На выполнение курсовой работы

Институт химии и энергетики

(институт)

Рациональное природопользование и ресурсосбережение

(кафедра)

 

КУРСОВАЯ РАБОТА  

 

по учебному курсу «Технологии переработки и утилизации отходов 4»

 

Вариант № 22

 

Тема: Процессы и аппараты переработки отходов химического

предприятия.

 

 

Студент	Головин Михаил Алексеевич (И.О. Фамилия)
Группа	ЭРТбз-1501Д (И.О. Фамилия)
Ассистент	(И.О. Фамилия)
Преподаватель	к.п.н., доцент Кравцова Марианна Викторовна (И.О. Фамилия)

 

 

Тольятти 2020

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Тольяттинский государственный университет»

Институт химии и инженерной экологии

 (наименование института полностью)

Кафедра «Рациональное природопользование и ресурсосбережение»

^{(наименование кафедры полностью)}

                                                                                                                  

	УТВЕРЖДАЮ
	Завкафедрой
	____________ М.В.Кравцова                       (подпись)                    (И.О. Фамилия)        «13» февраля2020 г.

ЗАДАНИЕ

На выполнение курсовой работы

Студент Головин Михаил Алексеевич

1.Тема Проектирование энерго – и ресурсосберегающих процессов в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии. Вариант 22

2. Срок сдачи студентом законченной курсовой работы  13 февраля 2020 г.

3. Исходные данные к курсовой работе Данные НИР

4. Содержание курсовой работы (перечень подлежащих разработке вопросов, разделов):

1 Описание технологической установки/процесса (технологическая схема, стадии технологического процесса, технологические показатели, обоснование выбора)

2 Расчет материального и энергетического балансов

3 Анализ преимуществ предлагаемой технологии

5. Ориентировочный перечень графического и иллюстративного материала (с точным указанием чертежей и форматов их представления) не предусмотрено  

6. Рекомендуемые учебно-методические материалы Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Технологии переработки и утилизации отходов 4»

 

Дата выдачи задания «22» января 20 20 г.

Руководитель курсовой работы _____________          М. В. Кравцова

                                                                        (подпись)                                   (И.О. Фамилия)

Задание принял к исполнению ______________        М.А.Головин

                                                                                  (подпись)                                   (И.О. Фамилия)

 

Содержание

ВВЕДЕНИЕ	4
1 Описание технологической установки	6
1.1 Получение водорода	6
1.1.1 Электролиз и высокотемпературный электролиз	6
1.1.2 Паровая конверсия метана	9
1.2 Физико-химические свойства	12
1.3 Химические свойства водорода	14
2 Расчет материального и энергетического балансов процесса получения водорода	19
2.1 Материальный баланс	19
2.2 Энергетический баланс	21
2.3 Анализ преимуществ предлагаемой технологии	23
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	26
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ	27

 

Введение

Мы живем в постиндустриальную эпоху.

Мы стремимся сделать нашу жизнь лучше и проще, но забываем о том, что её нужно сделать чище.

 Совершив 20-м веке огромный скачок в сфере развития технологий, человечество накопило огромное количество мусора в виде пластика, мобильных устройств, отходов химического производства.

Наши моря задыхаются от отходов, наша почва отравлена сточными водами, мы сами дышим загрязненным воздухом.

Все перечисленные выше виды отходов наносят невосполнимый вред нашей экологической системе.

Ведь даже выкидывая на улице простую пластиковую бутылку на улице,  мы обрекаем ее на разложение в почве в течение срока, составляющего около 400-500 лет, и это, в масштабах человеческой жизни, огромный отрезок времени.

Мы сталкиваемся с проблемами не только в вопросе образования отходов, но и их неадекватным сбором, транспортировкой, обработкой и уничтожением.

Современные системы в большинстве стран мира не могут справиться с объёмами отходов, образующимися в результате деятельности промышленных объектов, и это сказывается на окружающей среде и здоровье общества.[15]

На данном этапе человечество достигло уровня, когда социально-экономическое развитие государства необходимо рассматривать в непосредственной взаимосвязи с качеством окружающей среды.

 

Острота проблемы  данной проблемы выходит за границы минутных интересов общества, перенося акцент в плоскость учета интересов как нынешнего, так и будущих поколений.

Проблема оздоровления и охраны окружающей среды в условиях антропогенного воздействия является одной из наиболее острых социально-экономических проблем современности.

Безопасность окружающей среды является обязательным условием устойчивого общественного развития.[7]

Этим фактором во многом обусловлена объективная необходимость изучения влияния отходов производства на состояние окружающей среды.

Производственные предприятия генерируют опасные и токсичные химические вещества, которые являются одним из наиболее значительных факторов загрязнения окружающей среды

Цель курсовой работы – формирование практических навыков организации энерго- и ресурсосберегающих промышленных производств на основе совершенствования химических, нефтехимических и биотехнологических процессов.

Задачи курсовой работы:

1. Обосновать выбор энерго- и ресурсосберегающего процесса (установки).

2. Провести расчет материального и энергетического балансов для выбранной технологии.

3. Предоставить преимущества выбранной технологии.

Структура курсовой работы.

Курсовая работа состоит из введения, двух разделов, заключения и списка использованных источников.

 

Получение водорода

Водород является самым распространенным элементом на земле, но его редко можно найти в чистом виде.

Фактически это означает, что для получения водорода его необходимо извлечь его из различных соединений.

Конечно, этот процесс извлечения требует энергии, но водород может быть получен или извлечен с использованием практически любого первичного источника энергии, будь то ископаемые или возобновляемые источники.

Характерно, что водород может быть получен с использованием различных ресурсов, включая ископаемые виды топлива, такие как природный газ и уголь, биомасса, непродовольственные культуры, ядерная энергия и возобновляемые источники энергии, такие как ветер, солнечная, геотермальная и гидроэлектрическая энергия для разделения воды.

Это разнообразие потенциальных источников питания является наиболее важной причиной, по которой водород является таким перспективным энергоносителем.

В настоящее время (новые методы исследуются каждый день) наиболее заметными производственными путями являются следующие:

− электролиз и высокотемпературный электролиз;

− паровая конверсия метана.

Паровая конверсия метана

В настоящее время большая часть водорода, производимого сегодня, производится через интенсивный процесс CO₂, называемый паровой конверсией метана.

Высокотемпературный пар (700°C-1000°C) используется для получения водорода из источника метана, такого как природный газ.

 

При паровой конверсии метан взаимодействует с паром под давлением 3-25 бар в присутствии катализатора для получения водорода, монооксида углерода и относительно небольшого количества двуокиси углерода.

Паровой конверсия является эндотермической — то есть для протекания реакции в процесс необходимо подавать тепло.

Впоследствии, в том, что называется "реакцией сдвига вода-газ", монооксид углерода и пар взаимодействуют с использованием катализатора для получения диоксида углерода и большего количества водорода.

На заключительном этапе процесса, называемом "адсорбцией под давлением", углекислый газ и другие примеси удаляются из газового потока, оставляя по существу чистый водород.

Паровой конверсия может также использоваться для получения водорода из других видов топлива, таких как этанол, пропан или даже бензин.

Реакция паровой конверсии метана

CH₄ + H₂O (+тепло) → CO + 3H₂

Водогазовая сдвиговая реакция

CO + H₂O → CO₂ + H₂ (+ небольшое количество тепла)

Частичное окисление

При частичном окислении метан и другие углеводороды в природном газе вступают в реакцию с ограниченным количеством кислорода (как правило, из воздуха), которого недостаточно для полного окисления углеводородов до углекислого газа и воды. [9]

При меньшем, чем стехиометрическое количество кислорода, доступном, продукты реакции содержат в основном водород и монооксид углерода (и азот, если реакция проводится с воздухом, а не с чистым кислородом), а также относительно небольшое количество диоксида углерода и других соединений.

 

Затем, в реакции переноса воды-газа, окись углерода реагирует с водой для того чтобы сформировать углекислый газ и больше водорода.

Частичное окисление является экзотермическим процессом¾ оно выделяет тепло. [4]

Этот процесс, как правило, намного быстрее, чем паровая конверсия, и требует меньшего объема реактора.

Как видно из химических реакций парциального окисления, этот процесс изначально производит на единицу вводимого топлива меньше водорода, чем получается при паровой конверсии того же топлива.

Парциальное окисление реакции метана

CH₄ + ½O₂ → CO + 2H₂ (+ тепло)

Водогазовая сдвиговая реакция

CO + H₂O → CO₂ + H₂ (+ небольшое количество тепла)

Процесс паровой конверсии метана можно также использовать для производства водорода из биогаза.

Рисунок 2¾ 3D-модель установки паровой конверсии метана

Рисунок 3 ¾Технологическая схема установки паровой конверсии метана

 

Материальный баланс

По закону Фарадея в результате прохождения через электролит двух фарадеев электричества на катоде выделяется 2 г-экв водорода (1 моль занимающий при нормальном давлении и температуре 0,0224) и 1 г-экв кислорода (0,5 моля - объем 0,0112) и израсходован 1 моль воды.

Фактически водорода и кислорода выделяется меньше, так как выход по току в этом процессе ниже 100 % и составит 95-98%, а воды израсходуется больше из-за уноса ее паров с газами. [2]

Паров уносится тем больше, чем выше температура, при которой идет электролиз.

Материальный баланс ¾ это количество загружаемых реагентов и получаемых продуктов на каждой стадии технологического процесса с учетом промежуточных и побочных продуктов.

Материальный баланс составляется на основании закона сохранения массы вещества - количество веществ, вступивших в реакцию, равно количеству веществ, полученных в результате реакции.

Приходные статьи баланса

Расход воды на электролиз

 = ,

где , - электрохимический эквивалент воды, г/А ч;

 = 0,336∙1∙192∙1000∙0,95 =  61386,4 г/ч

или  = 61,38 кг/ч

Расходные статьи баланса

На катоде выделяется газообразного водорода за 1 час:

K:2   = ,

где I ¾ cила тока, проходящего через электролизер, а n ¾количество ячеек в электролизере, шт;

 ¾ электрохимический эквивалент водорода, г/А∙ ч;

 = 2/2∙ 26,8 = 0,037 г/А ∙ч

Или  = 22,4/2∙ 26,9 = 0,418 л/А ∙ ч

  ¾ выход по току, доли; ф ¾продолжительность электролиза, час.

 = 1000∙1∙0,037∙0,95∙192 = 6748,8 г/ч

или  = 6,7 кг/ч

На аноде выделится газообразный кислород за 1 час:

A: 2О+1/2

  = I∙ф ∙Bm∙ n

где  ¾ электрохимический эквивалент кислорода, г/А∙ч;

= 16/2∙26,8 = 0,298 г/А∙ч

или  = 11,2/2∙26,8 = 0,209 л/А∙ч

 =1000∙1∙192∙0,298∙0,95 = 55355,2 г/ч

Или  = 55,3 кг/ч

Расход воды на испарение.

Для расчета требуется найти объем газов в реальных условиях, то есть в условиях температуры и влажности атмосферы промышленного предприятия.

Объем выделившихся за 1 час газов - водорода и кислорода

 = ∙ Bm∙ I∙n∙ф = 0,418∙0,98∙1000∙192∙1 = 78650,88

= ∙ Bm∙  I ∙  n ∙  ф = 0,209 ∙  0,98 ∙ 1000 ∙  192 ∙ 1 = 39325,44

Объем влажного газа при реальной температуре:

где p - давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха, Па;

B- барометрическое давление, Па;

t - реальная температура в аппарате.

= 78650,88 ∙760∙ (273+80) / 273 ∙ (7502 - 17,5) ∙0,995 = 10378,8 л

= 39325,44 ∙760 ∙ (273+80) / 273 ∙ (7502 - 17,5) ∙0,995 = 5189,3

Суммарный объем влажных газов:

 =   +  = 10378,8 + 5198,3 = 15568,1 л

 = 15,6 м3

 = 15,6 * 20 *10-3 = 0,31 м/час

Приход