Курсовые химико-технологических процессов

Задание Провести материальные расчеты и составить материальный баланс стадии гидратации ацетилена до ацетальдегида мощностью 60 тыс. т /год.
Исходные данные – производство работает 335 дней в году;
– содержание ацетальдегида в товарном продукте 99,5 % масс.;
– конверсия ацетилена в расчете на пропущенный ацетилен, поступивший со свежим и рециркулирующим газом, 50 %;
– мольное соотношение С₂H₂ : пар = 1 : 9;
– состав свежего технического ацетилена, % масс.:
ацетилен – 99,1;
метилацетилен – 0,6;
углекислый газ – 0,2;
азот – 0,1;
– состав циркулирующего ацетилена, % масс.:
ацетилен – 88,5; высшие ацетиленовые углеводороды – 3,2;
углекислый газ – 3,6;
водяной пар – 1,7;
водород – 0,6;
азот – 2,4.
Распределение превращенного ацетилена (в % масс.) на образование:
ацетальдегида – 88;
кротонового альдегида – 6,4;
ацетона – 2,8;
уксусной кислоты – 1,6;
метана – 0,4;
высших углеводородов – 0,8.
Потери ацетальдегида при ректификации 2 % масс.
Молекулярные массы, кг/кмоль:
ацетилен – 26;
ацетальдегид – 44;
кротоновый альдегид – 70;
ацетон – 58;
уксусная кислота – 60;
этиловый спирт – 46;
вода – 18;
углекислый газ – 44;
метан – 16.

Решение

В аппарате протекают реакции образования:

– ацетальдегида С₂Н₂ + Н₂O→ CH₃CHO; (1)

– ацетона 2C₂H₂ + 3Н₂O→ CH₃C(O)CH₃ + CO₂ + 2H₂; (2)

– метана С₂Н₂ + 2Н₂O→ CH₄ + CO₂ + H₂; (3)

– уксусной кислоты и этилового спирта 2C₂H₂ + 3Н₂O→ CH₃COOH+ C₂Н₅OH; (4)

– кротонового альдегида 2C₂H₂ + Н₂O→ CH₃CH=СНCHО. (5)

Часовая производительность по ацетальдегиду Пч = 60 000 ∙ 103/ (335 ∙ 24) = 7462,7 кг/ч.

Задание Составить материальный баланс реакторного узла процесса гидрирования фенола, если требуется получить 10000 т/год циклогексанола. Исходные данные:
– производство работает 8000 ч/год;
– массовое соотношение фенола к водороду на входе в реактор 1,9;
– чистота фенола 100 %.
Состав свежего технического водорода, % масс.:
водорода – 96;
азота – 4.
Состав "сдувки", % масс.:
водорода – 17,6;
азота – 82,4.
Степень превращения фенола и селективность по циклогексанолу в расчетах принять равными единице.

Решение

Реакция гидрирования фенола является обратимой:

C₆H₅ОН + 3Н₂ ↔ C₆H₁₁OH

Для сдвига равновесия вправо используют повышенное давление (0,8 –2 МПа) и избыток водорода (10 –30 кратный мольный), рециркулирующего в системе. Инертные вещества, присутствующие в техническом водороде, накапливаясь в системе и уменьшая парциальное давление водорода, сдвигают равновесие влево. Это вызывает необходимость "сдувки" части рецикла и компенсации потерянного при этом водорода....

Задание Составить материальный баланс стадии винилирования синильной кислоты ацетиленом в производстве 30000 т/год товарного акрилонитрила.
Исходные данные:
– производство работает 8296 ч /год;
– содержание акрилонитрила в товарном продукте 99,51%;
– объемное соотношение HCN:С2H2 = 1:17;
– HCN подается в избытке от стехиометрического количества 0,5 % масс.
Состав свежего технического ацетилена, % об.:
ацетилен – 99,2;
моновинилацетилен – 0,5;
углекислый газ – 0,2;
кислород – 0,02;
водород – 0,08.
Состав циркулирующего ацетилена, % об.:
ацетилен – 95,2;
моновинилацетилен – 0,2;
ацетальдегид – 1,2;
лактонитрил – 0,6;
углекислый газ – 0,1;
водяной пар – 0,5;
азот – 2,2.
Распределение превращенного ацетилена (в % масс.) на образование:
– акрилонитрила 81,03;
– ацетальдегида 4,11;
– винилацетилена 6,41;
– дивинилацетилена 2,33;
– лактонитрила 1,52;
– цианбутадиена 0,21;
– полимеров 4,39.
Потери акрилонитрила 2 % масс.
Потери ацетилена 1 % об. от превращенного.
Для вывода из слоя катализатора побочных продуктов подается вода в объемном отношении вода: ацетилен = 4,5.

Решение

Акрилонитрил образуется по реакции C₂H₂ + HCN→ CH₂=CH–CN. (1)

Побочные реакции:

– гидратация ацетилена в ацетальдегид C₂H₂ + Н₂O→ CH₃CHO; (2)

– димеризация ацетилена в винилацетилен 2C₂H₂ → CH₂=CH–C≡СН; (3)

– образование дивинилацетилена 3C₂H₂ → CH₂=CH–C≡С–СН=СН₂; (4)

– образование лактонитрила C₂H₂ + Н₂O+ HCN→ CH₃CH(OH)СN; (5)

– образование цианбутадиена 2C₂H₂ + HCN→ CH₂=CH–C(СN)=СН₂. (6)

Часовая производительность по акрилонитрилу Пч = 30000 × 1000/8296 = 3616,2 кг/ч.
Производительность в расчете на 100%-й акрилонитрил 3616,2 × 0,9951 = 3598,48 кг/ч.

Задание Провести материальные расчеты и составить материальный баланс стадии каталитического дегидрирования бутана до бутиленов производительностью по бутану 48 тыс. т/год.
Исходные данные:
– производство работает 8275 ч/год;
– конверсия бутана в расчете на пропущенный бутан, поступивший со свежим и рециркулирующим газом, 53,7 %;
– конверсия бутана без учета рецикла 98 %:
на образование бутиленов 92 %;
на образование метана и этана 4 %.
Состав свежего технического бутана, поступающего на окисление, мол.доли:
– бутан 0,96;
– легкие углеводороды 0,02;
– инертные примеси 0,02.
Состав газа, выходящего из реактора, мол.доли:
– бутан 0,285;
– легкие углеводороды 0,05;
– инертные примеси 0,018;
– бутилены 0,31;
– водород 0,337.
Состав бутиленовой фракции, мол.доли:
– бутан 0,01;
– легкие углеводороды 0,02;
– инертные примеси 0,005;
– бутилены 0,96;
– водород 0,005.
Молекулярные массы, кг/кмоль:
бутан – 58;
бутилен – 56;
легкие углеводороды – 24,67;
водород – 2;
инертные примеси – 28;
уголь –12.

Решение

При дегидрировании бутана до бутиленов в реактор поступает смесь свежего технического бутана с оборотным бутаном, получаемым после разделения продуктов реакции. На рис. 1 изображена схема материальных потоков.

Рис. 1. Схема материальных потоков:
1 – аппарат смешения; 2 – реактор; 3 – система разделения; N1 – свежий технический бутан; N2 – суммарный газ на входе в реактор; N3 – реакционный газ; N6 – рецикл бутана; N4 – топливный газ; N5 – бутиленовая фракция

При дегидрировании протекают реакции, в результате которых получается реакционный газ и на катализаторе откладывается уголь:

C₄H₁₀ → C₄H₈ + H₂, (1)

C₄H₁₀ → CH₄ + С₃H₆, (2)

C₄H₁₀ → C₂H₆ + С₂H₄, (3)

C₄H₁₀ → 2С + 2CH₄ + H₂. (4)

В данном примере расчет удобнее вести в кмоль/ч исходного технического бутана 48000000 / (8275 × 58) = 100 кмоль/ч. .....

Задание Провести материальные расчеты и составить материальный баланс производства этилбензола алкилированием бензола мощностью 200000 т/год этилбензола.
Исходные данные:
– состав каталитического комплекса, % масс.:
AlCl₃ (хлорид алюминия) – 20;
C₆H₆ (бензол) – 63;
ПАБ (полиалкилбензолы) – 10;
C₂H₅Cl (этилхлорид) – 7;
– из алкилатора выходит реакционная смесь следующего состава, % масс.:
C₆H₆ (бензол) – 45,
C₆H₅–C₂H₅ (этилбензол) – 40,
C₆H₄–(C₂H₅)₂ (диэтилбензолы) – 12,
C₆H₃–(C₂H₅)₃ (триэтилбензолы) – 6;
– в переалкилаторе дополнительно образуется 7% этилбензола;
– потери реакционной массы при промывке 5% масс.;
– после дросселирования испаряется 20% бензола;
– потери основного продукта на стадии ректификации незначительны и составляют 0,1%.

Решение

Производство состоит из четырех стадий: алкилирования, переалкилирования, промывки и ректификации.
Материальные расчеты ведем с учетом схемы материальных потоков производства (рис. 1).
В соответствии с нормативами на ремонт оборудования, которое будет использовано в схеме синтеза этилбензола, суммарное время простоя оборудования в год составляет 35 дней, тогда эффективный фонд времени работы оборудования:

t_эф = 365 - 35 =330 дней.

Рис.1. Схема материальных потоков производства этилбензола:
1 – алкилирование; 2 – переалкилирование; 3 – выделение бензола; 4 –промывка и нейтрализация; 5, 6, 7 –ректификация

Часовая производительность по этилбензолу Пч = 200000000 / (330 × 24) = 25252,5 кг/ч

С учетом потерь на ректификацию поступает продукта .....

Задание Провести материальные расчеты и составить материальный баланс производства м-толуиловой кислоты жидкофазным окислением м-ксилола кислородом воздуха.
Исходные данные:
– мощность 10000 т/год товарного продукта;
– процесс окисления протекает в присутствии нафтената кобальта с конверсией 32% и селективностью 100%;
– содержание влаги в товарной м-толуиловой кислоте (МТК) 38%;
– мольное отношение воздуха к подаваемому м-ксилолу – 3,73.

Решение

Схема материальных потоков с указанием стадий производства представлена на рис.1. Для расчета часовой производительности необходимо знать эффективный фонд времени работы оборудования.

Рис.1. Схема материальных потоков производства м-толуиловой кислоты:
1 – окисление; 2 – улавливание м-ксилола; 3 – синтез Na - соли м-толуиловой кислоты; 4 – разделение слоев; 5 – промывка и отделение м-ксилола; 6 – выделение м-толуиловой кислоты; 7 –промывка м-толуиловой кислоты

В соответствии с нормативами на ремонт оборудования, которое будет использовано в схеме синтеза МТК, суммарное время его простоя в год составляет 35 дней, тогда

tэф= 365 – 35 = 330 дней.

Часовая производительность по МТК:

Пч = 10000000 / (330 × 24) = 1262,6 кг/ч

Для расчета принимаем содержание влаги в товарной МТК равным 38%. Отсюда подсчитываем количество 100%-й МТК, необходимое для обеспечения производительности:

1262,6 × 62 / 100 = 782, 8 кг/ч.

Один из вариантов материальных расчетов предусматривает проведение их, начиная с конца схемы. В задачу расчета по этому варианту входит последовательное определение потерь продукта на всех стадиях производства с тем, чтобы с максимальной полнотой вычислить необходимое количество исходных продуктов для выполнения производственного задания.
Как следует из схемы (см. рис. 1), последней стадией синтеза МТК является промывка ее водой. Согласно исходным данным при промывке 2% МКТ уносится с промывными водами или 
782,8 × 0,02 = 15,65 кг/ч.
Следовательно, на фильтр для промывки подается МКТ
782,8 × 1,02 = 798,45 кг/ч. .....

Задание Провести материальные расчеты и составить материальный баланс производства винилхлорида гидрохлорированием ацетилена
мощностью 200000 т/год продукта.
Исходные данные:
– эффективный фонд времени работы оборудования 335 сут;
– состав реакционных газов, % масс.:
винилхлорид – 93;
ацетилен – 1,5;
ацетальдегид – 0,3;
дихлорэтан – 0,3;
хлористый водород – 4,9;
– потери основного продукта на стадии отмывки составляют 1,2 % масс.;
при ректификации – 0,8%.

Решение

Производство состоит из трех основных стадий: гидрохлорирование, отмывка от хлороводорода и ректификация. Материальные расчеты ведем с учетом схемы материальных потоков производства (рис. 1).

Рис. 1. Схема материальных потоков производства винилхлорида:
Р – реактор; Ск1 – Ск3 – скрубберы; С – сепаратор; РК1, РК2 – ректификационные колонны

Часовая производительность по винилхлориду:

Пч = 200000000 / 335× 24 =  24875,6 кг/ч.

С учетом потерь на ректификацию поступает продукта: 24875,6 / 0,992 = 25076,2.
Поскольку при промывке теряется 1,2 % продукта, то на стадии синтеза образуется винилхлорида

25076,2 / 0,988 = 25380,8 кг/ч.

Гидрохлорирование

В процессе гидрохлорирования протекают следующие реакции:

CH ≡ CH+HCl → CH₂ = CHCl; (1)

CH ≡ CH+ H₂O → CH₃ – CHO; (2)

CH ≡ CH+2HCl → CH₃ – CHCl₂. (3)

Задание Рассчитать и подобрать нормализованный кожухотрубчатый теплообменник для установки осушки воздуха. Гидравлическое сопротивление теплообменника по воздуху не должно превышать 5000 Па.
Исходные данные: 
Горячий теплоноситель - воздух;
холодный теплоноситель - вода технологическая;
температура воздуха на входе t1н = 60⁰С;
температура воздуха на выходе t1к = 20⁰С;
температура воды начальная t2н = 15⁰С;
давление воздуха на входе 0,8 МПа;
давление воды на входе 0,4 МПа;
объемный расход воздуха 30 м³/мин (при t= 20⁰С и р= 0,1 МПа)
объемный расход воды 0,075 м³/мин.

Решение

Основные теплофизические свойства теплоносителей, необходимые при расчете, приведены в таблицах 1,2,3. 

Таблица 1. Теплофизические свойства воды на линии насыщения 

Таблица 2. Теплофизические свойства сухого воздуха при атмосферном давлении

Таблица 3. Теплофизические свойства водяного пара на линии насыщения 

Задание Выполнить проектный расчет кожухотрубчатого холодильника для охлаждения раствора натриевой щелочи.
Исходные данные:
Водный раствор щелочи NаОН 10 % подается в трубное пространство.
Объемный расход раствора щелочи V1 = 20 м³/ч;
начальная температура раствора щелочи t_1н = 40 ^оС;
конечная температура раствора щелочи t_1к = 25 ^оС;
начальная температура воды t_2н = 20 ^оС;
конечная температура воды t_2к = 35 ^оС;
давление в межтрубном пространстве 0,6 МПа;
давление в трубном пространстве 0,6 МПа.

Решение

Определим:
1. среднюю разность температур при противоточном движении
Δt_б = 15 ^оC; Δt_м = 15 °С.
Так как Δt_б / Δt_м< 2, то 
Δtср = (Δtб + Δt_м) / 2 = (15+15) / 2 = 15 ⁰С
2. среднюю температуру воды
Δt2ср = (Δt2к + Δt2н) / 2 = (35+20) / 2 = 27 ^оС
3. среднюю температуру щелочи 
Δt1ср = (Δt1к + Δt1н) / 2 = (40+25) / 2 = 32,5 ^оС
Теплофизические свойства раствора щелочи при средней температуре:
плотность р₁ = 1103 кг/м³;
динамическая вязкость μ₁ = 1 ,39·10^-3 Па×с;
коэффициент теплопроводности λ₁ = 0,63 Вт/(м·К);
коэффициент теплоемкости с₁ = 3,3 кДж/(кг·К).
Теплофизические свойства воды приведены в табл. 1.
Далее определим:  количество передаваемой теплоты ....

Задание Рассчитать и подобрать нормализованный кожухотрубчатый конденсатор для охлаждения углеводородов этиленового ряда.
Исходные данные.
Расход углеводородов G1 = 3000 кг/ч,
температура углеводородов на входе в конденсатор t_1н = -22 ^оС, на выходе t_1к =  -28 ^оС.
Давление углеводородов 2,5 МПа.
Охлаждающая среда этан.
Температура этана на входе в конденсатор t_2н = - 43 ^оС, на выходе t_2к = - 30 ^оС.
Давление этана 1,8 МПа.
Углеводороды подаются в межтрубное пространство, этан - в трубное. 

Решение

Примем, что движение углеводородов в межтрубном пространстве близко к идеальному вытеснению. Тогда можно разбить. межтрубное пространство на две зоны - конденсации и охлаждения (рис. 1). По всей длине зоны конденсации темnература постоянна и равна температуре углеводородов на входе в аппарат, поскольку она близка к температуре конденсации при давлении 2,5 МПа.
Тогда тепловая нагрузка конденсатора

Q=Q₁ +Q₂ =rG₁ +G₁(Н_1к -Н_2к), где

Q1 - теплота, выделяемая при конденсации, Вт;

Q₂ - теплота, выделяемая при охлаждении жидкого конденсата, Вт;

r = 301,46 кДж/кг- теплота конденсации;

G₁ -массовый расход yглеводородов, кг/с;

Н_1к = 333,99 кДж/кг - энтальпия жидкого конденсата в начале зоны II;

Н_2к = 292,3 кДж/кг - энтальпия конденсата на выходе из аппарата.

Рис. 1 Схема распределения температур по длине конденсатора: 1- зона конденсации; II- зона охлаждения