Transcript
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) УТВЕРЖДАЮ проректор по учебной работе, д.х.н., профессор Масленников И.Г. 2007 г. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПРИНЦИПЫ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСЕЙ образовательной профессиональной программы (ОПП) Рациональное использование материальных и энергетических ресурсов Факультет технологии органического синтеза и полимерных материалов Кафедра Ресурсосберегающих технологий Санкт-Петербург 2007 Учебно-методический комплекс обсужден на заседании кафедры ресурсосберегающих технологий, протокол, от 200 г Заведующий кафедрой д.т.н., профессор Н.В.Лисицын Одобрено учебно-методической комиссией факультета технологии органического синтеза и полимерных материалов, протокол от 200 г Председатель д.х.н., профессор Н.А. Лавров Комплекс составил д.х.н., профессор А.А. Гайле. 2 Содержание 1 Пояснительная записка 4 2 Учебно-тематический план дисциплины 6 3 Рабочая программа дисциплины 7 4 План практических занятий Контрольные вопросы по дисциплине Вопросы для зачета 24 5 Методические рекомендации по организации 27 самостоятельной работы студентов 6 Тестовые материалы, используемые при контроле знаний студентов 28 7 Методические рекомендации для преподавателей 31 3 ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Цели и задачи дисциплины Дисциплина «Принципы процессов разделения смесей» входит в блок общепрофессиональных дисциплин. Рабочая программа дисциплины составлена в соответствии с разделом СД.04 Государственного Образовательного Стандарта специальности «Рациональное использование материальных и энергетических ресурсов». Выписка из Государственного Образовательного Стандарта Индекс Наименование дисциплины и их основные разделы СД.04 Принципы процессов разделения смесей: термодинамические характеристики и классификация процессов разделения; факторы, влияющие на чистоту продукта; изменение расходов, состава и температуры в противоточном разделительном каскаде; ограничения характеристик разделения; пропускная способность и эффективность контактных устройств; способы повышения эффективности разделения; анализ энергозатрат на разделение смесей; минимальная работа разделения; оценка термодинамического к.п.д.; обратимые и необратимые процессы разделения; способы энергосбережения при разделении смесей; принципы выбора процессов разделения. Всего часов 119 Цель преподавания дисциплины формирование у студентов знаний теоретических основ и технологии процессов разделения углеводородного сырья и продуктов основного органического и нефтехимического синтеза. Основные задачи изучения дисциплины состоят в: - формирование и углубление знаний студентов в области теоретических основ и возможностей физико-химических методов разделения углеводородного сырья, разделения и очистки продуктов основного органического и нефтехимического синтеза; - освоение методов расчета фазовых равновесий и аппаратов для процессов разделения; - формирование знаний студентов в области технологии процессов разделения и очистки органических веществ. - формирование навыков выбора оптимальных высокоселективных методов разделения смесей веществ ресурсо- и энергосберегающих технологий. Перечень учебных дисциплин, необходимых для изучения данной дисциплины: «Математика», «Физическая химия», «Прикладная математика», «Процессы и аппараты химической технологии». 4 В результате изучения данной дисциплины студенты будут: - знать: - принципы различных методов разделения смесей, их возможности, преимущества и недостатки; - основы расчета колонн азеотропной и экстрактивной ректификации, абсорберов, экстракторов; - конструкции аппаратов для разделения смесей; - способы энергосбережения при разделении смесей. - иметь представление: - о перспективных процессах разделения и очистки веществ, пока не нашедших применения в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. - уметь: - обоснованно выбирать эффективные методы разделения углеводородных смесей и продуктов органического синтеза; - рассчитывать коэффициенты активности компонентов неидеальных систем для моделирования фазовых равновесий жидкость пар и жидкость жидкость с использованием эмпирических, полуэмпирических уравнений и теоретических методов. - рассчитывать ректификационные колонны для разделения многокомпонентных и сложных смесей. Формы контроля По дисциплине «Принципы процессов разделения смесей» предусмотрены следующие виды контроля знаний студентов: Оперативный контроль. Оперативный контроль проводится с целью определения качества усвоения лекционного материала и части дисциплины, предназначенной для самостоятельного изучения. Наиболее эффективным является его проведение в письменной форме или с использованием специализированного программного обеспечения по аттестации «Оперативный контроль» по окончании изучения очередной учебной темы. Частота контроля определяется индивидуально для каждой группы студентов, но не реже двух раз в течение семестра. Результаты оперативного контроля оформляются в виде отдельной ведомости и хранятся в системе электронного документооборота кафедры. При этом могут использоваться контрольные вопросы, тестовые задания. - Рубежный контроль. В течение семестра студенты готовят ответы на контрольные вопросы и тестовые задания по каждой теме образовательной программы. Студентами по темам, в том числе и отнесенным к самостоятельному изучению с использованием рекомендованной литературы в учебнометодическом комплексе, выполняется контрольная работа. Результаты контрольной работы фиксируются в ведомости контрольных работ, ведомость хранится в системе электронного документооборота кафедры в течение периода обучения студента в ВУЗе (но не менее одного года).. 5 - Итоговый контроль по курсу. Для контроля усвоения данной дисциплины учебным планом предусмотрен: дифференцированный зачет. На зачете студентам предлагается ответить на 2 вопроса по материалам учебной дисциплины, включая и материал, представленный для самостоятельного изучения. Оценка на зачете является итоговой по курсу и проставляется в приложении к диплому. 6 УЧЕБНО-ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН п/п Наименование темы 1 Введение. Методы расчета физико-химических свойств органических веществ и углеводородных фракций Всего часов Количество аудиторных часов Лекции Практические занятия Количество часов самостоятельной работы Испарение и конденсация Ректификация многокомпонентных и сложных смесей 4 Моделирование равновесия жидкость - пар 5 Азеотропная и экстрактивная ректификация 4 6 Абсорбция Экстракция Адсорбция Кристаллизация, экстрактивная и аддуктивная кристаллизация 10 Диффузия через мембраны и термодиффузия. Химические методы разделения и очистки Итого На подготовку к оперативному и рубежным контролям, зачету предусмотрены часы самостоятельной работы в объеме???? часа. ИТОГО объем часов самостоятельной работы составит 49 часов. Для оперативного контроля освоением дисциплины предусмотрен контроль самостоятельной работы студентов (КСР) в объеме 2 часов. Распределение часов по дисциплине представлено следующим образом: Всего на изучение дисциплины 119 часов Аудиторные занятия 70 часов (Лекции 34 час., лабораторные 34 час., КСР 2 час.) 7 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) УТВЕРЖДАЮ Проректор по учебной работе, д.х.н., профессор Масленников И.Г. 200 г. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ПРИНЦИПЫ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСЕЙ образовательной профессиональной программы (ОПП) Рациональное использование материальных и энергетических ресурсов Факультет технологии органического синтеза и полимерных материалов Кафедра Ресурсосберегающих технологий Курс 5 Семестр 9 Лекции 34 час. Практические занятия 34 час. Контроль самостоятельной работы 2 час. Самостоятельная работа 49 час. ИТОГО 119 час. Зачет 9 семестр 8 Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры ресурсосберегающих технологий протокол, от 200 г Заведующий кафедрой д.т.н., профессор Лисицын Н.В. Одобрено методической комиссией факультета химической технологии органического синтеза и полимерных материалов протокол, от 200 г Председатель д.х.н., профессор Программу составил д.х.н., профессор Лавров Н.А. Гайле А.А. 9 1 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ И ЕЕ МЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ Цель преподавания дисциплины формирование у студентов знаний теоретических основ и технологии процессов разделения углеводородного сырья и продуктов основного органического и нефтехимического синтеза. Основные задачи изучения дисциплины состоят в: - формирование и углубление знаний студентов в области теоретических основ и возможностей физико-химических методов разделения углеводородного сырья, разделения и очистки продуктов основного органического и нефтехимического синтеза; - освоение методов расчета фазовых равновесий и аппаратов для процессов разделения; - формирование знаний студентов в области технологии процессов разделения и очистки органических веществ. - формирование навыков выбора оптимальных высокоселективных методов разделения смесей веществ ресурсо- и энергосберегающих технологий. Перечень учебных дисциплин, необходимых для изучения данной дисциплины: «Математика», «Физическая химия», «Прикладная математика», «Процессы и аппараты химической технологии». 2 ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ В результате изучения данной дисциплины студенты будут: - знать: - принципы различных методов разделения смесей, их возможности, преимущества и недостатки; - основы расчета колонн азеотропной и экстрактивной ректификации, абсорберов, экстракторов; - конструкции аппаратов для разделения смесей; - способы энергосбережения при разделении смесей. - иметь представление: - о перспективных процессах разделения и очистки веществ, пока не нашедших применения в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. - уметь: - обоснованно выбирать эффективные методы разделения углеводородных смесей и продуктов органического синтеза; - рассчитывать коэффициенты активности компонентов неидеальных систем для моделирования фазовых равновесий жидкость пар и жидкость жидкость с использованием эмпирических, полуэмпирических уравнений и теоретических методов. 10 - рассчитывать ректификационные колонны для разделения многокомпонентных и сложных смесей. 3 ВИДЫ УЧЕБНЫХ ЗАНЯТИЙ И ИХ ОБЪЕМ Занятия по дисциплине «Принципы разделениясмесей» проводятся на 5 курсе в 9-м семестре в объеме: лекции 34 час., практические занятия 34 час., контроль самостоятельной работы студентов 2 час. и самостоятельная работа 49 час. По дисциплине предусмотрен дифференцированный зачет. Всего 119 час. 4 ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН И СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ 4.1. Темы и содержание лекций (34 час.) Введение. Методы расчета физико-химических свойств органических веществ и углеводородных фракций (2 час.) Цели и задачи изучения дисциплины. Классификация процессов разделения и очистки органических веществ. Рекомендуемая литература. Методы расчета средней молекулярной массы нефтяных фракций. Формула Воинова. Понятие о характеризующем факторе и его учет при расчете средней молекулярной массы. Давление насыщенного пара индивидуальных веществ и фракций. Расчет и определение констант фазового равновесия компонентов. Давление сходимости. Учет неидеальности паровой фазы по методике Винна-Хеддена. Плотность жидких нефтепродуктов и газовых смесей. Теплоемкость органических веществ в жидкой и паровой фазе. Графические методы определения энтальпии жидких нефтепродуктов и нефтяных паров. Теплоты испарения. Энтальпии образования и сгорания веществ. Расчет энтальпий образования и теплоемкости по методу Бенсона Испарение и конденсация (2 час.) Однократное испарение. Доля отгона сырья. Построение кривой однократного испарения идеальной бинарной смеси. Построение кривой однократного испарения методом Обрядчикова и Смидович и с использованием графиков Эдмистера. Расчет доли отгона сырья и составов равновесных фаз с помощью графика Гужова и методом Трегубова. Многократное и постепенное испарение и конденсация Ректификация многокомпонентных и сложных смесей (6 час.) Применение ректификации в нефтепереработке, нефтехимии, промышленности основного органического синтеза. Составление материального балан- 11 са ректификационной колонны с помощью метода ключевых компонентов и по Хенгстебеку. Расчет температуры верха и низа колонны Расчет минимального флегмового числа по Андервуду и оптимизация рабочего флегмового числа. Расчет числа теоретических тарелок колонны методами Фенске-Джиллиленда, Хенгстебека, от тарелки к тарелке. Характеристика и устройство тарелок ректификационных колонн, их коэффициент полезного действия. Способы орошения и подвода тепла в колонну. Тепловой баланс ректификационной колонны Расчет внутренних материальных потоков в колонне. Предварительный расчет диаметра колонны. Явления, нарушающие нормальную работу тарелок. Гидравлический расчет тарелок. Построение диаграммы производительности тарелок. Расчет высоты колонны. Колонны с насыпной и структурированной насадкой. Пленочные, роторно-пленочные и скоростные колонные аппараты с вихревыми тарелками. Возможные направления экономии энергии при проведении ректификационных процессов Моделирование равновесия жидкость - пар (4 час.) Межмолекулярные взаимодействия в растворах неэлектролитов. Концентрационные зависимости коэффициентов активности компонентов раствора. Эмпирические уравнения Маргулеса, Ван-Лаара, Редлиха-Кистера. Полуэмпирические уравнения, основанные на концепции локальных составов (Вильсона, Цубока-Катаяма, NRNL, UNIQUAC) Теория регулярных растворов Скетчарда-Гильдебранда и ее дальнейшее развитие. Групповые модели раствора UNIFAC и ASOG. Расчет коэффициентов активности с использованием уравнения состояния. Экспериментальные методы определения коэффициентов активности. Зависимость коэффициентов активности компонентов от температуры Азеотропная и экстрактивная ректификация (4 час.) Селективность растворителей по отношению к разделяемым компонентам. Зависимость коэффициентов активности углеводородов в растворителях от строения углеводородов. Зависимость селективности и растворяющей способности от химического строения растворителей. Использование принципа линейности свободных энергий для оценки селективности растворителей. Донорные и акцепторные числа растворителей Условие образования азеотропов и вытекающие из него следствия. Требования к азеотропобразующим компонентам. Преимущества и недостатки азеотропной ректификации. Анализ структуры диаграмм парожидкостного равновесия. Расчет колонн азеотропной ректификации. Требования к растворителям для экстрактивной ректификации. Применение процесса экстрактивной ректификации. Расчет колонн экстрактивной ректификации Абсорбция (2 час.) 12 Применение процесса абсорбции в нефтепереработке и промышленности основного органического синтеза. Неселективные и селективные абсорбенты, хемосорбция. Принципиальная схема абсорбционно-десорбционной установки. Понятие об относительных концентрациях компонентов в газовой и жидкой фазе, удельном расходе абсорбента и факторах абсорбции. Расчет процесса абсорбции с помощью диаграммы У-Х. Уравнение и график Кремсера. Составление материального и теплового баланса абсорбера. Типы абсорберов и десорберов Экстракция (6 час.) Применение процесса экстракции в нефтепереработке и промышленности основного органического синтеза. Требования к экстрагентам. Сравнительная характеристика процессов разделения с использованием селективных растворителей. Селективная очистка масляных фракций Деасфальтизация нефтяных остатков. Возможности экстракционных процессов повышения качества моторных топлив и сырья для гидрокаталитических процессов. Комбинированные методы разделения и очистки смесей с использованием селективных растворителей. Свойства треугольной диаграммы. Методы построения бинодальных кривых и нод. Коэффициенты распределения и разделения Составление материального баланса экстрактора. Расчет колонного экстрактора с сетчатыми тарелками- диаметра экстрактора, расстояния между тарелками, высоты рабочей части, разделительной камеры и сливного устройства. Распылительные, насадочные, пульсационные, вибрационные колонные экстракторы. Роторно-кольцевые и роторно-дисковые экстракторы. Особенности и возможности суперкритической экстракции Адсорбция (2 час.) Применение адсорбции в нефтепереработке и промышлености основного органического синтеза. Полярные и неполярные адсорбенты с неоднородной пористостью. Природные и синтетические цеолиты, их кристаллическая структура и молекулярно-ситовые свойства. Схемы адсорбционных установок периодического и непрерывного действия. Построение изотермы адсорбции. Материальный баланс адсорбера. Расчет адсорберов с движущимся слоем адсорбента Кристаллизация, экстрактивная и аддуктивная кристаллизация (4 час.) Применение процессов кристаллизации, экстрактивной и аддуктивной кристаллизации в нефтепереработке и промышленности основного органического синтеза. 13 Депарафинизация масляных фракций с использованием селективных растворителей. Карбамидная депарафинизация. Клатратные соединения с полостями в кристаллической решетке в виде клеток Диффузия через мембраны и термодиффузия. Химические методы разделения и очистки (2 час.) Применение диффузии через мембраны и термодиффузии. Понятие о проницаемости мембраны и факторах разделения. Металлические и металлосодержащие мембраны для извлечения водорода из промышленных газов. Конструкции мембранных аппаратов. Термодиффузионные колонны, методы повышения их эффективности. Химические методы выделения и очистки ароматических углеводородов, алкенов, алкадиенов, алкинов. Методы выделения и очистки гетероатомных соединений кислотного и основного характера из нефтепродуктов. Применение химических методов разделения и очистки в промышленности основного органического синтеза Темы практических занятий (34 час.) Методы расчета физико-химических свойств органических веществ и углеводородных фракций (2 час) Тема «Методы расчета физико-химических свойств органических веществ и углеводородных фракций» Испарение и конденсация 2 час. Тема «Испарение и конденсация» Ректификация многокомпонентных и сложных смесей 8 час. Тема «Ректификация многокомпонентных и сложных смесей» Моделирование равновесия жидкость пар 4 час. Тема «Моделирование равновесия жидкость - пар» Азеотропная и экстрактивная ректификация 4 час.. Тема «Азеотропная и экстрактивная ректификация» Абсорбция 2 час. Тема «Абсорбция» Экстракция 6 час. Тема «Экстракция» Адсорбция 2 час. Тема «Адсорбция» Кристаллизация, экстрактивная и аддуктивная кристаллизация 2 час. Тема «Кристаллизация, экстрактивная и аддуктивная кристаллизация» Диффузия через мембраны и термодиффузия. Химические методы разделения и очистки 2 час. Тема «Диффузия через мембраны и термодиффузия. Химические методы разделения и очистки». 14 4.3 Самостоятельная работа (??? час.). Самостоятельная работа включает подготовку к практическим занятиям, к зачету и изучение отдельных тем, отнесенных к самостоятельному освоению студентами с использованием литературных источников, представленных в учебной программе дисциплины. В число часов для самостоятельной работы включено необходимое время для подготовки к текущему контролю, проводимого в течение семестра. Разделы тем для самостоятельного изучения, подготовки к практическим работам (??????? час.). Основная 5. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ 1. Химия нефти и газа / А.И.Богомолов, А.А.Гайле, В.В.Громова и др.- СПб.:Химия, с. 2. Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии. Ч.1,2.-М.: Мир, с. 3. Гайле А.А. Оборудование нефтехимических заводов и основы проектирования. Процессы и аппараты для разделения углеводородов и нефтехимических продуктов: Учеб. пособие / ЛТИ им.ленсовета. - Л., с. 4. Гайле А.А., Пекаревский Б.В. Расчет ректификационных колонн: Учеб.пособие/ СПбГТИ(ТУ). СПб.: «ИК Синтез», 2007 Дополнительная 1. Разделение углеводородов с использованием селективных растворителей / Г.-Й.Битрих, А.А.Гайле, Д.Лемпе и
