Основные проектные решения
Работа над дипломным проектом предполагает глубокое теоретическое изучение научно-технической ипатентной литературы (глубиной не менее 6лет) по интересующему студента вопросу (например по реферативным журналам «Химия», отраслевым журналам «Химическая промышленность», «Неорганические материалы" и т.д.).Важным источником информации являетсятакже литература, имеющаяся на предприятии, где студентпроходитпреддипломнуюпрактику (регламент производства, отчетыирекомендации проектных институтов, ЦЗЛит.д.). Большую помощь могут оказать студенту и заводские руководители по выявлению «узких мест» втехнологическом процессе.
При отсутствии возможности прохождения производственной практики выполнение дипломного проекта будет базироваться лишь на использовании доступной литературы. Однако это потребует от студента значительно больших затрат труда ипроявления инициативы иактивности.
Bыбориобоснование метода производства-этоодин из основных подразделов, вкотором должны найти отражение следующие вопросы:
– основные методы производства, их достоинства инедостатки;
– обоснование выбора сырья, источник его получения, квалификация (степень чистоты), вопросы перевозки;
– основные положения проектируемого производства (прогрессивные решения автора иожидаемые результаты от этих новшеств);
– предложения по использованию новейшего оборудования итехнологической оснастки;
–возможность автоматизации технологического процесса.
Проектируемое производство должно иметь:
– минимальное количество выбросов вокружающую среду;
– комфортные условия труда для работающих;
– достаточно простую, сминимальным числом операций, технологическую схему.
В конце данного подраздела необходимо изложить основные отличия предлагаемой технологии от существующей, указать достоинства и недостатки предлагаемой технологии.
Вслучае, если дипломный проект посвящен реконструкции действующего цеха, следует всесторонне обосновать возможность его реконструкции, а также положительный эффект от такой операции.
Выбор места строительства–данный подраздел включается в пояснительную записку дипломного проекта только при проектировании объекта всоставе нового предприятия. При этом следует учитывать следующие основные факторы: наличие сырьевой базы, энергетических ресурсов, источников водоснабжения, кадров, рынки сбыта, возможность кооперирования сдругими предприятиями, климатические условия, вопросы транспортировки сырья иготовой продукции ит.п.
С учетом вышесказанного студентам предпочтительно дать задание на дипломное проектирование реконструкцию действующего производства.
В подразделе «патентный поиск» описывается методика, предмет и результаты поиска, атакже дается заключение овозможности использования найденных изобретений при разработке дипломного проекта.
При этом предпочтение должно быть отданоинновационным технологиям, направленным на решение основных проблем:
– возможность переработки низкокачественного сырья;
– уменьшение энергетических расходов на переработку;
– уменьшение антропогенного воздействия на природу.
Особое внимание необходимо уделить поиску способов производства, предусматривающих использование различныхнанотехнологий на тех или иных стадиях процесса.
Проектные предложения-вданном подразделе излагаютсяорганизационные, технологические итехнические решения, положенные студентом воснову проекте нового или реконструируемого производства сцелью его усовершенствования. Нововведения должны быть направлены нарешение следующих основных задач:
– более высокий выход целевого продукта;
– повышение его качества;
– снижение энергетических итрудовых затрат;
– улучшение условий труда;
– утилизация или обезвреживание отходов.
Особоевнимание надо уделить обоснованию предлагаемых новшеств. Стадии технологического процесса, где вводятся изменения, должны быть описаны подробно.
Пример: на основании изучения патентного материала студент предлагает на одной из стадий производства, например, гипсовых вяжущих, ввести определенные добавки наночастиц различных веществ. При этом он должен обосновать цель (улучшение прочности гипсовых изделий или других его показателей), решить вопросы аппаратурногооформления (тип дозатора;способ диспергирования наночастиц; способ перемешивания, обеспечивающего гомогенное распределение наночастиц в большом объеме вяжущего и т.д.), а такжепривести подробное описание физико-xимических процессов, протекающих при введении указанной добавки.
Необходимые расчеты по обоснованию новых проектных предложений могутбыть приведены всоответствующих разделах или непосредственно вданном разделе.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Это один из основных разделов впроекте студента-технолога ион должен состоять из следующих подразделов:
– теоретические основы процессов;
– характеристика сырья иматериалов, целевых ипобочных продуктов; – операционное описание технологического процесса.
3.2.1 Теоретические основы процессов
Здесь излагаются физико-химияимеханизм процессов, влияние основных параметров (температуры, продолжительности, давления, катализаторов, качества исходного сырья ит.п.) на выход икачество конечных продуктов. Роль технологических факторов подкрепляется рисунками, диаграммами, таблицами. При этом общеизвестные материалы излагаются сжато, ановейшие литературные сведения необходимо излагать более подробно. Заканчивается раздел обоснованием оптимальных параметров технологического процесса.
3.2.2 Характеристика сырья и материалов,
целевых и побочных продуктов
В данном разделе приводятся требования межгосударственных (ГОСТ), отраслевых (ОСТ) стандартов или технических условий (ТУ) на изготовляемое вещество или материал.
Показатели качества исходного сырья иматериаловцелесообразно привести в пояснительной записке ввиде таблицы 1.
Если существует возможность получения данного продукта из различных видов сырья, то следует провести сравнительный технико-экономический анализ ипредложить оптимальное решение.
Таблица.1-Характеристика сырья иматериалов
| Наименование сырья и материалов | Нормативный документ | Показатели, обязательные для проверки | Регламентируемые показатели с допуском |
| 1.Кислота ортофосфорная термическая | ГОСТ 10678-76 | 1.Массовая доля Н3РО4, % 2…………… | н.м. 73 |
| 2. Гипсовый камень | ГОСТ 10678-76 | 1.Массовая доля СаSО4*H2О, % 2…………… | н.м. 95 |
| 3. |
Необходимо указать такжеосновные физические ихимические константывеществ (молярная масса, температуры превращений, плотность, энтальпияит.д.). Кроме того должно бытьдано достаточно подробное кристаллохимическоеописание исходных минералов иполучаемых веществ.
В данном разделе дается описание содержания каждой стадии суказанием позиции аппарата. При этом описание каждой стадии оформляется отдельным пунктом (подпунктом). Из описания должно бытьясно направление движения материальных потоков по реакторам иаппаратам. Кроме того необходимо указать режим их работы (время выдержки,допустимый температурный интервал содержимого реактора или аппарата, наличие давления или вакуума, частота вращения мешалки ит.д.). После упоминания названия аппарата в круглых скобках указывается его позиция (номер, стоящий на технологической схеме).
На схеме должны найти отражение те новшества, которые предлагает дипломник.
Черновой варианттехнологической схемы целесообразно разработать впериод производственной практики и обсудить его сзаводскими специалистами.
РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
Данный раздел включает материальные итепловые расчеты, расчет иподбор прогрессивного оборудования для выполнения различных операций (перемешивание, фильтрование, измельчение,фасовкаит.д.), определение ихколичества, атакже другие необходимые расчеты сцелью подтверждения эффективности работы взаданных условиях.
Материальные расчеты
Материальные расчеты проводятся на основе закона сохранения вещества сцелью определения необходимого количества сырья ивспомогательных материалов; количества циркулирующих впроцессе веществ; образующихсястоков ивыбросов. Они позволяют установить:
– расходные коэффициентысырья на 1т готового продукта;
– количество сырья и материалов, загружаемых ваппарат;
– количество отходов, сточных вод игазовых выделений.
В результате указанных расчетов получают исходные данные, необходимые для расчета основного ивспомогательного оборудования, атакже технико--экономических показателей.
Критерием правильности произведенных материальных расчетов является материальный балансвеществ или отдельных компонентов, участвующих впроцессе. Различают материальный баланс всего производства, отделения иотдельного аппарата.
В технологии неорганических веществ иматериалов основой для расчета является уравнение химической реакции. До составления баланса необходимо определить часовую или суточную производительность отделения (цеха),достоверно учитывать степень использования материалов иустановитьобоснованные величины потерь на разных стадиях производства (обычно их принимаютпо данным действующих предприятий).
При непрерывном методе производства, как правило, составляется часовой материальный баланс, при периодическом -суточный.Вотдельных случаях основанием для материальных расчетов принимают 1тиспользуемогосырьяили 1тполучаемой продукции. Врасчетах конечная неувязка баланса допускается до 0,5% (из-за округления чисел при расчетах). Вкачестве примера втабл.2и 3представлен материальный баланс сжигания серногоколчедана (основное вещество FeS2)впроизводстве Н2SО4·и варки гипса (СаSО4·2Н2О)в производстве алебастра (СаSО4·0,5Н2О).
Таблица 2 – Материальный баланс сжигания 1 т колчедана
| Приход | кг | куб.м | Расход | кг | куб.м | |
| 1.Колчедан.влажный | – | 1.Огарок | – | |||
| в т.ч.колчедан сухой | – | 2.Печной газ, | ||||
| в т.ч.влага | в т.ч.SО2 | |||||
| 2.Воздух влажный | в т.ч.SО3 | |||||
| в т.ч. О2 | в т.ч.О2 | |||||
| в т.ч. N2 | в т.ч.N2 | |||||
| в т.ч. влага | в т.ч.H2О | |||||
| Всего: | Всего: |
Таблица 3. -Материальный баланс варки гипса
| Приход | кг | куб.м | Расход | кг | куб.м | |
| 1.Гипс влажный | – | 1.Алебастр | – | |||
| в т.ч. | 2.Пар, | |||||
| гипс сухой | – | в т.ч. | ||||
| влага | H2О | |||||
| Всего: | Всего: |
Необходимо такжепривести расчетные данные опотребности всырье и материалах всмену, сутки, месяц игод.
3.3.1.1Методика составления материального баланса
Материальный баланс составляется отдельно на каждую стадию производства (далее на производство в целом).
Материальный баланс предыдущих стадий используются далее для составления материальных балансов последующих стадий.
Материальный баланс составляется на производство единицы целевого продукта (1т твердого вещества; жидкости, 1м3 газа и т.д.)
На практике обычно сначала составляют материальный баланс производства целевого продукта из 1 т основного сырья.
Далее пересчитывают баланс на производство 1 т целевого продукта.
Дано:
–произвгодительность посырью (с примесями)– Х1=1000кг;
– масса примесей основного сырья –ХП1 = 5 %
– масса примесей вспомогательного сырья –ХП2 = 79 %
Найти: выход целевого продукта (в кг и %);
Решение:
Записывают реакцию и уравнивают ее (суммы масс левой и правой частей должна быть равны).
| Проверка нуля: | |||||
| МВ: | 32 г | 2∙16 г | 64 г | (32+2∙16) – 64 = 0 ! | |
| S + | О 2 | = | SО 2 | ||
| Х1(S) | Х2(O2) | Y(SО2) |
Приход (расчет массы сырья в кг)
1.Масса основного сырья – серы ( S) равна:
Х1(S) = Х1 ∙ (100 – ХП1 )/ 100 = 1000 кг ∙ (100 –5%) /100 % = 950 кг
2.Масса примесей основного сырья (техн. серы):
Х1(Пр) = Х1 – Х1(S) = 1000 кг – 950 кг = 50 кг
3.Масса кислорода Х2(O2) равна:
Х2(O2)= Х1(S) ∙ 2 ∙ МВ(O2)/ МВ(S) = 950 кг ∙ 2∙ 16 г / 32 г = 950 кг
4.Масса вспомогательного сырья – воздуха (Х2) равна:
Х2 = Х2(O2) ∙ 100 %/ (100 % – ХП2 ) =
= 950 кг ∙ 100 % / (100 % – 79 %) = 4523,81 кг
5.Масса примесей воздуха (N2 , CO2 и др. газы):
Х2(Пр) = Х2 – Х2(O2) = 4523,81 кг – 950 кг = 3573,81 кг
6. Сумма масс реагирующих веществ (Х):
Х (Р)= Х1(S) + Х2(O2) = 950 кг + 950 кг =1900 кг
7. Сумма масс примесей сырья (ХП ):
ХП = ХП1 + ХП2 = 50 кг + 3573,81 кг = 3623,81 кг
8. Сумма масс сырья (Х ):
Х = Х1 + Х2 = 1000 кг + 4523,81 кг =5523,81 кг
Приход (расчет массы сырья в процентах)
9. Процент основного сырья – техн. серы:
Х1% = Х1 ∙ 100 % / Х = 1000 кг ∙ 100% /5523,81 кг = 18,10 %
10. Процент серы ( S):
Х1(S)% = Х1(S) ∙ 100 % / Х = 950 кг ∙ 100% /5523,81 кг = 17,20 %
11. Процент примесей в технической сере:
Х1(Пр) % = Х1(Пр) ∙ 100 % / Х = 50 кг ∙ 100% /5523,81 кг = 0,91 %
12. Процент вспомогательного сырья – воздуха:
Х2% = Х2 ∙ 100 % / Х = 4523,81 кг ∙ 100% /5523,81 кг = 81,90 %
13. Процент кислорода (O2):
Х2(O2)% = Х2(O2) ∙ 100 % / Х = 950 кг ∙ 100% /5523,81 кг = 17,20 %
14. Процент примесей в воздухе:
Х2(Пр) % = Х2(Пр) ∙100 % / Х = 3573,81 кг ∙100% /5523,81 кг = 64,70%
15. Сумма масс сырья (Х% ):
Х% = Х1% + Х2% = 18,10 % +81,90 %= 1000 %
Расход (расчет массы продуктов в кг)
16.Масса чистого оксида серы (SO2) равна:
Y(SO2) = Х1(S) ∙ МВ(SO2 ) / МВ(S) = 950 кг ∙ 64 г / 32 г = 1900 кг
17.Масса примесей продукта:
Y(Пр) = Х1(Пр) + Х1(Пр) = 50 кг + 3573,81 кг = 3623,81 кг
18.Масса продукта (печной газ):
Y =Y(SO2) + Y(Пр) = 1900 кг +3623,81 кг = 5523,81 кг
Расход (расчет массы продуктов в процентах)
19. Процент продукта (печной газ):
Y % =Y ∙ 100 % / Y = 5423,81 кг∙100% /5523,81 кг =100%
20. Процент чистого оксида серы (SO2):
Y(SO2) % = Y(SO2) ∙ 100 % / Y = 1900 кг ∙ 100% /5523,81 кг = 34,40%
21. Процент примесей в продукте (печной газ):
Y(Пр) % = Y(Пр) ∙ 100 % / Y = 3623,81 кг ∙ 100% /5523,81 кг = 65,60%
3.3.1.2. Материальный баланс в EXCEL
Материальный балансотдельной стадии производства в EXCEL представлен нижена примере получения печного газа в производстве серной кислоты и производства в целом
Пример 1.
Составить материальный баланс отделения сжигания серы производства серной кислоты Н2SО4:
S + О2 =SО2
Производительность: S(сырье) –1000 кг
Содержание примесей: в техн. сере – 5 % (тв. примеси);
в атмосферном воздухе – 79 % (N2и др. газы)
| В | С | D | E | F | G | H | I | J | |
| Отделение сжигания серы | |||||||||
| Дано:Производительность по техн. сере (сырье), кг | |||||||||
| Примеси: | в техн. сере (твердые примеси), % | ||||||||
| в воздухе (N2 , СО2 и др газы), % | |||||||||
| Проверка уравнения | |||||||||
| Мв (сумма) | |||||||||
| Мв, г | |||||||||
| Реакция | S + | O2 | = | SO2 |
| Таблица 1 - Материальный баланс | |||||||||
| B | C | D | E | F | G | H | I | J | |
| Приход | Расход | ||||||||
| Масса, кг | % | Масса, кг | % | ||||||
| Сырье | Сырье | Вещество | примеси | Про- дукты | Продукты | Компо- ненты | |||
| 1.Техн. сера | 18,1 | 1. Газ печной | |||||||
| в т.ч. S | 17,2 | в т.ч.SO2 | 34,4 | ||||||
| примесь 1(тв) | 0,9 | примеси 1 (т) | 0,9 | ||||||
| 2. Воздух | 81,9 | примеси (2) | 64,7 | ||||||
| в т.ч. О2 | 17,2 | ||||||||
| примесь 2 (N2 и др) | 64,7 | ||||||||
| Cумма(кг) | Cумма(кг) | ||||||||
| Сумма(%) | Сумма(%) |
| Содержимое ячеек | ||
| № ячейи | Приход, кг | Формула |
| 1.C14 | Исходная масса серы технической | 1000 (дано) |
| 2. D15 | Масса необходимой чистой серы | =С14*(100-J4)/100 |
| 3.E16 | Масса примесей техн. серы | =С14-D15 |
| 4.D18 | Масса О2, реагирующего с серой | =D15*E7/D7 |
| 5.C17 | Масса атмосферного воздуха | =D18*100/(100-J5) |
| 6.E19 | Масса примесей воздуха (N2, СО2) | =C17-D18 |
| 7.C20 | Суммарная масса всего сырья | =CУММ(C14:C19) |
| 8.D20 | Масса реагирующих компонентов | =CУММ(D15:D19) |
| 9.E20 | Суммарная масса примесей | =CУММ(E16:E19) |
| Приход, % | ||
| 10. F14 | Процент технической серы ( от массы всего сырья) | =С14*100/$C$20 |
| 11. F15 | Процент S в техн. сере | =D15*$F$21/$C$20 |
| 12. F16 | Процент примесей в техн. сере | =E16*100/$C$20 |
| 13. F17 | Процент воздуха (от массы сырья) | =C17*100/$C$20 |
| 14. F18 | Процент О2 в воздухе | =D18*100/$C$20 |
| 15. F19 | Процент примесей в воздухе | =E19*100/$C$20 |
| 16. F21 | Сумма процентов компонентов (100%) | = (F14+F17) |
| Расход, кг | ||
| 17.I15 | Масса образовавшегося SO2 | =D15*G7/D7 |
| 18.I16 | Масса примесей техн. серы | =E16 |
| 19.I17 | Масса примесей воздуха | =E19 |
| 20.Н14 | Масса печного газа | =I15+I16+I17 |
| 21.H20 | Сумма продуктов | =CУММ(H14:H19) |
| 22.I20 | Сумма компонентов продуктов | =CУММ(I15:I20) |
| Расход, % | ||
| 23. J14 | Процент печного газа | =H14*100/Н20 |
| 24. J15 | Процент SО2 в печном газе | =I15*100/$Н$20 |
| 25. J16 | Процент примесей (из техн. серы) | =I16*100/$Н$20 |
| 26. J17 | Процент примесей (из воздуха) | =I17*100/$Н$20 |
| 27. J21 | Сумма процентов компонентов(100%) | = J14 |
Пример 2.Составить материальный баланс
получения серной кислоты (Н2SО4) из 1ттехнической серы
S + 1,5О2 + Н2О = Н2SО4
Производительность: сера техн.(исходное сырье)–1000 кг
Примеси: в техн. сере – 5 % (тв. примеси); в воздухе – 79 % (N2, СО2 и др.) в технической воде – 2 % (жидкие примеси)
| В | С | D | E | F | G | H | I | J | |
| Производство серной кислоты | |||||||||
| Дано:Производительность по техн. сере (сырье), кг | |||||||||
| Примеси: | 1-й компонент (сера техн.), % | ||||||||
| 2-й компонент (воздух), % | |||||||||
| 3-й компонент (воздух), % | |||||||||
| Проверка уравнения | |||||||||
| Мв (сумма) | |||||||||
| Мв, г | |||||||||
| Реакция | S + | 1,5O2+ | Н2O | = | Н2SO4 |
| Таблица 2.10 - Материальный баланс производства Н2SO4 | ||||||||||||
| B | C | D | E | F | G | H | I | J | ||||
| Приход | Расход | |||||||||||
| Масса, кг | % | Масса, кг | % | |||||||||
| Сырье | Сырье | Вещес- тво | примеси | Про- дукты | Про- дукты | Компо- ненты | ||||||
| 1.Техн.сера | 1. СК | 35,7 | ||||||||||
| в т.ч. S | 11,4 | в т.ч. Н2SO4 | 34,9 | |||||||||
| примесь 1(тв) | 0,6 | примеси 1 (т) | 0,6 | |||||||||
| 2. Воздух | 81,5 | примеси 3 (ж) | 0,1 | |||||||||
| в т.ч. О2 | 17,1 | 2. Газы | 64,4 | |||||||||
| примесь 2 (N2 и др) | 64,4 | примеси 2 (г) | 64,4 | |||||||||
| 3. Вода | 6,5 | |||||||||||
| в т.ч. Н2О | 6,4 | |||||||||||
| примесь(ж) | 0,1 | |||||||||||
| Cумма, кг | Cумма(кг) | |||||||||||
| Сумма, % | Сумма(%) | |||||||||||
Тепловые расчеты
Тепловые расчеты выполняются на основе закона сохранения сцелью:
- установления энергетических затрат или энергосъемадля проведения
процесса;
- определения поверхностей охлаждения или нагрева аппаратов;
- расчета количества охлаждающих (холодная вода)или нагревающихреагентов (пар, горячая вода ит.д.).
При этом определяется такжевеличина циркулирующих потоков, обуславливающих технологические параметры процесса, Врасчетах величины теплопотерьво внешнюю среду определяют исходя из наружной температурыстенки аппарата итабличных значений коэффициентов теплоотдачи,или ихпринимают по данным действующего предприятия. Правильность выполнения расчетов проверяется тепловым балансом. Пример теплового баланса, составленного сиспользованием данных материального баланса, представлен втаблице 4.
Методика материальных итепловых расчетов некоторых основных производств неорганических веществ подробно освещена в [46].
При курсовом проектировании достаточно проводить тепловые расчеты для одного из отделений, в дипломном проекте необходимо приводить расчеты всего производства.
Таблица 4—Тепловой баланс сжигания 1т колчедана
| Приход | кДж | Расход | кДж |
| 1.С влажным колчеданом, | 1.С огарком | ||
| в т.ч. | 2.С обжиговым газом, | ||
| с FeS2 | 3.Теплопотери | ||
| с влагой колчедана | 4.Теплота,используемая на получение пара | ||
| 2.С влажным воздухом | |||
| в т.ч. с сухим воздухом | |||
| в т.ч. с влагой воздуха | |||
| 3. От горения FeS2 | |||
| Всего: | Всего: |
Таблица 5—Тепловой баланс варки 1т гипсового камня
| Приход | кДж | Расход | кДж |
| 1.С влажным гипсовым камнем | 1.С алебастром | ||
| в т.ч. | 2.С паром | ||
| с сухим гипсом | 3.Теплопотери | ||
| с влагой гипса | 4.Теплота, используемая на получение пара | ||
| 2. От горения газа | |||
| Всего: | Всего: |
3.3.2.1 Методика составления теплового баланса
Баланс сохранения тепла условно можно записать так:
S (QСЫРЬЕ + QСРЕАКЦИИ ) = S (QПРОДУКТЫ + QПОТЕРИ + QОТВОД)
| где | QСЫРЬЕ – теплота, приходящая с сырьем; QРЕАКЦИИ – теплота, выделяемая при экзотермических реакциях (или поглощаемая при эндотермических реакциях); QПРОДУКТЫ – теплота, уходящая с продуктами; QПОТЕРИ – потери тепла в окружающую среду; QОТВОД – теплота, которую необходимо отводить (при экзотермических реакциях) или подводить (при эндо- реакциях). |
Q = m∙ C∙ t
| где | m – масса продукта (по данным материального баланса) С , Дж/моль∙К– теплоемкость (по справочным данным); T – температура сырья, оС). |
Пересчет молярной теплоемкости С(Дж/моль∙ к) в С*(Дж/кг∙ к):
С* (кДж/кг∙ к ) = С(Дж/моль∙ к)/ МВ
Мв- молярная масса вещества.
Методика составления теплового баланса
Прямая задача:
произвгодительность посырью (с примесями)– Х1=1000кг;
– масса примесей основного сырья –ХП1 = 5 %
– масса примесей вспомогательного сырья –ХП2 = 79 %
– температуры сырья – 20 оС
– температуры продуктов – 50 оС
– теплопотери – 30 %
– величины энтальпии – DНо298, кДж/моль( справочные данные);
– величины теплоемкости– С, Дж/моль ∙К ( справочные данные).
Сначала составляют материальный баланс (по методике, описанной выше).
Затем на основе материального баланса составляют тепловой баланс.
Записывают реакцию и уравнивают ее (суммы масс левой и правой частей должна быть равны).
| Проверка уравнения: | |||||
| МВ , (г) | 32 г | 2∙16 г | 64 г | (32+2∙16) – 64 = 0 ! | |
| S + | О 2 | = | SО 2 | ||
| Х1(S) | Х2(O2) | YSО2) | |||
| DНо298, | Теплота реакции, DНо(р), кДж | ||||
| (кДж/моль) | -297,10 | -297,10 | |||
| СР 298 , (Дж/моль∙к) | 22,69 | 29,37 | 39,90 | ||
| С* , (кДж/кг∙ к) | 0,709 | 0,918 | 0,623 |
Пересчитывают теплоемкость веществ по формуле:
С* = СР 298 ∙1000 / МВ ∙ 1000, кДж/кг∙ К
С* (S) = 22,69 ∙1000 / 32 ∙1000 = 0,709 кДж/кг∙ К
С* (О2) = 29,37 ∙1000 / 32 ∙1000 = 0,918 кДж/кг∙ К
С* (SО2) = 39,9 ∙1000 / 64 ∙1000 = 0,623 кДж/кг∙ К
Приход (расчет тепла в кДЖ)
1.Тепло, приходящее с техн. серой:
Q(Х1)= m(Х1) ∙ C(Х1) ∙ t(Х1) =1000 ∙ 0,709 ∙20 = 14181 кДж
2.Тепло, приходящее с воздухом:
Q(Х2)= m(Х2) ∙ C(Х2) ∙ t(Х2) =1000 ∙ 0,918 ∙20 = 83040 кДж
3.Теплота реакции:
Q(р)= m(Х1) ∙ DНо(р) / МВ(S) =1000 ∙ (-297,1) ∙ 1000/32 = 9284375 кДж
4. Суммарное приходящее тепло:
SQ(пр) = Q(Х1) + Q(Х2) + Q(р) = 14181 + 83040 + 9284375 = 9381596кДж
Приход (расчет тепла в процентах)
5. Процент тепла, приходящего с техн. серой:
Q(Х1)% =Q(Х1) ∙100 %/SQ=14181кДж ∙100% /9381596 кДж =0,15 %
6. Процент тепла, приходящего с воздухом:
Q(Х2)% =Q(Х2) ∙100 %/SQ=83040кДж ∙100% /9381596 кДж =0,88 %
7. Процент тепла, выделяющегося в ходе реакции:
Q(р)% =Q(р) ∙100 %/SQ= 9284375 кДж ∙100%/9381596 кДж=98,96%
8. Суммарное приходящее тепло в процентах :
SQ(пр)% = Q(Х1)% + Q(Х2)% + Q(р)% = 0,15% + 0,88%+98,96%=100%
Расход (расчет тепла в кДЖ)
9.Тепло, уходящее с печным газом:
Q(Y1)= m(Y1) ∙ C(Y1) ∙ t(Y1) =5524 ∙ 0,623 ∙1000 = 3443750 кДж
10. Потери тепла (принимаем, например, 20 %):
Q(потери)= SQ ∙20%/100% = 9381596 кДж∙20%/100%=1876319 кДж
11.Теплота, которую необходимо отводить:
Q(отв)= SQ–Q(Y1) -Q(потери) =9381596 - 3443750-1876319 = 4061527 кДж
12. Суммарное тепло SQ :
SQ = Q(Y1) + Q(потери) + Q(отв) = 3443750 + 1876319 + 4061527 = 9381596кДж
Расход (расчет тепла в процентах)
13. Процент тепла, уходящего с печным газом:
Q(Y1)% =Q(Y1) ∙100 %/SQ=3443750кДж ∙100% /9381596 кДж =36,7%
14. Процент потерь тепла – задается – например 20 %:
Q(потери)% =Q(потери)∙100 %/SQ=1876319кДж ∙100% /9381596 кДж =20%
15. Процент тепла, которую необходимо отводить:
Q(отв)% =Q(отв) ∙100 %/SQ=4061527кДж ∙100% /9381596 кДж =43,3%
16. Суммарное уходящее тепло в процентах :
SQ(ух)% =Q(Y1)%+Q(потери)%+Q(отв)% = 36,7%+20%+43,3%=100%
3.3.2.2 Тепловой баланс в EXCEL
Пример 3.
Составить тепловой баланс отделения сжигания серы производства серной кислоты Н2SО4 (CК)
S + О2 =SО2
Производительность: техн. сера(сырье) –1000 кг
Содержание примесей: в техн. сере – 5 % (тв. примеси);
в атмосферном воздухе – 79 % (N2и др. газы)
| В | С | D | E | F | G | H | I | J | |
| Отделение сжигания серы | |||||||||
| Дано:Производительность по техн. сере (сырье), кг | |||||||||
| Примеси: | в техн. сере (твердые примеси), % | ||||||||
| в воздухе (N2 , СО2 и др газы), % | |||||||||
| Проверка уравнения | |||||||||
| Мв (сумма) | |||||||||
| Мв, г | |||||||||
| Реакция | S + | O2 | = | SO2 |
| Таблица 1 - Материальный баланс | |||||||||
| B | C | D | E | F | G | H | I | J | |
| Приход | Расход | ||||||||
| Масса, кг | % | Масса, кг | % | ||||||
| Сырье | Сырье | Вещество | примеси | Про- дукты | Продукты | Компо- ненты | |||
| 1.Техн. сера | 18,1 | 1. Газ печной | |||||||
| в т.ч. S | 17,2 | в т.ч.SO2 | 34,4 | ||||||
| примесь 1(тв) | 0,9 | примеси 1 (т) | 0,9 | ||||||
| 2. Воздух | 81,9 | примеси 2 (г) | 64,7 | ||||||
| в т.ч. О2 | 17,2 | ||||||||
| примесь 2 (N2 и др) | 64,7 | ||||||||
| Cумма(кг) | Cумма(кг) | ||||||||
| Сумма(%) | Сумма(%) |
| B | C | D | E | F | G | H | I | J | |
| Таблица 2 - Тепловой баланс | |||||||||
| Дано:Температура исходных компонентов t (сырье), оС | |||||||||
| Температура конечных продуктов t(пр), оС | |||||||||
| Мв (сумма) | |||||||||
| Мв, г | Тепловой эффект реакции, ΔH (р), кДж | ||||||||
| Реакция | S + | O2 | = | SO2 | |||||
| Энтальпия | |||||||||
| Н298, Дж/моль*К | -297 | ||||||||
| Н298 (с учетом молей) | -297 | -297 | |||||||
| Формула пересчета Ср =Ср*/Мв, Дж/(кг.К)] | |||||||||
| Ср*298, Дж / (моль.К) | 22,69 | 29,37 | 39,90 | ||||||
| Ср 298, кДж / (кг.К) | 0,709 | 0,918 | 0,623 | ||||||
| Количество тепла: Q =m ∙ Ср (Дж/(кг∙К) ∙ t, кДж | |||||||||
| (m –масса технического сырья или продукта) | |||||||||
| Приход | Расход | ||||||||
| Сырье | кДж | % | Продукты | кДж | % | ||||
| 1.С технической | 0,2 | 1. С печным | 36,7 | ||||||
| серой | газом (Ср=0,623 кДж / (кг.К) | ||||||||
| 2. С атм. | 0,9 | 2.Потери | |||||||
| воздухом | тепла | ||||||||
| 3. Теплота | 98,9 | 3.Теплота | 43,3 | ||||||
| реакции | отводимая | ||||||||
| Cумма (кДж) | Cумма (кДж) | ||||||||
| Сумма (%) | Сумма (%) |
| Содержимое ячеек | ||
| № ячейки | Приход тепла, кг | Формула |
| 1.D39 | Приход тепла с технической серой | =С14*D34 *J24 |
| 2. D41 | Приход тепла с воздухом | =С17*E34 *J24 |
| 3.D43 | Теплота реакции | =-С14*J31/D26 |
| 4.D45 | Суммарное количество тепла | =D39+D41+D43 |
| Приход тепла, кг | ||
| 5.E39 | Процент тепла, приходящего с техн. серой | =D39*100/D45 |
| 6.E41 | Процент тепла, приходящего с воздухом | =D41*100/D45 |
| 7.E43 | Процент теплоты реакции | =D43*100/D45 |
| 8.E46 | Суммарное количество тепла (100 %) | =E39+E41+E43 |
| Расход тепла, кг | ||
| 9.I39 | Расход тепла с печным газом | =H14*G34*J25 |
| 10.I41 | Потери тепла в окружающую среду | =D45*J41/100 |
| 11.I43 | Отводимая теплота | =D45-I39-I41 |
| 12.I45 | Суммарное количество тепла | =I39+I41+I43 |
| Расход тепла, % | ||
| 13.J39 | Процент тепла, уходящего с печным газом | =I39*100/I45 |
| 14. J41 | Процент потерь тепла (задано) | 20 (дано) |
| 15. J43 | Процент отводимой теплоты | =I43*100/I45 |
| 16. J46 | Суммарное количество тепла (100 %) | =J39+J41+J43 |
Пример 4.
Составить тепловой баланс полученияН2SО4 из 1 т технической серы
S + 1,5О2 + Н2О = Н2SО4
Производительность: Сера техн. сере (сырье) –1000 кг
Примеси: в техн. сере – 5 % (тв. примеси); в воздухе – 79 % (N2, СО2 и др.) в технической воде – 2 % (жидкие примеси)
| В | С | D | E | F | G | H | I | J | |
| Производство серной кислоты | |||||||||
| Дано:Производительность по техн. сере (сырье), кг | |||||||||
| Примеси: | 1-й компонент (сера техн.), % | ||||||||
| 2-й компонент (воздух), % | |||||||||
| 3-й компонент (воздух), % | |||||||||
| Проверка уравнения | |||||||||
| Мв (сумма) | |||||||||
| Мв, г | |||||||||
| Реакция | S + | 1,5O2+ | Н2O | = | Н2SO4 |
| Таблица 1 - Материальный баланс | |||||||||
| Приход | Расход | ||||||||
| Масса, кг | % | Масса, кг | % | ||||||
| Сырье | Сырье | Вещес- тво | примеси | Про- дукты | Про- дукты | Компо- ненты | |||
| 1.Техн.сера | 1. СК | 35,7 | |||||||
| в т.ч. S | 11,4 | в т.ч. Н2SO4 | 34,9 | ||||||
| примесь 1(тв) | 0,6 | примеси 1 (т) | 0,6 | ||||||
| 2. Воздух | 81,5 | примеси 3 (ж) | 0,1 | ||||||
| в т.ч. О2 | 17,1 | 2. Газы | 64,4 | ||||||
| примеси 2 (N2 и др газы) | 64,4 | примеси 2 (г) | 64,4 | ||||||
| 3. Вода | 6,5 | ||||||||
| в т.ч. Н2О | 6,4 | ||||||||
| примесь(ж) | 0,1 | ||||||||
| Cумма(кг) | Cумма(кг) | ||||||||
| Сумма(%) | Сумма(%) |
| B | C | D | E | F | G | H | I | J | ||||||||
| Таблица 2 - Тепловой баланс | ||||||||||||||||
| Дано:Температура исходных компонентов t (сырье), оС | ||||||||||||||||
| Температура конечных продуктов t(пр), оС | ||||||||||||||||
| Мв (сумма) | ||||||||||||||||
| Мв, г | Тепловой эффект реакции, ΔH (р), кДж | |||||||||||||||
| Реакция | S + | 1,5O2 + | Н2O | = | Н2SO4 | |||||||||||
| Энтальпия | ||||||||||||||||
| Н298, Дж/моль*К | -286 | -814,8 | ||||||||||||||
| Н298 (с молями) | -286 | -814,8 | -529 | |||||||||||||
| Формула пересчета Ср =Ср*/Мв, Дж/(кг.К)] | ||||||||||||||||
| Ср*298, Дж / (моль.К) | 22,69 | 28,851 | 75,35 | |||||||||||||
| Ср 298, кДж / (кг.К) | 0,709 | 0,902 | 4,186 | 1,418 | ||||||||||||
| Количество тепла: Q =m ∙ Ср (Дж/(кг∙К) ∙ t, кДж | ||||||||||||||||
| (m –масса технического сырья или продукта) | ||||||||||||||||
| Приход | Расход | |||||||||||||||
| Сырье | кДж | % | Продукты | кДж | % | |||||||||||
| 1.С техн. серой | 0,1 | 1. С кислотой | 1,3 | |||||||||||||
| 2. С воздухом | 0,7 | 2. С газами | 1,4 | |||||||||||||
| 3. С водой | 0,3 | 3.Потери тепла | ||||||||||||||
| 4.Теплота | 98,9 | 4. Теплота | 77,3 | |||||||||||||
| реакции | отводимая | |||||||||||||||
| Cумма (кДж) | Cумма (кДж) | |||||||||||||||
| Сумма (%) | Сумма (%) | |||||||||||||||
Пример 5.