Обгрунтування вибору енергоефективних витрат сировини в хімічній технології”




НазваОбгрунтування вибору енергоефективних витрат сировини в хімічній технології”
Сторінка1/3
Дата конвертації05.03.2013
Розмір0.65 Mb.
ТипДокументы
uchni.com.ua > Химия > Документы
  1   2   3


Міністерство освіти і науки України

національний технічний університет

«Харківський політехнічний інститут»

методичні вказівки

до розрахункового завдання

Обгрунтування вибору енергоефективних витрат сировини

в хімічній технології”

з дисциплін

“Енерготехнологія хіміко-технологічних процесів”

для студентів спеціальності 6.05130101

“Хімічні технології неорганічних речовин” та

«Контроль та керування хіміко-технологічними процесами»

для студентів спеціальності 6.05020201

“Автоматизоване управління технологічними процесами”

денної та заочної форм навчання


Затверджено

редакційно-видавничою

радою університету,

протокол № від .

Харків

^ НТУ „ХПІ”

2012

Методичні вказівки до до розрахункового завдання “Обгрунтування вибору енергоефективних витрат сировини в хімічній технології” з дисципліни “Енерготехнологія хіміко-технологічних процесів” та «Контроль та керування хіміко-технологічними процесами» для студентів спеціальності 6.05130101 “Хімічні технології неорганічних речовин” денної та заочної форм навчання та 6.05020201 “Автоматизоване управління технологічними процесами” / Укладачі: Д.М. Дейнека, А.С. Савенков, В.О. Лобойко, В.В. Дейнека.  Х.: НТУ “ХПІ”, 2012. – 34 с.

Укладачі: Д.М. Дейнека, А.С. Савенков, В.О. Лобойко, В.В. Дейнека
Рецензент В.І. Булавін
Кафедра хімічної технології неорганічних речовин, каталізу та екології

вступ
Зменшення споживання паливно-енергетичних ресурсів в хімічній промисловості пов’язано з широкомасштабною реалізацією енергозберігаючої техніки і технології, утворенням енерготехнологічних комплексів. Успішне рішення пріоритетної задачі енергозбереження потребує, в свою чергу, відповідної компетенції у інженерів-технологів всіх спеціальностей.

Курси “Енерготехнологія хіміко-технологічних процесів ” та “Контроль та керування хіміко-технологічних процесів ” посідають важливе місце в професійній підготовці студентів за спеціальностями хімічна технологія неорганічних речовин і автоматизоване управління технологічними процесами, та базуються на загальнотеоретичних, загально технічних і спеціальних дисциплінах, що вивчаються студентами у вищому технічному закладі.

Основною задачею цих курсів є формування в майбутніх спеціалістів знань і уміння в області генерування тепла в технологічних об’єктах, енерготехнологічного комбінування вторинних енергоресурсів, оцінки енергетичної ефективності процесів, скорочення теплових викидів у навколишнє середовище, а також знайомство студентів хімічних спеціальностей з приладами та засобами автоматизації, методами контролю та керування станом технологічних процесів.

В даних методичних вказівках наведено методику пошуку найбільш ефективного способу отримання готового продукту із різної сировини з точки зору енергоємності його отримання.

Методичні вказівки призначено для використання на практичних заняттях та при виконанні розрахункового завдання з курсів “Енерготехнологія хіміко-технологічних процесів ” та “Контроль та керування хіміко-технологічних процесів ”. Головною метою є поглиблення і засвоєння студентами теоретичних знань, набутих у лекційному курсі, а також оволодіння методиками пошуку шляхів зменшення втрат енергії у хімічній технології.

^ ОСНОВНІ ЗАКОНИ ТА РІВНЯННЯ
Хімічне виробництво характеризується високою енергоємністю й для пошуку шляхів зменшення втрат енергії необхідно проводити термодинамічний аналіз. Для опису хіміко-технологічного процесу використовується рівняння матеріального й енергетичного балансів.
Закон збереження маси.

Маса речовини, що вступила у хімічну реакцію, дорівнює масі речовини, що утворилася у результаті протікання реакції.
; (1)
де , – сумарна кількість речовин, що вступило в хімічну реакцію, та сумарна кількість продуктів, що утворилася у результаті протікання реакцій, відповідно, кг:
; (2)

; (3)
де , – стехіометричний коефіцієнт рівняння хімічної реакції і – го компоненту для вихідної сировини та продуктів реакції, відповідно; , – молекулярна маса і – го реагенту вихідної сировини та продукта реакції, відповідно, г/моль або кг/кмоль;  – ступінь перетворення вихідної сировини, д.о.

Для переведення масових одиниць у об’ємні і навпаки використовують наступні формули:

- для газів при нормальних умовах (Р = 101325 Па, Т = 273,15 K):

;
- для рідин та твердих речовин:

де – молярний об’єм газу при нормальних умовах, = 22,4 л/моль або м3/кмоль; – щільність речовини, г/см3 або кг/м3 [1].
Енергія Гіббса і напрямок протікання реакції.

Характер зміни енергії Гіббса ΔG дозволяє судити о принциповій ймовірності здійснення процесу (тобто, якщо енергія Гіббса у вихідному стані системи більше, ніж в кінцевому, то процес принципово може протікати, якщо навпаки – то ні):

ΔG < 0 – процес може протікати;

ΔG > 0 – процес протікати не може;

ΔG = 0 – система знаходиться у стані хімічної рівноваги.

Для визначення температури, при якій протікання реакції найбільш ймовірно, знаходиться залежність енергії Гіббса від температури G = f(T). Значення температур, при яких ΔG < 0, буде відповідати значенням температур можливого перебігу процесу [2, 3].

Енергія Гіббса розраховується за рівнянням Гіббса – Гельмгольца, Дж/моль:
; (4)
де – зміна ентальпії реакції при температурі Т, Дж/моль; – зміна ентропії реакції при температурі Т, Дж/(моль · град); Т – температура реакції, К.

Розрахунок змін ентальпії і ентропії реакції при температурі Т проводиться за наступними формулами:



(5)



(6)
де – стандартна ентальпія реакції при температурі 298 К, Дж/моль;  – стандартна ентропія реакції при температурі 298 К, Дж/(моль · град); , , , – коефіцієнти у поліномі Ср = f(T) для даної реакції (c – як правило, для органічних сполук, а сI – як правило, для неорганічних сполук):
Дж/(моль · град). (7)
Закон збереження енергії.

Енергія передається у вигляді роботи та у вигляді теплоти, але форма передачі різна. Робота – це енергія в організованій формі, а теплота – у хаотичній. Закон збереження енергії стверджує, що енергія не зникає й не виникає, а переходить із однієї форми в іншу. Зменшення одного виду енергії дає еквівалентне збільшення іншого виду енергії.
; (8)
де , – сумарний ентальпійний потік на вході у реактор та на виході, відповідно, Дж:
; (9)

; (10)
де , – ентальпія i – ої речовини на вході та на виході з реактору, відповідно, визначається для реальної температури процесу (Т) за формулою (5).

Використовуючи результати розрахунку матеріального балансу та розрахунку ентальпії для кожної речовини, визначається ентальпійний потік по рівняннях (9) і (10). Визначається сума всіх ентальпійних потоків на вході й на виході. Після цього проводиться порівняння суми всіх потоків і визначається ентальпійний дебаланс:
(11)
Після чого проводиться аналіз отриманих результатів:

1) якщо потік на виході більше, ніж на вході (I > 0, то для стійкого протікання процесу необхідно підвести енергію.

2) якщо (I < 0, тобто ентальпійний потік на виході менше, ніж ентальпійний потік на вході, тому для стійкого протікання процесу необхідно відвести певну кількість енергії.

Iвитрати


Загальний висновок: краще коли енергія виводиться із системи, наприклад, за допомогою газових турбін, теплових насосів, компресорів і т.д. Але для остаточного висновку про доцільність вибору того або іншого способу виробництва готового продукту поряд з термодинамічним аналізом необхідно провести техніко-економічну оцінку.
^ ПРИКЛАД РОЗРАХУНКУ РЕАКЦІЇ СИНТЕЗУ АМІАКУ
Аміак є одним із важливим продуктом, що виробляється багатотоннажної хімічною промисловістю у теперішній час. Його використовують для отримання різноманітного асортименту продукції хімічної промисловості, тому спосіб його виробництва, вихідна сировина та енерговитрати на цю технологію будуть важливим фактором у формуванні собівартості готової продукції та її конкурентоздатності на світовому ринку [4].

Розглянемо три варіанта отримання аміаку із різної сировини та проведемо аналіз енергоємності запропонованих способів.
Варіант № 1.

CH4 + H2O → CO + 3 H2 (1.1)

CO + H2O → CO2 + H2 (1.2)

(N2; O2) → 0,79 N2 + 0,21 O2 (1.3)

N2 + 3 H2 → 2 NH3 (1.4)
У даному способі аміак отримають із водню, який є продуктом парової двохступеневої конверсії метану і СО, та азоту, отриманого в результаті розділення повітря при низьких температурах.

Розрахунок матеріального балансу.

Проведемо розрахунок матеріального балансу на 1 т аміаку:



Аналогічний розрахунок проводимо для інших реакцій, отримані дані зводимо у таблицю 1.

Визначення температури протікання реакції.

Для подальшого розрахунку ентальпійного балансу процесу одержання аміаку необхідно визначити температуру при якій рівновага реакції буде зміщена у сторону продуктів реакції, для цього знайдемо значення енергії Гіббса при різних температурах та побудуємо графік залежності G = f().

Використовуючи дані, що наведені у додатку А, знайдемо емпіричні коефіцієнти рівняння теплоємності від температури та значення ентальпії та ентропії при 298 К, відповідно:
N2 + 3 H2 → 2 NH3
а = 2 · а(NH3) – (3 ·а(Н2) + а(N2)) = 2 · 29,77 – (3 ·27,28 + 27,88);

а = - 50,18 ;

b = 2 · b(NH3) – (3 ·b(Н2) + b(N2)) = (2 · 25,12 – (3 ·3,26 + 4,27)) · 10-3;

b = 36,19 · 10-3 ;

= 2 · (NH3) – (3 ·2) + (N2)) = (2 · (- 1,549) – (3 ·0,5 + 0)) · 105;

= – 4,598 · 105 ;

Н298 = 2 · Н298(NH3) – (3 ·Н2982) + Н298(N2));

Н298 = 2 · (- 46,22) – (3 ·0 + 0) = - 92,44 ;

Таблиця 1 – Результати розрахунку матеріального балансу для першого варіанту

отримання аміаку



п/п

Речовина

Прихід

Витрата

кг

м3

кг

м3

CH4 + H2O → CO + 3 H2

1

СH4

353

494

-

-

2

H2O

397

494

-

-

3

СО

-

-

617,6

494,08

4

Н2

-

-

132,4

1481,76

Разом:

750

988

750

1975,84

CO + H2O → CO2 + H2

1

СО

617,6

494

-

-

2

H2O

397

494

-

-

3

CO2

-

-

970,5

494

4

Н2

-

-

44,1

494

Разом:

1014,6

988

1014,6

988

(N2; O2) → 0,79 N2 + 0,21 O2

1

Повітря

(N2; O2)

1042,4

812







2

N2

-

-

823,5

658,8

3

O2

-

-

218,9

153,23

Разом:

1042,4

812

1042,4

812

N2 + 3 H2 → 2 NH3

1

N2

823,5

658,8

-

-

2

Н2

176,5

1976,8

-

-

3

NH3

-

-

1000

1317,6

Разом:

1000

2635,6

1000

1317,6


S298 = 2 · S298(NH3) – (3 ·S2982) + S298(N2));

S298 = 2 · 192,63 – (3 ·130,52 + 191,5) = - 197,8 .

Підставляючи знайдені значення в рівняння (4) – (6), знайдемо зміну ентальпії, ентропії та енергії Гіббса при температурі T = 200 0C (473 К):




G = H473 – 473 · S473 = -98209,17 – 473 · (-213,1) = 2681,73 .
Аналогічно проводимо розрахунок енергії Гіббса при інших п’яти температурах для цієї реакції і реакцій (1.1), (1.2). Результати розрахунків оформлюємо у вигляді графіку залежності G = f().


Рисунок 1 – Залежність енергії Гіббса від температури

Аналізуючи дані графіку, обираємо температуру при якій значення енергії Гіббса буде менше нульового значення. Слід пам’ятати, що від’ємне значення енергії Гіббса свідчить тільки про термодинамічну ймовірність протікання реакції при даній температурі.

Приймаємо для подальших розрахунків наступні температури: Т1 = 1023 К; Т2 = 823 К; Т4 = 423 К.

Реакція розділення повітря (1.3) не є хімічним процесом, що не дозволяє розрахувати енергію Гіббса та побудувати її залежність від температури, тому, згідно літературним даним [5], приймаємо температуру Т3 = 123 К.

Розрахунок ентальпійного балансу.

Розраховуємо ентальпію та ентальпійний потік по кожному компоненту для реакції (1.4) за рівняннями (9) та (10), використовуючи результати розрахунку матеріального балансу та температури процесу.
N2 + 3 H2 → 2 NH3












Аналогічно розраховуємо ентальпію та ентальпійний потік для реакцій (1.1) – (1.3). Отриманні результати зводимо у таблицю 2.
Таблиця 2 – Результати розрахунку ентальпійних потоків для першого варіанту

отримання аміаку



п/п

Речовина

Прихід

Витрата

G, кг

I, ГДж

G, кг

I, ГДж

CH4 + H2O → CO + 3 H2, Т1 = 1023 К

1

СH4

353

-0,88

-

-

2

H2O

397

-4,74

-

-

3

СО

-

-

617,6

-1,94

4

Н2

-

-

132,4

1,42

Разом:

750

-5,62

750

-0,52

I1 = Iвитрата - Iприхід = -0,52 + 5,62 = 5,1 ГДж

CO + H2O → CO2 + H2, Т2 = 823 К

1

СО

617,6

-2,08

-

-

2

H2O

397

-4,91

-

-

3

CO2

-

-

970,5

-8,15

4

Н2

-

-

44,1

0,34

Разом:

1014,6

-6,99

1014,6

-7,81

I2 = Iвитрата - Iприхід = -7,81 + 6,99 = -0,82 ГДж

(N2; O2) → 0,79 N2 + 0,21 O2, Т3 = 123 К

1

Повітря

(N2; O2)

1042,4

18,5

-

-

2

N2

-

-

823,5

0,0018

3

O2

-

-

218,9

0,0004

Разом:

1042,4

18,5

1042,4

0,0022

I3 = Iвитрата - Iприхід = 0,0022 – 18,5 = -18,498 ГДж

N2 + 3 H2 → 2 NH3, Т4 = 423 К

1

N2

823,5

1,51

-

-

2

Н2

176,5

0,32

-

-

3

NH3

-

-

1000

-2,42

Разом:

1000

1,83

1000

-2,42

I4 = Iвитрата - Iприхід = -2,42 – 1,83 = -4,25 ГДж

I = I1 + I2 + I3 + I4 = 5,1 -0,82 – 18,498 – 4,25 = -18,468 ГДж

Дебаланс I – негативний, тому для підтримки стійкого протікання процесу із системи необхідно відводити 18,468 ГДж енергії.

Варіант № 2.

CH4 + H2O → CO + 3 H2 (2.1)

CO + H2O → CO2 + H2 (2.2)

CH4 + 2 (N2; O2) → 2 H2O + CO2 + 2 N2 (2.3)

N2 + 3 H2 → 2 NH3 (2.4)
Відмінністю даного способу одержання аміаку від попереднього є те, що кисень повітря перетворюється в СО2, а азот отримують в результаті спалювання метану за реакцією (2.3).

Проводимо розрахунки матеріального та ентальпійного балансу, визначаємо температуру протікання реакції, як і для попереднього варіанту отримання аміаку, отриманні дані зводимо у таблицю 3.

Дебаланс I – негативний, тому для підтримки стійкого протікання процесу із системи необхідно відводити 21,155 ГДж енергії.


Таблиця 3 – Результати розрахунку ентальпійних потоків для другого варіанту

отримання аміаку



п/п

Речовина

Прихід

Витрата

G, кг

I, ГДж

G, кг

I, ГДж

CH4 + H2O → CO + 3 H2, Т1 = 1023 К

1

СH4

353

-0,88

-

-

2

H2O

397

-4,74

-

-

3

СО

-

-

617,6

-1,94

4

Н2

-

-

132,4

1,42

Разом:

750

-5,62

750

-0,52

I1 = Iвитрата - Iприхід = -0,52 + 5,62 = 5,1 ГДж

CO + H2O → CO2 + H2, Т2 = 823 К

1

СО

617,6

-2,08

-

-

2

H2O

397

-4,91

-

-

3

CO2

-

-

970,5

-8,15

4

Н2

-

-

44,1

0,34

Разом:

1014,6

-6,99

1014,6

-7,81

I2 = Iвитрата - Iприхід = -7,81 + 6,99 = -0,82 ГДж

CH4 + 2 (N2; O2) → 2 H2O + CO2 + 2 N2, Т3 = 350 К

1

СH4

54,7

-0,25

-

-

2

Повітря

(N2; O2)

1042,4

18,5

-

-

3

H2O

-

-

123,1

-1,64

4

CO2

-

-

150,5

-1,34

5

N2

-

-

823,5

0,045

Разом:

1097,1

18,25

1097,1

-2,935

I3 = Iвитрата - Iприхід = -2,935 – 18,5 = -21,185 ГДж

N2 + 3 H2 → 2 NH3, Т4 = 423 К

1

N2

823,5

1,51

-

-

2

Н2

176,5

0,32

-

-

3

NH3

-

-

1000

-2,42

Разом:

1000

1,83

1000

-2,42

I4 = Iвитрата - Iприхід = -2,42 – 1,83 = -4,25 ГДж

I = I1 + I2 + I3 + I4 = 5,1 -0,82 – 21,185 – 4,25 = -21,155 ГДж

Варіант № 3.

CH4 + О2 → 2 CO + 4 H2 (3.1)

CO + H2O → CO2 + H2 (3.2)

CH4 + 2 (N2; O2) → 2 H2O + CO2 + 2 N2 (3.3)

N2 + 3 H2 → 2 NH3 (3.4)
У третьому варіанті отримання аміаку водень є продуктом кисневої конверсії метану та парової конверсії СО, реакції (1) та (2), відповідно. По реакції (1) частково використовується кисень повітря, отже частина азоту не буде використана в синтезі аміаку та буде баластом у даному процесі.

Проводимо розрахунки матеріального та ентальпійного балансу, визначаємо температуру протікання реакції, як і для попередніх варіантів отримання аміаку, отриманні дані зводимо у таблицю 4.

Дебаланс I – позитивний, тому для підтримки стійкого протікання процесу в систему необхідно підвести енергію 11,451 ГДж.

Висновок.

Наведений термодинамічний аналіз трьох варіантів одержання аміаку показав, що з енергетичної точки зору найкращим є другий варіант, тому що із системи виводиться 21,155 ГДж енергії, але остаточний висновок можна зробити після техніко-економічного аналізу (наявності сировини, енергоресурсів і т.д.). Слід зазначити, що не завжди ефективні з точки зору енергетики технології є конкурентоздатними на світовому ринку, основна задача, яка відводиться при цьому технологу, це пошук оптимального співвідношення між затратами на сировину та витратами енергії на отримання готового продукту.


Таблиця 4 – Результати розрахунку ентальпійних потоків для третього варіанту отримання аміаку



п/п

Речовина

Прихід

Витрата

G, кг

I, ГДж

G, кг

I, ГДж

2 CH4 + О2 → 2 CO + 4 H2, Т1 = 350 К

1

СH4

564,8

-41,3

-

-

2

О2

564,8

0,026

-

-

3

СО

-

-

988,4

-3,85

4

Н2

-

-

141,2

0,11

Разом:

1129,6

-41,274

1129,6

-3,74

I1 = Iвитрата - Iприхід = -3,74 + 41,274 = 37,534 ГДж

CO + H2O → CO2 + H2, Т2 = 823 К

1

СО

494,2

-1,67

-

-

2

H2O

317,7

-3,93

-

-

3

CO2

-

-

776,6

-6,52

4

Н2

-

-

35,3

0,272

Разом:

811,9

-5,6

811,9

-6,248

I2 = Iвитрата - Iприхід = -6,248 + 5,6 = -0,648 ГДж

CH4 + 2 (N2; O2) → 2 H2O + CO2 + 2 N2, Т3 = 350 К

1

СH4

54,7

-0,25

-

-

2

Повітря

(N2; O2)

1042,4

18,5

-

-

3

H2O

-

-

123,1

-1,64

4

CO2

-

-

150,5

-1,34

5

N2

-

-

823,5

0,045

Разом:

1097,1

18,25

1097,1

-2,935

I3 = Iвитрата - Iприхід = -2,935 – 18,5 = -21,185 ГДж

N2 + 3 H2 → 2 NH3, Т4 = 423 К

1

N2

823,5

1,51

-

-

2

Н2

176,5

0,32

-

-

3

NH3

-

-

1000

-2,42

Разом:

1000

1,83

1000

-2,42

I4 = Iвитрата - Iприхід = -2,42 – 1,83 = -4,25 ГДж

I = I1 + I2 + I3 + I4 = 37,534 -0,648 – 21,185 – 4,25 = 11,451 ГДж
  1   2   3

Схожі:

Обгрунтування вибору енергоефективних витрат сировини в хімічній технології” iconЗміст вступ розділ 1 техніко-економічне обгрунтування проекту
Характеристика району, де планується розмістити заклад та обґрунтування вибору місця будівництва
Обгрунтування вибору енергоефективних витрат сировини в хімічній технології” iconДосвід використання методики вибору ефективної технології транспортно...
Досвід використання методики вибору ефективної технології транспортно експедиційного
Обгрунтування вибору енергоефективних витрат сировини в хімічній технології” iconПроект розвитку комунальної енергетики україни на основі впровадження...
На основі впровадження енергоефективних та енергозберігаючих технологій І використання
Обгрунтування вибору енергоефективних витрат сировини в хімічній технології” iconПлан Поняття та види судових витрат в цивільному процесі, їх значення 3
Звільнення від сплати судових витрат. Розподіл судових витрат та їх відшкодування 20
Обгрунтування вибору енергоефективних витрат сировини в хімічній технології” iconВитрат
Розділ порівняння вимог п(С)бо І м(С)бо щодо розкриття інформації з обліку прямих матеріальних витрат
Обгрунтування вибору енергоефективних витрат сировини в хімічній технології” iconДержавний вищий навчальний заклад
Структура та обсяги поглинання витрат Центрів витрат відповідними видами діяльності у звітному періоді
Обгрунтування вибору енергоефективних витрат сировини в хімічній технології” iconРешение Побудова економіко-математичної моделі задачі
В) І зовнішніх (З) робіт, що надходить у продаж за ціною 3 тис грн. І 2 грн руб за 1 т. Для виробництва фарб використовують два види...
Обгрунтування вибору енергоефективних витрат сировини в хімічній технології” icon«Формування І розвиток особистісних рис громадянина української держави,...
Холоменюк Олена Олексіївна – 5 клас –«Адаптація учнів. Здоров'язберігаючі технології у вихованні учнів»
Обгрунтування вибору енергоефективних витрат сировини в хімічній технології” iconПлан: Визначення І класифікація затрат на виробництво Облік загальновиробничих...
Облік витрат діяльності виробничих підприємств І калькулювання собівартості продукції
Обгрунтування вибору енергоефективних витрат сировини в хімічній технології” iconАналіз технології виготовлення варених ковбасних виробів І проект...
Та готові до споживання. В склад фаршу залежно від рецептури входять крім основної сировини (м’ясо, шпик), сиворотка чи плазма крові,...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Школьные материалы


База даних захищена авторським правом © 2014
звернутися до адміністрації
uchni.com.ua
Головна сторінка