Основные технологические показатели химико-технологического процесса

Химико-технологический процесс и его содержание

Химико-технологический процесс представляет собой совокупность операций, позволяющих получить целевой продукт из исходного сырья. Некоторые из этих операций необходимы для подготовки исходных реагентов к проведению химической реакции, перевода их в наиболее реакционноспособное состояние. Например, известно, что скорость химических реакций сильно зависит от температуры, поэтому часто реагенты до проведения реакции нагревают. Чтобы устранить побочные явления и получить продукт высокого качества, исходное сырье подвергают очистке от посторонних примесей, пользуясь методами основанными на различии физических свойств (растворимость в различных растворителях, плотность, температуры конденсации и кристаллизации и т.д.). При очистке сырья и реакционных смесей широко применяют явления тепло- и массообмена, гидромеханические процессы. Возможно также использование химических методов очистки, например, химических реакций, в результате которых посторонние примеси превращаются в легкоотделимые вещества.

Соответствующим образом подготовленные реагенты подвергают химическому взаимодействию, включающему часто несколько этапов. В промежутках между этими этапами иногда необходимо вновь использовать тепломассообменные и другие физические процессы. Например, при производстве серной кислоты диоксид серы частично окисляют до триоксида, затем реакционную смесь охлаждают, извлекают из нее путем абсорбции триоксид серы и вновь направляют ее на окисление.

В результате химических реакций получают смесь продуктов (целевых побочных) и непрореагировавших реагентов. Заключительные операции связаны с разделением этой смеси, для чего вновь применяют гидромеханические, тепло- и массообменные процессы, например, фильтрование, центрифугирование, ректификацию, абсорбцию, экстракцию и т.д. Продукты реакции направляют на склад готовой продукции или на дальнейшую переработку; непрореагировавшее сырье вновь используют в процессе, организуя его рецикл. На заключительных этапах проводят также рекуперацию энергии и очистку промышленных выбросов, чтобы извлечь из отходящих газов и сточных вод все ценные компоненты, а также ликвидировать опасность загрязнения окружающей среды.

Таким образом, химико-технологический процесс в целом это сложная система, состоящая из единичных связанных между собой процессов (элементов) и взаимодействующая с окружающей средой. Элементами химико-технологической системы являются названные процессы тепло- и массообмена, гидромеханические, химические и т.д. Их рассматривают как единичные процессы химической технологии.

Важной подсистемой сложного химико-технологического процесса является химический процесс. Он представляет собой одну или несколько химических реакций, сопровождаемых тепло- и массообменными явлениями.

Анализ единичных процессов, их взаимного влияния позволяет разработать технологический режим.

Технологическим режимом называется совокупность параметров, определяющих условия работы аппарата или системы аппаратов.

Оптимальные условия ведения процесса – это сочетание основных параметров (температуры, давления, состава исходной реакционной смеси, катализатора и т.д.), позволяющее получить наибольший выход продукта с высокой скоростью или обеспечить наименьшую себестоимость.

Единичные процессы протекают в различных аппаратах – химических реакторах, абсорбционных и ректификационных колоннах, теплообменниках и т.д. Отдельные аппараты соединены в технологическую схему процесса. Разработка и построение рациональной технологической схемы – важная задача химической технологии.

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 контроля и регулирования.

В курсе "Общая химическая технология" изучаются вопросы, посвященные главным образом решению первых двух задач, которые наиболее тесно связаны с сущностью химического производства. Но прежде следует ознакомиться с основными элементами химико-технологического процесса.

Показателем, характеризующим эффективность работы машин, аппаратов, цехов и заводов в целом, служит производительность. Производительность - это количество выработанного продукта или пере-работанного сырья в единицу времени t

, (2.1)

где П – производительность; В– количество продукта; τ – время.

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 производительность называется мощностью.

Для сравнения работы аппаратов и установок различного устройства и размеров, в которых протекают одни и те же химические процессы, используется понятие интенсивность.

Интенсивность – это производительность, отнесенная к какой-либо величине, характеризующей размеры аппарата, – к его объему или сечению; она, например, может быть выражена в виде уравнения

, (2.2)

где Vr– объем аппарата (реактора).

Интенсивность может измеряться количеством продукта, получаемого в течение единицы времени с единицы объема аппарата. Например, (кг/ч⋅ м³), или с единицы сечения аппарата (т/сут⋅ м²) и т.д.

Расход сырья, воды, энергии и различных реагентов, отнесенный к единице целевого продукта, называют расходным коэффициентом b

(2.3)

где Q – расход сырья реагента и др.

Расходные коэффициенты выражают в тоннах на тонну (т/т), кубических метрах на тонну (м³/т), киловатт-часах на тонну (кВт⋅ч /т) и т.п.

Глубина протекания реакции, от которой зависит степень использования сырья и другие показатели химико-технологического процесса, характеризуется степенью превращения и выходом продукта, а для сложных реакций, кроме того, селективностью.

Степень превращения – это отношение количества реагента, вступившего в реакцию, к его исходному количеству. Например, для простой необратимой реакции типа A → R степень превращения выражается уравнением

, (2.4)

где X_A – степень превращение реагента А; N_A,0, N_A– количество исходного реагента А в начале и в конце процесса.

Степень превращения выражают в долях процента, в последнем случае

(2.5)

Из уравнения (2.4) следует, что

N_A = N_A,0 (1− X_A). (2.6)

Если реакция протекает без изменения объема, то

, (2.7)

где C_A,0, C_A– концентрация исходного реагента A в начале и в конце процесса.

Из уравнения (2.7) находим, что

C_A = C_{A ,0} (1− X_A). (2.8)

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

Для необратимой реакция A → R имеем

(2.9)

где Ф_R– выход целевого продукта; N_R– количество продукта Rв конце процесса; N_{R, max} – максимально возможное количество продукта R.

Однако в данном случае N_R,max = N _A,0; N_R = N_A,0 – N_A, поэтому для необратимых процессов

(2.10)

Для обратимых реакций важным понятием является равновесная степень превращения; для реакции A ↔ Rона описывается уравнением

, (2.11)

где X^*_A– равновесная степень превращения; N^*_A– количество исходного реагента Ав состоянии равновесия.

Для обратимых реакций N_{R, max} = N^*_R, поэтому

, (2.12)

где N*_R– количество продукта R в состоянии равновесия.

Но N_R = N_A,0 − N_A, а N*_R= N_A,O∙X^*_A, поэтому из уравнения (2.12) следует, что для обратимой реакции

(2.13)

Селективностью называется отношение количества целевого продукта к общему количеству получаемых продуктов. Селективность характеризует процессы, в которых протекают сложные параллельные и последовательные реакции с получением нескольких продуктов, что часто встречается на практике. Например, если в процессе протекают параллельные реакции

R

A

S

и целевым является продукт R, то селективность будет выражаться в виде

, (2.14)

где ϕ_R– селективность; N_R, N_S– количество продукта R и S.

Между выходом, степенью превращения и селективностью существуют определенные зависимости. Для простой необратимой реакции (А → R): Ф = Х; простой обратимой реакции (A ↔ R): Ф = Х / Х*; для сложной реакции: Ф = X ∙φ.

В производственных условиях с целью уменьшения расходных коэффициентов сырья стремятся иметь возможно более высокие значения X, φ, Ф.

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определения понятиям: химическое производство, химико-технологический процесс, химико-технологическая система и объясните их

2. В чём заключается метод системного анализа для исследования химико-технологического процесса?

3. Что может служить производственным эквивалентом химико-технологической системы?

4. Из каких частей состоит химико-технологическая система?

5. Какие подсистемы можно выделить в химико-технологической системе?

6. Какие элементы ХТС Вы можете указать? Их назначение и примеры в производстве.

7. Что такое связь в химико-технологической системе? Какие типы сязей и их назначения Вы знаете?

8. Как отображается ХТС система (виды её модели)?

9. Приведите пример химической, операционной и функциональной схем какого-либо производства?

10. Чем отличаются технологическая и структурная схемы химического производства? Покажите это на примере производства аммиака.

11. Перечислите основные технологические показатели эффективности химико-технологического процесса.

Дата добавления: 2015-04-24