Особенностью химической технологии является необходимость обработки многокомпонентных систем, подчас с труднорегулируемым взаимным влиянием компонентов, обладающих существенно различными свойствами. Вследствие этого, пока еще недостаточно разработано полное научное прогнозирование многих технологий на основе имеющихся теоретических положений и разработок оптимальных условий проведения процессов, особенно новых. Однако уже сейчас широко применяют математические и кибернетические методы обобщения, моделирования, оптимизации.

При создании нового производства, усовершенствовании действующего рассматривается несколько альтернативных вариантов, анализируются их технико-экономические показатели, производится поиск окончательного оптимального варианта.

Для решения широко используют различные методы расчета ХТС:

- интегральные – объединение систем уравнений, описывающих работу отдельных аппаратов, в одну большую систему уравнений с последующим решением. Недостатки метода: большая размерность и специфичность для каждой конкретной ХТС.

- декомпозиционные – каждый аппарат или группу аппаратов рассчитывают отдельно, а расчет всей ХТС состоит из последовательных расчетов отдельных аппаратов. При этом, размерность небольшая, а типов аппаратов сравнительно немного, т.е. можно заранее составить подпрограмму для расчета отдельных аппаратов (модули), а из подпрограмм составить программу расчета всей ХТС, т.е. автоматизировать процесс расчета.

Однако, соединение в пространстве и времени разнообразных процессов возможно только при знании их общих закономерностей.

В химических технологиях можно выделить около 40 методов химической обработки.

Лекция 2

План

1. 
   Химическое производство и химико-технологический процесс
   
2. 
   Классификация технологических схем и готового продукта
   
3. 
   Принципиальная технологическая схема производства серной кислоты
   
4. 
   Показатели химического производства
   
5. 
   Концепция полного использования сырьевых ресурсов
   
6. 
   Комбинированные ХТП. Комплексное использование сырья
   

1. 
   ХИМИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО И
   

ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

Объектом исследования хим. технологии является хим. производство. Это совокупность процессов переработки сырья в нужные продукты с использованием хим. превращений в специальных машинах и аппаратах.

---

Собственно совокупность операций и процессов переработки сырья в продукты называют технологическим процессом. Химико-технологический процесс (ХТП) – это последовательность химических и физико-химических процессов переработки сырья в продукт.

Приведу пример:

Синтез аммиака (NH₃) из азота и водорода. NH₃ образуется в химическом процессе при протекании химической реакции, которую можно описать уравнением реакции:

N₂ + 3H₂ ↔ 2NH₃.

Превращение осуществляют при Т от 700 до 850 К и давлении 30 МПа.

Из-за обратимости реакции исходная азотоводородная смесь не может превратиться полностью в аммиак, и прореагировавшая смесь содержит как продукт - NH₃, так и исходные вещества Н₂ и N₂.

Образовавшийся NH₃ надо выделить. Для этого смесь охлаждают, аммиак конденсируется и отделяется от газообразных компонентов.

Конденсация – физико-химический процесс в синтезе аммиака

Непрореагировавшие Н₂ и N₂ возвращают в реактор.

Для повышения Р, а также для циркуляции газов необходимо сжатие газов –это механический процесс.

Нагрев и охлаждение потоков, осуществляемые при этом – теплообменные процессы.

Совокупность данных операций в их последовательности, реализующих промышленное получение продукта – аммиака из исходных веществ (Н₂ и N₂) есть химико-технологический процесс синтеза аммиака.

Рассмотрим дальше. Чтобы иметь исходные Н₂ и N₂, надо их сначала получить: Н₂ – из природного газа и воды (пара); N₂ – выделить из воздуха.

Совокупность процессов и операций для превращения природного газа, воды и воздуха в аммиак – это ХТП производства аммиака из природных материалов. И как часть он включает в себя и ХТП синтеза аммиака. Можно также описать и последовательность превращения природного газа, воды и воздуха в смесь азота и водорода – это ХТП производства азотоводородной смеси.

2. 
   КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ И
   

ГОТОВОГО ПРОДУКТА

Химико-технологический процесс производства готового продукта должен быть представлен на технологической схеме таким образом, чтобы было наглядно видно последовательность стадий, их взаимосвязь, обозначение всех входящих и выходящих потоков масс и энергии, тип химических реакторов и аппаратов, узнать из спецификации схемы тип, число, размеры оборудования, чтобы рассчитать материальные и тепловые балансы по стадиям и по процессу в целом.

---

Технологические схемы делятся на:

- открытые,

- циклические,

- комбинированные.

В кратком описании технологии обычно представляют принципиальные аппаратурные технологические схемы (наглядно изображают эскизы аппаратов, в которых осуществляются отдельные стадии и показывают потоки между аппаратами), реже представляют принципиальные технологические схемы в виде прямоугольников с указанием названий операций и их связи между собой.

Конечные продукты химического производства классифицируют на два вида:

- выводящиеся из сферы производства;

- невыводящиеся из сферы производства (полупродукты, используемые для получения других продуктов в соседних цехах).

В свою очередь, продукты, выводящиеся из сферы производства, делят на готовый продукт и отходы производства. Готовый продукт может быть целевым или побочным (при возможности производства).

3. 
   ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА
   

ПРОИЗВОДСТВА СЕРНОЙ КИСЛОТЫ


1 – обжиг сырья; 2 – охлаждение газа;

3 – очистка газа от пыли (двухстадийная – в циклонах и сухом электрофильтре);

4 – специальная очистка газа для удаления примесей, отравляющих катализатор – соединения мышьяка, фтора, она включает несколько стадий: охлаждение, промывку холодной серной кислотой, осушку концентрированной кислотой;

5 – подогрев очищенного газа до температуры зажигания катализатора;

6 – окисление SO₂ в SO₃ на катализаторе;

7 – абсорбция SO₃ концентрированной серной кислотой ил олеумом.

Химическая схема производства серной кислоты включает три основных процесса:

1. 
   Окисление пирита кислородом воздуха при обжиге, что можно описать уравнением реакции
   

4FeS₂ + 11O₂ = 8SO₂ + 2Fe₂O₃ + Q₁ (1)

2. 
   Окисление SO₂ в SO₃ на катализаторе:
   

SO₂ + 0,5O₂ ↔ SO₃ + Q₂ (2)

3. 
   Соединение SO₃ с H₂O в процессе абсорбции
   

SO₃ + H₂O = H₂SO₄ + Q₃ (3)

К основным стадиям процесса следует отнести и двухстадийную очистку газа (сухую и мокрую), каждая из которых осуществляет в две ступени в различных аппаратах.

Готовый продукт представляет собой или контактную серную кислоту концентрации от 92 до 94 % мас. H

---

₂SO₄ или олеум концентрации 19-20 % свободного SO₃ (смесь H₂SO₄ и SO₃).

4. 
   ПОКАЗАТЕЛИ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
   

Определение полезности и эффективности производства производится по разным показателям, которые объединяют в основные группы:

1. 
   технические,
   
2. 
   экономические,
   
3. 
   эксплуатационные,
   
4. 
   социальные.
   

Технические показатели определяют качество ХТП.

Экономические показатели – экономическую эффективность производства (рассчитываются на основе технических показателей) – себестоимость, капитальные затраты, прибыль и т.д.

Эксплуатационные показатели определяют влияние отклонений от условий по регламенту на показатели процесса – это надежность, безопасность функционирования, чувствительность к нарушению режима, управляемость и регулируемость процесса.

Социальные показатели определяют комфортность работы на производстве и его влияние на окружающую среду. К ним относятся безвредность обслуживания, степень автоматизации и механизации, экологическая безопасность и др.

Остановимся подробнее на технических показателях, которые являются определяющими.

Производительность (если она максимальная, то мощность) производства (П) – количество (G) получаемого продукта или перерабатываемого сырья в единицу времени ( ): П = G / .

Производительность выражают в тоннах или кубометрах в зависимости от процесса в час, сутки или год. Значение П определяется конкретным производством:

- крупнотоннажным (например, производство серной кислоты 360-500 тыс. т/год (1080-1500 т/сут); производство аммиака – 450 тыс. т/год (1360 т/сут); переработка нефти – до 2 млн т/год);

- малотоннажным (например, производство химических реактивов, редких металлов и др. П составляет кг или г продукта в час).

Расходные коэффициенты ( ) – это количество затраченного сырья, материалов или энергии на производство единицы продукции:

,

где Q – расход сырья, материалов, энергии;

R – количество получаемого целевого продукта.

---

Размерность – т/т, м³/т, м³/м³, кВт·ч/т, Гкал/т.

Различают теоретические расходные коэффициенты, рассчитанные по стехиометрическим соотношениям, по уравнениям реакций, и практические расходные коэффициенты, которые учитывают неполноту протекания химических реакций и потери в ХТП. Поэтому .

Расходные коэффициенты показывают затраты на производство продукта, но не отражает эффективности использования расходуемых компонентов. О совершенстве процесса можно судить по выходу продукта.

Выход продукта (Ф) – отношение реально получаемого количества продукта из использованного сырья к максимальному количеству, которое теоретически можно получить из того же количества сырья. Например, на получение 1 т HNO₃ реально расходуется около 295 кг NH₃, а теоретически требуется 270 кг. Выход 91,5 %. Выход продукта зависит от неполноты превращения, наличия примесей в сырье, потерь. Различают теоретические и практические выходы. Практический выход – количество продукта, реально полученного в производстве, он меньше теоретического. В свою очередь, в зависимости от обратимости химической реакции теоретический выход (рассчитывается по уравнениям) может быть двух видов:

- стехиометрический выход – количество продукта, полученное при протекании необратимого химического процесса в соответствии с уравнением реакции,

- равновесный выход – количество продукта, полученное при протекании процесса до достижения равновесия.

Степень превращения ( ) – это отношение количества исходного реагента, вступившего в реакцию ( , к его исходному количеству ( ):

,

где – количество реагента А, непрореагировавшего на момент окончания процесса.

Степень превращения отражает глубину протекания процесса, рассчитывается в долях единицы или процентах.

Селективность (избирательность) ( ) – это отношение количества целевого продукта к общему количеству конечных продуктов.

---

Смотрите также файлы

• Частотные характеристики простейших электрических цепей.docx

• Рабочая программа профессионального модуля пм. 04 Монтаж и обслуживание воздушных линий.docx

• Ано дпо "уральский институт повышения квалификации и переподготовки" Программа профессиональной переподготовки.doc

• Основные правила пожарной безопасности.docx

• Название файла Павлов pdf.pdf