Для начала по заданной производительности серной кислоты  рассчитываем количество триоксида  серы:

SO₃+H₂O= H₂SO₄

N_теор(SO₃)=N(H₂SO₄)=2000/98=20,408кмоль

По условию  степень абсорбции SO₃ в абсорбере 99,9%, тогда можно составить пропорцию

100%  -  X

99.9% - 20,408   тогда X=N_практ(SO₃)=20,429кмоль

Далее находим  количество диоксида серы:

SO₂+0,5О₂=SO₃

N_теор(SO₂)=N(SO₃)=20,429кмоль

По условию  степень окисления SO₂ в SO₃ составляет 0,985, тогда составляем пропорцию 

100%  -  У

98,5% - 20,429    тогда У= N_практ(SO₂)=20,740кмоль

Теперь можно  найти количество серы, необходимой  для осуществления заданной производительности:

S₂+2O₂=2SO₂

N_теор(S₂)= N(SO₂)=20,470/2=10,370кмоль

Тогда масса  серы составит G(S₂)_теор= N_теор(S₂)*М(S₂)=10,370*64=663,68кг

По условию  сказано, что содержание негорючих  примесей в сере 0,5%мас., тогда составляем пропорцию для нахождения технической  массы серы

100%  -  Z

99,5% - 663,68   тогда Z=G_практ(S₂)=667,02кг

Следующим этапом находим необходимое количество кислорода (воздуха) для процесса:

Кислород нужен  в двух процессах:     1) S₂+2O₂=2SO₂

2) SO₂+0,5О₂=SO₃

1) N(O₂)=N(SO₂)=20,740кмоль

2) N(O₂)= N(SO₃)=10,215кмоль

тогда (О₂)=30,955кмоль

V(O₂)= N(O₂)*V_m=30,955*22,4=693,392м³

Зная  объемный процент кислорода в  воздухе можно посчитать объем  воздуха

21% - 693,392

100% - X            тогда X=V(возд)_теор=3301,867м³

N(возд)_теор=3301,867/22,4=147,405кмоль

По условию  коэффициент избытка воздуха  по стехиометрии составляет 1,5, тогда

N(возд)_практ=147,405*1,5=221,108кмоль

G(возд)_практ=221,108*29=6412,12кг

V(возд)_практ=221.108*22.4=4952,820м³

Рассчитаем  количество воды, необходимое на проведение данного процесса:

Для осуществления  реакции  SO₃+H₂O=H₂SO₄, количество необходимой воды равно

N_теор(Н₂O)=N(H₂SO₄)=20,408кмоль, тогда G(Н₂O)=20,408*18=367,344кг

Но вода в  процессе необходима также и для  разбавления 100%кислоты до товарного  продукта (кислота 99,5%масс.). По эмпирическому  правилу креста можно рассчитать количество воды необходимое для разбавления кислоты:

100%                                       99,5%                                                   1

                     99,5%                                делим на 99,5, тогда

0%                                             0,5%                                                    5,025*10^-3

2000 – 1ч

   X   - 5,025*10^-3    тогда X=G(Н₂О)=10,05кг  

Тогда общее  количество воды, необходимое для  процесса G(Н₂О)_практ=377,394кг