Курсач по Химическому процессу. Курсовой проект ХП правка1. Курсовая работа по дисциплине Химический процесс

• Название: Курсовая работа по дисциплине Химический процесс
• Анкор: Курсач по Химическому процессу
• Дата: 08.12.2022
• Размер: 145.99 Kb.
• Имя файла: Курсовой проект ХП правка1.docx
• Тип: Курсовая; #835410

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Кафедра нефтехимии и химической технологии

КР принята с оценкой
Соблюдение графика
Оформление
Мат.модель
Расчет мат.баланса
Расчет тепл.баланса
Защита
Итоговая

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Химический процесс»
Расчет материального и теплового баланса процесса получения

ацетонитрила из этилена и аммиака
направление подготовки 18.03.01 Химическая технология

профиль «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных

материалов»


Студент гр. БТП

Доцент кафедры


Уфа 2020
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

"Уфимский государственный нефтяной технический университет"

Кафедра нефтехимии и химической технологии

ЗАДАНИЕ

на выполнение курсовой работы (КР)

Студент группа

1 Дисциплина "Химический процесс"

2 Тема КР "Расчет материального и теплового баланса процесса получения ацетонитрила из этилена и аммиака"

3 Вариант 2.6

4 Исходные данные:

Производительность по ацетонитрилу	120 т/год
Потери ацетонитрила	1,5 % масс.
Состав ЭЭФ, % об.:
этилен	90
этан	10
Условия реакции:
температура	550 °С
давление	1 атм
Массовое соотношение «этилен:аммиак»	1:9
Значение Кр при температуре процесса	10
Степень достижения равновесия	0,85

5 Содержание КР:

- математическая модель химического процесса на уровне химической реакции;

- механизм химической реакции;

- блочная схема химического процесса;

- расчет материального баланса;

- расчет теплового баланса;

- заключение.

6 Календарный график выполнения КР

№ пп.	Наименование раздела КР	Срок сдачи, не позднее
1	Математическая модель, механизм химической реакции, блочная схема химического процесса	01.05.2020
2	Расчет материального и теплового балансов	10.05.2020
3	Защита	по графику

7 Защита КР – 38-40 недели

Задание выдал доцент кафедры НХТ Н.В. Заиченко, руководитель КР:

Доцент кафедры НХТ ____________А.Р. Гайсина Дата выдачи _____________

Задание получил:

Студент __________ ____________­­­­_____ Дата получения задания ______________

Описание процесса для составления операторной схемы и расчетов

Смесь этан-этиленовой фракции (ЭЭФ), аммиака и воздуха попадают в реактор с псевдоожижженным слоем висмут-фосфорно-молибденового катализатора, где при 550 ºС протекает реакция:



Выходящие из реактора газы после охлаждения промывают водной серной кислотой для удаления аммиака. Из водного раствора отгоняют ацетонитрил.


СОДЕРЖАНИЕ

1. Математическая модель химического процесса на уровне химической реакции……………………………………………………………….	5
2. Механизм химической реакции………………………………..............	7
3. Принципиальная технологическая схема процесса и её описание….	8
4. Расчет материального баланса…………………………………………	9
5. Расчет теплового баланса………………………………………………	12
Заключение………………………………………………………………...	15
Список использованной литературы……………………………………..	16

1. Математическая модель химического процесса на уровне реакционного объема
Реакция сложная обратимая.

Реакция протекает на непористом катализаторе.

На молекулярном уровне можно рассматривать только влияние гомогенного катализатора, способного образовывать молекулярный активный комплекс. Такую реакцию A → B можно рассматривать как протекающую в две стадии:

k1 А + К ⇆ АК → B + K k2 k3

(1.1)

Первая стадия – две быстрые частные реакции, приводящие к равновесному состоянию:

k1CA · (CK0 – CAK) = k2 ·CAK

(1.2)

где C_A – текущая концентрация ДМВК;

С_АК – концентрация каталитического комплекса;

C_K0 – концентрация каталитического комплекса;

(C_K0 – C_AK) – текущая концентрация катализатора.

Общая скорость реакции определяется скоростью лимитирующей стадии. В данном случае наиболее медленно протекает вторая стадия:

r = k3∙CAK

(1.3)

Выразим текущую концентрацию каталитического комплекса из уравнения (1.2.):

CAK =

(1.4)

Подставляя полученное выражение в уравнение (1.3), получим:

r = k3 ·

(1.5)

Так же учтем:

(1.6)

С учетом уравнения (1.6) кинетическое уравнение на уровне химической реакции (1.5) примет вид (1.7):

(1.7)

2. 
   Механизм химической реакции
   

Оптимальное соотношение в исходной реакционной смеси аммиака и этилена зависит от степени конверсии этилена. При степени конверсии пропилена 80 % оптимальное мольное соотношение NН₃:С₂Н₄ находится в пределах (0,9:1) - (1,05:1). Незначительное изменение этого мольного соотношения не влияет на показатели процесса. Однако при содержании кислорода в газах после реактора ниже 1,5% (об.) скорость реакции уменьшается в результате восстановления катализатора и - как следствие - его дезактивации.

(2.1)

(2.2)

Для уменьшения образования побочных продуктов, затрудняющих очистку акрилонитрила (акролеин, ацетальдегид, ацетон), аммиак подают в небольшом избытке. Например, при 80%-ной конверсии этилена оптимальное мольное соотношение аммиака и пропилена находится в пределах от 0,9:1 до 1,05:1[2].
3. Блочная схема процесса
Рисунок 1.1 – Блок-схема получения ацетонитрила

1 – смесительный блок, 2 – реакторный блок, 3 – блок охлаждения, 4 – блок удаления аммиака, 5 – блок отделения воды.
4. Расчет материального баланса


Рисунок 4.1 – Операторная схема производства ацетонитрила

Найдем теоретический и фактический составы равновесной смеси на основании стехиометрии и значения .

Примем, что количество полученного к моменту равновесия ацетонитрила составит х моль. Для удобства расчеты представим в виде таблицы 4.1. Зададимся смесью 100 кг, отсюда из массового соотношения «этилен-аммиак» получаем 10 кг этилена и 90 кг аммиака
Таблица 4.1 - Теоретический состав реакционной смеси

Компонент
	кмоль	кг		кмоль	Р		кмоль	кг
	0	0		х			0,268
	0	0		2х			0,268∙2=0,536
	0,357	10		0,357-х			0,357-0,268=0,089
	5,294	90		5,294-х			5,294 -0,268=5,026	5,026∙17=86,749
Итого	5,651	100		5,651+х			5,919	100

откуда х=0,315 кмоль. По условию степень достижения равновесия 0,85 от равновесного значения. Тогда 𝑥_ф=0,315∙0,85=0,268 кмоль.

Используя входные и выходные, данные пересчитаем полученный бланс на заданную пропускную способность установки по этилену:

120 т/год = =13,889 кг/ч

Чтобы найти коэффициент пересчета составим пропорцию на основании данных столбцов баланса таблицы 4.1:

10,00 кг - 13,889 кг,

11,089 кг - х кг.

Отсюда х = 15,402 кг/ч - получено ацетонитрила.

коэффициент пересчета;

Определяем количество водорода:

m_кг = 1,3889 ∙ 1,072 = 1,489 кг.

Количество аммиака не превращенного:

m_кг = 1,3889 ∙ 86,749 = 120,486 кг.

Количество аммиака поданного:

m_кг = 1,3889 ∙ 90 = 125,001 кг.

Количество не превращенного этилена:

m_кг = 1,3889 ∙ 1,246 = 1,730

Находим состав этилена:

- 96%,

- 4%

отсюда х = 0,62 кг - количество этана, тогда технического этилена будет:

13,889 + 0,62 = 14,509 кг.

Потери ацетонитрила составляют:

15,402 ∙ 0,015 = 0,2310 кг.

За вычетом потерь производительность ацетонитрила составляет:

15,402 – 0,1663 = 10,9227 кг.

Таблица 4.2 - Материальный баланс производства ацетонитрила

Приход				Расход
Компоненты	кг		%масс.		Компоненты		кг/ч		%масс.
Этилен тех.:	14,509		10,400		Ацетонитрил		15,236		10,901
- Этилен	13,889		9,956		Водород		1,489		1,065
- Этан	0,620		0,444		Этилен не превр.		1,730		1,230
Аммиак	125,001		89,600		Аммиак не превр.		120,486		86,204
				Этан		0,620		0,444
				Ацетонитрил потери		0,231		0,166
Итого	139,510		100		Итого		139,510		100,00

5. 
   Расчет теплового баланса процесса
   

Тепловой баланс процесса равен:

+ Qэтилен тех + = Q΄прод+ Qотвод

(5.1)

Расчет тепловых эффектов химических превращений:

(ΔНо298)р = ∑( (ΔНо298) ) продукты - ∑( (ΔНо298))реагенты

(5.2)

Энтальпии образования веществ, приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 – Стандартные энтальпии образования веществ [4]

Вещество	ΔНо298,кДж/моль
Этан	-84,67
Этилен	52,30
Аммиак	-45,94
Ацетонитрил	184,93
Водород	0

Энтальпия образования веществ при данной температуре находят по формуле:

(5.3)

где -удельная теплоемкость компонентов

Таблица 5.2 – Удельные теплоемкости веществ при заданных условиях [5]

Вещество	Ср, кДж/кг град
Этан	4,02
Этилен	2,43
Аммиак	2,47
Ацетонитрил	2,50
Водород	29,30

Расчет энтальпии образования веществ при заданной температуре:



Для реакции (1):

ΔН^о₈₂₃= 2 15382,5+1497,43-1328,05-1250,81=29683,57кДж /1 моль этилена

Реакция эндотермическая: Q_p= -ΔH^o823 =-29683,57кДж /1 моль этилена

Удельный тепловой эффект

= Qp 1000 m / Мм м, кДж/ч

(5.4)

Где m - масса, участвующего в реакции, кг,

М_м - молекулярная масса этого вещества, г/моль,



Приход тепла

Тепло, приносимое ЭЭФ:



Тепло, приносимое аммиаком:



Всего приходит тепла: 19027,402+162095,047=181122,449кДж/ч.

Расход тепла

Тепло, уносимое продуктами:





Всего расходуется тепла: 13093051,028кДж/ч.

Учитывая уравнение теплового баланса Q_приход = Q_расход, видим, что в приходе тепла меньше, чем в расходе. Следовательно, чтобы обеспечить протекание процесса при заданных условиях, необходим подвод тепла с помощью теплоносителя. Рассчитаем количество тепла, которое необходимо подвести к реактору.

Q_подвод = 13093051,028-181122,449=12911928,579кДж/ч.

Результаты расчета теплового баланса представлены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 – Тепловой баланс установки

Материальный поток и его компоненты	Масса потока, кг/ч	Температура,	Теплоемкость продуктов, кДж/кг [5]	Величина теплового потока, кДж/ч
Приход
	13,889	525	2,43	17718,892
	0,620	525	4,02	1308,510
	125,001	525	2,47	162095,047
Подвод тепла	-	-	-	12911928,579
ИТОГО	139,510	-	-	13093051,028
Расход
Ацетонитрил	15,236	525	2,50	19997,250
Водород	1,489	525	29,30	22904,543
Этилен не превр.	1,730	525	2,43	2207,048
Аммиак не превр.	120,486	525	2,47	156240,221
Этан	0,620	525	4,02	1308,51
Ацетонитрил потери	0,231	525	2,50	303,188
Теплота реакции				12890090,27
ИТОГО	139,510	-	-	13093051,028

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе курсовой работы был рассмотрен процесс получения ацетонитрила. Представлены блочная схема и ее описание, операторная схема, механизм химической реакции, а также математическая модель химического процесса на уровне реакционного объема. Рассчитан материальный и тепловой баланс.

Относительные погрешности расчета материального и теплового балансов:





СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. 
   Лакеев С.Н. Технологические схемы с описанием, характеристика сырья и готовой продукции, основные технологические параметры процессов. Уфа: «Химия», 2012, 101 с.
   
2. 
   Лебедев, Н.Н. Химия и технология основного органического синтеза/ Н.Н. Лебедев. – М. Химия, 1988. – 582с.
   
3. 
   Краткий справочник физико-химических величин. Издание девятое А.А. Равделя и А.М. Пономаревой. – СПб.: Специальная Литература, 1998. –232с.: ил.
   
4. 
   Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. Автор: Варгафтик Н.Б. Издательство: Наука» Год издания:1972.