Физико-химические основы технологического процесса

Примеры расчетов

В этом примере использованы данные материального расчета из примера, приведенного выше.

Годовая мощность производства G = 450 т/год (100%-го продукта). Число рабочих дней в году - 330. Суточная мощность производства G_c = 450/330 = 1,364 т/сут.

1. Сульфирование. Объем реакционной массы на стадии на 1 т готового продукта V _т - 3229 л/т (данные материального расчета).

Объем реакционной массы на стадии в сутки

V _с 1 = V _т G_c = 3429 ∙ 1,364 = 4677 л/сут.

Продолжительность стадии сульфирования t_оп 1 = 24,84 ч (данные техно­логического регламента).

В промышленности хорошо освоено сульфирование нафталина в аппара­тах объемом до 6300 л. Следовательно, к установке в проектируемом произ­водстве можно принять аппарат, у которого V _ап = 6300 л, j = 0,75.

Необходимое число сульфураторов:

п1 = 4677(1 + 0,1)24,84/(6300 ∙ 0,75 -24) = 1,12.

Расчет показывает, что при установке сульфуратора, имеющего V _ап = 6300 л, один аппарат не может обеспечить заданную производительность по амино-Ц-кислоте, а два аппарата будут работать с невысоким коэффици­ентом использования оборудования. На основании этого можно принять к установке сульфураторы, у которых V_ап 1 = 4000 л, j 1 = 0,75. Тогда

п₁ = 4677(1 + 0,1)24,84 / (4000 ∙ 0,75 ∙ 24) = 1,81.

Таким образом, на стадии сульфирования в производстве амино-Ц-кислоты нужно установить два чугунных аппарата, имеющих V_ап - 4000 л.

2. Нитрование. Объем реакционной массы на стадии на 1 т готового продукта V_Т 2 = 4000 л/т. Суточный объем реакционной массы на стадии

Vс 2 = Vt 2Gc = 4000 ∙ 1,364 = 5456 л/сут.

Число операций в сутки на основной стадии (сульфирование)

α = V_с 1 / V_ап 1 j 1 = 4677 / (4000 ∙ 0,75) = 1,56.

Число операций, проводимых в одном нитраторе в сутки

β ₂ = 24 / t_оп 2 = 24 / 27,75 = 0,86,

где 27,75 ч — продолжительность операции нитрования по регламенту. Требуемое число аппаратов на стадии нитрования

п₂ = α ₁ (1+ z₂) t_{оп 2} = 1,56 (I +0,1)/0,86= 1,99.

Необходимый объем одного аппарата:

V_{ап 2} = Vс₂ [1 + z ₂] t_{оп 2} / (24 п ₂ j ₂) = 5456 ∙ 1,1 ∙ 27,75 / (24 ∙ 1,99 ∙ 0,75) = 4623 л.

Таким образом, на стадии нитрования в производстве амино-Ц-кислоты нужно установить два чугунных аппарата, имеющих V_ап = 5000 л.

При выполнении проекта инженер-проектировщик обязан произ­вести технологические расчеты вспомогательной аппаратуры, всех транспортных устройств (ленточные и шнековые транспортеры, пнев­мотранспорт и др.), а также рассчитать необходимую производитель­ность и выбрать соответствующие типы питателей, дозаторов, мер­ников, циклонов и т.д.

Расчет соответствующего оборудования здесь не рассматривается, его можно найти в литературе по процессам и аппаратам химической технологии.

Основная цель выполнения этого раздела - дать обоснование норм технологического режима в реакторе (концентраций, температуры, давления, степени превращения и т.д.).

Для обоснования норм технологического режима привлекаются данные по термодинамике, а также сведения по механизму и кинетике основных и побочных реакций.

Термодинамические данные используются для определения облас­ти значения параметров, в которой процесс протекает, а также для рас­чета степеней превращения исходных веществ, если процесс происхо­дит в равновесных условиях.

Кинетические данные (константы скоростей химических реакций, константы равновесия, энергии активации реакций) необходимы как при определении норм технологического режима, так и при расчете размеров реакторов.

Следует напомнить, что нормы технологического режима опре­деляются как кинетическими, так и технико-экономическими показа­телями. Так, повышение температуры ведет к увеличению скорости процесса и к повышению производительности единицы объема ре­актора, но с ростом температуры может, например, уменьшаться се­лективность процесса, т.е. увеличивается затраты сырья. Кроме того, верхний предел температуры может определяться и термической устой­чивостью перерабатываемых и получаемых веществ, а также свойст­вами энергоносителей и катализаторов.

Давление в аппарате определяется не только исходя из конструк­ционных зависимостей для скорости процесса или константы равно­весия, но и исходя из затрат на создание давления или вакуума, требо­ваний техники безопасности и т.п. Например, назначение в аппарате давления меньше атмосферного нецелесообразно там, где перераба­тываются огне- или взрывоопасные вещества при температурах выше температур самовоспламенения. Подача воздуха в эти реакторы через фланцевые соединения или при появлении трещин в конструкцион­ном материале за счет эрозии, коррозии и т.п. приводят к взрыву. Целесообразно в этом случае вместо вакуума работать при давлении выше атмосферного или применять инертные разбавители для сниже­ния парциальных давлений перерабатываемых веществ. В аппаратах величина рабочего давления может определяться также гидравли­ческим сопротивлением в целом. Часто незначительное повышение давления позволяет использовать такие дешевые хладагенты, как про­мышленная оборотная вода или воздух вместо значительно более до­рогого рассола.

Назначение степени превращения сырья, а следовательно, и вели­чина времени контакта определяете и, в основном, зависимостью се­лективности от степени превращения, поэтому стремление к полному превращению сырья может привести иногда к неоправданному уве­личению реакционного объема.

Концентрации реагентов определяются стремлением достичь не только высоких скоростей процесса, но также обеспечением вы­сокой селективности с учетом кинетических порядков основной и побочных реакций. Выбираемые концентрации могут определяться величинами вязкости растворов, стремлением обеспечить требуемые режимы теплообмена и т.д. Иногда целесообразно для поддержания высоких скоростей процесса и больших степеней превращения под­держивать в реакторе избыток одного из реагентов. Обычно выбирают для этого реагент дешевый и легко выделяемый в дальнейшем на ста­дии очистки. Такой прием при назначении норм технологического режима позволяет добиться более полного использования дорогого и дефицитного сырья за счет рационального соотношения реагентов в реакторе.

Дата добавления: 2014-01-07