Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

АЛГОРИТМЫ РАСЧЕТА И РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Ермолаева В.А. 1
1 Муромский институт Владимирского государственного университета имени А.Г. и Н.Г. Столетовых
В данной статье обсуждаются алгоритмы расчета материального и теплового баланса химико-технологических процессов. Расчеты представляют собой наиболее трудоемкую часть проектирования производств, позволяют определить наилучшие условия для проведения процесса, наметить пути сокращения потерь. Расчет материального баланса основывается на законе сохранения массы веществ в химических реакциях, расчет энергетического баланса – на законе сохранения энергии в процессе. Расчет материального и теплового баланса может быть составлен как для всего химико-технологического процесса, что представляет определенную сложность, так и для отдельных стадий или отдельного аппарата. Приведен пример расчета материального баланса химико-технологического процесса получения серной кислоты. Рассчитаны параметры использования серы, содержащейся в колчедане, потери серы, объемный состав обжигового газа. Расчеты проведены с учетом известной, заданной производительности печи. Используются известные данные расхода сухого колчедана, степени использования содержащейся в нем серы, содержания оксидов серы (IV) и (VI) в обжиговом газе, содержания кислорода, азота и паров воды в воздухе. Составлена сводная таблица материального баланса. Невязка баланса связана в основном с округлением цифр при расчетах и является допустимой.
материальный баланс
тепловой баланс
химико-технологический процесс
1. Решетников П.А., Логинов Н.Я. Сборник примеров и задач по основам химической технологии [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://search.rsl.ru/ru/record/01007202348 (дата обращения: 10.04.2018).
2. Основы химической технологии / Под ред. проф. И.П. Мухленова [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://bookre.org/reader?file=478191 (дата обращения: 10.04.2018).
3. Мухленов И.П. Расчеты химико-технологических процессов [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://freedocs.xyz/view-docs.php?pdf=442039732 (дата обращения: 10.04.2018).
4. Мухленов И.П. Общая химическая технология. Портал научно-технической информации [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://nglib.ru/annotation.jsp?book=014935 (дата обращения: 10.04.2018).
5. Амелин А.Г., Малахов А.И., Зубова И.Е., Зайцев И.Н. Общая химическая технология [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://booksee.org/book/630779 (дата обращения: 10.04.2018).

Основной задачей химической технологии является обеспечение условий для протекания химических реакций на производстве с максимальным экономическим эффектом, т.е. оптимальных технологических условий. Основополагающими характеристиками любого химико-технологического процесса являются расчетные значения, полученные путем математического вычисления соответствующих параметров. Расчеты представляют собой наиболее трудоемкую часть проектирования производств, позволяют определить наилучшие условия для проведения процесса, наметить пути сокращения потерь [1, 2].

Алгоритмы расчетов

Основными расчетами химико-технологических процессов являются:

1. Расчет материального баланса, основанный на законе сохранения массы веществ в химических реакциях, открытом М.В. Ломоносовым ещё в 1748 году. При расчете материального баланса необходимо помнить, что суммарная масса веществ, вступающих в процесс, должна быть равна суммарной массе всех полученных продуктов, включая побочные реакции и потери. Чем чище проходит химическое взаимодействие, чем меньше побочных продуктов, и чем выше выход реакции, тем больше получается искомого, желаемого продукта. А это и является практической задачей, практическим результатом всего химико-технологического процесса. Материальный баланс может быть составлен как для всего химико-технологического процесса, что представляет определенную сложность, так и для отдельных стадий или отдельного аппарата [3].

При расчете материального баланса необходимо учесть массы реагентов, поступающих в процесс, и массы готового, искомого продукта, результаты побочных процессов и неизбежные потери вещества. Здесь могут возникать некоторые сложности, так как химико-технологические процессы разнообразны и разноплановы, подчиняются разным стехиометрическим уравнениям, а химические вещества многочисленны, имеют свои особенные, индивидуальные физические и химические свойства. Из этого следует, что расчет материального баланса хотя и следует определенной логике, но не имеет алгоритма или клише, общего для всех химических процессов. Каждый расчет индивидуален.

2. Расчет теплового (энергетического) баланса, основанный на законе сохранения энергии. При расчете теплового баланса следует помнить, что суммарная энергия, поступающая в химический процесс, должна быть равна суммарной энергии, образовавшейся в ходе процесса. Энергетический расчет (так же как и материальный) может быть осуществлен как для всего химико-технологического процесса (что достаточно сложно и трудоемко), так и для отдельных стадий или аппаратов. Тепловой расчет строится на основе материального. Выполнение расчета теплового баланса более стандартно, так как имеются общие алгоритмы вычислений, применимые к большинству химико-технологических процессов. При расчете прихода энергии в процесс учитываются:

– энергетический запас поступающих веществ [4]. Каждое вещество является хранителем и источником энергии, обладает внутренней энергией. Количественно запас энергии, скрытый в веществах Q, можно оценить, зная величины удельной теплоемкости С, массы, объемы или количества веществ М, температуру t, по формуле

Q = MCt.

Здесь необходимо обращать внимание на единицы измерения, в которых выражается удельная теплоемкость: ккал или кДж, приходящиеся на кг, м3 или моль;

– теплота, выделяющаяся в ходе экзотермических реакций. Необходимо также учитывать тепловые эффекты, происходящие при различных физических процессах, сопровождающих химические реакции, такие как испарение, конденсация, растворение, переходы из одного агрегатного состояния в другое;

– теплота, привнесенная извне путем нагрева аппарата. Значение имеет способ подогрева: горячими газами, путем сжигания различных видов топлива, электроподогревом. Величина зависит от типа и устройства аппарата и от конкретных, специфических условий проведения процесса;

При расчете расхода энергии необходимо учитывать:

– унос энергии с продуктами реакции, выполняющийся по тем же формулам, что и приход;

– теплоту, поглощаемую в ходе эндотермических реакций, а также сопутствующих физических процессах;

– неизбежные теплопотери, учет которых также представляет некоторую сложность.

Расчет материального баланса

В настоящей работе основное внимание уделяется расчету материального баланса на примере классического химико-технологического процесса получения серной кислоты на основе использования серного колчедана [3, 5]. Для примера приведем расчет материального баланса печи кипящего слоя, в которой происходит обжиг колчедана.

Примем для расчета следующие исходные данные: производительность печи GH2SO4 25,10 т/ч, степень использования серы β 0,750, расход сухого колчедана (45 % S) 0,82 т, содержание серы в колчедане CS 38 %, содержание влаги в колчедане СВЛ 9 %, содержание серы в огарке CS(ОГ) 1,6 %, содержание SO2 в сухом обжиговом газе CSO2 13,4 %, содержание SO3 в сухом обжиговом газе CSO3 0,1 %, содержание в воздухе O2 – 22 %, N2 – 77 %, относительная влажность воздуха φ 53 %.

Выполнение расчета:

Общее содержание серы в колчедане:

erm01.wmf (1.1)

где МS – молярная масса серы, г/моль;

GH2SO4 – производительность печи, кг/ч;

β – степень использования серы, т.

Подставляя известные данные в формулу (1.1), получаем

erm02.wmf кг/ч.

Количество сухого колчедана рассчитываем по формуле

erm03.wmf (1.2)

где СS – содержание серы в колчедане, %.

Подставляя известные данные в формулу (1.2), получаем

erm04.wmf кг/ч.

Количество влаги в колчедане:

erm05.wmf (1.3)

где GКОЛЧ – количество сухого колчедана, кг/ч;

СВЛ – содержание влаги в колчедане, %.

Подставляя известные данные в формулу (1.3), получаем

erm06.wmf кг/ч.

Количество огарка:

erm07.wmf (1.4)

где СS(ОГ) – содержание серы в огарке; %.

Подставляя известные данные в формулу (1.4), получаем

erm08.wmf кг/ч.

Количество серы в огарке:

erm09.wmf (1.5)

где GОГ – содержание серы в огарке, %.

Подставляя известные данные в формулу (1.5), получаем

erm10.wmf кг/ч.

Потеря серы с огарком:

erm11.wmf (1.6)

где GS(ОГ) – количество серы в огарке, кг/ч;

GS – общее содержание серы в колчедане, кг/ч.

Подставляя известные данные в формулу (1.6), получаем

erm12.wmf

Количество выгоревшей серы:

erm13.wmf (1.7)

где GS(ОГ) – количество серы в огарке, кг/ч;

GS – общее содержание серы в колчедане, кг/ч.

Подставляя известные данные в формулу (1.7), получаем

erm14.wmf кг/ч.

Общий объем SO2 и SO3:

erm15.wmf (1.8)

где GS(ОГ) – количество серы в огарке, кг/ч;

Gs – общее содержание серы в колчедане, кг/ч;

Ms – атомная масса серы, г/моль.

Подставляя известные данные в формулу (1.8), получаем

erm17.wmf м3/ч.

Объем SO2:

erm18.wmf (1.9)

где VSO2+SO3 – общий объем SO2 и SO3, кг/м3;

СSO2 – содержание SO2 в сухом обжиговом газе, %;

СSO3 – содержание SO3 в сухом обжиговом газе, %.

Подставляя известные данные в формулу (1.9), получаем

erm19.wmf м3/ч.

Объем SO3:

erm20.wmf (1.10)

где VSO2+SO3 – общий объем SO2 и SO3, кг/м3;

VSO2 – объем SO2, кг/м3.

Подставляя известные данные в формулу (1.10), получаем

erm21.wmf м3/ч.

Объем сухого обжигового газа:

erm22.wmf (1.11)

где VSO2 – объем SO2, кг/м3;

СSO2 – содержание SO2 в сухом обжиговом газе, %.

Подставляя известные данные в формулу (1.11), получаем:

erm23.wmf м3/ч.

Концентрация O2:

erm24.wmf (1.12)

где n – содержание кислорода в воздухе (22 %);

m – стехиометрическое отношение числа молекул кислорода к числу молекул диоксида серы по балансовому уравнению

4FeS2 + 11O2 = 8SO2 + 2Fe2O3

m = 11/8 = 1,375;

CSO2 – содержание SO2 в сухом обжиговом газе, %;

СSO3 – содержание SO3 в сухом обжиговом газе, %.

Сводная таблица материального баланса

Приход

Кол–во

Расход

Кол–во

кг

м3

кг

м3

Сухой колчедан

28788,03

Огарок

22172,59

Влага колчедана

2847,17

Обжиговый газ

   

Сухой воздух

75499,4

58314,70

SO2

20973,3

7340,64

Пары воды в воздухе

556,4

692,95

SO3

195,6

54,78

     

O2

3545,1

2483,16

     

N2

56129,9

44902,32

     

H2O

3403,6

4236,09

Всего

107691

59007,65

Всего

107420,09

59016,99

 

Подставляя известные данные в формулу (1.12), получаем

erm25.wmf

Объем O2 в обжиговом газе:

erm26.wmf (1.13)

Подставляя известные данные в формулу (1.13), получаем

erm27.wmf м3/ч.

Объем N2 в обжиговом газе:

erm28.wmf (1.14)

Подставляя известные данные в формулу (1.14), получаем

erm29.wmf м3/ч.

Объем сухого воздуха, поступающего на обжиг колчедана:

erm30.wmf (1.15)

Подставляя известные данные в формулу (1.15), получаем

erm31.wmf м3/ч.

Объем паров воды в воздухе при 20 °С при относительной влажности воздуха 53 %:

erm32.wmf (1.16)

где РН2О – парциальное давление паров воды при температуре 20 °С.

Подставляя известные данные в формулу (1.16), получаем

erm33.wmf м3/ч.

Общий объем паров H2O в обжиговом газе:

erm34.wmf (1.17)

Подставляя известные данные в формулу (1.17), получаем

erm35.wmf м3/ч.

По результатам расчета составляется сводная таблица, в которой проводится сравнение величин прихода и расхода химических веществ, масс (кг) или объемов (м3). Сводим результаты расчета в таблицу.

Невязка баланса составляет 0,025 %, что связано в основном с округлением цифр при расчетах и является допустимым.

Заключение

Таким образом, в работе рассмотрены вопросы обеспечения оптимальных условий проведения химико-технологических процессов, обсуждены особенности расчетных характеристик, наличия алгоритмов расчета материального и теплового балансов производств. Приведен пример расчета химико-технологического процесса получения серной кислоты. Составлена сводная таблица, отражающая расчетные характеристики прихода и расхода химических веществ, выраженных в единицах массы и объема.


Библиографическая ссылка

Ермолаева В.А. АЛГОРИТМЫ РАСЧЕТА И РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2018. – № 5-1. – С. 28-32;
URL: http://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=12211 (дата обращения: 29.09.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074