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.