Курс лекций Кемерово 2010
 Скачать 0.94 Mb.
|
|
Т. М. Шевченко ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ. ПОДГОТОВКА СЫРЬЯ Курс лекций Кемерово 2010 Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования žКузбасский государственный технический университет¡ Т. М. Шевченко ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ. ПОДГОТОВКА СЫРЬЯ Курс лекций Кемерово 2010 УДК 66(075.32) ББК 35я723 Рецензенты: Кафедра неорганической химии Кемеровского государственного университета (завкафедрой доктор химических наук, профессор Э. П. Су- ровой) Кандидат химических наук, доцент кафедры общей и неорганической химии Кемеровского технологического института пищевой промышленности Р. Н. Сенова Шевченко, Т. М. Химическая технология неорганических веществ. Подготовка сырья : курс лекций / Т. М. Шевченко ; Кузбас. гос. техн. унт. – Кемерово, 2010. – 136 с В тексте лекций рассмотрены основные понятия химической технологии, основные закономерности протекания технологических процессов и их инициирования, общие принципы подготовки сырья для неорганических производств и химическая технология подготовительных процессов для промышленного неорганического синтеза. Текст лекций предназначен для студентов специальности 240301 Химическая технология неорганических веществ¡. Печатается по решению редакционно-издательского совета Кузбасского государственного технического университета. УДК 66(075.32) ББК я Шевченко Т. М, 2010 ISBN 978-5-89070-756-7 ± Кузбасский государственный технический университет, 2010 3 ПРЕДИСЛОВИЕ Текст лекций Химическая технология неорганических веществ для студентов специальности 240301 издаётся на кафедре Химия и химическая технология неорганических веществ впервые. Необходимость в этом возникла в связи стем, что отсутствует учебная литература по соответствующей дисциплине. Надеемся, что обеспечение студентов лаконичным конспектом лекций поможет им в самостоятельной работе, а преподавателю позволит более подробно, на самом высоком научно-техническом уровне излагать материал вовремя аудиторного чтения. Острых нерешённых задач в современной химической технологии достаточно, начиная с проблем выбора и подготовки сырья и кончая экологическими вопросами. В тексте лекционного курса дисциплины Химическая технология неорганических веществ представлена информация, дающая базовые знания в области химической технологии основные понятия, критерии оценки эффективности технологического процесса, способы воздействия на него, вопросы подготовки различных видов сырья для неорганических производств. Актуальным вопросом является переработка каменного угля с целью получения более качественного топлива, а также использования продуктов его переработки в качестве сырья для получения различных химических веществ. В данной работе рассмотрены основные способы переработки твёрдого топлива и методы выделения аммиака и водорода из коксового газа. При рассмотрении технологического процесса акцент делается на выборе оптимальных технологических условий ведения процесса на основе физико-химических закономерностей ЛЕКЦИЯ № 1 ВВЕДЕНИЕ ВОПРОСЫ 1. Цель химической технологии как науки и как дисциплины. Связь с другими дисциплинами. Общие понятия химической технологии. Цель химической технологии как науки и как дисци- плины Химическая технология – это наука, изучающая такие процессы переработки, которые связаны с изменением состава, строения и свойств веществ, тес превращением одних веществ в другие. В химической технологии неорганических веществ (ХТНВ) изучаются процессы переработки материалов минерального про- исхождения. Цель химической технологии как науки – провести процесс переработки материала в готовый продукт как можно выгоднее. Это означает следующее наиболее полно превратить исходные материалы в продукты реакции получить максимальное количество заданного продукта из взятого сырья провести процесс с максимально возможной скоростью получить продукт более высокого качества свести к минимуму все виды затратна производство данного продукта. В результате изучения ХТНВ как дисциплины студент должен изучить методы и способы производства неорганических веществ, их выделения, очистки, контроля, условия хранения и транспортировки получить сведения о физико-химических основах технологических процессов в производстве неорганических веществ и уметь использовать их для выбора оптимального технологического режима процесса научиться составлять и читать принципиальные технологические схемы иметь представление об аппаратурном оформлении технологического процесса уметь выполнять технологические расчёты (материальные и тепловые уметь пользоваться научной, справочной и научно- технической литературой приобрести навыки выполнения лабораторных работ по ХТНВ с элементами научного исследования. Связь с другими дисциплинами Для успешного изучения и усвоения материала ХТНВ необходимы знания последующим дисциплинам общая химия неорганическая химия высшая математика физическая химия аналитическая химия основы промышленной экологии теоретические основы неорганического синтеза процессы и аппараты химических производств общая химическая технология теоретические основы технологии неорганических веществ катализ в технологии неорганических веществ и др. Общие понятия химической технологии В химической технологии компоненты реагирующей системы получают помимо химического названия технологическое. Сырьём называют материал, поступающий на массовую переработку и имеющий определённую стоимость. Сырьё служит для получения того или иного продукта Продуктом называют образующееся входе реакции вещество. Целевым продуктом называют продукт, ради которого организовано производство, а реакция, в которой он образуется, называется целевой реакцией. Понятие сырь следует отличать от понятия реагент. Например, природный газ в производстве аммиака – сырь, а реагентом является метан – основной компонент природного газа, из которого получают водород. В технологических процессах часто используют несколько видов сырья, смешанных в определённых соотношениях, такие смеси имеют специальные названия. Смесь, состоящая из твёрдых сырьевых материалов, называется шихтой. Например, при обжиге известняка с целью получения извести используют шихту, состоящую из известняка (СаСО 3 ) и кокса (С). Смесь, состоящая из твёрдого и жидкого сырья, называется пульпой. Например, при флотации железного колчедана используется пульпа, состоящая из руды и воды. Концентрированные растворы твёрдых веществ вводе называют рассолами. Например, в содовых производствах в качестве сырья используются рассолы хлорида натрия. Часто в химической технологии используется смесь газов. Например, в производстве азотной кислоты исходным материалом является аммиачно-воздушная смесь, а в производстве аммиака азотоводородная смесь. Сырьё во многих производствах проходит несколько стадий переработки. Например, в производстве аммиака различают следующие четыре стадии: – получение азотоводородной смеси (АВС); – очистка АВС; – компремирование (сжатие); – синтез аммиака. При получении АВС из природного газа можно выделить следующие четыре стадии: – сероочистка; – конверсия метана конверсия оксида углерода (очистка конвертированного газа от диоксида углерода; – тонкая очистка конвертированного газа от СО и СО 2 (ме- танирование). Продукт, полученный в последней стадии технологического цикла, называется готовым продуктом, а полученный в какой- либо промежуточной стадии – полупродуктом. При производстве того или иного вещества часто образуются отходы. Отходы – это вещество или смесь веществ, которые вдаль- нейшем не используются для получения готового продукта ивы- водятся из технологического цикла. Например, в производстве серной кислоты из флотационного колчедана на стадии обжига протекает целевая реакция+ 11O 2 = 8SO 2 + Целевым продуктом данной реакции является диоксид серы SO 2 . Он входит в состав печного газа, или обжигового газа. Оксид железа (III) Fе 2 O 3 относится к отходам производства. Твёрдое вещество, образующееся в процессе обжига, называется огарком. В состав огарка при обжиге колчедана входит не только оксид железа (III) е, но и твёрдые примеси, содержащиеся в колчедане, а также непрореагировавшая часть сульфида железа. Если отходы не находят дальнейшего использования, то они называются отбросами. Одной из важных задач современной химической технологии является обеспечение безотходного и малоотходного производства. Иногда отходы подвергают обработке для извлечения неиспользованного сырья и возвращения его в технологический цикл. Такая операция называется регенерацией. Например, в производстве соды на стадии карбонизации аммонизированного раствора образуется хлорид аммония + NH 3 + CO 2 + H 2 O = NaHCO 3 + NH 4 Cl, из него регенерируют аммиак известковым молоком + Ca(OH) 2 = CaCl 2 + 2NH 4 OH, NH 4 OH = NH 3 + Далее аммиак возвращается на стадию карбонизации. Понятия сырь, полупродукт, отходы, готовый продукт относительны. Например, серная кислота в сернокислотном производстве – готовый продукта в производстве сульфата аммония – сырь или диоксид углерода СО 2 в производстве аммиака относится к отходам, а в производстве карбамида это – сырьё. Вспомогательные материалы – это вещества, которые, как правило, не принимают непосредственного участия в реакции образования заданного продукта, но используются либо при разделении реакционных смесей, либо для очистки сырья или продукта от примесей. Например, в производстве серной кислоты из колчедана вода для промывки SO 2 – содержащего газа (печного газа) и серная кислота для его осушки – это вспомогательные материалы. К вспомогательным материалам не относятся катализаторы, инициаторы, ингибиторы. Технологический режим – это условия проведения технологического процесса или весь комплекс параметров процесса. К параметрам технологического процесса относятся: – температура; – давление; – состав сырья (концентрация полезного компонента); – концентрация катализатора; – скорость подачи сырья и величина его загрузки; – время контактирования и др. ЛЕКЦИЯ № 2 ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВОПРОСЫ 1. Показатели эффективности химико-технологических процессов. Классификация технологических процессов (технологических схем. Показатели эффективности химико-технологических процессов Основная задача химической технологии – обеспечение наиболее эффективного (экономичного) способа превращения сырья в готовый продукт. Решение этой задачи включает следующее: – выбор исходных продуктов (сырья); – выбор способов их переработки; – определение оптимальных условий для каждой стадии производства; – интенсификацию производственного процесса в целом и каждой его стадии. Для оценки эффективности той или иной технологии используют следующие критерии (показатели): – организационные; – технологические; – технические; – экономические. Обычно экономические, технологические и технические критерии объединяют в группу технико-экономических показателей (ТЭП). ТЭП являются критериями, позволяющими установить экономическую целесообразность организации данного производства и его рентабельность, а также сравнить по эффективности различные производства одного профиля. ТЭП используются для оценки состояния производства, его планирования и обновления технической базы предприятия. ТЭП зависят отряда факторов, характеризующих состояние производства. К ним относятся техническое состояние оборудования, степень автоматизации производства, квалификация кадров, уровень организации труда, прогрессивность используемых технологий. Рассмотрим основные показатели (или критерии) эффективности технологического процесса. А. Организационные. Организационные критерии эффективности связаны с организацией производства, комбинированием и кооперированием с целью экономии ресурсов, организацией безотходного процесса, службы качества, научной организацией труда, механизацией, автоматизацией, роботизацией и др. Б. Технологические. К технологическим критериям относятся следующие показатели: – степень превращения сырья; – выход продукта; – селективность; – расходные коэффициенты по сырью; – расходные коэффициенты по энергии; – экологичность и др. Степень превращения или степень конверсии сырья это отношение массы сырья, вступившего в химическую реакцию, к исходной его массе: нач прореаг α m m Как правило, в сырье реагирует ценный компонент А, тогда нач прореаг нач прореаг α A A A A n n m m Если ценный компонент газ, то используют объём v нач прореаг α A A v v Зная начальное содержание компонента А: нач A m , нач A n , нач A v , и количество прореагировавшего компонента прореаг A m , прореаг A n , прореаг A v , можно определить остаточное содержание компонента А по истечении некоторого времени: прореаг нач A A A m m m , прореаг нач A A A n n n , прореаг нач A A A v v v Степень превращения выражается в долях единицы или в процентах. Очевидно, что она всегда меньше единицы и меньше Выход продукта по сырью – это отношение массы полученного продукта прод m к массе сырья сырья, затраченного на его производство: сырья прод β m m Обычно выход продукта по сырью выражают в процентах: сырья прод Если учесть, что в химической реакции участвует ценный компонент Аи при этом образуется вещество В , то выход продукта определится как отношение практически полученной массы вещества В практ B m к теоретически возможной т B m при данных условиях протекания химической реакции: т практ β B B m m Следовательно, для одностадийного процесса, протекающего по схеме: а А В выход равен: т практ т практ β B B B B n n m m Если готовый продукт В – газ, то выход равен: т практ β B B v v Для многостадийного процесса, протекающего по схеме: А→ В → Д суммарный выход всего процесса равен произведению выходов каждой стадии: Д В В А β β β Для необратимых реакций, лежащих в основе технологического процесса, выход определяется как отношение массы, полученной практически практ m , к массе, теоретически возможной т , по стехиометрическому уравнению: а А В Для обратимой реакции выход определяется как отношение практически полученной массы продукта к максимально возможной его массе, которая может быть получена в данных усло- виях. Теоретические значения величин т , т n и т v рассчитыва- ются по уравнению реакции с учётом стехиометрических коэффициентов аи Выход продукта β и степень превращения α характеризуют глубину протекания процесса. Отличие реальных значений β и α от единицы или от 100 % можно объяснить следующими причинами: – обратимые реакции в принципе не идут до конца, а при достижении равновесия реакция получения целевого компонента прерывается и затем с равными скоростями идёт как прямой, таки обратный процесс; – целевую реакцию часто сопровождают побочные реакции, что приводит к увеличению расхода исходных веществ (сырья); – в технологическом процессе возможны различные потери, не учтённые в теоретическом расчёте. Селективность – это доля сырья, превращённого в целевой продукт, от превращённого в целом 1 m m s где 1 m – масса сырья, превращённого в целевой продукт; 2 m – масса превращённого сырья в целом. Показатель селективность используется в технологии, где участвуют сложные реакции. В этом случае только часть сырья превращается в целевой продукт. Остальное сырьё тратится на побочные реакции и потери. Если в сырье ценный компонент А превращается входе процесса по двум реакциям: В А ДА где реакция (1) целевая, а вещество В – целевой продукт, то селективность Расходные коэффициенты по сырью и по энергии измеряются количеством каждого вида ресурса (сырья и энергии, израсходованного на получение 1 т готового продукта. Выражают их для сырья в т/т или м 3 /т, а для энергии в кДж/т или кВт/т. Экологичность – показатель, характеризующий технологический процесс по количеству выбросов и сбросов в окружающую среду. Этот показатель характеризует снижение либо исключение образования стоков и выбросов в атмосферу. В. Технические. Технические критерии оценивают уровень применяемой техники. К ним относятся – производительность; – мощность; – пропускная способность; – интенсивность; – уровень стандартизации; – срок службы; – модульный принцип сборки и др. Производительность оборудования (агрегата) обычно связана с производительностью основного аппарата химико- технологической системы – реактора. Производительность реактора – это количество продукта, произведённого за единицу времени. Измеряется в тыс. т/год, а также в кг/ч, м 3 /ч или т/сут. Мощность реактора – это максимальная производительность при оптимальном режиме. Измеряется в тех же единицах, что и производительность. Пропускная способность реактора – это количество сырья, перерабатываемого за единицу времени (кг/ч). Интенсивность – это производительность единицы объёма реакционного пространства реактора (кг/м 3 ∙ч). Рассмотрены основные технические критерии эффективности оборудования. При подборе оборудования для технологического процесса имеют большое значение и некоторые другие показатели, например уровень стандартизации, так как стандартное оборудование всегда дешевле срок службы, так как чем он больше, тем выгоднее модульный принцип сборки, так как сборка из укрупнённых блоков всегда выгоднее. |