Общие понятия и термины

Изучение ХТП ведут с 2-х позиций: создание самого процесса, т.е. разработка процесса и сооружение цеха установки для получения данного продукта и эксплуатация производства. Процесс создания химического производства складывается из следующих операций:

1) разработка химико-технологического процесса;

2)составление проектной документации;

3) построение цеха, т.е. сооружение здания монтаж оборудования, размещение аппаратов и приборов автоматического контроля регулирования.

Технология – наука о способах и процессах производства промышленных продуктов из природного сырья.

Технология – совокупность знаний о способах и средствах проведения производственных процессов. Технология – это наука изучающая производства (от греческого слова «техно» - искусство, ремесло или производство, «логос» - учение, наука).

Технология делится на механическую и химическую.

В механической технологии рассматривают процессы, в которых изменяется форма или внешний вид и физические свойства. Пример: изготовление детали из заготовок, дробление руды, испарение конденсация и другие.

В химической технологии рассматриваем процессы коренного изменения состава, свойств и внутреннего строения вещества. Пример:

Это деление в значительной степени условно, т.к. при изменении вида материала часто меняются его состав и химические свойства. Пример: литейное производство относится к механической технологии, но при литье металлов происходят и химические реакции.

Способ производства – это совокупность всех операций, которые проходит сырье до получения из него продукта. Способ производства слагается из последовательных операций, протекающих в соответствующих машинах или аппаратах.

Взаимосвязь между отдельными аппаратами и реакторами с описанием происходящих в них процессов называют технологической схемой.

Технологическая схема – описательное или схематическое изображение соединенных между собой машин и аппаратов, или же последовательным условным обозначением между связанных операций (процессов).

Значение и развитие химической промышленности.

Химическая технология, как наука призвана обеспечить страну требуемым количеством продуктов путем химической переработки природного сырья.

Химическая технология иногда предусматривает не выпуск продукции, а переработку токсичных отходов в менее токсичные или в товарные продукты. Триумфом советской химии был пуск в 1932 г. первого в мире завода «Синтетического каучука» по способу Лебедева С.В. Из продуктов нефтепереработки получают синтетический каучук. Из нефтехимического сырья получают: полипропилен, полиэтилен, резину и другие полимерные материалы. Из угля, воды и азота воздуха получают аммиак и азотную кислоту, а из них минеральные удобрения, ракетное топливо и т.д. На ОАО «Сода» из известняка и поваренной соли получают кальцинированную соду, применяемую в стекольной, целлюлозно-бумажной, текстильной и пищевой промышленности. На ЗАО «Каустик» из воды и поваренной соли получают хлор и каустическую соду, гидроксид натрия и водородный хлор, применяется для получения H₂SO₄, полимерных материалов, различных растворителей, лаков, красок, хлоркаучуков. Также NaOH находит широкое применение в текстильной, пищевой, медицинской и во многих других отраслях промышленности. Водород применяется в процессах гидрирования. За водородом будущее энергетики. Водород – экологически чистое топливо.

Химическая переработка каменного угля, нефти, торфа, природного газа позволяет получать такие важные продукты как кокс, моторное топливо, горюче-смазочные материалы (ГСМ), горючие газы и большое количество органических веществ.

Принцип принятый при разработке химической технологии («дешевле – проще») привел к тому, что химическая промышленность стала одной из отсталых отраслей промышленности, отсталость проявляется особенно в экологическом отношении. Пример: в производстве кальцинированной соды сырьем служит карбонат кальция СаСО₃, хлорид натрия NaCl, аммиак и Н₂О используется, оксид углерода (IV) СО₂ и натрий Na – все остальное сбрасывается в канализацию («белые моря»).

Таким образом, химическая промышленность является одним из основных источников загрязнения атмосферы, воды и почвы вредными веществами.

В атмосфере происходят дальнейшие химические процессы.

Пример: Сера (S) при сгорании на воздухе образует оксид серы:

S + O₂ ® SO₂,

в свою очередь оксид серы при взаимодействии с водой образует серную кислоту H₂SO₄.

S + О₂®SO₂ + Н₂О ® H₂SO₄.

В стратосфере О₂ под действием ультрафиолетовых лучей превращается в озон

3О₂↔2О₃ (λ – ультрафиолетовые лучи)

Ультрафиолетовое излучение затрачивается в этом обратимом процессе. Все живое не предохраняется от разрушительного воздействия ультрафиолетового излучения. Галогены: фрионы, окислы азота попадая в озоновый слой разрушают его. Эта проблема озоновой дыры. Загрязнение атмосферы оксидом углерода СО₂ нарушает соотношение оксида углерода к кислороду (СО₂: О₂), необходимое для фотосинтеза и живого организма. Загрязнение водоемов углеводородами приводит к расходу кислорода в воде, которое ведет к кислородному голоданию живых организмов.

Главными задачами технического процесса в химической технологии являются повышение производительности труда, улучшение качества продукции, снижение себестоимости продукции и снижение вредного воздействия на окружающую среду.

Развитие химической промышленности должно быть направлено на:

1) увеличение масштабов производства; мощностей химико-технологических систем (ХТС) и химико-технологических процессов (ХТП).

2) Интенсификация работы аппаратов.

3) Снижение энергозатрат и максимальное использование теплоты химических реакций.

4) Уменьшение количества стадий производства и переход к замкнутым циклам.

5) Замена периодических процессов непрерывными процессами.

6) Механизация трудоемких операций и автоматизация производства.

7) Создание малоотходных и безотходных производств.

Основные технологические понятия и определения.

ХТП состоит из физических, физико-химических и химических процессов. Физические и физико-химические процессы Вы изучаете по предмету «Процессы и аппараты».

Общая химическая технология изучает теоретические основы химических процессов, протекающих в реакторах, а также способы оформления химико-технологических процессов.

Реактор – аппарат в котором протекает химическая реакция.

Технологическая схема процесса получения продуктов

по реакции может быть изображена следующим образом:

А

1 – подготовка и подвод сырья.

2 – химическое превращение (реакторный узел)

3 – выделение целевого продукта (разделение продуктов реакции).

В 1-й стадии протекают только физические процессы и реагент А химически неизмененным переходит во 2-ю стадию, где происходит химическая реакция и образуется продукты R и S. Обычно реакция не идет до конца и часть реагента А остается без изменений. В 3-й стадии происходит разделение продуктов: на R – целевой продукт и S – побочный продукт и оставшийся реагент А который может быть возращен в начальную стадию процесса. В 3-й стадии химических превращений нет

1стадия – относится к физическим процессам,

2стадия – к химическим процессам,

3стадия – к физико-химическим процессам.

Показателем эффективности работы аппарата, цеха, производства, завода в целом служит производительность.

Производительность – количество выработанного продукта или переработанного сырья в единицу времени. Обозначается буквой П.

П=G/t, или П=V_B/τ

где G (или V_B) – кол-во продукта,

t - время.

Единицы измерения [кг/ч; т/ч; т/сутки)]

Максимально возможная производительность называется мощностью. Для сравнения эффективности работы различных аппаратов, в которых протекают одни и те же химические процессы, вводят понятие интенсивности.

Интенсивность – производительность, отнесенная к какой-либо величине, характеризующей размеры аппарата (к его объему или площади сечения, длине аппарата).

И=П/Vp=G/Vp×t -интенсивность.

Где Vp – объем реактора,

G – количество продукта,

П – производительность.

Интенсивность может измеряется количеством продукта, получаемого в течение единицы времени с единицы объема аппарата [кг/час×м³, т/сут.м²]. Расход сырья, воды, энергии и различных реагентов отнесенный к единице целевого продукта называются расходным коэффициентом.

b = Q/G [т/т]

b – расходный коэффициент,

Q – расход сырья,

G – кол-во продукта.

Единица измерения [м³/кг, кВт ч/кг]

Степень превращения – отношение количества реагента вступившего в реакцию, к его исходному количеству.

Пример: Для простой необратимой реакции типа А®R степень превращения выражается

Х_А – степень превращения реагента А.

N_A,O, N_A – количество исходного реагента А в начале и в конце процесса.

Иногда степень превращения Х_А выражается в %

∙100%

Если реакция протекает без изменения объема, то степень превращения выражается через концентрацию:

С_А,О, С_А – концентрация исходного реагента А в конце и начале процесса.

Выход продукта – отношение количества полученного целевого продукта к его количеству, которое должно быть получено по стехиометрическому уравнению.

или Х =

Это отношение количества фактически полученного продукта G_ф и максимального G_max, которое могло бы получиться из данного исходного продукта и обозначается X

или Х =

где N_R − количество продукта R в конце процесса

Селективностью – называется отношение количества целевого продукта к общему количеству получаемых продуктов. Это понятие вводится для сложных реакций, т.е. когда протекают параллельные и последовательные реакции с получением нескольких продуктов.

Пусть для реакции, целевым продуктом будет R, тогда

селективность

N_R – количество продукта R

N_S – количество продукта S

Нетрудно установить, что выход целевого продукта (Х) равен степени превращения (Х_А) умноженного на селективность:

Х=Х_А×j

Классификация химико-технологических процессов.

Химико-технологические процессы по характеру протекания процесса во времени, соответствующие аппараты и осуществляемые в них процессы делятся на: периодические и непрерывные.

Периодическими – называют процесс, в котором порция сырья и реагенты загружаются в аппарат, проходят в нем ряд стадий обработки и затем выгружаются все образовавшиеся вещества.

Недостатки этого процесса:

1) непроизводительная потеря времени при загрузочно-разгрузочных операциях.

2) механизация загрузки-выгрузки затруднена из-за отсутствия периодически действующих механизмов большой мощности

3) большая энергоемкость, т.к. сначала повышают температуру и давление, а в конце операции понижают их.

4) аппарат работает с неполной интенсивностью при выводе на режим и другие.

Однако полностью отказаться от периодических процессов нецелесообразно. Они являются незаменимыми для процессов протекающих с малой скоростью. Средняя концентрация реагентов в реакторах периодического действия (реактора смешения) выше, чем в проточных реакторах непрерывного действия, что отражается на интенсивности работы реакторов и влияет на выход продукта.

Непрерывными называются процессы, в которых поступление сырья в аппарат и выпуск продукции происходит непрерывно. Непрерывные процессы не имеют недостатков периодических процессов, нет простоев, технологические процессы протекают одновременно с вспомогательным процессом. В любой точке аппарата концентрация реагентов, температура, давление имеют определенные постоянные значения.

В классификации технологических процессов большое значение имеет необходимый для их оптимизации технологический режим.

Технологическим режимом – называется совокупность основных. факторов (параметров), влияющих на скорость процесса, выход и качества продукта. Для большинства ХТП основным параметром режима являются t, P, применение катализатора и его активность, концентрация взаимодействующих веществ, способ и степень перемешивания реагентов.

При изучении общих закономерностей химической технологии принято делить процессы и соответствующие им реакторы, прежде всего, по агрегатному (фазовому) состоянию взаимодействующих веществ. По этому признаку все системы взаимодействующих веществ и соответствующие им технологические процессы делятся на: однородные (гомогенные) и неоднородные (гетерогенные).

Гомогенными – называются такие процессы, в которых все реагирующие вещества находятся в одной какой-либо фазе: (Г, Тв, Ж). В гомогенных системах взаимодействие веществ в реакции происходит обычно быстрее, чем в гетерогенных, механизм всего технологического процесса проще и соответственно управление процессом легче, поэтому технологи на практике часто стремятся к гомогенным процессам, т.е. переводят твердые реагирующие вещества или, по крайней мере, одно из них в жидкое состояние плавлением или растворением.

Гетерогенные процессы включают 2 или большее количество фаз. Существуют следующие 2-хфазовые системы: Г-Ж, Г-Тв, Ж-Ж(несмешивающиеся), Ж-Тв, Тв-Тв. Гетерогенные процессы более распространены в промышленной практике, чем гомогенные.

Дата добавления: 2014-01-11