Что составляет предмет химической технологии

Предмет и задачи химической технологии

Лекция 1

Введение.Предмет химической технологии. Возникновение и развитие химической промышленности. Химическая промышленность в Беларуси.

В промышленном производстве Беларуси химическая и нефтехимическая отрасли занимают одно из ведущих мест, на их долю приходится 9% всего производства, что сопоставимо с долей такой отрасли, как чёрная металлургия и уступает только машиностроению (20%).

Технология – наука о производствах, методах и аппаратах, посредством которых исходные материалы превращают в предметы потребления или средства производства.

Производство – изготовление, выработка, создание какой-либо продукции.

В зависимости от основных приемов переработки исходных веществ и назначения продуктов различают:

1. Механическая – изучает процессы, в которых меняется лишь форма или физические свойства перерабатываемого материала (технология металлов, технология машиностроения – изготовление процессов и аппаратов, пищевая технология и др).

2. Химическая – изучает процессы, связанные с изменением химического состава перерабатываемого материала.

Классификация технологии, в основном связана с отраслями промышленности. Очевидно, что провести четкую границу в признаках классификации технологии получения различных продуктов нельзя, ибо одинаковые приемы обработки исходных материалов могут быть использованы при получении различных продуктов (например, приемы штамповки металлов используются как в технологии металлов, так и в машиностроении).

Химическая технология – это наука, изучающая такие производственные процессы переработки, которые хотя бы на одной стадии связаны с изменением состава, строения и свойств веществ, то есть с превращением их в другие вещества.

Как наука химическая технология имеет:

Как прикладная наука технология изучает производство. Конечной целью изучения является создание способа производства (в отличие от «чистой» науки, изучающей явления природы с целью получения более отвлеченных знаний о них). Этот признак классификации условен, ибо прикладная наука также создает знания о явлениях, наблюдаемых в производстве, но тем не менее такая классификация наук существует. Отметим, что понятие «прикладная наука» ни в коей мере не означает ее «второсортное«. Как «чистая», так и «прикладная» науки дают фундаментальные знания о явлениях, характерных для изучаемого объекта. Это замечание относится и к химической технологии как к прикладной науке.

ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

В системе материального производства химическая промышленность занимает особое положение в силу присущих ей специфических особенностей. К ним относятся:

— высокая материалоёмкость производства;

— высокое энергопотребление, которое в два раза превосходит энергопотребление промышленности в целом;

— низкая доля живого труда и высокая степень автоматизации и механизации производства.

Важнейшая задача химической технологии – нахождение условий для экономически целесообразного осуществления тех или иных химических реакций в виде технологического процесса при наличии определенных видов сырья.

КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Химическую технологию классифицируют на основе различных признаков:

— характер используемых технологических процессов,

— происхождение и характер сырья,

— характер и потребительские свойства продуктов.

По отраслям, как они исторически сформировались в хозяйственнойжизни, химическую технологию классифицируют так:

Источник

Предмет и содержание курса «ОХТ»

Лекция № 1

Объектом изучения дисциплины «Общая химическая технология» является химическая технология.

Слово «технология» греческого происхождения и имеет дословный перевод «наука о мастерстве». С современной точки зрения мы можем определить технологию как науку о способах массового производства продукта.

Технологии бывают механические и химические. Механическая технология изучает процессы, связанные с изменением формы и физических свойств перерабатываемого сырья главным образом, путем механических операций. Например, изготовление изделий из древесины – деревообрабатывающие технологии, изготовление изделий из металла – машиностроение и т.д. Химическая технология изучает процессы, связанные с изменением состава и химических свойств перерабатываемого сырья за счет протекания химических реакций.

Существует великое множество частных химических технологий, которые можно объединить в две большие группы:

При разработке любой частной технологии нужно знать три общеинженерные дисциплины: общую химическую технологию (ОХТ), процессы и аппараты химической технологии (ПАХТ) и промышленную теплотехнику (ПТ), которые вместе составляют основу промышленной химии.

Общая химическая технология – наука, изучающая теоретические основы разработки технологий для различных классов химических реакций.

Предмет изучения ОХТ – закономерности, лежащие в основе функционирования химического производства.

Задачи ОХТ как науки:

1) отыскание общих закономерностей протекания химико-технологических процессов;

2) на основе знания общих закономерностей нахождение оптимальных условий ведения химико-технологических процессов;

3) изучение химических превращений с учетом массо- и теплообменных процессов;

4) повышение эффективности использования сырья, энергии, снижение количества отходов и выбросов в окружающую среду; повышение качества выпускаемой продукции.

Основные понятия химической технологии

Химическое производство – совокупность процессов и операций, осуществляемых в машинах и аппаратах и предназначенных для переработки сырья путем химических превращений в необходимый продукт.

Химико-технологический процесс (ХТП) – часть химического производства, состоящая из трех основных стадий:

Целевой продукт – продукт, ради которого организован данный ХТП. Все остальные продукты называют побочными. Побочные продукты могут получаться как в целевой, так и в побочных реакциях. Если побочный продукт не находит применения, его называют отбросом; если он используется, то его называют отходом или вторичным сырьем. Если целевой продукт используется в качестве исходного материала в другом производстве, то он называется полупродуктом.

Исходный материал, поступающий на переработку и обладающий стоимостью, называют сырьем. Вещество, принимающее непосредственное участие в целевой химической реакции, называется реагентом. Реагент – это главный, но не единственный компонент сырья. Все компоненты сырья, которые не участвуют в целевой реакции, называют, обычно, примесями.

В технологии часто пользуются понятиями «превращенный» и «непревращенный» реагент. Превращенный реагент – это то количество реагента, которое вступило в реакции (как целевые, так и побочные). Непревращенный реагент – это то количество реагента, которое выходит из реактора в непревращенном, первоначальном состоянии. Сумма масс превращенного и непревращенного реагента равна массе поданного в реактор реагента.

Вспомогательные материалы – химические вещества, которые обеспечивают нормальное протекание ХТП (катализаторы, растворители и др.).

Исходная смесь – смесь веществ, поступающих в реактор, на стадию химического превращения. Реакционная смесь – смесь веществ, находящихся в реакторе или выгружаемых из него. Ее состав меняется в процессе реакции. Мы можем говорить о составе реакционной смеси в определенный момент времени от начала реакции.

Первая реакция является целевой, две другие – побочные. Оксид азота (II) – NO –целевой продукт на стадии окисления аммиака и полупродукт в производстве азотной кислоты. Вода, азот и оксид азота (I) – побочные продукты. Реагентами в этом процессе являются аммиак и кислород; сырьем – аммиак, содержащий некоторое количество примесей, и воздух, в котором примесями являются азот и другие газы. Вспомогательным материалом является платина, используемая в процессе в качестве селективного катализатора, ускоряющего только первую реакцию. Исходная смесь представляет собой аммиачно-воздушную смесь с содержанием аммиака 9,5 – 11,5 % об. Реакционная смесь – нитрозные газы, содержащие NO, N₂O, N₂, пары H₂O, а также непревращенные О₂ и NН₃.

Источник

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

1. Классификация химических производств

2. Состав химического производства

3. Компоненты химического производства

4. Показатели химического производства

5. Иерархическая структура химического производства

Любая технология представляет перечень отдельных операций или отдельных процессов, которые приводят к получению готового продукта.

Первоначально наука о химической технологии представляла собой собрание рецептов и описание немногих существовавших в то время химических производств без обоснования выбранного способа производства. Затем в нее были включены описания всех производств, в которых осуществлялись химические превращения. Кроме описания технологических приемов делались попытки проанализировать некоторые физико-химические явления.

В России изучение химической технологии относится к началу XIX века. Проф. (Московский университет) было издано «Пространное руководство к общей техноло­гии или к познанию всех работ, средств, орудий и машин, употребляемых в разных технических искусствах». В руководстве в отдельную часть выделена «Общая технология»; вторая часть посвящена описанию отдельных производств «от начала до конца».

Общие закономерности для названных специальных наук по-прежнему сосредоточены в науке о химической технологии, которая в настоящее время называется общей химической технологией.

К 30-м годам XX столетия был накоплен большой фактический материал по химической технологии, и из нее в виде отдельной дисциплины были выделены физические процессы общие для многих технологических методов (транспортировка веществ, выпаривание, фильтрование и т. д.), в основе которых лежат закономерности физики. В них включены гидродинамические, тепловые, диффузионные и механические процессы. Во второй половине XX века в отдельную дисциплину выделены контрольно-измерительные приборы и автоматизация химических производств.

В настоящее время химическая технология представляет собой блок наук, изучающих процессы с химическими и физико-химическими превращениями, имеющие общие закономерности на основе химической термодинамики и кинетики.

Цель изучения дисциплины – создание (синтез) совершенного химического производства, т. е. такого, в котором затраты на процесс минимальные, а результаты от процесса максимальные.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Необходимость классификации химических производств и тем более химико-технологических процессов очевидна из определения химической технологии как множества химико-технологических систем, состоящих из необходимого и достаточного числа химико-технологических процессов.

В технической и учебной литературе существует несколько видов классификации химических производств.

2. СОСТАВ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Любое химическое производство может быть представлено состоящим из трех основных технологических операций:

1 – стадия подготовки исходного сырья;

2 – стадия химического превращения;

3 – стадия разделения;

4 – стадия водоподготовки;

3 КОМПОНЕНТЫ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

4. ПОКАЗАТЕЛИ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

На современном уровне развития химической технологии известно множество органических и неорганических веществ, получаемых различными способами. Каждый способ состоит из нескольких этапов переработки сырья или исходного продукта. Число этапов переработки, т. е. химико-технологических процессов, m ≥ 1. Столь большое число химических производств и химико-технологических процессов возрастает еще в связи с тем, что отдельные продукты получают несколькими способами. Выбор приемлемого в том или ином случае способа предполагает сравнение этих способов на основе принятых критериев эффективности.

Для оценки химического производства и каждого этапа переработки сырья (химико-технологического процесса) выделяют 5 групп критериев эффективности:

1. технические показатели характеризуют общий уровень производства, его совершенство;

2. технологические (используют только для оценки эффективности химической реакции);

5. ИЕРАРХИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ХИМИЧЕСКОГО

VI уровень – комбинат (производственное объединение).

V уровень – химическое производство.

III уровень – агрегат (участок цеха).

II уровень – отдельные аппараты.

I уровень – отдельные механические, физико-химические и химические процессы.

ЭНЕРГЕТИКА В ХИМИЧЕСКОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

1. Виды энергии, используемые в химическом производстве.

2. Классификация энергетических ресурсов.

3. Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР).

1.ВИДЫ ЭНЕРГИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ХИМИЧЕСКОМ

Химическое производство принадлежит к числу наиболее энергоемких. Так, если в продукции всей промышленности доля затрат на энергию составляет 2,5%, то в продукции нефтехимической и химической отраслей она достигает 8,9%. Химическая отрасль промышленности, производя 6% промышленной продукции, потребляет до 12% всей вырабатываемой электроэнергии. Эта высокая энергоемкость обусловлена значительным потреблением энергии такими химическими производствами как производство аммиака, фосфора, карбида кальция, карбоната натрия, химических волокон и пластмасс, которое составляет более 60% электрической и 50% тепловой энергии всей отрасли. Энергия затрачивается не только на проведение химических реакций, но также на транспортировку материалов, дробление и измельчение твердых веществ, фильтрацию, сжатие газов и др.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ

Все энергетические ресурсы подразделяются на первичные и вторичные, возобновляемые и невозобновляемые, топливные и нетопливные.

К топливным энергетическим ресурсам относятся уголь, нефть, природный газ, сланцы, торф, биомасса и др. К нетопливным – гидроэнергия, энергия ветра, лучистая энергия Солнца, глубинная теплота Земли и др.

Выбор энергоносителя производится на основе комплексной анализа следующих совокупных взаимовлияний:

· требований со стороны технологии данного производственного процесса, санитарно-гигиенических норм и охраны окружающей среды;

· экономических последствий различий в конструктивном оформлении и условиях эксплуатации используемой для данного процесса системы машин и оборудования;

· изменение качества и количества выпускаемой продукции потребляемого сырья и материалов, а также выхода побочных продуктов, которые могут быть использованы в этом или в других процессах;

· наличия энергетического оборудования;

· затрат на сравниваемые энергоносители;

· фактора времени, поскольку требуется согласование всех технико-экономических показателей во времени.

Решение о предпочтительности того или иного энергоносите­ля может приниматься только при обязательной сопоставимости сравнимых вариантов. Для этого должны быть рассчитаны и согласованы выпуск и качество продукции, санитарно-гигиенические условия и безопасность труда, надежность энергоснабжения, уровень загрязнения окружающей среды, тарифы при исчислении всех технико-экономических показателей

3. ВТОРИЧНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ (ВЭР)

СЫРЬЕ В ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

1. Классификация сырьевых ресурсов и требования к ним.

2. Основные направления рационального использования сырья

3. Методы обогащения твердого сырья.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ СЫРЬЕВЫХ РЕСУРСОВ

И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ

Потребление минерального сырья мировым сообществом увеличивается стремительными темпами. Только за первую половину ХХ века оно выросло почти в 3,5 раза, а к концу столетия составило более 100 млрд т. Если погрузить все это сырье на железнодорожные платформы, понадобится состав, длина которого в 16 раз превосходит диаметр Земли по экватору. Бурный рост производительных сил сопровождается быстрым истощением природных ресурсов. По некоторым данным основные эксплуатируемые источники топлива и минерального сырья могут быть исчерпаны уже в течение ближайших 100-150 лет. Если для угля время исчерпания по разным оценкам измеряется столетиями, то для нефти и газа понадобятся для этого лишь несколько десятилетий, а запасы целого ряда металлов, например руд, содержащих Аg, Аu, Рt, Sn, Zn, РЬ, U и другие металлы, уже сегодня находятся на грани истощения. Многие промышленно развитые страны и крупные регионы остро ощущают недостаток энергетических ресурсов, некоторых важнейших видов минерального сырья и пресной воды. Так, Япония практически не располагает собственной сырьевой базой, США более чем на 75-90 % зависят от импорта по 16 видам полезных ископаемых (в том числе руд, содержащих Мn, Со, Сr, Тi, Nb, Sг, А1, Рt, Sn, Та, Sb). Россия даже после распада СССР сохранила прочные или доминирующие позиции в мире по разведанным запасам основных видов сырьевых ресурсов, необходимых для развития народного хозяйства, в том числе и химической промышленности. На территории РФ находятся до 45 % мировых запасов природного газа, больше половины запасов торфа и калийных солей, около 30 % фосфатов и древесины, более 20 % угля. Одно из первых мест принадлежит РФ по разведанным запасам многих видов рудного и нерудного сырья.

Потребности химической промышленности в разнообразном, доступном и дешевом сырье и развитие техники постоянно стимулируют расширение сырьевой базы. Развитие техники добычи, подготовки и обогащения сырья позволяет использовать новые виды сырья, в том числе природные материалы, содержащие сравнительно малые количества полезных компонентов.

Природное сырье подразделяют на минеральное, растительное и животное. В минеральное сырье в качестве подклассов включают:

· горючие ископаемые (нефть, сланцы, уголь, природные газы, торф, битуминозные песчаники). Горючее минеральное сырье включает угли, нефть, торф, горючие сланцы, природный и попутный газы и др., служащие источником получения разнообразнейших продуктов. Так, при переработке угля получают сырье для производства красителей, лекарственных препаратов, химических волокон, пластических масс, удобрений и т. п.

К растительному сырью (сельскохозяйственное и лесотехническое) относят древесину, хлопок, масличные культуры, картофель, сахарные культуры, лекарственные растения, каучу­коносы, камыш, солому, шелуху семечек и т. д. Оно используется многими отраслями, в том числе химической, фармацевтической, биохимической, текстильной, пищевой и парфюмерной про­мышленностью. Из него вырабатывают пороха, кино-, фотопленку, бумагу, скипидар, канифоль, искусственное волокно, каучук, технические масла, глицерин, жирные кислоты, душистые вещества, лекарственные препараты и многое другое. В настоящее время одно производство бумаги приближается к 200 млн т/год. При этом только на газеты ежегодно расходуется порядка 30 млн т древесины.

Животное сырье (кости, жир) используют в производствах желатина, технического жира, мыла, твердых жирных кислот и т. д.

Синтетическое сырье для промышленного органического синтеза и полимерной химии поставляют предприятия нефте-, угле-, газоперерабатывающей промышленности (нефтехимическое, углехимическое, лесохимическое сырье), т. е. это сырье полученное в результате промышленной обработки природного сырья.

Предприятия промышленности основного неорганического синтеза используют горнохимическое, преимущественно нерудное сырье.

По агрегатному состоянию добываемое сырье подразделяется на твердое (руды, уголь, древесина), жидкое (вода, нефть, соляные рассолы) и газообразное (воздух, природные и промышленные газы).

Одной из особенностей химико-технологического процесса можно считать возможность организации производства химического продукта из разных видов сырья или из одного и того же сырья, но по разным технологическим схемам.

При выборе сырья учитывают ожидаемый объем производства, содержание полезного компонента в сырье, значение степени пре­вращения и селективности, скорость реакции, количество побочных продуктов и их характеристики, число химических стадий, стоимость и доступность сырья, ресурсоемкость, наличие стоков и выбросов. Объем производства определяет и объем потребляемого сырья. Запасы месторождения должны обеспечить работу проектируемого производства в течение не менее 50 лет (срока полной амортизации оборудования).

2. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СЫРЬЕВОЙ БАЗЫ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ü изыскание более дешевых и доступных видов сырья;

ü комплексное использование сырья;

ü обогащение или концентрирование сырья;

ü вовлечение в переработку сырья с низким процентным содержанием основного вещества.

3. МЕТОДЫ ОБОГАЩЕНИЯ ТВЕРДОГО СЫРЬЯ

Добываемое в природе горнохимическое сырье отличается сложным минеральным составом. Кроме полезного компонента, ради которого была организована его добыча, оно содержит многочисленные примеси: влагу, пустую породу, другие минералы.

Основной технологической операцией в подсистеме подготовки сырья является его очистка от примесей, отрицательно влияющих на ход химического превращения. Процесс очистки и разделения твердого сырья называют обогащением. Для жидкого и газообразного сырья чаще используют термин концентрирование.

Если обогащению подвергают твердые материалы (например, горные породы), то полученный обогащенный продукт называют концентратом, а отходы с меньшим содержанием полезного продукта и повышенным содержанием породы называют хвостами. В тех случаях, когда в сырье содержится несколько полезных составляющих, его делят на отдельные части (фракции), обогащенные тем или иным компонентом, т. е. из сложного сырья получают несколько концентратов, что позволяет более полно (комплексно) использовать сырье.

Методы обогащения сырья делятся на:

2. Термические методы обогащения.

3. Методы химического обогащения.

4. Из физико-химических методов обогащения наиболее распространенным следует считать флотацию.

ВОДА В ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

1. Классификация промышленных вод

2. Показатели качества воды

3. Промышленная водоподготовка

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВОД

Академик назвал воду наиболее драгоценным ископаемым не случайно. Основные запасы воды на Земле сосредоточены в мировом океане (

97 %). Ледники и полярные шапки составляют еще 2 %, атмосферная влага 0,001 % от мировых запасов. Лишь 0,01 % от общего количества воды на планете содержится в реках и озерах, именно они и являются основными поставщиками пресной воды для бытовых и промышленных и сельскохозяйственных нужд.

Природные воды подразделяются:

* воды атмосферных осадков;

В зависимости от назначения потребляемая вода условно подразделяется на промышленную (техническую) и питьевую; в каждой из них содержание примесей регламентируется соответствующим ГОСТ.

2. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ВОДЫ

Качество воды определяется ее физическими и химическими ха­рактеристиками, такими, как прозрачность, цвет, запах, температура, общее солесодержание, жесткость, окисляемость и реакция воды. Эти характеристики показывают наличие или отсутствие тех или иных примесей.

3. ПРОМЫШЛЕННАЯ ВОДОПОДГОТОВКА

Производственные стоки и свежая вода водоемов всегда содержат нерастворимые примеси: твердые (взвеси) и жидкие (эмульсии).

Очистка воды включает следующие операции: осветление, фильтрацию, обеззараживание (для питьевой воды), умягчение (частичное или полное), дегазацию, обессоливание, дистилляцию и др.

1. Классификация ХТП

2. Основные закономерности обратимых ХТП

3. Способы смещения равновесия обратимых ХТП

4. Скорость химико-технологических процессов

Химико-технологическим процессом (XTП) называется сочетание связанных друг с другом и проводимых в определенной последовательности химических, физико-химических, физических и механических операций с целью получения из сырья готовой продукции.

Для каждого конкретного ХТП разрабатывается технологический режим.

Технологическим режимом называется совокупность параметров, обеспечивающих устойчивое и максимально эффективное проведение ХТП.

Классификация ХТП складывается из классификации реакций, лежащих в основе ХТП:

2. По молекулярности.

3. По направленности процесса.

4. По агрегатному состоянию реагирующих веществ.

5. По знаку теплового эффекта.

6. По использованию катализатора.

7. По значению применяемой температуры.

8. По характеру организации процесса.

2. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАТИМЫХ ХТП

Большинство промышленных химических реакций обратимо. Процесс химического превращения в таких случаях происходит в двух направлениях.

Константа равновесия. Определенное соотношение между содержанием веществ СО, Н2О, Н2 и СО2 в равновесной системе будет оставаться постоянным до тех пор, пока не произойдет изменения внешних условий (например, температуры).

Отношение произведения концентраций продуктов реакции к произведению концентраций исходных веществ в момент равновесия называют константой равновесия реакции.

Величину константы равновесия используют для расчета равновесия обратимых процессов.

3. СПОСОБЫ СМЕЩЕНИЯ РАВНОВЕСИЯ В ОБРАТИМЫХ ХТП

Влияние температуры, давления и концентраций реагирующих веществ на равновесие в гомогенных и гетерогенных процессах определяется открытым в 1884 г. Ле-Шателье принципом, который формулируется так: если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, воздействовать извне, изменяя какую-либо из величин, определяющих состояние равновесия, то равновесие смещается таким образом, чтобы ослабить эффект воздействия (или на всякое действие должно быть противодействие).

К важнейшим факторам, оказывающим влияние на сдвиг равновесия обратимой реакции, относятся температура, давление, концентрация участвующих в реакции веществ.

4. СКОРОСТЬ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

В современном производстве при его громадных масштабах, исполь­зовании дорогой и сложной аппаратуры и машин повышение скоростей реакции имеет особенно важное значение.

Химико-технологические процессы в большинстве случаев связаны со сложными реакциями. Скорость таких процессов зависит не, только от скорости прямой реакции, но и от скорости обратной и побочной реакций, а для гетерогенных процессов также от скорости подвода исходных веществ в зону реакции и скорости отвода продуктов из зоны реакции.

Скорости отдельных реакций различаются чрезвычайно сильно. Известны реакции, протекающие очень быстро. Например, окисление аммиака на платиновом катализаторе практически полностью заканчивается в течение десятитысячной доли секунды, реакция нейтрализации заканчивается за несколько секунд. Другие же реакции, например окисление железа, идут медленно.

ГОМОГЕННЫЕ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

5. Понятие и примеры гомогенных ХТП

6. Закономерности гомогенных ХТП

1. ПОНЯТИЕ И ПРИМЕРЫ ГОМОГЕННЫХ ХТП

Гомогенные ХТП – это такие процессы, в которых реагирующие вещества находятся в одинаковом агрегатном состоянии.

Гомогенные процессы предпочтительнее, чем гетерогенные потому, что они протекают в кинетической области, т. е. на уровне отдельных молекул, поэтому скорость этих процессов намного выше, чем гетерогенных.

Примеры гомогенных процессов:

В процессе горения твердых (как сера) или жидких продуктов исходное вещество переводится в газообразное состояние.

2) 2 NО (г) + О2 (г) → 2 NО2

К числу гомогенных процессов относят также окисление окиси азота до двуокиси азота кислородом воздуха в производстве азотной кислоты.

3) Особенно многочисленны и разнообразны гомогенные процессы в газовой фазе, осуществляемые в технологии органических веществ. Примером этому может служить сжигание всевозможных видов газообразного топлива и, в частности, природного газа. Процесс сжигания различного жидкого топлива также в большинстве случаев является гомогенным процессом, так как всякое жидкое топливо предварительно испаряется, а образовавшиеся пары затем окисляются кислородом воздуха.

4) В технологии органических веществ сущность многих гомогенных процессов в газовой фазе состоит в том, что газообразные исходные вещества или пары, полученные испарением жидкости, обрабатываются тем или иным газообразным компонентом: хлором, сернистым ангидридом, окислами азота и др., при этом обычно протекают параллельные и последовательные реакции.

СН4 + Сl2 → НСl + СН3Сl (хлористый метил)

СН3Сl + Сl2 → НСl + СН2Сl2 (хлористый метилен)

СН2Сl2 + Сl2 → НСl + СНСl3 (хлороформ)

СHСl3 + Сl2 → НСl + ССl4 (четыреххлористый углерод)

ССl4 при охлаждении конденсируется в жидкость.

5) Из большого числа процессов, идущих в жидкой фазе, к гомогенным можно отнести процессы нейтрализации водных растворов кислот водными растворами щелочей. Например, при взаимодействии аммиачной воды и серной кислоты в коксохимическом производстве получают сульфат аммония:

2NН4ОН + Н2SО4 → (NН4)2SО4 + 2Н2О

6) К гомогенным реакциям относятся также некоторые обменные реакции, проходящие в растворах:

КСl + NаNО3 → NаСl + КNО3.

2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГОМОГЕННЫХ ХТП

Скорость гомогенных процессов зависит:

1. Влияние на скорость гомогенных ХТП концентрации исходных продуктов прямопропорционально.

2. Влияние на скорость гомогенных ХТП температуры.

3. Влияние на скорость гомогенных ХТП катализатора.

4. Влияние на скорость гомогенных ХТП перемешивания.

ГЕТЕРОГЕННЫЕ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

7. Понятие и примеры гетерогенных ХТП

8. Закономерности гетерогенных ХТП

9. Способы увеличения скорости гетерогенных ХТП

1. ПОНЯТИЕ И ПРИМЕРЫ ГЕТЕРОГЕННЫХ ХТП

Гетерогенные ХТП – это такие процессы, в которых реагирующие вещества находятся в разном агрегатном состоянии.

Большинство химико-технологических процессов относятся к гетерогенным; при этом огромное разнообразие гетерогенных процессов затрудняет их классификацию.

1) получение гашеной извести из негашеной:

СаО (тв) + Н2О → Са(ОН)2 (тв)

2) получение аммиака:

N2 (г) + 3Н2 (г) → 2 NН3 (г)

— это пример гомофазного гетерогенного процесса, т. к. этот процесс протекает на поверхности твердого катализатора.

2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГЕТЕРОГЕННЫХ ХТП

Для установления оптимальных параметров гетерогенных процессов и их аппаратурного оформле­ния и проектирования необходимо прежде всего изучить статику (т. е. равновесие) и кинетику (т. е. скорость) этих процессов.

Равновесие в гетерогенных системах зависит от температуры, давления и концентрации как исходных реагентов, так и продуктов реакции, скорость же взаимодействия реагентов, находящихся в разных фазах, зависит не только от скорости химической реакции, но и от многих других факторов (как любой процесс, протекающий на макроуровне). Поэтому в общем виде скорость гетерогенного процесса выражается следующим уравнением:

3. СПОСОБЫ УВЕЛИЧЕНИЯ СКОРОСТИ ГЕТЕРОГЕННЫХ ХТП

3.1. Влияние температуры на общую скорость гетерогенного ХТП.

3.2. Влияние поверхности контакта фаз на общую скорость гетерогенного ХТП.

3.3. Влияние концентрации на общую скорость гетерогенного ХТП.

10. Классификация каталитических ХТП

11. Сущность катализа (механизм действия катализаторов)

12. Состав катализаторов и их основные свойства

13. Закономерности каталитических ХТП

1.КЛАССИФИКАЦИЯ КАТАЛИТИЧЕСКИХ ХТП

По ряду причин промышленный катализ вынесен в отдельную главу. Перечислим некоторые из них.

1.Около 90 % промышленных синтезов основано на каталитической активации химического превращения (получение водорода, аммиака, серной и азотной кислот, различных спиртов и эфиров, продуктов полимерной химии и т. д.).

2.Катализ продолжает оставаться наиболее эффективным методом повышения скорости и селективности химического превращения. Более того, он играет главенствующую роль при разработке концепции ресурсосберегающей технологии.

4.Наметившаяся тенденция использования полифункциональных катализаторов для проведения сложных многостадийных синтезов в одну стадию требует более подробного ознакомления с современным состоянием достижений в этой области.

5.Не каждая созданная в лаборатории каталитически активная композиция пригодна для промышленной реализации, так как условия эксплуатации могут потребовать от катализатора ряда до­полнительных свойств.

(МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ КАТАЛИЗАТОРОВ)

Катализатор же не влияет ни на равновесие химической реакции, ни на все другие термодинамические характеристики реакций. Изменяя в равной степени скорость прямой и обратной реакций, катализатор способствует повышению скорости достижения равновесия при данных условиях.

Сущность катализа заключается в резком снижении энергии процесса путем замены одной высокоэнергетической реакции двумя или несколькими низкоэнергетическими. В основе объяснения теории катализа лежит теория промежуточных соединений. Согласно этой теории, медленную реакцию между исходными веществами можно заменить двумя или несколькими более быстрыми реакциями с участием катализатора, который образует с исходными веществами промежуточные непрочные соединения. Ускоряющее действие катализатора состоит в понижении энергии активации реакций образующихся промежуточных соединений, что оказывает очень сильное влияние на скорость реакции, поскольку в уравнение Аррениуса

энергия активации Е входит в показатель степени.

3.СОСТАВ КАТАЛИЗАТОРОВ И ИХ ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА

Промышленные твердые катализаторы обычно не являются индивидуальными веществами. Они представляют собой, за редким исключением, сложную смесь, называемую контактной массой, состоящую из:

1) самого катализатора;

4) технологические добавки

Основные свойства катализаторов:

2. температура зажигания;

3. селективность (избирательность);

4. отравление катализатора;

5. производительность катализатора и др.

4.ЗАКОНОМЕРНОСТИ КАТАЛИТИЧЕСКИХ ХТП

4.1. ГОМОГЕННЫЙ КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

Исходные вещества и катализатор в этих процессах находятся в одном агрегатном состоянии. Гомогенные процессы подчиняются всем законам кинетики, т. е. их скорость зависит, для обычных гомогенных некаталитических процессов, от температуры, концентрации, перемешивания и от свойств самого катализатора.

4.2. ГЕТЕРОГЕННЫЙ КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

14. Классификация химических реакторов

15. Показатели работы ХР

16. Моделирование химических реакторов

1.КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

Любые химические продукты получают в последовательно соединенных между собой транспортными приспособлениями аппаратах различной конструкции и разного назначения. Среди аппаратов технологической схемы можно всегда выделить аппараты, в которых происходит собственно химическое превращение, т. е. основная технологическая операция для данного цеха или его отделения. Такие аппараты называют реакторами. Таким образом,

химическим реактором называется аппарат, в котором осуществляются химико-технологические процессы, сочетающие химические реакции с массопереносом (диффузией).

ХР для проведения различных процессов отличаются друг от друга по конструктивным особенностям, размеру, внешнему виду. Однако, несмотря на существующие различия, можно выделить общие признаки классификации реакторов, облегчающие систематизацию сведений о них, составление математического описания и выбор метода расчета.

Существуют следующие признаки классификации ХР и режимов их работы:

1) По режиму движения реакционной среды (гидродинамическая обстановка в реакторе.

2) По характеру теплообмена с окружающей средой.

3) По агрегатному состоянию реагентов.

4) По способу организации.

5) По конструкционным особенностям.

6) По характеру изменения параметров.

2.ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ХР

Основные показатели работы реакторов условно разделяют на технологические, энергетические, эксплуатационные и экономи­ческие.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ХР

Моделирование – это процесс сопоставления информации полученной каким-либо образом с информацией, которую получают на модели.

Модель – это система, которая отражает отдельные, ограниченные, в нужном направлении стороны явлений рассматриваемого процесса.

Во всех случаях должна быть установлена функциональная разность, связывающая входящие в систему параметры.

ХИМИЧЕСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ (ХТС)

1.Общая характеристика ХТС

2.Классификация моделей ХТС

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ХТС

Химико-технологический процесс осуществляют с целью преобразования сырья в товарные продукты. Систему аппаратов с различным функциональным назначением, взаимосвязанных материальными я энергетическими потоками и действующих как единое целое с целью выпуска товарной продукции заданного качества, называют химико-технологической системой (ХТС). Число аппаратов, последовательность их участия в производственном процессе, направления материальных и тепловых потоков между аппаратами характеризуют структуру ХТС. Структуру ХТС образуют входящие в ее состав элементы и связи между ними. Элементами химико-технологической системы являются отдельные аппараты. Связи между элементами выступают в виде трубопроводов, по которым передаются материальные и тепловые потоки.

Подсистема – группа элементов (агрегат), обладающая определенной целостностью и целенаправленностью.

Параметрами состояния технологических потоков являются расход; температура, концентрации компонентов давление и другие характеристики. Величину, равную числу пара метров технологического потока, называют параметричностью потока.

Конструкционные и технологические параметры элементов ХТС позволяют управлять процессом. Поэтому их называют также управляющими параметрами.

Связи между аппаратами внутри ХТС называют внутренними связями, связи между аппаратами различных ХТС и внешней средой—внешними связями.

Оценку качества (эффективности) работы системы осуществляют с помощью показателя (критерия) эффективности функционирования ХТС. В качестве такого показателя могут использоваться как технологические так и экономические характеристики химического производства. Важно так выбрать показатель эффективности, чтобы он достаточно полно характеризовал качество функционирования ХТС, а для этого он должен учитывать все основные особенности и свойства системы, условия ее работы и взаимодействие с внешней средой.

От характеристик элементов ХТС и характера технологических связей зависит качество функционирования химико-технологической системы. Эффективность работы ХТС можно повысить: 1) путем изменения технологических связей между существующими в системе технологическими операторами; 2) путем улучшения функционирования основных элементов ХТС (за счет изменения технологических параметров их работы или изменения типа аппаратов); З) введением в ХТС дополнительных операторов или образованием новых внешних связей.

2.КЛАССИФИКАЦИЯ МОДЕЛЕЙ ХТС

Все модели ХТС можно разделить на два вида: качественные (обобщенные) и математические, которые в свою очередь делятся на ряд разновидностей.

ПЕРЕРАБОТКА НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО СЫРЬЯ

1. Развитие методов переработки

2. Состав, классификация нефти и ее промысловая подготовка

3. Способы переработки нефти

1. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ПЕРЕРАБОТКИ

Достоверные запасы, добыча и потребление нефти, млн барр. в день

Источник