Тема 1.Основные закономерности ХТП

Раздел 1. Основы химической технологии

Введение

Цель, объем и содержание дисциплины. Литература по дисциплине. Задачи дисциплины. Особенности химической технологии как науки и ее связь с другими науками. Основные понятия и определения. Роль химической промышленности в экономике страны.

Развитие человеческого общества происходит по многим на­правлениям, определяющим потребности общества в целом и каждого человека в отдельности. Из многих направлений в на­стоящем учебнике выделена сфера прикладной деятельности - технология. Это научно-производственная деятельность, цель ко­торой - обеспечение человеческого общества и каждого челове­ка средствами производства и потребления.

Технология представляет собой множество процессов и мето­дов переработки сырья в продукты потребления и средства про­изводства, состоящее из трех основных компонентов: природ­ного (ПрК), научно-технического (НТК) и личностно-социального (ЛСК).

Термин «технология» происходит от греческого τεχυε (технэ) - искусство, ремесло и λογοσ (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. Химиче­ская технология - объективная общность природного, научно-технического и личностно-социального компонентов, представ­ленная множеством процессов и методов переработки сырья при коренном изменении его состава и физико-химических свойств или структуры, связанных прямыми и обратными свя­зями материально, энергетически и информационно для полу­чения средств производства и средств потребления.

Такое деление в известной степени условно, так как часто при изменении вида материала меняются его состав и химиче­ские свойства. Химические процессы в свою очередь всегда со­провождаются механическими.

Возникновение науки о химической технологии относится к концу XVIII века, когда после стремительного развития текстильной промышленности в последней трети века возникла потребность в химических продуктах - серной кислоте, соде, хлоре.

Первоначально наука о химической технологии представляла собой собрание рецептов и описание немногих существовавших в то время химических производств без обоснования выбран­ного способа производства. Затем в нее были включены описа­ния всех производств, в которых осуществлялись химические превращения. Кроме описания технологических приемов дела­лись попытки проанализировать некоторые физико-химические явления.

В России изучение химической технологии относится к на­чалу XIX века. Проф. Ф.А. Денисовым (Московский универси­тет) было издано «Пространное руководство к общей техноло­гии или к познанию всех работ, средств, орудий и машин, упот­ребляемых в разных технических искусствах». В руководстве в отдельную часть выделена «Общая технология»; вторая часть посвящена описанию отдельных производств «от начала до кон­ца».

Из химической технологии в специальные науки выделены производства, в которых специфичные для них методы имели значение наряду с общими для всех химико-технологических, например, металлургия, производство строительных материалов (цемент, стекло, керамика), текстильные отрасли (отбелка и крашение материалов), а также нефтепереработка (за исключе­нием подготовки сырья для химических производств).

Общие закономерности для названных специальных наук по-прежнему сосредоточены в науке о химической технологии, ко­торая в настоящее время называется общей химической техно­логией. Это направление было развито в начале XX века проф. А.К. Крупским (Петербургский технологический институт) и его последователями.

Больedeшой вклад в развитие науки о химической технологии внесли акад. С. И. Вольфкович, проф. И.П. Мухленов, проф. А.Г. Амелин и их школы, создавшие фундаментальные руководства, на которых учились многие поколения отечествен­ных инженеров-химиков и которые сохранили свое значение до настоящего времени.

К 30-м годам XX столетия был накоплен большой фактиче­ский материал по химической технологии, и из нее в виде от­дельной дисциплины были выделены физические процессы, общие для многих технологических методов (транспортировка веществ, выпаривание, фильтрование и т.д.), в основе которых лежат закономерности физики. В них включены гидродинами­ческие, тепловые, диффузионные и механические процессы. Во второй половине XX века в отдельную дисциплину выделены контрольно-измерительные приборы и автоматизация химиче­ских производств.

В настоящее время химическая технология представляет со­бой блок наук, изучающих процессы с химическими и физико-химическими превращениями, имеющие общие закономерности на основе химической термодинамики и кинетики.

В ходе исследований развития прикладной (промышленной) деятельности (с 1909 г. по настоящее время) акад. И.В. Петрянов-Соколов доказал экспоненциальный характер использова­ния природных ресурсов, в том числе и при развитии химиче­ской промышленности, как по объему, так и по ассортименту средств потребления и средств производства. В качестве иллю­страции представлена динамика вовлечения в деятельность че­ловека элементов Периодической системы Д.И. Менделеева за несколько столетий добычи горных пород. До XVI-XVII веков человеческое общество довольствовалось 18 химическими эле­ментами; к XVII веку их требовалось уже 25, к началу XVIII ве­ка - 29, в XIX веке - 47, к началу XX века - 54, а в середине XX века - 88, не считая 11 трансурановых элементов.

При современном уровне производства на земном шаре добы­вается ежегодно около 100 млрд. т горных пород. К концу XX ве­ка эта цифра, по некоторым прогнозам, может достичь 600 млрд. т. Растущие потребности в некоторых материалах на одного челове­ка в год до конца XX века (в кг) также свидетельствуют о высо­ких темпах развития химической промышленности:

	1970 г.	1980 г.	1990 г.	2000 г.
Черные металлы
Цветные металлы
Всего
Синтетические материалы
(пластмассы, синтетический
каучук, синтетические волокна)
Натуральный каучук	0,9	0,5	0,5	0,5
Натуральные волокна
Всего	37,9	75,5	199,5	583,5

Потребность в удобрениях в странах СНГ показана ниже (в тыс. т 100% полезного вещества):

	1985 г.	1990 г.	1995 г.	2000 г.
Азотные N2
Калийные К2О
Фосфорные Р2О5
Всего

При экспоненциальном нарастании потребности в средствах потребления и производства наблюдается и рост числа химических

Условия ведения химических производственных процессов. Степень приближенности теоретических расчетов к практическим возможностям. Важнейшие поправочные условия: подготовленность сырья, фазовые состояния, обеспечение контакта, аппаратурные ограничения, экономические соображения. Обратимые и необратимые процессы. Равновесие в обратимых процессов. Принцип ЛеШателье в химических обратимых процессах. Константа равновесия как количественная характеристика равновесия. Скорость гомогенных и гетерогенных химикотехнологических процессов. Скорости реакций и диффузионных стадий процессов. Способы определения скорости процессов. Основные формулы скорости процесса. Основные показатели химического производства: расходные коэффициенты, качество готового продукта, производительность и мощность аппаратуры, интенсивность процесса, производительность труда, себестоимость продукта. Принципы составления материального и энергетического балансов.

Технология (наука о ремесле) изучает способы и процессы переработки продуктов природы (сырья) в предметы потребления и средства производства.

Способ переработки есть совокупность всех операций, которые проходит сырье до получения из него готового про­дукта.

Способ переработки (производства) есть описание опе­раций, протекающих в соответствующих машинах и аппаратах. Такое описание называют технологической схемой.

В основе химической технологии лежат химические, физи­ческие и физико - химические закономерности, т.е. закономер­ности общей, органической и физической химии, физики, меха­ники и других химических и обще инженерных дисциплин.

Химико-технологический процесс представляет собой сумму
взаимосвязанных элементарных процессов:

1. Подвод реагирующих компонентов в зону реакции;

2. Химические реакции;

3. Отвод полученный продуктов из зоны реакции.

Подвод реагирующих компонентов в зону реакции совершается путем молекулярной диффузии или путем конвекции.

При интенсивном перемешивании компонентов конвективный перенос называют турбулентной диффузией.

Химическая технология чаще всего связана с многофазным системами. Система есть группа веществ, находящихся во взаимодействии. Фаза- совокупность однородных частей системы, одинаковых по составу, химическим и физическим свойства и ограниченных от других частей системы поверхностью раздела. В многофазных системах подвод реагирующих компонентов в зону реакции может осуществляться абсорбцией, адсорбцией, десорбцией, конденсацией паров, плавлением твердых веществ, испарением, выпаркой. Эта стадия перехода компонента из одной фазы в другую часто является наиболее медленным этапом химико-технологического процесса, и определяет общую его скорость.

Химические реакции составляют основу химико-технологичес­кого процесса.

Через ряд последовательных (иногда параллельных) химичес­ких реакций образуется готовый (основной) продукт и побочные продукты, а также отходы производства. Химико-технологический процесс усложняется в силу того, что в исходном сырье неизбеж­но есть примеси, которые и приводят к образованию побочных продуктов. В производственных расчетах обычно учитываются только те реакции, которые имеют определяющее влияние на качество и количество полученных основных продуктов.

Отвод полученных продуктов из. зоны осуществляется также как и подвод реагирующих компонентов, т.е. диффузией и конвекцией, которые в основном определяют переход, вещества из одной фазы в другую.

Примером сложности, многостадийности химико-технологичес­ких процессов является реакция С + O₂ → CO₂ + O

← O2

или горение колчедана

4 FeS₂ +11O₂ → 8 SO₂ +2FeO₃ +Q

Чтобы произошло химическое взаимодействие между колчеданом и кислородом, необходимо прежде всего к поверхности колчедана подвести кислород, а после того, как произошла реакция, отвести образовавшийся SO₂ с поверхности колчедана. Обжиг колчедана будет распространяться внутрь, при этом кислород при проникно­вении к не сгоревшему колчедану FeS₂ будет встречать не своем пути слой огарка, образовавшегося на поверхности колчедана, и слой инертного газа N₂, содержащегося в воздухе. Образовав­шийся SO₂ должен преодолеть это сопротивление при выходе в объем газа. Эти процессы медленного проникновения одного веще в другое и называется диффузией.

Суммарная скорость процесса определяется скоростью вышеперечисленных элементарных стадий, которые протекают с различными скоростями. Поэтому общая скорость будет лимитироваться скоростью наиболее медленной стадии. Если наиболее медленно протекает сама химическая реакция, то процесс протекает в кинетической области.

Для ускорения таких процессов необходимо изменить факторы, влияющие на скорость химической реакции (концентрация реагирую­щих компонентов, температура, давление, применение катализа­торов и т.д.). Если общую скорость лимитирует стадия подвода реагирующих компонентов или отвода продуктов реакции, то про­цесс протекает в диффузионной области. Для ускорения таких процессов стремятся увеличить диффузию (перемешивание, гомо­генизация системы, повышениеt◦, и т.д.).

Знание основных закономерностей химической технологии дает возможность, установить оптимальные условия процесса, проводить его наиболее эффективно с максимальным выходом, обеспечить высокое качество продукции.

КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИКО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Технологический режим есть совокупность основных параметров, влияющих на скорость процесса, выход и качество продукции. К основным параметрам относятся: температура, давление, применение катализатора, концентрация реагирующих веществ, способ и степень перемешивания реагентов.

Оптимальному значению параметров технологического про­цесса соответствует максимальная производительность аппаратов и наибольшая производительность труда. Поэтому в основу клас­сификации химико-технологических процессов положены характер и значение основных параметров режима, определяющих технологи­ческий процесс.

На конструкцию аппаратов и скорость процессов сильно влияют способ и степень перемешивания реагентов, что в свою очередь зависит от агрегатного состояния реагирующих веществ. Поэтому химико-технологические процессы классифицируют прежде всего по агрегатному (фазовому) состоянию реагирующих веществ. По этому принципу технологические процессы делятся на:

I) Гомогенные (однородные) - когда реагирующие вещества находятся в какой-либо одной -фазе: газовой (Г), жидкой (Ж).

2) Гетерогенные (неоднородные), в основе которых системы из двух и больше количества фаз. Это: Г-Ж; Г-Т; Ж-Ж. (несмешивающиеся жидкости); Ж – Т; Т - Т. На практике наиболее часто встречаются Г-Ж; Г - Т; Ж - Т. Нередки и многофазные системы: Г-Ж-Т;Г-Т-T и т. д.

Гетерогенные процессы наиболее распространены. Как пра­вило, гетерогенный этап процесса (массообмен) имеет диффузион­ный характер, а химическая реакция происходит гомогенно в газовой или жидкой фазе. Однако, в ряде случаев протекают гетеро­генные реакции на границе Г-Ж; Г-Т; Ж-Т, которые и определяют общую скорость процесса.

По значениям других параметров технологического режима процессы можно разделить по наиболее важным и характерным параметрам:

1. Низкотемпературные некаталитические;

2. Высокотемпературные;

3. Каталитические;

4 Электрохимические.

Химические превращения веществ сопровождаются в той или иной степени тепловыми процессами. Поэтому процессы делят на:

1) экзотермические,- протекающие с выделением тепла;

2) эндотермические, - протекающие с поглощением тепла.

Кроме того, технологические процессы делят на:

1) обратимые;

2) необратимые.

В результате исторически сложившейся целесообразности управления производством и его специализации все отрасли про­изводства, в основе которых лежат химические процессы, по техническому принципу делятся на группы:

производство неорганических веществ

- кислоты, соли, щелочи (основные химические производства),

- тонкие неорганические препараты,

- электрохимические (CI, H2 и др.),

- металлургия,

- силикаты, вяжущие вещества,

- краски, пигменты.

производство органических веществ

- основной органический синтез, (мономеры, альдегиды, спирты,
кислоты, растворители и т.д.),

- тонкий органический синтез (краситеди, душистые веществ
химикаты, лекарственные вещества и т.д.),

- производство высокомолекулярных веществ,

- переработка жидкого и твердого топлива,

- производства пищевых продуктов,

- биохимические производства.

Однако, деление процессов на органические и неорганичес­кие устарело, ввиду общности процессов и аппаратов, отсутствия точной границы между органическими и неорганическими веществами.

РАВНОВЕСИЕ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССАХ

Теоретически все реакции обратимы, т.е. могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях в зависимости от условий. Однако, во многих из них равновесие смещено полностью в сторону продуктов реакции и обратная реакция практически не протекает. Поэтому процессы делят на обратимые и необратимые

Обратимыми называются реакции, которые в рассматриваемых условиях могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях.

Химическим равновесием называется такое состояние системы, когда скорости прямой и обратной реакций равны, т.е. концентрации веществ не будут изменяться.

Ни условия равновесия наибольшее влияние оказывают изменения концентрации, температуры, давления.

Направления изменений в системе, которые могут быть вызваны перечисленными условиями, в общей форме определяются принципе Ле-Шателье:

В физико-химической системе, выведенной из состояния равновесия, происходят изменения, направленные к ослаблению воз­действий выводящих систему из равновесия.

Рассмотрим применение принципа Ле-Шаталье на примере

реакции:

mA + nB ↔ pD + Q (I),

где: m, n, p - стехиометрические коэффициенты;

Q - тепловой эффект реакции.

Принимаем, что реакция протекает гомогенно (в газовой фазе), а, также, что m+n > р, т.е. реакция идет с уменьшением объема.

Примером такого типа реакций может служить синтез аммиака

3 Н₂ + N₂ = 2NН₃ + Q

Для сдвига равновесия вправо, т.е. для повышения количеств продукта D, в соответствии с принципом Ле-Шателье необходимо понижать температуру, повышать давление, а также понижать кон­центрацию продукта D и повышать концентрацию исходных веществ А и В.

Согласно основному закону химической кинетики скорость прямой реакции будет:

→

U₁ = к₁ [А]m • [B]n

[А] и [B] -мольные концентрации (или парциальные давления) реагирующих компонентов;

к₁ - константа скорости реакции, значение которой зависит от природы реагирующих веществ и температуры.

Скорость обратной реакции будет:

←

U₂ = к₂ • [D]p

По мере того, как в ходе реакции концентрация веществ А и B убывает, то скорость прямой реакции уменьшается. Увеличение концентрации вещества D в результате прямой реакции приводит к возрастанию скорости обратной реакции U₂ что приведет к уравниванию скоростей прямой и обратной реакций.

→ ←

U₁ = U₂ или

к₁ [А*]m • [B*]n = к₂ • [D*]p, откуда

К=

К - константа равновесия данной реакции;

[А*], [B*],[D*]- равновесные концентрации (или парциальные давления) реагирующих веществ и продуктов реакции.

Дата добавления: 2013-12-11