Решение задачи оптимизации в химической промышленности

Задание

Решить задачу оптимизации процесса производства удобрений в MS Excel/ Mathcad.

Варианты заданий

Вариант 1

Предприятие производит два вида азотных удобрений: карбамид и нитрат аммония.

Компоненты для производства удобрений: аммиак, азотная кислота, углекислый газ.

При этом водород для синтеза аммиака получают паровой конверсией метана из природного газа (таблица 1)

Таблица 1 – Состав природного газа

компоненты	формула	содержание, % об
метан	CH4	94,5
этан	C2H6
пропан	C3H8
бутан	C4H10	0,3
пентан	C5H12	0,08
диоксид углерода	CO2	0,7
азот	N2	0,37
гелий	He	0,05

Суммарная реакция паровой конверсии метана:

CH4+2H₂O=CO₂+4H₂. Выход 80% об

Суммарная реакция синтеза аммиака

N₂+3H₂=2NH₃. Выход 30% об

Стоимость сырья:

аммиака= 10 т.р./т; азотная кислота= 30 т.р./т, СО2= 50 т.р./т

Стоимость продукции:

Карбамид= 40 т.р./т, аммиачная селитра 50 тыс.руб/т

Расходные коэффициенты компонентов на 1 тонну продукции представлены в таблице 2

Таблица 2 – Расходные коэффициенты

Сырье (на тонну готового продукта)	Производство нитрата аммония	Производство карбамида	Запасы по сырью
Природный газ, м3
Аммиак, т	0,22	0,58
Диоксид углерода, т	-	0,77
Азотная кислота, т	0,78	-

ЗАДАНИЕ

· Теоретическая часть

Производственный процесс паровой конверсии метана

· Практическая часть

1. Сделать чертеж схемы потоков.

2. Составить математическую модель

3. Определить, какое количество карбамида и селитры следует производить для того, чтобы обеспечить максимальную прибыль?

4. Составить материальный баланс процесса

5. Рассчитать требуемое количество СН₄ для полного использования диоксида углерода в процеcсе

6. Представить решение задачи в Excel и Mathcad, отчет в Microsoft Word

Вариант 2

Предприятие производит два вида азотных удобрений: карбамид и нитрат аммония.

Компоненты для производства удобрений: аммиак, азотная кислота, углекислый газ.

При этом водород для синтеза аммиака получают паровой конверсией метана из природного газа (таблица 1)

Таблица 1 – Состав природного газа

компоненты	формула	содержание, % об
метан	CH4	95,5
этан	C2H6
пропан	C3H8
бутан	C4H10	0,3
пентан	C5H12	0,08
диоксид углерода	CO2	0,7
азот	N2	0,37
гелий	He	0,05

Суммарная реакция паровой конверсии метана:

CH4+2H₂O=CO₂+4H₂. Выход 80% об

Суммарная реакция синтеза аммиака

N₂+3H₂=2NH₃. Выход 30% об

Стоимость сырья: аммиака= 10 т.р./т; азотная кислота= 30 т.р./т, СО2= 50 т.р./т

Стоимость продукции:Карбамид= 40 т.р./т, аммиачная селитра 70 тыс.руб/т

Расходные коэффициенты компонентов на 1 тонну продукции представлены в таблице 2

Таблица 2 – Расходные коэффициенты

Сырье (на тонну готового продукта)	Производство нитрата аммония	Производство карбамида	Запасы по сырью
Природный газ, м3
Аммиак, т	0,22	0,58
Диоксид углерода, т	-	0,77
Азотная кислота, т	0,78	-

ЗАДАНИЕ

· Теоретическая часть

Производственный процесс синтез аммиака. Оптимизация процесса

· Практическая часть

1. Сделать чертеж схемы потоков.

2. Составить математическую модель

3. Определить, какое количество карбамида и селитры следует производить для того, чтобы обеспечить максимальную прибыль?

4. Составить материальный баланс процесса

5. Рассчитать требуемое количество СН₄ для полного использования диоксида углерода в процеcсе

6. Представить решение задачи в Excel и Mathcad, отчет в Microsoft Word

Вариант 3

Предприятие производит два вида азотных удобрений: карбамид и нитрат аммония.

Компоненты для производства удобрений: аммиак, азотная кислота, углекислый газ.

При этом водород для синтеза аммиака получают паровой конверсией метана из природного газа (таблица 1)

Таблица 1 – Состав природного газа

компоненты	формула	содержание, % об
метан	CH4	95,5
этан	C2H6
пропан	C3H8
бутан	C4H10	0,3
пентан	C5H12	0,08
диоксид углерода	CO2	0,7
азот	N2	0,37
гелий	He	0,05

Суммарная реакция паровой конверсии метана:

CH4+2H₂O=CO₂+4H₂. Выход 80% об

Суммарная реакция синтеза аммиака

N₂+3H₂=2NH₃. Выход 30% об

Стоимость сырья: аммиака= 10 т.р./т; азотная кислота= 30 т.р./т, СО2= 50 т.р./т

Стоимость продукции:Карбамид= 40 т.р./т, аммиачная селитра 70 тыс.руб/т

Расходные коэффициенты компонентов на 1 тонну продукции представлены в таблице 2

Таблица 2 – Расходные коэффициенты

Сырье (на тонну готового продукта)	Производство нитрата аммония	Производство карбамида	Запасы по сырью
Природный газ, м3
Аммиак, т	0,22	0,58
Диоксид углерода, т	-	0,77
Азотная кислота, т	0,78	-

ЗАДАНИЕ

· Теоретическая часть

Производство удобрений. Типы удобрений. Современные технологии

· Практическая часть

1. Сделать чертеж схемы потоков.

2. Составить математическую модель

3. Определить, какое количество карбамида и селитры следует производить для того, чтобы обеспечить максимальную прибыль?

4. Составить материальный баланс процесса

5. Рассчитать требуемое количество СН₄ для полного использования диоксида углерода в процеcсе

6. Представить решение задачи в Excel и Mathcad, отчет в Microsoft Word

Вариант 4

Предприятие производит два вида азотных удобрений: карбамид и нитрат аммония.

Компоненты для производства удобрений: аммиак, азотная кислота, углекислый газ.

При этом водород для синтеза аммиака получают паровой конверсией метана из природного газа (таблица 1)

Таблица 1 – Состав природного газа

компоненты	формула	содержание, % об
метан	CH4	92,5
этан	C2H6
пропан	C3H8
бутан	C4H10	0,3
пентан	C5H12	0,08
диоксид углерода	CO2	0,7
азот	N2	0,37
гелий	He	0,05

Суммарная реакция паровой конверсии метана:

CH4+2H₂O=CO₂+4H₂. Выход 70% об

Суммарная реакция синтеза аммиака

N₂+3H₂=2NH₃. Выход 30% об

Стоимость сырья: аммиака= 10 т.р./т; азотная кислота= 30 т.р./т, СО2= 50 т.р./т

Стоимость продукции:Карбамид= 80 т.р./т, аммиачная селитра 70 тыс.руб/т

Расходные коэффициенты компонентов на 1 тонну продукции представлены в таблице 2

Таблица 2 – Расходные коэффициенты

Сырье (на тонну готового продукта)	Производство нитрата аммония	Производство карбамида	Запасы по сырью
Природный газ, м3
Аммиак, т	0,22	0,58
Диоксид углерода, т	-	0,77
Азотная кислота, т	0,78	-

ЗАДАНИЕ

· Теоретическая часть

Производство фосфорной кислоты. Фосфорных удобрений. Производство карбамида. Существующие и современные технологии

· Практическая часть

1. Сделать чертеж схемы потоков.

2. Составить математическую модель

3. Определить, какое количество карбамида и селитры следует производить для того, чтобы обеспечить максимальную прибыль?

4. Составить материальный баланс процесса

5. Рассчитать требуемое количество СН₄ для полного использования диоксида углерода в процеcсе

6. Представить решение задачи в Excel и Mathcad, отчет в Microsoft Word

Вариант 5

Предприятие производит два вида азотных удобрений: карбамид и нитрат аммония.

Компоненты для производства удобрений: аммиак, азотная кислота, углекислый газ.

При этом водород для синтеза аммиака получают паровой конверсией метана из природного газа (таблица 1)

Таблица 1 – Состав природного газа

компоненты	формула	содержание, % об
метан	CH4	92,5
этан	C2H6
пропан	C3H8
бутан	C4H10	0,3
пентан	C5H12	0,08
диоксид углерода	CO2	0,7
азот	N2	0,37
гелий	He	0,05

Суммарная реакция паровой конверсии метана:

CH4+2H₂O=CO₂+4H₂. Выход 70% об

Суммарная реакция синтеза аммиака

N₂+3H₂=2NH₃. Выход 20% об

Стоимость сырья: аммиака= 10 т.р./т; азотная кислота= 30 т.р./т, СО2= 50 т.р./т

Стоимость продукции:Карбамид= 80 т.р./т, аммиачная селитра 70 тыс.руб/т

Расходные коэффициенты компонентов на 1 тонну продукции представлены в таблице 2

Таблица 2 – Расходные коэффициенты

Сырье (на тонну готового продукта)	Производство нитрата аммония	Производство карбамида	Запасы по сырью
Природный газ, м3
Аммиак, т	0,25	0,58
Диоксид углерода, т	-	0,74
Азотная кислота, т	0,78	-

ЗАДАНИЕ

· Теоретическая часть

Производство карбамида. Существующие и современные технологии

· Практическая часть

1. Сделать чертеж схемы потоков.

2. Составить математическую модель

3. Определить, какое количество карбамида и селитры следует производить для того, чтобы обеспечить максимальную прибыль?

4. Составить материальный баланс процесса

5. Рассчитать требуемое количество СН₄ для полного использования диоксида углерода в процеcсе

6. Представить решение задачи в Excel и Mathcad, отчет в Microsoft Word

Вариант 6

Предприятие производит два вида азотных удобрений: карбамид и нитрат аммония.

Компоненты для производства удобрений: аммиак, азотная кислота, углекислый газ.

При этом водород для синтеза аммиака получают паровой конверсией метана из природного газа (таблица 1)

Таблица 1 – Состав природного газа

компоненты	формула	содержание, % об
метан	CH4	93,5
этан	C2H6
пропан	C3H8
бутан	C4H10	0,3
пентан	C5H12	0,08
диоксид углерода	CO2	0,7
азот	N2	0,37
гелий	He	0,05

Суммарная реакция паровой конверсии метана:

CH4+2H₂O=CO₂+4H₂. Выход 90% об

Суммарная реакция синтеза аммиака

N₂+3H₂=2NH₃. Выход 40% об

Стоимость сырья: аммиака= 15 т.р./т; азотная кислота= 30 т.р./т, СО2= 50 т.р./т

Стоимость продукции:Карбамид= 50 т.р./т, аммиачная селитра 70 тыс.руб/т

Расходные коэффициенты компонентов на 1 тонну продукции представлены в таблице 2

Таблица 2 – Расходные коэффициенты

Сырье (на тонну готового продукта)	Производство нитрата аммония	Производство карбамида	Запасы по сырью
Природный газ, м3
Аммиак, т	0,25	0,58
Диоксид углерода, т	-	0,74
Азотная кислота, т	0,78	-

ЗАДАНИЕ

· Теоретическая часть

Производство карбамида. Существующие и современные технологии

· Практическая часть

1. Сделать чертеж схемы потоков.

2. Составить математическую модель

3. Определить, какое количество карбамида и селитры следует производить для того, чтобы обеспечить максимальную прибыль?

4. Составить материальный баланс процесса

5. Рассчитать требуемое количество СН₄ для полного использования диоксида углерода в процеcсе

6. Представить решение задачи в Excel и Mathcad, отчет в Microsoft Word

Вариант 7

Предприятие производит два вида азотных удобрений: карбамид и нитрат аммония.

Компоненты для производства удобрений: аммиак, азотная кислота, углекислый газ.

При этом водород для синтеза аммиака получают паровой конверсией метана из природного газа (таблица 1)

Таблица 1 – Состав природного газа

компоненты	формула	содержание, % об
метан	CH4	93,5
этан	C2H6
пропан	C3H8
бутан	C4H10	0,3
пентан	C5H12	0,08
диоксид углерода	CO2	0,7
азот	N2	0,37
гелий	He	0,05

Суммарная реакция паровой конверсии метана:

CH4+2H₂O=CO₂+4H₂. Выход 90% об

Суммарная реакция синтеза аммиака

N₂+3H₂=2NH₃. Выход 30% об

Стоимость сырья: аммиака= 15 т.р./т; азотная кислота= 30 т.р./т, СО2= 50 т.р./т

Стоимость продукции:Карбамид= 50 т.р./т, аммиачная селитра 70 тыс.руб/т

Расходные коэффициенты компонентов на 1 тонну продукции представлены в таблице 2

Таблица 2 – Расходные коэффициенты

Сырье (на тонну готового продукта)	Производство нитрата аммония	Производство карбамида	Запасы по сырью
Природный газ, м3
Аммиак, т	0,22	0,58
Диоксид углерода, т	-	0,78
Азотная кислота, т	0,78	-

ЗАДАНИЕ

· Теоретическая часть

Синтез метанола. Существующие и современные технологии

· Практическая часть

1. Сделать чертеж схемы потоков.

2. Составить математическую модель

3. Определить, какое количество карбамида и селитры следует производить для того, чтобы обеспечить максимальную прибыль?

4. Составить материальный баланс процесса

5. Рассчитать требуемое количество СН₄ для полного использования диоксида углерода в процеcсе

6. Представить решение задачи в Excel и Mathcad, отчет в Microsoft Word

Вариант 8

Предприятие производит два вида азотных удобрений: карбамид и нитрат аммония.

Компоненты для производства удобрений: аммиак, азотная кислота, углекислый газ.

При этом водород для синтеза аммиака получают паровой конверсией метана из природного газа (таблица 1)

Таблица 1 – Состав природного газа

компоненты	формула	содержание, % об
метан	CH4	93,5
этан	C2H6
пропан	C3H8
бутан	C4H10	0,3
пентан	C5H12	0,08
диоксид углерода	CO2	0,7
азот	N2	0,37
гелий	He	0,05

Суммарная реакция паровой конверсии метана:

CH4+2H₂O=CO₂+4H₂. Выход 80% об

Суммарная реакция синтеза аммиака

N₂+3H₂=2NH₃. Выход 30% об

Стоимость сырья: аммиака= 15 т.р./т; азотная кислота= 30 т.р./т, СО2= 50 т.р./т

Стоимость продукции:Карбамид= 50 т.р./т, аммиачная селитра 60 тыс.руб/т

Расходные коэффициенты компонентов на 1 тонну продукции представлены в таблице 2

Таблица 2 – Расходные коэффициенты

Сырье (на тонну готового продукта)	Производство нитрата аммония	Производство карбамида	Запасы по сырью
Природный газ, м3
Аммиак, т	0,22	0,58
Диоксид углерода, т	-	0,78
Азотная кислота, т	0,78	-

ЗАДАНИЕ

· Теоретическая часть

Силикатная промышленность. Сырье. Продукция. Существующие и современные технологии

· Практическая часть

1. Сделать чертеж схемы потоков.

2. Составить математическую модель

3. Определить, какое количество карбамида и селитры следует производить для того, чтобы обеспечить максимальную прибыль?

4. Составить материальный баланс процесса

5. Рассчитать требуемое количество СН₄ для полного использования диоксида углерода в процеcсе

6. Представить решение задачи в Excel и Mathcad, отчет в Microsoft Word

Вариант 9

Предприятие производит два вида азотных удобрений: карбамид и нитрат аммония.

Компоненты для производства удобрений: аммиак, азотная кислота, углекислый газ.

При этом водород для синтеза аммиака получают паровой конверсией метана из природного газа (таблица 1)

Таблица 1 – Состав природного газа

компоненты	формула	содержание, % об
метан	CH4	93,5
этан	C2H6
пропан	C3H8
бутан	C4H10	0,3
пентан	C5H12	0,08
диоксид углерода	CO2	0,7
азот	N2	0,37
гелий	He	0,05

Суммарная реакция паровой конверсии метана:

CH4+2H₂O=CO₂+4H₂. Выход 70% об

Суммарная реакция синтеза аммиака

N₂+3H₂=2NH₃. Выход 30% об

Стоимость сырья: аммиака= 15 т.р./т; азотная кислота= 30 т.р./т, СО2= 50 т.р./т

Стоимость продукции:Карбамид= 50 т.р./т, аммиачная селитра 80 тыс.руб/т

Расходные коэффициенты компонентов на 1 тонну продукции представлены в таблице 2

Таблица 2 – Расходные коэффициенты

Сырье (на тонну готового продукта)	Производство нитрата аммония	Производство карбамида	Запасы по сырью
Природный газ, м3
Аммиак, т	0,22	0,58
Диоксид углерода, т	-	0,78
Азотная кислота, т	0,78	-

ЗАДАНИЕ

· Теоретическая часть

Металлургическое производство. Черная металлургия. Сырье. Продукция. Существующие и современные технологии

· Практическая часть

1. Сделать чертеж схемы потоков.

2. Составить математическую модель

3. Определить, какое количество карбамида и селитры следует производить для того, чтобы обеспечить максимальную прибыль?

4. Составить материальный баланс процесса

5. Рассчитать требуемое количество СН₄ для полного использования диоксида углерода в процеcсе

6. Представить решение задачи в Excel и Mathcad, отчет в Microsoft Word

Вариант 10

Предприятие производит два вида азотных удобрений: карбамид и нитрат аммония.

Компоненты для производства удобрений: аммиак, азотная кислота, углекислый газ.

При этом водород для синтеза аммиака получают паровой конверсией метана из природного газа (таблица 1)

Таблица 1 – Состав природного газа

компоненты	формула	содержание, % об
метан	CH4	93,5
этан	C2H6
пропан	C3H8
бутан	C4H10	0,3
пентан	C5H12	0,08
диоксид углерода	CO2	0,7
азот	N2	0,37
гелий	He	0,05

Суммарная реакция паровой конверсии метана:

CH4+2H₂O=CO₂+4H₂. Выход 70% об

Суммарная реакция синтеза аммиака

N₂+3H₂=2NH₃. Выход 30% об

Стоимость сырья: аммиака= 15 т.р./т; азотная кислота= 20 т.р./т, СО2= 60 т.р./т

Стоимость продукции:Карбамид= 40 т.р./т, аммиачная селитра 50 тыс.руб/т

Расходные коэффициенты компонентов на 1 тонну продукции представлены в таблице 2

Таблица 2 – Расходные коэффициенты

Сырье (на тонну готового продукта)	Производство нитрата аммония	Производство карбамида	Запасы по сырью
Природный газ, м3
Аммиак, т	0,22	0,58
Диоксид углерода, т	-	0,78
Азотная кислота, т	0,78	-

ЗАДАНИЕ

· Теоретическая часть

Металлургическое производство. Цветная металлургия. Сырье. Продукция. Существующие и современные технологии

· Практическая часть

1. Сделать чертеж схемы потоков.

2. Составить математическую модель

3. Определить, какое количество карбамида и селитры следует производить для того, чтобы обеспечить максимальную прибыль?

4. Составить материальный баланс процесса

5. Рассчитать требуемое количество СН₄ для полного использования диоксида углерода в процеcсе

6. Представить решение задачи в Excel и Mathcad, отчет в Microsoft Word

Литература

1. Лисицын Н.В., Викторов В.К., Кузичкин Н.В. Химико-технологические системы: Оптимизация и ресурсосбережение. – СПб.: Менделеев, 2007. – 312 с.

2. Лисицын Н.В., Батраков С.Ю. Построение математической модели типового технологического процесса с использованием промышленного программного обеспечения Методические указания к лабораторной работе – СПб: СПб ГТИ(ТУ), 2007. -14с.

3. PIMS System Reference, version 9.0 , documentation: Houston, Texas: Aspen Technology, 1997. – 328 p.

4. HYSYS. Process, version 3.2, documentation: Customization Guide. Cambridge (USA): Aspentech, 2003. – 332 p.