Материальный и энергетический балансы отделения (цеха) на часовую производительность

Материальный баланс представляет собой вещественное выражение закона сохранения массы применительно к ХТП: масса веществ, поступивших на технологическую операцию (приход), равна массе веществ, полученных в этой операции (расход):

∑^М_приход = ∑^М_расход                                                               (1)

Рассчитываем первую реакцию

2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O

2CH₃OH - 64кг/моль

3O₂ - 96кг/моль

2CO₂ - 88кг/моль

4H₂O - 72кг/моль

Найдём количество метанола вступившего в реакцию.

Общее количество метанола-126,3 кг/ч

0,95-степень окисления метанола

126,3•0,95=119,985 кг/ч                                                         (2)

количество метанола, не вступившего в реакцию

126,3-119,885=6,315 кг/ч                                                               (3)

Кислород, необходимый для реакции.

O₂ = (119,985/64) •96=179,977 кг/ч                                        (4)

Количество веществ, образующихся в ходе реакции

CO₂= (119,985/64) •88= 164,979 кг/ч                                       (5)

H₂O = (119,985/64) •72= 134,983 кг/ч                                         (6)

50.52 КГ/Ч

Приход второй реакции

(CH₂)₆N₄+9O₂=6CO₂+6H₂O+2N₂

(CH₂)₆N₄ - 140КГ/КМОЛЬ

9O₂ - 288КГ/КМОЛЬ

6CO₂ - 264КГ/КМОЛЬ

6H₂O - 108КГ/КМОЛЬ

2N₂ - 56КГ/КМОЛЬ

Уротропин вступает в реакцию полностью.

Кислород необходимый для реакции:

О₂=(50,52•288)/140=103,926кг/ч                                              (7)

СО₂=50,52х264/140=95,266кг/ч                                            (8)

Н₂О=(50,52х108)/140=38,972кг/ч                                                 (9)

N2=(50.52•56)/140=20.208кг/ч                                                (10)

49,509КГ/Ч

СН₂О+О₂=СО₂+Н₂О

СН₂О - 30КГ/КМОЛЬ

О₂ - 32КГ/КМОЛЬ

СО₂ - 44КГ/КМОЛЬ

Н₂О - 18КГ/КМОЛЬ

Общее количество формальдегида вступившего в реакцию

0,98-степень окисления формальдегида

50,52•0,98=49,509 кг/ч                                                   (11)

количество формальдегида, не вступившего в реакцию

50,52-49,509=1,011 кг/ч                                                      (12)

Кислород необходимый для реакции

О₂=(49,509•32)/30=52,809 кг/ч                                                    (13)

Количество веществ, образующихся в ходе реакции

СО₂=(49,509•44)/30=72,613 кг/ч                                               (14)

Н₂О=(49,509•18)/30=29,705 кг/ч                                                (15)

Общее количество О₂. пошедшее на весь процесс

179,977+103,926+52,809=336,712 кг/ч                                      (16)

336,712/32•22,4=235,698 м³                                                   (17)

Количество азота содержащегося в воздухе при найденном количестве кислорода:

О₂-21% в воздухе 235,698-21%

N₂-79% в воздухе ХN₂-79%

N₂=235,698•79/21=886,674 м³/ч                                                 (18)

886,674/22,4•28=1108,342 кг/ч                                          (19)

Общая масса воздуха:

1108,342+336,712=1445,054 кг/ч                                               (20)

Составим таблицу 8 материального баланса.

Таблица 8 Материальный баланс

Чтобы перейти к расходным коэффициентам по сырью, нужно решить пропорцию на 1 тонну продукта (синтез газ).

Расходные коэффициенты по сырью:

На 3,971054 т продукта нужно 0,1263 метанола, 0,05052 формальдегида и уротропина, 2,298608 воды и 1,445054 воздуха, а на 1 т дымового газа Х, X₁ , Х₂ и Х₃ тонны соответственно, т.е: Х=0,032 тонны метанола, х₁ , 0,013 тонн формальдегида и уротропина, Х₂=0,578 тонн воды, Х₃=0,3638 тонн воздуха.

Рассчитаем тепловой баланс УТОПС.

Тепловой баланс составляют по аппаратам или стадиям производства для определения расхода охлаждающей воды, греющего пара или температуры системы в конце процесса. Если в результате протекания химических реакций образуется тепло или избыточное давление, следует предусмотреть использование этих вторичных энергоресурсов.

В таблице 9 приведены термодинамические свойства веществ.

Таблица 9 – Термодинамические свойства веществ

2CН₃ОН+3О₂=2СО₂+4Н₂О

∆Н⁰ ₂₉₈=∑∆Н._ПРОД.-∑∆Н._ИСХ=(2•(-393,51)+4•(-285,83))-2•(-238,57)=-1453,2кДж/моль (21)

Q_ХРI=119.985/64•1453.2=2724.4 кДж                                                    (22)

Q-это ∆Н с обратным знаком, т.е Q=-∆Н.

(CН₂)₆N₄+9O₂=6CO₂+6H₂O+2N₂

∆H⁰ ₂₉₈=(6•(-393.51)+6•(-285.83))-31.09=4044.95 кДж/моль                    (23)

Q_ХРII=50,52/140•(-4044,95)=-1459,6кДж                                        (24)

CН₂О+О₂=СО₂+Н₂О

∆Н⁰ ₂₉₈=((-393,51)+(-285,83))-(-115,90)=-563,44кДж/моль                      (25)

Q_ХРIII=49.509/30•563,44=929,8кДж                                              (26)

Учёт фазовых переходов воды, содержащейся в стоках:

∆Н (Н₂О_Г)-∆Н (Н₂О_Ж)=-241,81+285,83=44,02кДж/моль                           (27)

Количество тепла, необходимого для испарения:

Q=-∆Н или ∆Н =-Q

Q_XP=2293,608/18•(-44,02)=-5609,1кДж                                          (28)

Количество теплоты, вносимое с промстоками:

Q=T•(G_CH3OH•C_CH3OH+G_CH2O•C_CH2O+G_УР•С_УР+G_H2O•C_H2O)                                     (29)

Т=40*С=313К                                                                       (30)

С=С_Р/Мr=Дж/кгК                                                              (31)

В таблице 10 указанны показатели теплового баланса.

Таблица 10 Тепловой баланс

Q_{ПРОМСТ.}=313*(126,3*2,55+2293,608*4,18+50,52*1,36+50,52++*1,17)=10037,161кДж    (32)

Количество теплоты вносимое с воздухом:

Т=200*С=473 К                                                                     (33)

Q=T*(G_O2*C_O2+G_N2*C_N2)=473*(336,712*0,91+1108,342*1,040)=39832,571кДж           (34)

Количество тепла, уносимое дымовыми газами:

Q=T*(G_CO2*C_CO2+G_H2O*C_H2O+G_N2*C_N2+G_CH3OH*C_CH3OH+G_CH2O*C_CH2O)

T=900*C=1173K

Q_ДЫМ=1173*(332,858*0,84+2497,268*1,86+1128,55*1,04+6,315*2,55+1,011*1,17)=7173476,655 кДж

Составим уравнение теплового баланса:

Q_ПРИХ=Q_РАСХ

Q_ПРОМСТ+Q_ВОЗД+Q₁+Q_III=Q_ДЫМ+Q_II+Q_IV+Q_ПОТЕРЬ

Q_ПОТЕРЬ принимаем 5% от прихода.

Q_ПРИХ=10037,161+39832,571+2724,4+929,8=412020,932 кДж

Q_ПОТЕРЬ=412020,932*5/100=20601,466 кДж

Q_РАСХ=7173476,655+(-1459,6)+44,02+20601,466=7201146,821 кДж

Найдём дефицит теплоты:

∆Q_{ПОДВОДА}=Q_РАСХ-Q_ПРИХ=7201146,821-412020,932=6789125,889 кДж

Подвод теплоты в зону реакции осуществляют путём сжигания природного газа, по уравнению реакции:

СН₄+2О₂=СО₂+2Н₂О+890950 кДж/кмоль

Найдём необходимое количество газа для сжигания:

6789125,889/890950=7,62 кмоль

Найдём объём газа:

7,62*22,4=170,69 м³

Сведём данные теплового баланса в таблицу 9.

Чтобы перейти к расходным коэффициентам по энергии, нужно решить пропорцию на 1 тонну продукта (промстоки).

Расходные коэффициенты по энергии:

На 3,971054 тонны продукта нужно 7201146,821 КДж тепла, а на 1 тонну дымовых газов Х тонн, т.е:

Х=7201146,821/3,971054=1813409,4 КДж тепла

В таблице 11 приведены полученные данные.

Таблица 11  - Сводный тепловой баланс

2.2 Расчет основного аппарата. Выявление резервов увеличения производительности аппарата и интенсификации процесса.

Рассчитаем циклонную печь поз.7/1-3.

Циклонная печь предназначена для обезвреживания огневым методом промышленных сточных вод, содержащих органические и минеральные примеси. В качестве топлива используется природный газ.

Производительность по сточным водам-2800 кг/ч.

Расход природного газа-830 нм³/ч

Давление природного газа-1500 нм³/ч

Расход воздуха-8970 нм³/ч

Давление воздуха перед горелкой-0,007МПа

Расход промышленной очищенной воды на охлаждение 55 м³/ч

Температура дымовых газов 1000*С

Количество дымовых газов 13150 нм³/ч

Масса -26980 кг

Циклонная печь поз.7/1-3 представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат Д=2400мм, Н=7015мм, футерованный внутри огнеупорным кирпичом, с четырьмя горелками и восемью форсунками для распыления промстоков. При температуре (800–1000)⁰С и коэффициенте избытка воздуха a=1,1 происходит полное выгорание органики, содержащейся в промстоках, до углекислого газа и воды, а вода, находящаяся в стоках, испаряется и перегревается до температуры 1000⁰С.

Циклонная печь состоит из керамической головки, футерованной огнеупорным и теплоизоляционным кирпичом, вертикальной охлаждаемой цилиндрической камерой.

В головке печи устанавливаются тангенциально газовые горелки предварительного смешения ГПС 1 конструкции ОКБ «ЭТХИМ» и сопла вторичного дутья.

В верхней части охлаждаемой цилиндрической камеры расположены механические форсунки для распыливания сточных вод. Внутренняя цилиндрическая часть охлаждаемой камеры футеруется по шипам обмазкой ПХМ-6.

Цилиндрическая часть печи охлаждается промышленной очищенной водой. Температура воды на выходе из рубашки 40-70*С. Процесс обезвреживания сточных вод происходит в высокотемпературной зоне Т=950*С.

Минеральные примеси улавливаются в цилиндрической камере и в виде жидкого сплава выводятся через пережим в газоход-копильник. В настоящее время химические процессы очень часто протекают при высоких температурах и давлениях, поэтому для предупреждения аварий и взрывов наряду с технологическим расчётом аппаратов обязательно производится расчёт их на прочность.

Расчет процесса горения.

Определим низшую теплоту сгорания топлива Q_р^н. Если топливо представляет собой индивидуальный углеводород, то теплота сгорания его Q_р^нравна стандартной теплоте сгорания за вычетом теплоты испарения воды, находящейся в продуктах сгорания.

Для топлива, состоящего из смеси углеводородов, теплота сгорания определяется по формуле:

где                                                               (24)

Q_pi^н - теплота сгорания i-гo компонента топлива;

Q_р^н_см = 35,84*0,987 + 63,80*0,0033+ 91,32*0,0012+ 118,73*0,0004 + 146,10 = 35,75

Молярную масса топлива:

M_m = ΣM_i*y_i, где                                                                      (25)

M_i  - молярная масса i-гo компонента топлива

M_m= 16,042 х 0,987 + 30,07 х 0,0033+58,120*0,0004+44,010х0,001 +28,01 х 0,007 = 16,25 кг/моль.

                                                                              (26)

тогда Q_р^н_см, выраженная в МДж/кг, равна:

МДж/кг.

Результаты расчета сводим в таблицу 12.

Таблица 12 - Состав топлива

Определим элементарный состав топлива, % (масс.):

Содержание углерода

                                               (27)

Содержание водорода

                                              (28)

Содержание кислорода

                                              (29)

Содержание азота

, где                                        (30)

n_i^C, n_i^H, n_i^N , n_i^O - число атомов углерода, водорода, азота и кислорода в молекулах отдельных компонентов, входящих в состав топлива;

- содержание каждого компонента топлива, масс. %;

x_i- содержание каждого компонента топлива, мол. %;

M_i- молярная масса отдельных компонентов топлива;

М_m - молярная масса топлива.

Проверка состава:

C + H + O + N = 74,0 + 24,6 + 0,2 + 1,2 = 100 % (масс.).

Определим теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг топлива, оно определяется из стехиометрического уравнения реакции горения и содержания кислорода в атмосферном воздухе. Если известен элементарный состав топлива, теоретическое количество воздуха L₀, кг/кг, вычисляется по формуле:

                                          (31)

На практике для обеспечения полноты сгорания топлива в топку вводят избыточное количество воздуха, найдем действительный расход воздуха при α = 1,25:

L = αL₀, , где                                                                    (32)

L - действительный расход воздуха;

α - коэффициент избытка воздуха,

L = 1,25*17,0 = 21,25 кг/кг.

Удельный объем воздуха (н. у.) для горения 1 кг топлива:

где                                                                     (33)

 ρ_в = 1,293 –плотность воздуха при нормальных условиях,

м³/кг.

Найдем количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива:

Если известен элементарный состав топлива, то массовый состав дымовых газов в расчете на 1 кг топлива при полном его сгорании может быть определен на основании следующих уравнений:

кг/кг;

, где                                                          (34)

m_CO2, m_H2O, m_N2, m_O2 - масса соответствующих газов, кг.

кг/кг,

Суммарное количество продуктов горения:

m_{п. с} = 2,71 + 2,21 + 16,33 + 1,00 = 22,25 кг/кг.

Проверяем полученную величину:

где                                                            (35)

W_ф - удельный расход форсуночного пара при сжигании жидкого топлива, кг/кг (для газового топлива W_ф = 0),

кг/кг.

Найдем объем продуктов сгорания при нормальных условиях, образовавшихся при сгорании 1 кг топлива:

где                                                             (36)

m_i—масса соответствующего газа, образующегося при сгорании 1 кг топлива;

ρ_i - плотность данного газа при нормальных условиях, кг/м³;

М_i- молярная масса данного газа, кг/кмоль;

22,4 - молярный объем, м³/кмоль,

м³/кг; м³/кг;

м³/кг; м³/кг.

Найдем теплоемкость и энтальпию продуктов сгорания 1 кг топлива в интервале температур от 100 °С (373 К) до 1500 °С (1773 К), используя данные таблице 13.

Таблица 13 - Средние удельные теплоемкости газов

Энтальпия дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива:

где                  (37)

с_CO2, с_H2O, с_N2, с_О2 - средние удельные теплоемкости при постоянном давлении соответствующих газон при температуре t, кДж/(кг ·К);

с_t - средняя теплоемкость дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива при температуре t, кДж/(кг К);

 кДж/кг;

При 200°С:  

Так считаем на все значения температур.

Результаты расчетов сводим в таблицу 14.

Таблица 14 - Энтальпия продуктов сгорания

Расчет полезного коэффициента.

При определении величины КПД синтезированной системы (η_ту) используется традиционный подход.

Расчет КПД установки осуществляется по формуле:

Полученные показатели эффективности работы циклонной печи соответствуют ее размерам Д=2400мм, Н=7015мм.