Химическая технология. Химическое производство, химико-технологический процесс.
реклама
Лекция № 1 Введение. Химическая технология. Химическое производство, химико-технологический процесс. Слово «технология» греческого происхождения и имеет дословный перевод «наука о мастерстве». С современной точки зрения мы можем определить технологию как науку, изучающую способы и процессы массовой переработки сырья в продукты потребления с максимальным экономическим эффектом. Технологии бывают механические и химические. Механическая технология изучает процессы, связанные с изменением формы и физических свойств перерабатываемого сырья главным образом, путем механических операций. Например, изготовление изделий из древесины – деревообрабатывающие технологии, изготовление изделий из металла – машиностроение и т.д. Химическая технология изучает процессы, связанные с изменением состава и химических свойств перерабатываемого сырья за счет протекания химических реакций. Существует великое множество частных химических технологий, которые можно объединить в две большие группы: химические технологии неорганические органические 1) основной неорганический синтез – 1) основной органический синтез – производство кислот щелочей, солей и крупнотоннажное производство органичесминеральных удобрений; ких продуктов; 2) тонкий неорганический синтез – 2) тонкий органический синтез – производство препаратов, реактивов, производство реактивов, лекарств, средств лекарственных препаратов, редких защиты растений и т.д.; металлов и т.д.; 3) переработка нефти и газов; 3) металлургия – 4) нефтехимический синтез – производство черных и цветных металлов; производство органических продуктов на 4) силикатные производства – основе углеводородного сырья; производство вяжущих веществ, керамики 5) переработка растительного и и стекла; животного сырья; 5)ядерно-химическая технология. 6) высокомолекулярные технологии – производство синтетического каучука, пластмасс, химических волокон и других высокомолекулярных соединений; 7) биотехнологии – производство кормовых дрожжей, ами- нокислот, ферментов, антибиотиков и т.д. При разработке любой частной технологии нужно знать три общеинженерные дисциплины: общую химическую технологию (ОХТ), процессы и аппараты химической технологии (ПАХТ) и промышленную теплотехнику (ПТ), которые вместе составляют основу промышленной химии. частные химические технологии Промышленная химия ОХТ ПАХТ ПТ Общая химическая технология – наука, изучающая теоретические основы разработки технологий для различных классов химических реакций. Предмет изучения ОХТ – закономерности, лежащие в основе функционирования химического производства. Задачи ОХТ как науки: 1) отыскание общих закономерностей протекания химико-технологических процессов; 2) на основе знания общих закономерностей нахождение оптимальных условий ведения химико-технологических процессов; 3) изучение химических превращений с учетом массо- и теплообменных процессов; 4) повышение эффективности использования сырья, энергии, снижение количества отходов и выбросов в окружающую среду; повышение качества выпускаемой продукции. Методы ОХТ: - экспериментальный; - моделирование. Основные понятия химической технологии Химическое производство – совокупность процессов и операций, осуществляемых в машинах и аппаратах и предназначенных для переработки сырья путем химических превращений в необходимый продукт. Химико-технологический процесс (ХТП) – часть химического производства, состоящая из трех основных стадий: сырье исходная Подготовка сырья смесь реакционХимическое превращение ная смесь (реагенты и примеси) целевой продукт побочные продукты Разделение реакционной смеси непревращенные реагенты примес и Целевой продукт – продукт, ради которого организован данный ХТП. Все остальные продукты называют побочными. Побочные продукты могут получаться как в целевой, так и в побочных реакциях. Если побочный продукт не находит применения, его называют отбросом; если он используется, то его называют отходом или вторичным сырьем. Если целевой продукт используется в качестве исходного материала в другом производстве, то он называется полупродуктом. Исходный материал, поступающий на переработку и обладающий стоимостью, называют сырьем. Вещество, принимающее непосредственное участие в целевой химической реакции, называется реагентом. Реагент – это главный, но не единственный компонент сырья. Все компоненты сырья, которые не участвуют в целевой реакции, называют, обычно, примесями. В технологии часто пользуются понятиями «превращенный» и «непревращенный» реагент. Превращенный реагент – это то количество реагента, которое вступило в реакции (как целевые, так и побочные). Непревращенный реагент – это то количество реагента, которое выходит из реактора в непревращенном, первоначальном состоянии. Сумма масс превращенного и непревращенного реагента равна массе поданного в реактор реагента. Вспомогательные материалы – химические вещества, которые обеспечивают нормальное протекание ХТП (катализаторы, растворители и др.). Исходная смесь – смесь веществ, поступающих в реактор, на стадию химического превращения. Реакционная смесь – смесь веществ, находящихся в реакторе или выгружаемых из него. Ее состав меняется в процессе реакции. Мы можем говорить о составе реакционной смеси в определенный момент времени от начала реакции. Пример: 4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O 4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O 4NH3 + 4O2 → 2N2O + 6H2O Первая реакция является целевой, две другие – побочные. Оксид азота (II) – NO –целевой продукт на стадии окисления аммиака и полупродукт в производстве азотной кислоты. Вода, азот и оксид азота (I) – побочные продукты. Реагентами в этом процессе являются аммиак и кислород; сырьем – аммиак, содержащий некоторое количество примесей, и воздух, в котором примесями являются азот и другие газы. Вспомогательным материалом является платина, используемая в процессе в качестве селективного катализатора, ускоряющего только первую реакцию. Исходная смесь представляет собой аммиачно-воздушную смесь с содержанием аммиака 9,5 – 11,5 % об. Реакционная смесь – нитрозные газы, содержащие NO, N2O, N2, пары H2O, а также непревращенные О2 и NН3. Анализ эффективности проведения ХТП Для оценки эффективности проведения ХТП служат ряд показателей, которые можно объединить в четыре группы. Критерии эффективности химико-технологического процесса технологические α конверсия (степень превращения) реагента β выход целевого продукта S селективность П производительность техникоэкономические γ расходные коэффициенты экономические себестоимость прибыль качество продукции социальные степень автоматизации и механизации безвредность в обслуживании технологического процесса экологическая безопасность I интенсивность Об эффективности химического производства в целом судят, прежде всего, по экономическим показателям. Одним из самых значимых экономических показателей является себестоимость, то есть затраты предприятия в денежном выражении, связанные с производством единицы химического продукта. Разница между ценой и себестоимостью продукта, умноженная на объем производства составляет прибыль производителя. Снижение себестоимости продукции является чрезвычайно важной задачей для химика-технолога как производителя химического продукта. Для оценки целесообразности и эффективности различных путей снижения себестоимости продукта оценим вклад затрат различного вида в общую сумму затрат на его производство. № Вид затрат % от себестоимости 1 Сырье и материалы 2 Энергия 3 Амортизационные отчисления 3-4 4 3-4 5 Заплата основных рабочих Цеховые расходы 6 Общезаводские расходы 1 7 Транспортные расходы 1 70 10 - 20 и вспомогательных 1 Из проведенного сравнения можно сделать вывод, что наиболее эффективными путями снижения себестоимости является рациональное использование сырья и уменьшение энергоемкости производства. При оценке эффективности химического производства большое значение имеют также социальные критерии, показывающие степень безопасности производства для людей и окружающей природы. При определении эффективности отдельных этапов процесса производства химического продукта пользуются технологическими и технико-экономическими показателями. Конверсия, выход целевого продукта и селективность с разных сторон характеризуют эффективность проведения конкретной химической реакции: - величина « α » показывает полноту использования сырья; - величина « β » характеризует полученное количество целевого продукта, как долю от максимально возможного в этих условиях проведения реакции; - величина « S » оценивает долю реагента, пошедшего на целевую реакцию. Наиболее обобщенным показателем является выход целевого продукта. Его величина зависит от «α» и «S». Для простых реакций S = 100% и α = β. Для сложных реакций, когда наряду с целевой реакцией протекают побочные реакции, S < 100% и α ≠ β. Производительность и интенсивность характеризуют эффективность работы отдельных аппаратов. Величина этих показателей определяется эффективностью использования возможностей, как самой химической реакции, так и реактора, в котором она проводится. Производительность и интенсивность в обобщенном виде содержат величины выхода целевого продукта и средней скорости процесса. Конверсия (степень превращения) реагента рассчитывается по формуле: где Nпод., Nпрев., Nнепревр. N прев. N под. – N под. N непревр. N под. соответственно , (1) количество поданного, превращенного и непревращенного реагента. Эти величины можно задавать в единицах количества вещества (моль, кмоль) или в единицах массы (г, кг и др.). Степень превращения выражают в долях или в процентах; в последнем случае выражение (1) для расчета умножают на 100. Часто, особенно в непрерывных процессах, конверсию рассчитывают через концентрацию реагента в исходной и реакционной смеси: C0 C 100% , C0 (2) где С0 –концентрация реагента в исходной смеси, С – концентрация реагента в реакционной смеси. Выражение (2) справедливо лишь в том случае, когда реакция протекает без изменения объема реакционной смеси. Изменение объема реакционной смеси в процессе реакции можно учесть с помощью коэффициента изменения объема ε. V V0 , V0 (3) где V0 – начальный объем, V- объем реакционной смеси к определенному моменту времени. Величина ε является положительной при увеличении объема смеси во время реакции и отрицательной при его уменьшении. Изменение объема при жидкофазных процессах происходит, например, при поглощении какого-либо газа жидкостью или при разложении жидкого вещества с образованием летучих продуктов. Для газофазных процессов изменение объема обычно происходит из-за изменения числа молей веществ во время реакции. В последнем случае ε зависит от начального и конечного числа молей смеси. ( ) кон. ( ) нач. . ( ) нач. (4) Если реагенты взяты в стехиометрическом соотношении и в реакционной смеси отсутствует разбавитель, то для реакции aA + bB → rR +sS коэффициент изменения объема «ε» равен ( r s ) (a b ) r s 1 . ab ab (5) При избытке одного из реагентов или при наличии в реакционной смеси разбавителя (инертного газа) «ε» рассчитывается по формуле: k ( rs 1) , ab (6) где k – доля стехиометрической смеси исходных реагентов в реакционной смеси. Для стехиометрической смеси k = 1. С учетом коэффициента изменения объема реакционной смеси конверсия реагентов рассчитывается по формуле (7). С0 С 100 С0 С (7) Степень превращения реагентов в реакторе изменяется во времени от нуля до некоторой максимальной величины. В необратимых процессах максимальное значение конверсии равно 100%, т.е. все количество реагентов может превратиться в продукты. Пределом протекания обратимой реакции является достижение равновесного состояния системы, при котором скорость прямой и обратной реакции равны, а состав реакционной смеси остается постоянным во времени. Степень превращения реагентов, достигаемая к этому моменту, называется равновесной конверсией (*) и является максимальной для данного процесса при определенных условиях его проведения. Селективность (избирательность, избирательная конверсия) используется для характеристики сложных процессов, в которых наряду с целевой реакцией протекают побочные реакции. Полная (интегральная) селективность S N прев.цел.прод. N прев. , (8) где N прев.цел.прод. - количество реагента, пошедшее на образование целевого продукта; Nпрев. – общее количество превращенного реагента. Эти величины можно задавать в единицах количества вещества (моль, кмоль) или в единицах массы (г, кг и др.). Полную селективность выражают в долях или процентах; в последнем случае выражение (8) умножают на 100. Мгновенная (дифференциальная) селективность где rцел.р. – скорость расходования суммарная скорость S rцел.р. rобщ. , (4) реагента по целевой реакции; расходования реагента. Понятие rобщ. – мгновенной селективности имеет смысл только для сложных параллельных реакций. Если в процессе химической реакции объем реакционной смеси не изменяется (V=const), то селективность можно рассчитывать, используя концентрацию реагента и целевого продукта в реакционной смеси. Например, для реакции aA + bB → rR +sS , где R - целевой продукт S C R М( А) , (С A С A ) М ( R ) (9) 0 где М(А), М(R) – молярные массы, С A и СА – начальная и текущая 0 концентрация реагента, СR – концентрация целевого продукта. Выход целевого продукта – это отношение реально полученного количества продукта (Nфакт.) к максимально возможному его количеству (Nmax), которое могло быть получено при данных условиях осуществления химической реакции. N факт . (10) N max Nфакт. и Nmax можно задавать в единицах количества вещества (моль, кмоль) или в единицах массы (г, кг и др.). Выход выражают в долях или процентах; в последнем случае выражение (10) умножают на 100. Расчет величины β зависит от типа химической реакции. В случае необратимой реакции величину Nmax (в молях) рассчитывают по уравнению реакции: aA + bB → rR +sS , где R – целевой продукт N max N A r a (11) Если NА – количество подаваемого в реактор реагента, полученное значение Nmax является максимально возможным для этой реакции, а рассчитанный по уравнению (10) выход называют выходом на поданный реагент А. Если NА – количество превращенного реагента, то рассчитанная по уравнению (10) величина называется выходом на превращенный реагент А. В случае обратимой химической реакции «равновесный выход» - β*. * N* , N max (12) пользуются понятием где N* - количество продукта, образовавшегося к моменту достижения химического равновесия; Nmax – максимальное количество продукта, которое может образоваться по данной реакции при условии, что поданный реагент полностью превращается в целевой продукт. Равновесный выход характеризует степень смещения равновесия в сторону образования целевого продукта. Отношение N факт .. N* (13), где Nфакт. – фактически полученное количество продукта, показывает степень достижения равновесия. Расчет селективности и выхода продукта можно проводить по любому из реагентов; обычно выбирают тот реагент, который взят в недостатке, или наиболее дорогостоящий реагент. Производительность – количество целевого продукта, производимое в единицу времени. Интенсивность – количество целевого продукта, производимое в единицу времени с единицы объема реактора или с единицы поверхности катализатора. Пропускная способность установки – количество сырья, пропускаемое через установку в единицу времени. Расходный коэффициент по сырью - это масса сырья, которая расходуется на получение единицы массы целевого продукта. m сырье mфакт .прод. (г/г, кг/кг, т/т и др.) (14) Расходный коэффициент рассчитывается по таблице материального баланса; он всегда больше теоретического расходного коэффициента, который рассчитывают по уравнению реакции: теор.А а М( А) r М( R ) (15) Качество продукции – совокупность свойств целевого продукта, обуславливающих его пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с его назначением. Качество химического продукта зависит от качества исходного сырья и материалов, уровня развития науки и техники, прогрессивности применяемой технологии, организации труда и производства, квалификации кадров и регулируется различными нормативными документами: ГОСТ – государственный стандарт, ОСТ – отраслевой стандарт, РСТ – республиканский стандарт, СТП – стандарт предприятия, ТУ – технические условия. Химическое производство. Химико-технологический процесс Современное химическое производство представляет многотоннажное, автоматизированное производство, основой которого является химическая технология (от techno - искусство, мастерство + logos - учение), т.е. химическая технология - наука о наиболее экономичных и экологически обоснованных методах химической переработки сырых природных материалов в предметы потребления и средства производства. Объекты химической технологии вещества и системы веществ, участвующих в химическом производстве; процессы химической технологии - совокупность разнообразных операций, осуществляемых в ходе производства с целью превращения этих веществ в другие. Современная общая химическая технология возникла в результате закономерного, свойственного на определенном этапе развития всем отраслям науки, процесса интеграции ранее самостоятельных технологий производства отдельных продуктов в результате обобщения эмпирических правил их получения. 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. Химическая технология базируется на химических науках, таких как физическая химия, химическая термодинамика и химическая кинетика. Выдающийся физхимик акад. Коновалов считал одной из главных задач химической технологии, отличающих ее предмет от чистой химии, установление наивыгоднейшего хода операции и проектирование ему соответствующих заводских приборов и вспомогательных устройств. Поэтому химическая технология немыслима без тесной взаимосвязи с экономикой, физикой, математикой и другими техническими науками. Химическая технология на заре своего существования была описательной наукой. Многие первые учебники по технологии служили энциклопедиями технологических процессов. Развитие науки и промышленности привело к значительному росту числа химических производств. Рост химического производства с одной стороны и развитие химических и технических наук с другой стороны позволили разработать теоретические основы химико-технологических процессов. Современное химическое производство перерабатывает гигантские объемы сырья, использует большое количество энергии различных видов, осуществляющихся при больших объемах капитальных и эксплуатационных затрат. Отсюда вытекает одно из основополагающих требований к современному производству - его экономичность. Эту особенность технологии отметил еще Менделеев, определив ее как: «Учение о выгодных приемах переработки природных продуктов в продукты потребления». Технология должна изучать выгоднейшие способы, выбрать из возможных наиболее приемлемую по выгодности данным условиям времени и места, чтобы придать продукту наибольшую дешевизну при желаемых свойствах и формах. Следовательно, технология это наука о наиболее экономичных методах и средствах переработки сырых природных веществ в продукты потребления. Технологии делятся на механические и химические. В механических технологиях рассматриваются процессы, в которых изменяется форма или внешний вид и физические свойства материалов, а в химической технологии- процессы коренного изменения состава, свойств и внутреннего строения вещества. Особенности химической технологии как науки Химическая технология отличается от теоретической химии не только необходимостью учитывать экономические требования к изучаемому ею производству. Между задачами, целями и содержанием теоретической химии и химической технологий существуют принципиальные различия, вызванные спецификой производственных процессов, что накладывает ряд дополнительных условий на метод изучения. Рассмотрим пример промышленного синтеза хлористого водорода из С12 и Н2 и влияние различных факторов на синтез. Для осуществления этого синтеза в промышленных условиях химик неорганик учитывает саму возможность подобного синтеза, применяя методы физической химии управлять синтезом за счет изменения температуры, давления концентрации компонентов, т.е. влиять на кинетику и термодинамику процесса в масштабе лабораторного эксперимента. Химик технолог должен учитывать другие факторы: доступность и стоимость сырья и энергии, конструкцию реактора и коррозионно-стойкие материалы для изготовления, меры по защите окружающей среды и т.д. Таким образом, как химическое производство не может рассматриваться в виде некой укрупненной лабораторной колбы, так и химическая технология не может быть сведена к теоретической химии. Сложность такой системы как химическое производство сделало целесообразным применение для ее исследования системного подхода и введения понятия уровень протекания процесса. При подобном подходе в химическом производстве выделяются несколько последовательно возрастающей сложности подсистем - уровней, каждому из которых свойственен свой метод изучения явления. Такими уровнями в химическом производстве являются: — молекулярный уровень, на котором механизм и кинетика химических превращений описывается как молекулярное взаимодействие (микрокинетика); — уровень малого объема, на котором явления описываются как взаимодействие макрочастиц (гранул, капель, зерен катализатора). Для анализа явлений на этом уровне и описания химического процесса введено понятие - макрокинетика, задачей которой является изучение влияния на скорость химических превращений процессов переноса масс исходных веществ и продуктов реакции, процессов теплопередачи и влияние состава катализатора. уровень потока, на котором описание явлений дается как взаимодействие совокупности частиц. С учетом характера движения их в потоке и изменения температуры, концентраций реагентов по потоку; уровень реактора, на котором описание явления дается с учетом конструкций аппарата, в котором реализован процесс; — уровень системы, на котором при рассмотрении явлений учитываются взаимосвязи между технологическими узлами промышленной установки и производства в целом. — Таким образом, проблема различия между теоретической химией и химической технологией есть проблема различия между фундаментальными научными исследованиями и реальным промышленным производством, на нем основанном. Связь химической технологии с другими науками Химическая технология как наука о крупномасштабном производстве имеет дело со значительными массами и объемами перерабатываемой и производимой продукции. химический технология производство компонент Для оценки работы таких крупных агрегатов необходимы крупные единицы. общепринятыми единицами СИ Величина Масса Энергия, работа Давление Мощность Температура Время Количество теплоты Тепловой эффект Производительность Интенсивность Килограмм на м3 час Количество вещества Константа скорости Молярная концентрация Плотность кубическая (м, Кг, сек, а, обозначени е т А Р. N Т,1 Н П. И кг/м3 V К С моль) используются и другие наименование обозначение килограмм, тонна килоджоуль, киловатт час Паскаль, мегапаскаль киловатт Кельвин, градус Цельсия секунда, сутки, час килоджоуль килоджоуль тонны в сутки, год килограмм на м2 час кг, т кДж, кВт ч Па, МПС кВт К, ОС сек, сут., ч кДж кДж т/сут, т/год кг/м2 килограмм моль, тонна моль зависит от порядка реакции моль на м3 33 килограмм на м ,тонна на м кгмоль, моль/м3 кг/м3 Выход продукта Степень превращения Расходный коэффициент Х РК доля единицы, процент количество сырья, энергии % на единицу продукции площадь Поверхность контакта т/т Б Б 2 м 2 м Объемная доля W 2 м 2 м доля единицы Основные компоненты химического производства Химическая технология изучает закономерности проведения химических процессов получения различных по своей природе и назначению продуктов. Независимо от конкретного вида производственной продукции и типа процесса ее получения любое производство включает несколько обязательных элементов: сырье, т.е. объект превращения; энергию, т.е. средство воздействия на объект и аппаратуру, в которой это превращение осуществляется. Особое место в химической промышленности занимает вода. Она не только служит средой, в которой протекают многие химические превращения, но широко используется в процессе, как растворитель, теплоноситель, хладагент, транспортное средство. Поэтому воду правомочно считать четвертым обязательным элементом химического производства. Химико-технологический процесс и его содержание Химико-технологический процесс представляет собой совокупность операций, позволяющих получить целевой продукт из исходного сырья. Химический процесс – одна или несколько химических реакций, сопровождаемых явлениями переноса теплоты, массы и импульса, оказывающих влияние как друг на друга, так и на протекание химической реакции. Любое химическое производство с точки зрения системного подхода представляют в виде химико-технологической системы, в которой реализуется совокупность химико-технологических процессов, протекающих в различных аппаратах. Химико-технологическая система состоит из ряда подсистем. Основные подсистемы: 1) подсистема подготовки сырья; 2) подсистема химического превращения; 3) подсистема разделения продуктов химической реакции. К вспомогательным подсистемам относятся: 1) подсистема утилизации побочных продуктов; 2) доведения целевого продукта до требований стандартов; 3) операции, связанные с требованием экологии (очистка сточных вод). 1) В подсистеме подготовки сырья реагенты приводят в более реакционноспособное состояние •часто реагенты нагревают, так как скорость процесса зависит от температуры; • газы компримируют до определенного давления, что позволяет снизить объем используемой аппаратуры); •исходное сырье подвергают очистке от посторонних примесей, при этом используются явления тепло- и массообмена, гидромеханические процессы. обычно проводятся следующие операции: очистка сырья от примесей за счет разнообразных физических, физико-химических, химических процессов, таких как, аб- и адсорбция, экстракция, перекристаллизация, ректификация, фильтрация. В некоторых случаях используются и химические реакции, например, для очистки изобутилена от нормальных бутенов: его можно превратить в триметилкарбинол i-С4Н8 (г) + Н2О(Т,Р,Каt) ТМК (Р) i-С4Н8 + Н2О н-бутены + Н2О Если сырье имеет разнообразные примеси, используется комплекс методов. К первой подсистеме также относится нагрев. Чаще всего сырье перед подачей в реактор нагревают. Наиболее экономически целесообразно проводить нагрев сырья за счет съема тепла с продуктов реакции, уже прошедших реактор. Съем тепла проводится в теплообменных устройствах. В некоторых случаях для предотвращения быстрой взрывной реакции, с точки зрения требования техники безопасности, по условиям процессов требуется охлаждать сырье. 2) подготовленное сырье подается в химический реактор, где оно подвергается химическому взаимодействию. В химическом реакторе протекают целевая реакция, приводящая к образованию целевого продукта, и побочные реакции. В химическом реакторе часть сырья может не вступить в химическое превращение, т.е. остаться непревращенным. целевой продукт сырье р е а к т о р побочный продукт непревращенный остаток Оно может состоять из нескольких этапов, в промежутках между которыми иногда вновь используются тепло- и массообменные процессы: фильтрование, центрифугирование, ректификация, абсорбция, экстракция и другие. 3) На стадии разделения производится разделение смеси продуктов, полученных в результате химических реакций используя физические, физикохимические, иногда и химические методы, или их комплекс. Сырье в структуре себестоимости химической продукции составляет примерно 60 – 70 %, поэтому после разделения и если необходимо до очистки его вновь возвращают в химический реактор (на 2 стадию), организуя, т.о., рецикл. Рецикл осуществляется не только по сырью, но и по растворителям. Химико-технологический процесс реализуется в совокупности разнообразных аппаратов (химические реакторы, абсорбционные и ректификационные колонны, теплообменники), объединенных материальными потоками от начала переработки сырья до конечной продукции. Эта совокупность аппаратов называется технологической схемой производства. Бывают открытые и закрытые ТС, они могут содержать байпасные (отводные) потоки и рециклы, повышающие эффективность ХТС в целом. Каждый процесс проводится при определенных условиях. Совокупность параметров процесса, определяющих работу аппарата или группы аппаратов называется технологическим режимом процесса. Наибольший выход продукта получается при оптимальных условиях проведения процесса. (С, Р, Т и др). Оптимальные условия ведения процесса – это сочетание основных параметров (температуры Т°, давления Р, состава исходной реакционной смеси С, и так далее), позволяющее получить наибольший выход продуктов с высокой скоростью или обеспечить наименьшую себестоимость при соблюдении условий рационального использования сырья и энергии и минимизации возможного ущерба окружающей среде. На всех этапах (особенно на заключительных) проводят также рекуперацию вторичных материальных и энергетических ресурсов. Потоки газообразных и жидких веществ, попадающих в окружающую среду, подвергают очистке, чтобы извлечь из них все ценные компоненты, а также ликвидировать опасность загрязнения окружающей среды. Твердые отходы либо направляют на дальнейшую переработку, либо размещают для хранения в безопасных для окружающей среды условиях. Классификация химических реакций, лежащих в основе промышленных ХТП. Для получения химической продукции в основе процессов заложены десятки тысяч разнообразных химических реакций, которые можно классифицировать по определенным признакам для оптимального управления ХТП. 1) По механизму протекания реакции: а) простые необратимые (например обжиг руды) – для осуществления требуется преодоление лишь одного энергетического барьера 4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8 SO2 б) простые обратимые (синтез аммиака) N2 + 3H2 2NH3 в) сложные необратимые - параллельные: C2Н4 + ½ О2 = С2Н4О C2Н4 + 3 О2 = 2СО2 + 2Н2О - последовательные: C2Н5ОН + ½ О2 = СН3СНО + Н2О СН3СНО + ½ О2 = СН3СООН г) сложные обратимые: СО + Н2О СО2 + Н2; СО2 + 3Н2 СН3ОН + Н2О 2) по фазовому составу реакционной системы: В зависимости от того, одну или несколько фаз образуют исходные реагенты и продукты реакции, химические реакции делят на: - гомофазные, в которых исходные реагенты, стабильные промежуточные вещества и продукты реакции находятся в пределах одной фазы. - гетерофазные, в которых исходные реагенты, стабильные промежуточные вещества и продукты реакции образуют более чем одну фазу. Понятия «гомофазный» и «гетерофазный» процессы не совпадают с понятиями «гомогенная» и «гетерогенная» реакции: - Гомо- и Гетеро-фазность процесса позволяет лишь судить о ФАЗОВОМ составе участников реакции. - Гомо- и гетеро-генность реакции отражает в определенной степени ее механизм: протекает ли реакция в объеме какой-то одной фазы или на поверхности раздела фаз. По зоне протекания реакции – - Гомогенные. Реагенты и продукты находятся в одноименных фазах и реакция протекает в объеме этой фазы. : Г-Г, Ж-Ж (смешивающиеся) - Гетерогенные. По меньшей мере один из реагентов или продуктов находится в фазовом состоянии, отличающемся от фазового состояния остальных участников, и при ее анализе обязательно должна учитываться поверхность раздела фаз. Г-Ж, Т-Т, Ж-Т, Ж-Ж (несмешивающиеся) б) каталитические: - гетерогенно-каталитические: катализатор – твердое вещество, реагенты – Г, Ж - гомогенно-каталитические (и реагенты и катализатор и растворители в одной и той же фазе – жидкой) 3) по величине и знаку теплового эффекта реакции: а) экзотермические реакции, в ходе которых происходит выделение теплоты (Q>0), происходит уменьшение энтальпии (H<0) реакционной системы. б) эндотермические реакции, сопровождающиеся поглощением теплоты (Q<0), энтальпия увеличивается (H>0) по величине: 1) сильноэкзотермические 2) экзотермические 3) слабоэкзотермические 4) слабоэндотермические 5) эндотермические 6) сильноэндотермические Деление реакций по тепловому эффекту имеет важное значение при определении влияния теплового эффекта на равновесие и скорость обратимых реакций. 4) по типу кинетической модели процесса. Порядок реакции – сумма показателей степеней у концентраций реагентов в кинетическом уравнении. (порядок реакции определяется на основе экспериментальных исследований): а) реакции 0-ого порядка r k б) 1-ого порядка r k C A в) 2-ого порядка r k CA2 , r k C A CB г) 3-его порядка r k CA2 CB , r k CA CB2 д) дробного порядка Кинетическая модель реакции необходима для расчета времени пребывания реагентов в реакторе для достижения заданной степени превращения реагентов в реакторе. 5) по молекулярности (учитывает, сколько молекул участвует в элементарном акте реакции) а) мономолекулярные б) бимолекулярные в) тримолекулярные (редко) 6) по способу активации реакционной системы: а) низко- и высокотемпературные б) давление (под вакуумом, при нормальном и высоком давлении) в) каталитические (более 90 % реакций), некаталитические г) фотохимические, электрохимические, радиационные и т.д. Для простых необратимых процессов в качестве критерия оптимизации выбирают скорость процесса и конверсию (скорость должна обеспечивать заданную производительность, а конверсия = выходу). Для простых обратимых – скорость и положение равновесия. Для сложных необратимых – скорость, селективность, конверсия. Для сложных обратимых – скорость, положение равновесия, селективность. Технологические критерии эффективности ХТП Работу химических производств в целом оценивают по экономическим показателям, таким как, прибыль, себестоимость продукции, капитальные затраты и т.д. Экономические показатели процесса в значительной мере зависят от технологических: конверсия (степень превращения), селективность, выход продукта, расходные коэффициенты по сырью, вспомогательным материалам (растворители, катализаторы) и др. Эти показатели с разных сторон характеризуют глубину протекания химико-технологического процесса, его полноту и направленность в сторону образования целевого продукта. 1. Конверсия X (степень превращения) исходного реагента это доля исходного реагента, использованного на химическую реакцию – показывает, насколько полно в ХТП используется исходное сырье. Для реакции аА + bВ rR + sS степень превращения реагента А: n n A , f n A (Исходное число молей реагента А – оставшееся в õÀ A , 0 n A ,0 n A ,0 реакционной смеси)/Исходное число молей реагента А. Ñ Ñ A , f Ñ A Или через концентрации õÀ A ,0 Ñ A ,0 Ñ A ,0 через массы õÀ m A ,0 m A , f m A ,0 m A m A ,0 Зная конверсию одного из реагентов можно выразить конверсии других реагентов, участвующих в реакции. b n A ,0 x A n A ,0 nB ,0 n b n A b õ  n n n n x xA B A A A ,0 A n ,0 a nB ,0 a a nB ,0 ab Из конечного уравнения следуют частные случаи: n a а) если A ,0 , то реагенты взяты в стехиометрическом количестве , т.е. Х(А) nB ,0 b = Х(В); б) если n A ,0 a – реагент А взят в избытке, Х(А) < Х(В); nB ,0 b в) если n A ,0 a – реагент В взят в избытке, Х(А) > Х(В); nB ,0 b Пределы конверсии: 0 < X < 1 (это доля от первоначального количества реагента) В избытке берут более дешевый реагент для повышения степени использования более дорогого. Для обратимых химических реакций предельно состояние химического равновесия. Предельно достижимая при данных условиях равновесная степень превращения õÀ ,e n A ,0 n A ,å n A ,å n A ,0 n A ,0 (Исходное число молей реагента А – Число молей реагента А в условиях равновесия)/Исходное число молей реагента А (индекс е от лат. equilibrium – "равновесие"). Степень превращения ХА характеризует процесс не полностью: даже прореагировав целиком, реагент может послужить образованию не целевого, а побочного продукта. 2. Селективность ( - позволяет оценить эффективность целевой реакции по сравнению с побочными). Полная, или интегральная селективность – это отношение количества исходного реагента, расходуемого на целевую реакцию, к общему количеству реагента, расходуемого на целевую и побочную реакции вместе: mA ,öåë , также можно выразить через концентрацию, число молей. À mA ,öåë mA ,ïîá Пределы селективности: 0 < < 1. Чем выше селективность, тем меньше побочных продуктов образуется в ходе процесса, тем меньше расход сырья на побочные реакции. Дифференциальная селективность ' – может рассматриваться как функция соотношения скоростей целевой и побочной реакции: А R (целевая) А S (побочная) ' f r ,öåëåâ r ,ïîáî÷ 3. Выход Ф готового продукта – отношение реально полученного количества продукта к максимально возможному его количеству, которое могло быть получено при этих условиях. Если в основе процесса лежит химическая реакция, описываемая конкретным уравнением, то для необратимых реакций выход определяется как отношение массы, полученной на практике mnp к массе, теоретически возможной по стехиометрическому уравнению mтеор. r M R mA mRmax aMA Ô ïðîä mïð mòåîð 100% Для простых необратимых реакций Выход = Конверсии ХА. Выход для обратимой реакции определяется как отношение практически полученной массы продукта к максимально возможной массе его, которая может быть получена в данных условиях производства. Максимально возможное количество продукта рассчитывается по стехиометрическому уравнению реакции. 4. Расходные коэффициенты РК (Ктеор, Кпр.) по сырью количество сырья или энергии каждого вида, затрачиваемое на производство единицы массы или объема готовой продукции. РК по сырью выражаются в т/т, кг/кг, и т.д.; по энергии, соответственно, в кВтч/т. Теоретические РК рассчитываются на основе стехиометрического уравнения целевой реакции, как отношение молярной массы реагента к молярной массе целевого продукта с учетом стехиометрических коэффициентов. Практические РК рассчитывают из практических данных по материальным балансам производств. РК показывает расход чистого реагента при полной конверсии без протекания побочных реакций и без учета потерь на получение единицы продукции. 5. Показателем, характеризующим эффективность работы машин, аппаратов, цехов и заводов в целом, служит производительность. Производительность – это количество выработанного продукта или переработанного сырья в m единицу времени: Ï где П – производительность; m – количество продукта; τ – время. Производительность может быть отнесена к отдельному аппарату, технологической линии, цеху, предприятию в целом. МАХ возможная производительность П называется мощностью N предприятия. Производительность измеряется в килограммах в час (кг/ч), тоннах в сутки (т/сут), или, кубических метрах в сутки (м3/сут) и т.д. Максимально возможная в данных условиях производства производительность называется мощностью. 6. Для сравнения работы аппаратов и установок различного устройства и размеров, в которых протекают одни и те же химические процессы, используется понятие интенсивность. Интенсивность I аппарата (машины, реактора) его производительность, отнесенная к единице величины, характеризующей размеры рабочей части аппарата объема V или площади сечения S: Ï Ï I èëè I V S где V – объем аппарата (реактора). Интенсивность может измеряться количеством продукта, получаемого в течение единицы времени с единицы объема аппарата. Например, (кг/чм3), или с единицы сечения аппарата (т/сутм2) и т.д. Интенсивность по катализатору 7. Качество продукции – совокупность технических, эксплуатационных, экономических и других свойств, обуславливающих ее пригодность для удовлетворения личных или производственных потребностей в соответствии с ее назначением. В большинстве случаев качество химических продуктов определяется их чистотой или содержанием в них основного вещества. Производство высокочистых или концентрированных продуктов важно не только с точки зрения качества конечного продукта, идущего на народное потребление, но и по многим другим причинам. Например, применение концентрированных продуктов повышает интенсивность процессов, в которых они используются в качестве сырья. Это приобретает особое значение для химической промышленности, продукция которой представляет собой главным образом сырье или средство производства, а не непосредственного потребления. Особенно большие требования к чистоте химических продуктов предъявляются при производстве химических реактивов и особо чистых веществ, применяемых в некоторых технологических процессах. Так, например, содержание окислов азота и хлора в реактивной серной кислоте должно быть не более 10-4 %, а содержание мышьяка – не более 310-6 %. Качество продукции измеряется системой показателей, охватывающих различные области использования продукции: надежности, долговечности. Эти показатели задаются государственными стандартами (ГОСТ) и техническими условиями (ТУ) на продукцию. По мере совершенствования химико-технологических процессов, а также по требованию потребителей химических продуктов стандарты систематически пересматриваются. При этом проводится большая исследовательская работа по оценке возможностей промышленности, вырабатывающей тот или иной продукт, а также по установлению обоснованности выдвигаемых потребителями требований. В результате такой работы составляется новый стандарт, в котором предусматриваются более качественные показатели продукции (все или некоторые из них). Экономические критерии эффективности ХТП Для химической промышленности, как отрасли крупномасштабного материального производства, имеет значение не только технический, но и тесно связанный с ним экономический аспект, от которого зависит нормальное функционирование и развитие производства. Этот аспект рассматривает экономика химической промышленности. Важнейшим критерием, характеризующим совершенство химического производства, является его экономическая эффективность, которая зависит от мощностей технологических установок, используемых в производстве, на которых вырабатывается продукция, и от научного и технического уровня, на котором осуществляется технологический процесс. Экономическая эффективность характеризуется 3-мя основными показателями: Капитальные затраты. Себестоимость продукции. Производительность труда. Все эти показатели тесно связаны между собой и должны рассматриваться в комплексе. 1. Капитальные затраты К – это сумма всех затрат, произведенных при строительстве данного цеха или предприятия в целом. Естественно, что во всех случаях следует стремиться к тому, чтобы эти затраты были минимальными. Однако, применение новой более совершенной аппаратуры, коррозионно-устойчивых материалов, автоматических методов контроля и регулирования процесса связано с увеличением материальных затрат, но одновременно приводит к снижению эксплуатационных затрат и себестоимости продукции. Поэтому в каждом отдельном случае при разработке проекта все эти вопросы решаются с учетом конкретных условий. Удельные капитальные затраты Р – это отношение общей стоимости установки или цеха (т.е. капитальных затрат) К (руб.) к годовой мощности. P=K/Q ге Р – удельные капитальные затраты, руб/тгод; К – капитальные затраты, руб, Q – мощность установки, тон/год. С увеличением единичной мощности установки удельные капитальные затраты снижаются. 2. Полной себестоимостью называется денежное выражение затрат данного предприятия на изготовление и сбыт единицы продукции. Затраты предприятия, непосредственно связанные с производством продукции, называются фабрично-заводской себестоимостью, которая слагается из следующих статей: 1) сырье, полуфабрикаты и основные материалы, непосредственно участвующие в химических реакциях производства; 2) топливо и энергия на технологические цели; 3) заработная плата основных производственных рабочих; 4) амортизация – отчисления Ам на возмещение износа основных производственных фондов, зданий, сооружений, оборудования и др.; 5) цеховые расходы, включающие затраты на содержание и текущий ремонт основных производственных фондов (в том числе и зарплату вспомогательных и ремонтных рабочих), а также затраты на содержание административноуправленческого персонала цеха, охрану труда и технику безопасности; 6) общезаводские расходы. Из себестоимости основного продукта обычно вычитается стоимость побочных продуктов, полученных из того же сырья. Учет себестоимости ведут по специальной форме, в которой отражаются все элементы себестоимости. Форма является одинаковой для всех химических производств. Соотношение затрат по различным статьям себестоимости сильно изменяется для различных химических производств. Важнейшей статьей в большинстве случаев являются затраты на сырье; в среднем по химической промышленности они составляют 60…70 % себестоимости. Топливо и энергия в среднем составляют около 10 % себестоимости, однако в электрохимических и электротермических производствах электроэнергия представляет одну из главных статей расхода. Так, например, в производстве элементарного фосфора на электроэнергию приходится 40 % себестоимости. Заработная плата основных рабочих в химической промышленности невелика ввиду высокой степени механизации и автоматизации производственных процессов, она составляет в среднем лишь около 4 % себестоимости. Однако в ряде химических производств зарплата превышает 20 % себестоимости. Отчисления на амортизацию составляют обычно 10…15 % себестоимости; для фосфорной кислоты они значительно меньше, так как применяемое при этом оборудование сравнительно простое и дешевое. В состав себестоимости включены амортизационные отчисления (что отражает влияние капитальных затрат) и все виды заработной платы (что отражает производительность труда), поэтому в первом приближении можно принять, что экономическая эффективность химического производства характеризуется себестоимостью продукции. Зависимость между себестоимостью и единичной мощностью производственного агрегата приближенно выражается уравнением S = m Qn , где S – себестоимость продукта, руб./т; Q – мощность цеха (установки), т/год; m, n – коэффициенты (n = – 0,2…– 0,3). 3. Производительность труда – это количество продукции, вырабатываемой рабочим в единицу времени, или количество рабочего времени, затрачиваемого на выработку единицы продукции. Так же как и удельные капитальные затраты и себестоимость продукции, производительность труда зависит главным образом от техники производства и мощности установки. С увеличением единичной мощности установки вдвое производительность труда для многих химических производств возрастает на 60…80 %. Материальный и энергетический балансы При разработке химико-технологических процессов проводятся разнообразные расчеты для количественной оценки протекающих операций, а также для определения оптимальных значений параметров технологического процесса. Во всех случаях при расчетах учитываются законы гидродинамики, тепло- и массопередачи и химической кинетики, поэтому расчеты материальных потоков обычно сочетаются с энергетическими расчетами, для этого составляют материальный и энергетический балансы. Материальный баланс – это вещественное выражение закона сохранения массы вещества, согласно которому во всякой замкнутой системе масса веществ, вступивших во взаимодействие, равна массе веществ, образовавшихся в результате этого взаимодействия, т.е. приход вещества ΣGприх равен его расходу Σ Gрасх . Таким образом, уравнение материального баланса можно представить в виде: ΣGприх = ΣGрасх . Для периодических процессов материальный баланс составляют в расчете на одну операцию, для непрерывных процессов – за единицу времени. Материальный баланс составляют по уравнению основной суммарной реакции с учетом параллельных и побочных реакций. Он может быть составлен для всех веществ, участвующих в процессе, или только для одного какого-либо вещества. Обычно учитываются не все протекающие реакции и получаемые побочные продукты, а лишь те, которые имеют существенное значение, т.е. материальный баланс носит приближенный характер. Материальный баланс составляют для процесса в целом или для отдельных его стадий. Расчет материального баланса основан на 2 объективных законах: 1) закон сохранения массы 2) закон стехиометрических соотношений: если известна масса хотя бы одного участника реакции, можно определить массы всех остальных, предварительно рассчитав молярные массы всех участников реакции. Сырье в реальных процессах, протекающих в промышленности, подается на взаимодействие с определенной долей примесей – это сырье называется техническим. Материальный баланс может быть как в виде уравнения, так и в виде таблицы. В левой части – приход –записываются массы потоков сырья, поступающих на переработку, в правой части (расход) – массы потоков, прошедших переработку. Если процесс протекал в химическом реакторе, то после переработки в графе расход возможны следующие потоки: 1) целевой продукт; 2) побочные продукты; 3) непревращенный остаток сырья; 4) примеси, поступающие вместе с реагентами; 5) потери (сырья, продукта, указанных в исходных данных.) При проектировании обычно задаются массой целевого продукта; массу сырья и массу побочных продуктов определяют по уравнению материального баланса. На основании материального баланса рассчитываются расходные коэффициенты, определяются размеры аппаратов и устанавливаются оптимальные значения параметров технологического режима процесса. Сравнивая фактические и теоретические расходные коэффициенты, можно сделать вывод о совершенстве процесса. Чем ближе эти значения, тем совершеннее производство. Фактические расходные коэффициенты по сырью увеличиваются, если уменьшаются конверсия, селективность, увеличиваются потери, недостаточная очистка сырья. Химико-технологические процессы связаны с затратой различных видов энергии – тепловой, механической, электрической. В основу энергетического баланса положен закон сохранения энергии, согласно которому в замкнутой системе сумма энергий всех видов постоянна. Поскольку в ХТпроцессах тепловая энергия имеет наибольшее значение, для них обычно составляют тепловой баланс: приход тепла ΣQПPИX в данной технологической операции, равен расходу тепла ΣQPACX в той же операции. ΣQПPИX = ΣQPACX Тепловой баланс составляют по данным материального баланса с учетом тепловых эффектов химический реакций и физических превращений, протекающих в аппарате, учитывается теплосодержание веществ, участвующих в процессе, а также теплота подводимая в аппарат извне и выводимая из аппарата, тепловые потери в данной технологической операции. Тепловые вклады в баланс рассчитывают по известным формулам. Тепловой эффект химической реакции: H H ïðîäóêòû ðåàêöèè Í èñõîäíûå âåùåñòâà (значения энтальпии продуктов реакции и исходных веществ берутся из таблиц) Теплосодержание веществ6 Q2 m c t где m – масса вещества, c – его теплоемкость, t – температура. Теплоту фазовых переходов рассчитывают по формуле: Q1 m q где q – удельная теплота соответствующего фазового перехода (испарения, конденсации, растворения, кристаллизации) m – масса вещества. Подвод и отвод теплоты в систему рассчитывают по потере тепла теплоносителем: Q3 m Ñ( t í t ê ) где m – масса теплоносителя, С – теплоемкость теплоносителя, tн tк – начальная и конечная температура теплоносителя. И по формуле теплопередачи через стенку: Q3 Ê Ò F ( t ò t ïð ) где КТ – коэффициент теплопередачи; F – поверхность телообмена; tт – температура теплоносителя, обогревающего аппарат; tпр – температура подогреваемого продукта; – время. Данные теплового баланса используются для определения расхода теплоносителя и хладоагента, расчета поверхности греющих и охлаждающих элементов и подбора оптимального теплового режима процесса.
