Лекции химическая технология. Курс лекций 3 Введение
 Скачать 1.06 Mb.
|
|
ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ краткий курс лекций 3 Введение Химическая технология – наука о наиболее экономичных и экологически обоснованных методах химической переработки сырых природных материалов в предметы потребления и средства производства. Процессы химической технологии включают химическую переработку сырья, основанную на сложных по своей природе химических и физико-химических явлениях. Основной тенденцией развития химической технологии на современном этапе является решение глобальных проблем человечества: продовольственные ресурсы Земли, ресурсы минерального сырья для промышленности, энергетические ресурсы, предотвращение загрязнения биосферы. Важной отраслью химической технологии является переработка полезных ископаемых и производство на их основе новых видов химических продуктов и сырья многоцелевого назначения. 4 Лекция 1 ИЕРАРХИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ 1.1 Химическая технология как наука Под технологией понимают науку о способах и процессах производства промышленных продуктов из природного сырья. Промышленные продукты могут служить средствами производства (металлообрабатывающие станки или серная кислота) или предметами народного потребления (одежда из химических волокон или хозяйственные изделия из пластмасс). В тоже время многие готовые химические продукты могут использоваться как сырьѐ для химических производств. Термин «технология» происходит от греческого «технэ» - искусство, ремеслои «логос» - понятие, учение, т.е. это совокупность знаний о способах и средствах проведения производственных процессов. В соответствии с характером проводимых процессов можно выделить два вида технологии: механическую и химическую. Механическая технология изменяет физические свойства, форму и внешний вид сырья, химическая – состав сырья, его химические и физико-химические свойства или структуру. Такое деление в известной степени условно, так как часто при изменении вида материала меняются его состав и химические свойства. В создании отечественной химической промышленности и развитии технологических наук большой вклад внесли М.В. Ломоносов, Д.И. Менделеев, Н.Н. Зинин, А.М. Бутлеров, Н.Д. Зелинский. Химическая технология (ХТ) – наука о наиболее экономичных и экологически обоснованных методах химической переработки сырых природных материалов в предметы потребления и средства производства. Она рассматривает способы и процессы производства в химической, нефтехимической, металлургической, целлюлозно-бумажной, пищевой, текстильной, лѐгкой и других отраслях промышленности. Основная задача ХТ – умение управлять процессом переработки. Современная химическая технология, используя достижения естественных и технических наук, изучает и разрабатывает совокупность физических и химических процессов, машин и аппаратов, оптимальные пути осуществления этих процессов и управления ими при промышленном производстве различных веществ, продуктов, материалов, изделий. ХТ базируется, прежде всего, на химических науках: физическая химия, химическая термодинамика, химическая кинетика, но в тоже время не просто повторяет, а развивает закономерности этих наук в приложении к крупномасштабным промышленным процессам. Химическая технология немыслима без тесной связи с экономикой, физикой, математикой, кибернетикой, прикладной механикой, другими техническими науками. Конечной целью химической технологии является производство пищевых продуктов из минерального сырья, ресурсы которого практически неисчерпаемы. Одна из ведущих тенденций ХТ – создание крупномасштабных производств новых видов химических продуктов и сырья многоцелевого назначения. Такими продуктами являются молекулярный водород, аммиак, метанол, они выполняют роль как химических компонентов, так и вторичных энергоносителей. Одна из важнейших задач современной технологии – разработка технологических процессов, исключающих вредные выбросы в окружающую среду. 5 Основной чертой новой технологической идеологии является научный системный подход, рассматривающий в единстве физико-химические, физико-математические, инженерно-технические, экономические, экологические и социальные аспекты организации производства. 1.2 Химическое производство Для оценки химического производства и каждого этапа переработки сырья выделяют 4 группы критериев эффективности: технологические: - выход целевого продукта; - степень превращения сырья в целевой продукт; - интенсивность химико-технологического процесса, химического производства; эксплуатационные: -безопасность функционирования химико-технологических процессов, составляющих химическое производство; -надѐжность функционирования химических производств и химико-технологических процессов, уровень и система их автоматизации; технико-экономические: - мощность производства и его составных частей; - производительность труда; - себестоимость продукта, прибыль производства; - удельные капитальные затраты; - расходные коэффициенты сырья, материалов и энергии; социальные: -экологическая безопасность производства и составляющих его химико- технологических процессов; - степень автоматизации производства. Существует несколько видов классификации химических производств: - по продуктовому признаку – производства аммиака, метана; - по сырьевому признаку – переработка нефти, фосфоритов; - по виду потребляемой энергии – электрохимические производства. 1.3 Понятие о химико-технологическом процессе Химико-технологический процесс (ХТП) представляет собой совокупность операций, позволяющих получить целевой продукт из исходного сырья. ХТП, как правило, складывается из следующих взаимосвязанных элементарных процессов (стадий): 1.подготовка сырья; подвод реагирующих компонентов в зону реакции; 2.химические реакции; 3.отвод из зоны реакции полученных продуктов и их разделение (рис.1.1). Рис. 1.1. Химико-технологический процесс: 1 – стадия подготовки сырья к химическим превращениям; 2 – химические превращения; 3 – выделение и очистка продуктов Продукт Сырье 1 3 2 6 Подготовка сырья решает задачу доведения его до такого состояния, при котором состав и свойства сырья будут отвечать требованиям данного производства, обеспечивать высокую скорость химических превращений. Для многих видов сырья предъявляемые к нему требования закреплены государственными стандартами (ГОСТ) и техническими условиями (ТУ). Подготовка сырья включает его очистку, измельчение, подогрев, перевод в другое агрегатное состояние. Химические реакции - это второй этап ХТП. На этой стадии компоненты сырья вступают между собой в химическое взаимодействие, в результате которого образуются новые вещества. Отвод продуктов из зоны реакции может совершаться так же, как и подвод реагирующих компонентов. Продукты реакции направляют на склад готовой продукции или на дальнейшую переработку. Кроме того, предусматривают меры по возвращению непрореагировавшего сырья на стадию проведения химической реакции, т.е. организуют рецикл. На заключительных этапах проводят также рекуперацию энергии и очистку промышленных выбросов, чтобы извлечь из отходящих газов и сточных вод все ценные компоненты, а также ликвидировать опасность загрязнения окружающей среды. Таким образом, химико-технологический процесс в целом – это сложная система, состоящая из единичных, связанных между собой процессов (элементов) и взаимодействующая с окружающей средой. Элементами ХТП являются процессы тепло - и массообмена, гидромеханические, химические и т.п. Их рассматривают как единичные процессы химической технологии. Химический процесс является важной подсистемой ХТП. Он представляет собойодну или несколько химических реакций, сопровождаемых тепло - и массообменными явлениями. Анализ единичных процессов, их взаимного влияния позволяет разработать технологический режим. Технологическим режимом называется совокупность основных факторов (параметров), влияющих на скорость процесса, выход и качество продукта, а также определяющих условия работы аппарата или системы аппаратов. Для большинства ХТП основными параметрами режима являются температура, давление, применение катализатора и активность его, концентрации взаимодействующих веществ, способ и степень перемешивания реагентов. Оптимальные условия ведения процесса – это сочетание основных параметров процесса (температуры, давления, состава исходной реакционной смеси, катализатора), позволяющее получить наибольший выход продукта с высокой скоростью и наименьшей себестоимостью. Разработка и построение рациональной технологической схемы – важная задача химической технологии. 1.4 Классификация химико-технологических процессов Многие из многочисленных химических реакций осуществляются в промышленных химических реакторах и, следовательно, становятся объектом изучения химической технологии. В науке принято их классифицировать по общим признакам. В зависимости от того, какие признаки взяты при этом за основу, существует несколько видов классификации химических процессов и реакций. Рассмотрим отдельные виды классификации химических процессов, применяемые в химической технологии. 1. Классификации по механизму осуществления реакции. Простыми называются реакции, для осуществления которых требуется преодоление лишь одного энергетического барьера (одна стадия). 7 Сложные реакции включают в себя несколько параллельных или последовательных стадий. При описании отдельных классов ХТП реакции подразделяют по типу взаимодействия реагентов на окислительно-восстановительное (гомолитическое) и кислотно-основное (гетеролитическое). Химические реакции и процессы массопередачи могут быть обратимыми или необратимыми. В зависимости от того, применяются или не применяются для изменения скорости реакции специальные вещества – катализаторы, химические процессы делятся на каталитические и некаталитические. Большинство химических реакций, на которых основаны промышленные ХТП, — это каталитические реакции. Химические превращения веществ сопровождаются в той или иной степени тепловыми процессами. По тепловому эффекту процессов их делят на экзо - и эндотермические. Такое деление имеет особое значение при определении влияния теплового эффекта на равновесие и скорость обратимых реакций. Тепловой эффект реакций в ряде производств определяет технологическую схему производства и конструкцию реактора. По природе лимитирующей стадии необходимо разграничивать процессы, протекающие в кинетической и диффузионной области. 2. Классификация по параметрам технологического режима. В классификации ХТП большое значение имеет необходимый для их оптимизации технологический режим. Параметры технологического режима определяют принципы конструирования соответствующих реакторов. Оптимальному значению параметров технологического режима соответствует максимальная производительность аппаратов и производительность труда обслуживающего персонала. Поэтому характер и значения параметров технологического режима положены в основу классификации ХТП. По характеру протекания процесса во времени соответствующие аппараты и осуществляемые в них процессы делятся на периодические и непрерывные. Периодическим называют процесс, в котором порция сырья загружается в аппарат, проходит в нем ряд стадий обработки, и затем выгружаются все образовавшиеся в нѐм вещества. Периодические процессы сложны в обслуживании. Время цикла, т.е. продолжительность периодического производственного процесса всегда больше, чем непрерывного; энергетические затраты выше. Все эти причины и побуждают заменять периодические процессы непрерывными. Непрерывными называют процессы, в которых поступление сырья в аппарат и выпуск продукции происходят непрерывно (или систематическими порциями) в течение длительного времени. При непрерывном процессе обычно улучшается качество продукции, облегчается утилизация теплоты реакции и отходов производства, при этом средняя концентрация реагирующих веществ в проточных реакторах непрерывного действия обычно ниже, чем в реакторах периодического действия, что отражается на интенсивности их работы. Непрерывно действующие реакторы называются проточными, так как через них постоянно протекают потоки реагирующих масс. 3. Классификация по фазовому составу реакционной смеси. По фазовому признаку все системы взаимодействующих веществ и соответствующие им технологические процессы делятся наоднородные (гомогенные), и неоднородные (гетерогенные). Гомогенными называются такие процессы, в которых все реагирующие вещества находятся в одной какой-либо фазе: газовой, твѐрдой, жидкой. Например, окисление оксида азота кислородом воздуха в производстве азотной кислоты – газофазная реакция, реакции этерификации (получение эфиров органических кислот и спиртов) – жидкофазные. 8 Гетерогенные системы включают две или большее количество фаз. Существуют следующие двухфазные системы: «газ – жидкость»; «газ – твѐрдое вещество»; «жидкость – жидкость (несмешивающиеся)»; «жидкость – твѐрдое вещество» и «твѐрдое вещество – твѐрдое вещество». В производственной практике наиболее часто встречаются системы «газ – жидкость»; «газ – твѐрдое вещество», «жидкость – твѐрдое вещество». Гетерогенные процессы более распространены в промышленной практике, чем гомогенные. Таким образом, даже упрощенная классификация процессов, принятая в курсе общей химической технологии, сложна, поскольку она отражает всесторонний подход к изучению разнообразных ХТП, существующих в промышленности. 1.5 Технологические критерии эффективности химико-технологических процессов Для оценки эффективности отдельных этапов процесса необходимо помимо общих экономических показателей использовать критерии эффективности, которые отражают химическую и физико-химическую сущность явлений, происходящих в отдельных аппаратах технологической схемы. В качестве таких показателей принято использовать степень превращения исходного реагента, выход продукта, селективность. Они характеризуют полноту использования возможности осуществления конкретного химического процесса. 1.Степень превращения. Степень превращения исходного реагента показывает, насколько полно в химико- технологическом процессе (ХТП) используется исходное сырье. Степень превращения – доля исходного реагента, использованного на химическую реакцию. Степень превращения реагента в общем случае определяется по уравнению: 0 0 n n n х , где χ – степень превращения реагента; n 0 – количество реагента в исходной реакционной смеси, моль; n – количество реагента в реакционной смеси, выходящей из аппарата или находящейся в реакторе, моль. Для обратимых реакций при заданных условиях их осуществления предельным состоянием является состояние химического равновесия. Этому состоянию соответствует и предельно достижимая при данных условиях равновесная степень превращения χ р : ; 0 , , 0 , , A A р A A р n n n x 0 , , 0 , , В A р В В р n n n x , где n р,А и n р,В — количество реагентов А и В в условиях равновесия. Равновесную степень превращения χ р обычно вычисляют, используя таблицы значений констант равновесия К р , которые имеются в специальных руководствах. 2. Выход продукта. Степень превращения характеризует эффективность проведения процесса с точки зрения использования исходного сырья, но эта величина не всегда достаточно полно еѐ характеризует с точки зрения получения продукта реакции. Поэтому вводят еще один критерий эффективности – выход продукта. 9 Выход продукта – это отношение реально полученного количества продукта к максимально возможному его количеству, которое могло бы быть получено при данных условиях осуществления химического процесса. max , R R R n n F Величина n R,max зависит от того, каков тип осуществляемой химической реакции. 3. Селективность. Критерием оценки эффективности целевой реакции является селективность, выражаемая в долях единицы. Различают полную (интегральную) и мгновенную (дифференциальную) селективность. Полная или интегральная селективность - это отношение количества исходного реагента, расходуемого на целевую реакцию, к общему количеству израсходованного реагента. AR A A R A AR A A R A R x n n n n n 0 , 0 , ) ( , при этом i = 1. |