Свойства катализаторов

Следовательно, снижение ПДК в 2 раза может потребовать весьма сильного возрастания очистительных объемов при существующих методах очистки. Стоимость очистных сооружений будет сильно превышать капиталовложения в само производство, и в результате производство будет нерентабельным. Исходя из этого необходимо разрабатывать новые более эффективные способы очистки или же переходить к новым способам производства, позволяющим резко снизить количество и концентрацию загрязнений в отходящих газах и сточных водах.

Безотходное производство и его особенности. (сам/ст).

Оптимальным вариантом такого производства – это безотходное производство, главными особенностями которого являются: создание замкнутых циклов веществ и энергии; комплексное использование сырья или природных ресурсов, исключающее образование к-л отходов. В настоящее время главным способом защиты биосферы остается сооружение и совершенствование газо- и водоочистительных установок. Поскольку полностью безотходное производство пока трудно осуществимо, очистка промышленных выбросов от вредных загрязнений надолго останется одним из основных направлений охраны биосферы.

Основные направления в развитии химической промышленности.

Основные тенденции развития современной химической промышленности связаны, прежде всего, с решением глобальных проблем человечества. К ним относятся: продовольственные ресурсы Земли; ресурсы минерального сырья для промышленности; энергетические ресурсы; предотвращение загрязнения биосферы.

Все эти проблемы взаимосвязаны и должны решаться комплексно. В их решении существенно возрастает роль биотехнологии. Биотехнические методы борьбы с токсикантами, загрязнением почвы, воды и атмосферы, микробиологические методы извлечения полезных ископаемых, биологические методы производства ферментов и биологически активных веществ превосходят по эффективности возможности традиционных методов.

Основным путем увеличения производства продуктов питания и пополнения пищевых запасов является химизация сельского хозяйства и животноводства.

Современный уровень ХТ и особенно биотехнологии позволяет получать в промышленном масштабе из непищевого растительного сырья моносахариды, этанол, глицерин, фурфурол, растительные дрожжи, аминокислоты, белково-витаминные концентраты и другие продукты.

Направления в развитии ХП:

1. Создание крупномасштабных производств новых видов химических продуктов и сырья многоцелевого назначения. Такими продуктами являются молекулярный водород, аммиак, гидразин, метанол.

2. Интенсификация работы аппаратов и реакторов.

3. Снижение энергозатрат и максимальное использование теплоты хим реакций

4. Уменьшение количества стадий производства и переход к замкнутым системам для уменьшения загрязнения ОС.

5. Замена периодических процессов непрерывными.

6. Механизация трудоемких операций и автоматизация производства.

7. Создание и внедрение АСУТП.

Производительностью Пр называется количество выработанного продукта G или переработанного сырья за единицу времени t (кг/ч или т/ч):

, (1.4)

В ряде производств количество выработанного продукта измеряют его объемом V_п, тогда размерность Пр будет м³/ч:

, (1.5)

Достоинства агрегатов большой единичной мощности: увеличение производительности, сокращение металлозатрат на ед. объема или на единицу вырабатываемой продукции, снижение эксплуатационных расходов,

Недостатки: усложнение управления производством, большие потери продукта при аварийных ситуациях (брак), увеличивается загрязнение окружающей среды.

Интенсивностью работы аппаратаили реактора I называется производительность его, отнесенная к какой-либо величине, характеризующей размеры данного аппарата. Обычно для вычисления интенсивности относят производительность к объему аппарата V (м³) или к площади его сечения S (м²):

, (1.6)

, (1.7)

, (1.8)

, (1.9)

Интенсификация достигается двумя путями: 1) улучшением конструкций машин или аппаратов; 2) совершенствованием технологических процессов в аппаратах данного вида. Интенсивность работы аппарата пропорциональна скорости процесса, поэтому, изучая кинетику технологических процессов, стремятся создать такую конструкцию аппарата и технологический режим в нем, которые обеспечили бы максимальную скорость процесса.

При разработке улучшенных или принципиально новых конструкций машин и аппаратов интенсивность химического процесса повышается (по сравнению с аппаратами старых конструкций) главным образом усилением перемешивания реагирующих компонентов и увеличением поверхности соприкосновения между взаимодействующими веществами, находящимися в разных агрегатных состояних (твердом, жидком, газообразном). Улучшение конструкций аппаратов часто бывает связано с механизацией и автоматизацией их обслуживания.

Основными технологическими путями интенсификации работы аппаратов данного вида являются повышение температуры, давления и концентраций реагирующих веществ в сочетании с применением катализаторов и перемешиванием реагирующих масс. Однако для ускорения некоторых процессов необходимо, наоборот, понижение температуры, применение вакуума и снижение концентраций веществ. Исходя из этого в химической технике применяют

Снижение затрат энергии на единицу продукции достигается, во-первых, уменьшением гидравлических сопротивлений всех аппаратов и трубопроводов химико-технологической системы и, во-вторых, понижением степени перемешивания реагирующих масс, хотя это может вызвать уменьшение интенсивности работы аппарата. Главная же мера экономии энергии в химических производствах – максимальное использование теплоты химических реакций для нагревания исходных веществ до оптимальной температуры и для выработки пара, являющегося ценным побочным продуктом ряда химических производств.

Для повышения степени использования теплоты реакций стремятся увеличивать концентрации реагентов, а также размещать теплообменные элементы и трубы паровых котлов непосредственно в реакционной зоне.

Подробнее у Мухленова.

Понятие о ХТП.

ХТП представляет собой совокупность операций, позволяющих получить целевой продукт из исходного сырья. Все эти операции входят в состав трех основных стадий, характерных практически для каждого химико-технологического процесса: 1) подготовка исходных реагентов к проведению химической реакции (исходное сырье подвергают очистке от посторонних примесей, пользуясь разными методами); 2) химическое взаимодействие; 3) разделение смеси продуктов, отходов, побочных продуктов, непрореагировавших веществ.

На всех этапах, а особенно на заключительных, проводят также рекуперацию вторичных материальных и энергетических ресурсов. Потоки газообразных и жидких веществ, попадающих в окружающую среду, подвергают очистке и обезвреживанию от опасных примесей. Твердые отходы либо направляют на дальнейшую переработку, либо размещают для хранения в безопасных для окружающей среды условиях.

Таким образом, ХТП в целом – это сложная система, состоящая из единичных связанных между собой процессов (элементов) и взаимодействующая с окружающей средой.

Элементами ХТП являются перечисленные выше процессы тепло- и массообмена, гидромеханические, химические и т. д. Их рассматривают как единичные процессы химической технологии.

Важной подсистемой сложного ХТП является химический процесс.

Химический процесс представляет собой одну или несколько химических реакций, сопровождаемых явлениями переноса теплоты, массы и импульса, оказывающих влияние как друг на друга, так и на протекание химической реакции.

Единичные процессы протекают в различных аппаратах – химических реакторах, абсорбционных и ректификационных колоннах, теплообменниках и т. д. Отдельные аппараты соединены в технологическую схему процесса.

Классификация ХТП. сам/ст

Схожа с классификацией реакторов. Признаки классификации:

по характеру процесса, протекающего в аппарате, реакторе (обратимый, необратимый, равновесный, неравновесный);

по фазовому составу реагентов (гомоген, гет/ген и какие фазы Г, Ж, Т);

по тепловому эффекту (экзо-, эндотермические);

по температуре (низко-, средне-, высокотемпературные);

по давлению (атмосферное, вакуум, повышенное, высокое);

по степени перемешивания (ИВ, ИС);

по температурному режиму (адиабатический, изотермический, политермический). Если ИС – изотермический, если ИВ – адиабатический.

по способу организации процесса (непрерывный и периодический, полунепрерывный).

Кроме того, можно классифицировать по способу организации теплообмена (с внешним, внутренним, комбинированным т/обм.);

Уровни анализа, описания и расчета ХТП.

Анализ и описание ХТП проводят последовательно с учетом уровня протекания процесса. В ОХТ рассматриваются 6 уровней протекания процесса.

1) Молекулярный уровень (микрокинетика).

Здесь рассматривается химическая реакция с позиции формальной кинетики с помощью известных кинетических зависимостей. (гомоген)

2) Уровень малого объема.

Например, зерно катализатора, пузырек газа, капля жидкости и др. (гет/ген проц). Здесь пользуются законами макрокинетики.

3) Уровень потока.

Совокупность частиц (капель, зерен).

4) Уровень реактора.

Здесь учитываются конструктивные особенности реакционных зон, их число, взаимное расположение.

5) Уровень ХТС.

Учитываются взаимные связи между реакторами, аппаратами, машинами.

6) Уровень предприятия, отрасли или министерства.

Рекомендуемая литература.

1) Бесков В. С. Общая химическая технология: Учебник для вузов. – М.: ИКЦ "Академкнига", 2005. – 452 с.

2) Кутепов А. М., Бондарева Т. И., Беренгартен М. Г. Общая химическая технология: Учеб. для вузов. - М.: ИКЦ "Академкнига", 2005. - 528 с.

3) Общая химическая технология/ Под ред. А. Г. Амелина, 1977

4) Общая химическая технология. в 2-х т / Под ред. И. П. Мухленова. – М.: Высш. шк., 1984. – 256 с.

5) Расчеты химико–технологических процессов / Под ред. И. П. Мухленова, 1982

6) Лаптев М. Я. Общая химическая технология: Примеры материальных и тепловых расчетов, 1969, 1975.

7) Игнатенков В.И., Бесков В.С. Примеры и задачи по общей химической технологии: Учеб. пособие для вузов. – М.: ИКЦ “Академкнига”, 2005 г. – 198 с.

8) Галанов М.Э. Практические занятия по дисциплине “Общая химическая технология”. (для студентов заочной формы обучения). – Череповец: ЧГУ, 2005 г. – 64 с. № 7200.

9) Котенко В.А., Докунина Е.В., Розанова О.А. Лабораторный практикум по дисциплине “Общая химическая технология”. Учеб.-метод. пособие. – Череповец: ЧГУ, 2001 г. – 33 с. №. 5341.

10) Лабораторный практикум по ОХТ/ Под ред. И. П. Мухленова, 1979.

Уравнение адиабаты. Графики, характеризующие адиабатический режим протекания ХТП

Рассмотрим реакцию

Разность температур в адиабатическом реакторе:

, (10.3)

уравнение выведено из уравнения теплового баланса (см. выше).

, (10.4)

, (10.5)

где х – степень превращения, С_А0 – исход концентрация целевого компонента А, С_D – концентрация D; q_Р – тепловой эффект реакции; - сред теплоемокость; - поправочный коэффициент, выражающий отношение масс целевого продукта (напр, D) к массе основного исходного вещества (напр, А). - теплота, которая выделилась или поглатилась бы при полном превращении основного вещества в продукт (при х=1); G – масса продукционной смеси; l - коэффициент адиабатического изменения температуры.

Графическое выражение уравнения адиабаты представлено на рис. 10.1.

Рис. 10.1. Уравнение адиабаты: а – экзотермическая реакция, б – эндотермическая.

Самостоятельное изучение.

Тема 1. Иерархическая организация процессов в химическом производстве.

Химическое производство – сложная химико-технологическая система (ХТС).

Работы Кафарова В.В.

Четыре ступени в иерархической организации химического производства на предприятии.

Совокупность взаимосвязанных технологическими потоками и действующих как единое целое аппаратов, в которых осуществляется определенная последовательность технологических операций с целью выпуска конкретной продукции – называется химико-технологической системой (ХТС).

Элементом ХТС называется часть ХТС, которая в конкретном рассмотрении является неделимой.

С целью классификации элементов ХТС применяется иерархический принцип. Обычно различают четыре основных уровня иерархии элементов (подсистем) ХТС:

1. Типовые ХТП и их совокупность в масштабах машин и аппаратов;

2. Агрегаты и комплексы, представляющие совокупность типовых процессов в масштабах производств и их отдельных участков;

3. Совокупность производств в масштабе выпуска товарной продукции;

4. Химическое предприятие в целом.

Рассмотрению химического производства как сложной системы посвящены работы В. В. Кафарова, показывающие пути исследования и оптимизации ХТС. Иерархическая структура ХТС приведена на рис. 1.2.

Рис. 1. Иерархическая структура химико-технологической системы

Элементом минимального масштаба в структуре ХТС является отдельный аппарат (реактор, абсорбер, ректификационная колонна, насос и прочее). Это – низший масштабный уровень I. Объединение нескольких аппаратов, выполняющих вместе какое-то преобразование потока, образует один элемент подсистемы II-го масштабного уровня (реакционный узел, система разделения многокомпонентной смеси и так далее). Совокупность подсистем второго уровня в виде элементов, подобных отделениям или участкам производства, образует подсистему III-го уровня (в производстве серной кислоты это отделения обжига серосодержащего сырья, очистки и осушки сернистого газа, окисления и абсорбции). К этим же подсистемам могут относиться водоподготовка, регенерация отработанных вспомогательных материалов, утилизация отходов. Совокупность отделений, участков образует ХТС производства в целом. Как уже говорилось выше, описанное выделение подсистем условно и в каких-то задачах выделение подсистем, элементов может быть иным.

Иерархическая структура ХТС позволяет на каждом этапе сократить размерность исследуемой задачи (т.е. число одновременно учитываемых элементов и процессов), а результаты изучения подсистемы одного производства использовать в исследованиях другого. Иерархическую структуру масштабных подсистем можно представить также для функциональных подсистем.

Зависимость ХТС от конструкционных параметров реакторов и технологического режима проведения процесса.

Технологическая схема ХТС.

Схемы с открытой цепью и циклические (циркуляционные, круговые, замкнутые.) (Мухленов).

Тема 7. Промышленный катализ

Гетерогенный катализ.

Катализатор и реагир вещества (прод реак) находятся в разных фазах, как правило, кат-ры – твердые пористые вещества с высокой удельной внутренней поверхностью (внутрен площадь поверхности достигает десятки и сотни м², хотя внешняя менее 10^-3 м²).

Схема процесса гет/ген катализа.

Рис. 7.2. Схема и структура гетерогенно-каталитического химического процесса: К - катализатор; П - поры катализатора; Пс - пограничный слой; I, II, III - этапы процесса.

Сначала реагенты диффундируют из газового объема через пограничный слой к наружной поверхности частицы катализатора (этап I), затем проникают в его поры (этап II), при движении в которых на их поверхности протекает реакция (этап III). Продукты удаляются обратным путем.

Промышленные кат-ры представляют собой, как правило, смеси, состоящие из 3-х основных компонентов: активных составляющих, активаторов (промоторов) и носителя с развитой внутрен поверхностью (трегера).

Активаторами назыв вещества повышающие активность основного кат-ра. В производстве H₂SO₄ для окисления SO₂ в SO₃ употребл основной кат-р V₂O₅ активированный добавками оксидов щелочных ме (К₂О). Носителями назыв термостойкие прочные пористые вещ-ва, на которых осаждением из раствора или др. способами наносят кат-р (напр., Al₂O₃, SiO₂ и др.).

Требования к катализаторам: высокая активность, селективность, стабильность в работе, стойкость к действию контактных ядов, достаточная термостойкость, механическая прочность, низкая стоимость.

Способы приготовления катализаторов.

1) Метод осаждение гидроксидов (карбонатов) из растворов их солей совместно с носителем или без его с последующим формованием и прокаливанием контактной массы.

2) Смешение и совместное прессование порошков.

3) Сплавление нескольких веществ с последующим восстановлением ме из оксидов водородом или др газами.

4) Делают тончайшие сетки из сплавов разл ме.

5) Пропитка пористого носителя раствором, содерж кат-р и активатор, с последующей сушкой и прокалкой.

Дата добавления: 2014-01-04