Безотходное производство

Безотходная технология - технология,подразумевающая наиболее рациональное использование природных ресурсов и энергии в производстве,обеспечивающее защиту окружающей среды. Безотходная технология - принцип организации производства вообще, подразумевающий использование сырья и энергии в замкнутом цикле.Замкнутый цикл означает цепочку:первичное сырьё - производство - потребление - вторичное сырьё. Принципы безотходной технологии: Системный подход,комплексное использование ресурсов,цикличность материальных потоков,ограничение воздействия на окружающую среду,рациональная организация.

В комплекс мероприятий по сокращению до минимума количества вредных отходов и уменьшения их воздействия на окружающую природную среду входят:1. разработка систем переработки отходов производства во вторичные материальные ресурсы;
2.создание и выпуск новых видов продукции с учетом требований повторного ее использования;3создание принципиально новых производственных процессов, позволяющих исключить или сократить технологические стадии, на которых происходит образование отходов.

64.Вода играет важную роль в связи с комплексом ее свойств:доступностью,удобством применения,большой теплоемкостью и безопасностью в применении. Хим.промышленность – крупнейший потребитель воды:сырье;реагент учавствующий в основных хим.реакциях(производство H2;H2SO4,щелочей и оснований);реакциях гидротации и гидролиза; растворителем твердых,жидких и газообразных веществ;катализатор;очистка продуктов от примесей.Вода образуется в следствие хим.реакций:надсмольная водапри коксовании древесины,торфа,сланца.Водой охлаждают реагирующие массы и нагревают взаимодействующие вещества для ускорения реакции или компенсации затрат теплоты в эндотермических реакциях, для перевода материалов из одного агрегатного состояние в другое.Теплообмен между веществами и водой может быть осуществлетвлен при их соприкосновении(конденсация паров белого фосфора,повышают нефтеотдачу отработанных скважин),или теплота передается через металические стенки – теплообменники, холодильники,нагревателиЗатраты воды на единицу произведенной продукции-расходный коэффициент по воде(для аммиака-1500м3/т). Водоподготовка питьевой воды- непрерывный процесс состоящий из 4 стадий:1.отстаивания,2.коагуляция,3.фильтрация,4.обеззораживание.Водозабор осуществляют из водоема.В отстойнике вода проходит с небольшой скоростью освобождаясь от грубодисперсных взвешенных частиц отстаиванием.Легкая взвесь осаждается медленно,а коллоидные частицы методом фильтрования и отстаивания не отделяются,поэтому в коагуляторе поступает раствор электролита Al2(SO4)3,называемых коогулянтами.Коагуляция-высокоэффективный процесс разделения гетерогенных систем,сущность которого состоит в том,что электролит в разбавленных растворах гидролизуется с образованием положительно-заряженных частиц,которые адсорбируясь на поверхности отрицательно-заряженных коллоидных частиц,нейтрализуют их заряды-это приводит к слипанию частиц способных к осаждению.В смесителе протекают следующие реакции:Al2(SO4)3+6H2O=2Al(OH)3+3H2SO4;Al2(SO4)3+3Ca(HCO3)2=2Al(OH)3+3CaSO4+6CO2

Хлопья слипаются с легкой взвесью,адсорбируют на поверхности органические красящие вещества,осветляя воду.При высокой мутности воды используют флокулянт.Из смесителя вода поступает в отстойник и выподают в осадок крупные частицы.Полное осветление достигается после фильтрации через песчаные фильтры открытого типа под давлением.Осветленная вода направляется на обеззараживание-удаление микрооганизмов хлорированием.Избыток хлора удаляют добавлением сульфита натрия или озоном .Водоподготовка промышленных вод. Промышленные воды не должны содержать примесей больше допустимой нормы,которая устанавливается в зависимости от назначения.Например вода для прямоточных паровых котлов не должна содержать оксид услерода(4) и кислород,вызывающим сильную коррозию труб котла.Виды водоподготовки промышленных вод:коагуляция,отделение взвешанных примесей,отстаивание,фильтрование(анологичны полготовке питьевой воды),умягчение,обессоливание,дистиляция,деаэрация. Умягчение воды заключается в частичном или полном удалении из нее катионов накипеобразователей(Ca,Mg).Если из воды удаляют все соли- обессоливание. Способы умягчения делятся на физические(кипячение,дистиляция,вымораживание),химические(связывание кальция и магния реагентами в нерастворимые соединения и физико-химические(основан на способности некоторых нерастворимых синтетических материаловобменивать свои ионы на ионы присутствующие в воде). Деарация- удаление из воды растворенных газов физическими(нагревают до кипения) и химическими(4Fe+3O2=2Fe2O3) методами. Дистиляцией достигается деарация, обезвреживание,обессоливание воды. Биохимическая очистка- для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и неорганических веществ.Процесс очистки основан на способности микрооганизмов использовать эти вещества для питания в прцессе жизнедеятельности, так как органические вещества для м\о являются источником углерода.Биохимическое окисление осуществляется сообществом м\о,включающим множество различных бактерий,простейших и ряд более высокооганизованных организмов,водорослей,грибов и т.д,связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями.

65. Гомогенные процессы в газовой или жидкой среде проще по механизму, чем гетерогенные. Их легче осуществлять в производстве; однако полностью они применяются сравнительно редко, а чаще составляют химическую (реакционную) стадию гетерогенного процесса. При хемосорбции газа массопередача реагента из газовой в жидкую фазу осуществляется путем молекулярной диффузии и перемешивания фаз. Гомогенные промышленные процессы в газовой фазе при достаточной турбулизации потока реагентов протекают в кинетической области в реакторах простой конструкции.Для реакций, протекающих в гомогенных системах скорость определяется количеством полученного целевого продукта в единицу времени в единице объема системы (реакционный объём): U=kV∆C, где k – константа скорости хим. реакции, V – реакционный объём, величина которого обратно пропорциональна времени контактирования. Выражение для движущей силы процесса ∆C зависит от обратимости хим. реакции.Для обратимых гомогенных реакций: аА + вВ = дД ± ∆Н, движущая сила процесса равна произведению конечных (т.ь. на выходе из реактора) конц. реагирующих в-в в степени их стехеометрич. коэфф.: ∆C= C^а_А× C^в_В. Для обратимых гомогенных реакций: аА + вВ↔дД – движ. сила процесса – это произведение разностей конечных (на выходе из реактора) конц. реагир. в-в и их равновесных конц.: ∆C=(С_А-С_А^*)^а(С_В-С_В^*)^в, где С_А,С_В – конц. в-в на выходе из реактора, С_А^* и С_В^* - равновесная конц. в-в.Для обратимых р-ций условие С= С^* превращает ∆C в нуль и процесс прекращается.Увеличение движ. силы обеспечивается: 1) повышением конц. реагентов за счет использования более конц-ного сырья; 2) увел. давления для систем с участием газообразных в-в; 3) уменьшением конц. прод. р-ции отводом их из системы; 4) изменением t и, как следствие, интенсификация процессов сорбции и десорбции реагентов и прод. р-ции.Гомогенные процессы, т.е. процессы, протекающие в однородной среде (жидкие или газообразные смеси, не имеющие поверхностей раздела, отделяющих части системы друг от друга), сравнительно редко встречаются в промышленности. Чисто гомогенную систему получить трудно, так как любое вещество содержит примеси. Для многих промышленных процессов воздух считается гомогенной средой, а для процесса окисления аммиака тот же воздух из-за наличия в нем пыли, влаги считается гетерогенной средой. Исходное сырье всегда имеет примеси. Поэтому лишь условно можно принять за гомогенные те производственные процессы, которые протекают в газовой или жидкой фазе. В гомогенных системах реакции проходят быстрее, чем в гетерогенных. Осуществление и управление гомогенными процессами, протекающими в гомогенной среде, значительно облегчается. Аппаратура тоже проще. Поэтому многие промышленные гетерогенные процессы включают в качестве этапа гомогенный химический процесс в газовой или жидкой фазе. Для гомогенизации системы при проведении химической реакции в однородной среде в промышленности используют разные способы:
1) Поглощение газов, конденсация паров, растворение или плавление твердых материалов приводящей к получению жидкой среды, в которой быстрее протекают реакции.
2) Испарение жидкостей или выделение из них в газовую фазу нужных компонентов и проведение реакции в газовой фазе.
Гомогенные процессы в газовой фазе широко применяются в технологии органических веществ. Для осуществления этих процессов органическое вещество испаряется, и затем его пары обрабатываются тем или иным газообразным компонентом: хлором, окислами азота, сернистым ангидридом и т.п. Значительное применение получил парофазный пиролиз, в котором химические реакции разложения осуществляются в паровой фазе, хотя процесс в целом относится к гетерогенным, поскольку химическим реакциям в паровой фазе предшествует испарение углеводородов. Из большого числа процессов, идущих в жидкой фазе, можно отнести к гомогенным процессы нейтрализации щелочи в технологии минеральных солей без образования твердой соли.
Гомогенные процессы, как правило, идут в кинетической области, т.е. общая скорость процесса определяется скоростью химической реакции, поэтому закономерности, установленные для реакций, применимы и к процессам, идущим в газовой и жидкой среде. С точки зрения кинетики, химические реакции можно классифицировать по молекулярности, т. е по числу молекул, принимающих одновременное участие в элементарном акте химического превращения, и по порядку реакции. Порядок реакции равен сумме показателей степеней при концентрациях реагирующих веществ в кинетическом уравнении реакции. Чаще всего порядок реакции не совпадает с ее молекулярностью. По молекулярности реакции подразделяются на моно -, би и тримолекулярные и по порядку - первого, второго и дробного порядка.

Каждому из перечисленных типов реакций соответствует свое кинетическое уравнение, связывающее концентрации реагентов со временем. Влияние концентраций реагирующих веществ определяется законом действия масс, который является основным законом химической кинетики. Зависимость скорости химической реакции от температуры сильно изменяется при возрастании порядка реакции. С ростом концентрации исходных веществ скорость реакции до достижения равновесного выхода увеличивается тем сильнее, чем выше порядок реакции. Скорость реакции наиболее сильно зависит от концентраций тех реагирующих веществ, которые входят в наибольшем количестве в уравнения химических реакций. При этом скорость многомолекулярных реакций с повышением концентраций будет возрастать быстрее, чем скорость реакций более низших порядков. Для повышения концентраций реагентов в гомогенных системах применяются следующие методы:
– для газов: выделение из газовой смеси в более концентрированном виде, сжатие или сжижение, растворение газов для проведения реакции в растворе;
– для жидкостей: выпаривание, вымораживание, что позволяет получить раствор более насыщенный реагентами, или же дополнительный ввод реагента в раствор.
Давление влияет на увеличение скорости как прямой, так и обратной реакции пропорционально числу реагирующих молекул. Давление влияет в основном через увеличение концентраций реагентов, что практически относится к реакциям, идущим в газовой среде, особенно с уменьшением объема. Давление на скорость реакций в растворах влияет очень мало. Перемешивание ускоряет процессы, протекающие в диффузионной области вследствие замены медленной молекулярной диффузии быстрым конвективным переносом реагентов в зону реакции.

66. Для реакций гетерогенных процессов, кол-во полученного целевого продукта в единицу времени относят к единице поверхности соприкосновения фаз, на которой протекает реакция: U=k_mF∆C, где k_m – коэффициент массопередачи, это кол-во в-ва в кг, переданного из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз равную одному м² при градиенте концентрации равном 1кг/м² в течении 1 часа, м/ч; F – поверхность раздела фаз, м².Для обратимых гетерог. р-ций движ. сила процесса описывается уравнением: ∆C=(С_А-С_А^*)^а(С_В-С_В^*)^в, где С – действительная конц. в-ва в передающей фазе, С^* - равновесная конц. в-ва над воспринимающей фазой.Для обратимых р-ций условие С= С^* превращает ∆C в нуль и процесс прекращается.Увеличение движ. силы обеспечивается: 1) повышением конц. реагентов за счет использования более конц-ного сырья; 2) увел. давления для систем с участием газообразных в-в; 3) уменьшением конц. прод. р-ции отводом их из системы; 4) изменением t и, как следствие, интенсификация процессов сорбции и десорбции реагентов и прод. р-ции.Гетерогенные процессы характеризуются наличием двух или более взаимодействующих фаз, поэтому они протекают с переносом вещества через поверхность их раздела. Химкхо-технологический процесс слагается из диффузионных актов подвода реагентов в зону реакции и отвода продуктов, а также реакционного (кинетического) акта. Общая скорость массопередачи нередко определяется скоростью диффузии, поскольку реакции идут быстрее. Различают свободную (молекулярную) диффузию и турбулентную диффузию. Молекулярной диффузией называют перенос молекул вещества в спокойной среде, задерживаемый силами внутреннего трения вследствие столкновения молекул. Под турбулентной диффузией понимают быстрые массовые движения молекул при перемешивании или конвенции в результате нагревания. Процесс молекулярной диффузий протекает в направлении от высшей концентрации к низшей.Гетерогенные химические процессы основаны на реакциях между реагентами, находящимися в разных фазах. Химические реакции являются одной из стадий гетерогенного процесса и протекают после перемещения реагентов к поверхности раздела фаз, а в ряде случаев и через межфазную поверхность.
В соответствии с принятой классификацией некаталитические гетерогенные процессы делят по фазовому состоянию реагентов на процессы в системах Г-Ж, Ж-Т, Г-Т и т.д. Механизм гетерогенных процессов сложнее гомогенных, так как взаимодействию реагентов, находящихся в разных фазах, предшествует их доставка к поверхности раздела фаз и массообмен между фазами. Поэтому скорость гетерогенных некаталитических процессов, как правило, меньше скоростигомогенныхпроцессов.Многие гетерогенные процессы не связаны с химическими реакциями и основаны только на физико-химических явлениях. К таким процессам можно отнести испарение без изменения состава, конденсацию, перегонку, растворение, экстракцию и т.п.Химические гетерогенные процессы включают в качестве этапа химические реакции, которые идут в одной из фаз после перемещения туда реагентов или на поверхности раздела фаз. Важными технологическими показателями промышленных процессов служат равновесный выход продукта, определяемый равновесием при данных условиях и фактический выход продукта, определяемый как равновесием, так и скоростью процесса. Определение максимального равновесного выхода продукта гетерогенных процессов и возможностей его повышения основано на анализе равновесия в данной гетерогенной системе. На гетерогенные равновесия влияют температура, давление, концентрации реагентов и продуктов реакции. Равновесие гетерогенных процессов определяется константой равновесия химических реакций, законом распределения компонентов между фазами и правилом фаз. Равновесные концентрации компонентов в соприкасающихся фазах определяются законом распределения вещества, который устанавливает постоянное соотношение между равновесными концентрациями вещества в двух фазах системы при определенной температуре. Постоянство соотношений не нарушается при изменении начальной концентрации компонента или общего давления в системе. На законе распределения основаны такие промышленные процессы, как абсорбция газов жидкостями, десорбция газов, экстрагирование. Частные случаи закона распределения для равновесий в системе Ж - Г известны под названием законов Генри и Рауля. Равновесие фаз определяется правилом фаз. Химическим факторами являются константы скоростей химических реакций. К физическим и гидродинамическим относятся величина межфазной поверхности, коэффициент диффузии и другие физические свойства реагентов и продуктов реакции, геометрические параметры аппаратов, факторы, влияющие на турбулентность системы.
Гетерогенные процессы, сопровождаемые химической реакцией могут бытьрех типов:
1) когда химическая реакция протекает на поверхности раздела фаз, этот тип характерен для процессов с участием твердой фазы: Т-Ж, Т-Г, Г-Ж-
2) когда химические реакции протекают в объеме одной из фаз после переноса в нее вещества из другой, такие процессы наиболее распространены и могут идти с участием любых фаз в системах Г-Ж, Ж-Ж (несмешивающихся), Т-Ж, Г-Ж-Т и др.;
3) когда реакция происходит на поверхности вновь образующейся фазы, этот тип возможен для процессов взаимодействия твердых фаз.
Гетерогенная химическая реакция может протекать только в том случае, если происходит непрерывная молекулярная или кон­вективная диффузия реагирующих веществ к поверхности, на которой идет данная реакция, и непрерывная обратная диффузия продуктов реакции.
Скорость процесса в целом будет определяться скоростью наи­более медленной стадии. Если скорость реакции на поверхности катализатора больше скорости диффузии, то скорость процесса в целом будет определяться скоростью диффузии. Наблюдаемая макроскопическая кинетика реакции будет подчиняться уравне­ниям, которые можно получить, рассматривая только процессы диффузии, и, следовательно, не будет отражать истинной скорости хи­мической реакции на поверхности катализатора. В этом случае гово­рят, что процесс лежит в диффузи­онной области. Процесс при этом чаще всего описывается уравнением реакции первого порядка, так как скорость диффузии прямо пропор­циональна концентрации.
Если скорость химической реак­ции значительно меньше, чем ско­рость диффузии, то скорость про­цесса в целом будет определятьсяскоростью химической реакции. В этом случае процесс лежит в кине­тической области и описывается уравнением кинетики той реакции, которая протекает на поверхности катализатора.
Если скорость диффузии и ско­рость химической реакции, рассмот­ренные независимо друг от друга, соизмеримы, то имеется пере­ходная область. Один и тот же процесс в зависимости от условий его проведения может лежать в различных областях. Большое влияние на характер протекания гетерогенного химического про­цесса оказывают давления реагирующих веществ, скорости пото­ков, пористость катализатора и температура.

67)Теоретические основы производства аммиака:

Промышленный способ получения аммиака основан на прямом взаимодействии водорода и азота:

N2 + H2 à2NH3 + 91,84 кДж

Реакция происходит с выделением тепла и понижением объёма. Следовательно, исходя из принципа Ле-Шателье,(Принцип Ле Шателье— если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия (температура, давление, концентрация, внешнее электромагнитное поле), то в системе усиливаются процессы, направленные на компенсацию внешнего воздействия.) реакцию следует проводить при возможно низких температурах и при высоких давлениях — тогда равновесие будет смещено вправо. Однако скорость реакции при низких температурах ничтожно мала, а при высоких увеличивается скорость обратной реакции.

Процесс:

· Обратимый, равновесный,

· Каталитический, гетерогенный,

· Гомолитический.

· Экзотермический.

· Идет с уменьшением объема.

Равновесие в производстве аммиака:

Константа равновесия реакции имеет следующий вид: Кр=РNH3/РN2*PH2

Зависимость содержания аммиака от температуры и давления:

Повышение давления и снижение температуры повышает равновесный

выход аммиака. Температура 400 С предел, так как снижается равновесное содержание аммиака.

Скорость процесса

Для снижения энергии активации используется катализатор- железо контактная масса Fe + Al2O3 + K2O+CaO + SiO2

Скорость всего процесса определяется скоростью наиболее медленной стадией хемосорбции молекул азота на зернах катализатора.

Выход аммиака зависит от температуры, давления, и удельной производительности катализатора.

68)Катализ в химической промышленности. Типы каталитических процессов. Характеристика катализаторов: активность, селективность, отравляемость, температура зажигания, термостойкость. Контактные аппараты.Ката́лиз — избирательное ускорение одного из возможных термодинамически разрешенных направлений химической реакции под действием катализатора(ов), который многократно вступает в промежуточное химическое взаимодействие с участниками реакции и восстанавливает свой химический состав после каждого цикла промежуточных химических взаимодействий. Катализатор изменяет механизм реакции на энергетически более выгодный, то есть снижает энергию активации. Катализатор образует с молекулой одного из реагентов промежуточное соединение, в котором ослаблены химические связи. Это облегчает его реакцию со вторым реагентом. Важно отметить, что катализаторы ускоряют обратимые реакции как в прямом, так и в обратном направлениях. Поэтому они не смещают химическое равновесие.По влиянию на скорость реакции катализ многие источники делят на положительный (скорость реакции растет) и отрицательный (скорость реакции падает). В последнем случае происходит процесс ингибирования, который нельзя считать 'отрицательным катализом', поскольку ингибитор в ходе реакции расходуется.

Катализ бывает гомогенным и гетерогенным (контактным). В гомогенном катализе катализатор состоит в той же фазе, что и реактивы реакции, в то время, как гетерогенные катализаторы отличаются фазой.

Дата добавления: 2015-06-28