Тема 4. Промышленные химические процессы –

ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ

Химико-технологическая система

Состав химико-технологических систем – элементы, связи, подсистемы. Их реализация в химическом производстве. Их классификация. Технологические связи элементов химико-технологических систем – потоки. Задачи синтеза, анализа и оптимизации химико-технологических систем. Чувствительность и надежность химико-технологических систем.

Методические указания

Сочетание одного или нескольких процессов химического превращения вещества и разделения реакционных смесей образует химико-технологическую систему. При рассмотрении химико-технологической системы необходимо учитывать их характер. Наличие рецикла может оказать существенное влияние на химическое превращение или работу химико-технологической системы в целом. Важным аспектом является оптимальное использование теплоты в химико-технологической системе. От этого существенно зависят технико-экономические показатели.

При изучении химического производства как химико-технологической системы особенно внимательно следует рассмотреть энерготехнологические схемы, поскольку они указывают перспективы совершенствования установок для снижения энергоемкости химической продукции.

Комбинирование энергетического и различных технологических процессов позволяет интенсифицировать все основные процессы, включенные в энерготехнологическую схему, значительно повысить коэффициент использования теплоты топлива, его высокого температурного потенциала, а так же с максимальной эффективностью и высоким энергетическим КПД использовать органическую и минеральную составные части топлива. Следует обратить внимание на энерготехнологические схемы использования теплоты химических реакций переработки топлив, развития атомных АТС на реальных примерах химико-технологических производств.

Классификация химических реакторов и режимов их работы

Общие сведения о химических реакторах. Классификация химических реакторов по характеру смешивания и вытеснения веществ, участвующих в процессе. Классификация реакторов по подводу и отводу тепла. Реактор идеального смешения и идеального вытеснения. Каскады реакторов. Сравнение эффективности проточных реакторов. Реакторы с неидеальной структурой потоков. Особенности реакторов с использованием твердых катализаторов в стационарном и во взвешенном состоянии. Тепловая устойчивость реакторов. Элементы технологического расчета реакторов.

Методические указания

Центральным аппаратом в химико-технологической системе, включающей целый ряд машин и аппаратов, соединенных между собой различными связями, является химический реактор – аппарат, в котором протекает химический процесс. Выбор типа, конструкции и расчет химического реактора, создание системы управления его работой – одна из важнейших задач химической технологии.

При рассмотрении данной темы следует обратить особое внимание на способы реализации оптимальной температурной последовательности в конструкции реакторов, применяемых для химико-технологических процессов. Особенности оборудования, применяющегося для различных процессов в зависимости от агрегатного состояния реагирующих веществ.

Важнейшие химические производства

Производство серной кислоты

Сорта и свойства серной кислоты. Области ее применения. Сырье. Получение сернистого газа. Физико-химические основы и оптимальные условия обжига колчедана. Печи для обжига. Очистка сернистого газа. Нитрозный способ производства серной кислоты. Особенности и основные физико-химические закономерности процесса. Контактный способ производства серной кислоты. Контактное окисление сернистого газа. Теоретические основы процесса. Катализаторы. Виды контактных аппаратов. Поглощение сернистого ангидрида, условия процесса. Сравнительная оценка контактного и нитрозного способов производства серной кислоты.

Методические указания

Изучая технологию производства серной кислоты, следует уяснить, какие именно свойства серной кислоты обеспечивают ее широкое применение в промышленности. К числу этих свойств в первую очередь относится высокая химическая активность в сочетании с нелетучестью и сравнительно низкой стоимостью. Отсюда вытекает возможность применения серной кислоты для выделения кислот из природных солей, в качестве водоотнимающего средства и т.д.

Необходимо четко представлять, что производство серной кислоты любым способом складывается из трех основных процессов: получение сернистого газа, окисление сернистого газа в серный ангидрид, абсорбция сернистого ангидрида водой с образованием серной кислоты. Наиболее сложным является процесс окисление сернистого газа в серный ангидрид, в зависимости от условий проведения которого, существует два способа производства серной кислоты: контактный и нитрозный. Первый способ является гетерогенным, второй – гомогенным каталитическим процессом, отсюда различные условия проведения процессов, различное качество получаемой кислоты.

Следует обратить внимание на способы управления процессом получения серной кислоты, на роль температурного режима, катализаторов, на значение очистки сернистого газа в контактном способе и причины менее тщательной очистки в нитрозном способе, на качество получаемой кислоты, примеси, содержащиеся в кислоте, полученной нитрозным способом.

Синтез аммиака

Способы получения связанного азота. Сырье для синтеза аммиака. Области применения. Получение азота из воздуха. Производство водорода и азотоводородной смеси для синтеза аммиака. Конверсия метана и окиси углерода. Теоретические основы процессов. Синтез аммиака. Физико-химические закономерности процесса. Промышленный способ получения аммиака. Перспективы развития процесса синтеза аммиака.

Методические указания

Синтез аммиака является в настоящее время наиболее эффективным способом получения азотосодержащих соединений из азота воздуха. Ввиду того, что потребность в соединениях азота велика, а в природе их содержится мало, производство синтетического аммиака из элементов имеет важное значение.

Наиболее сложной частью синтеза является процесс контактного окисления водорода азотом на поверхности твердого катализатора. Этот процесс является обратимой экзотермической реакцией, идущей с выделением тепла и уменьшением объема в два раза. Следует обратить внимание, какие условия синтеза являются оптимальными и почему; какова роль катализаторов, давления, температуры; как реализуется оптимальный температурный режим в колонне синтеза; каково устройство колонны. В зависимости от применяемого давления различают установки низкого, среднего и высокого давления. Следует четко знать, каковы отличия в устройстве этих установок.

Производство азотной кислоты

Значение азотной кислоты в народном хозяйстве. Физико-химические основы производства азотной кислоты. Контактное окисление аммиака, окисление окиси азота и абсорбция двуокиси азота водой. Производство разбавленной и концентрированной азотной кислот. Сравнительная характеристика различных способов производства азотной кислоты. Применяемые аппараты.

Методические указания

Процесс получения азотной кислоты из аммиака протекает в три стадии: контактное окисление аммиака в окись азота, окисление азота в двуокись, абсорбция двуокиси азота водой. Две последние стадии осуществляются одновременно. Первая и вторая стадии имеют ряд особенностей, на которые следует обратить внимание.

В отличие от рассмотренных выше процессов, процесс окисления аммиака является необратимым, и выбор условий его проведения обусловлен избирательным ускорением целевой реакции и торможением побочных. В отличие от большинства химических реакций скорость окисления азота с повышением температуры падает. Это объясняется тем, что реакция идет через промежуточную стадию образования димера окиси азота, количество которого с повышением температуры снижается. Поэтому для более полного превращения окиси азота в двуокись следует снижать температуру системы. Эта реакция протекает с уменьшением объема, поэтому целесообразно применять повышенное давление.

Необходимо обратить внимание на различные типы применяемых установок: работающие при нормальном давлении, при повышенном и комбинированные. Следует уяснить, в чем преимущества и недостатки различных установок, каково качество получаемой кислоты.

Производство минеральных солей и удобрений

Природные и синтетические соли, их значение в народном хозяйстве. Типовые процессы солевой технологии. Агрохимическое значение и классификация минеральных удобрений. Фосфорные удобрения. Сырье, важнейшие представители. Получение простого и двойного суперфосфатов. Производство экстракционной фосфорной кислоты. Азотные удобрения. Производство аммиачной селитры. Синтез карбамида как некаталитический гетерогенный процесс, протекающий при высоком давлении. Производство кальцинированной соды по аммиачному способу, сырье, области применения.

Методические указания

Особое внимание следует обратить на современные тенденции в производстве минеральных удобрений: исключение нерастворимых примесей, повышение концентрации питательных веществ; выпуск сложных и смешанных удобрений, содержащих несколько питательных веществ; выпуск удобрений в неслеживающейся и гранулированной форме.

Производство хлора и едкого натра

Производство хлора и едкого натра электролизом водных растворов хлористого натрия. Области применения. Сырье. Физико-химические основы процесса. Электролиз в ванне со стальным катодом. Электролиз в ванне с ртутным катодом. Теория процессов и аппаратурное оформление. Качество получаемых продуктов. Побочные реакции.

Методические указания

При изучении процесса производства едкого натра следует обратить внимание на принципиальное отличие способа со стальным катодом от способа с ртутным катодом и уяснить, почему в последнем случае едкий натр получается более чистым и концентрированным. Изучая электролиз со стальным катодом, необходимо обратить внимание на побочные процессы и пути их устранения.

Переработка нефти

Переработка нефти, продукты и их значение в народном хозяйстве. Состав и свойства нефти. Основные методы переработки нефти: физические и химические высокотемпературные (крекинг, риформинг, пиролиз). Процессы, протекающие при химической переработке нефти. Переработка нефти: первичная, вторичная, деструктивная. Важнейшие нефтепродукты. Очистка нефтепродуктов.

Методические указания

Основной задачей нефтехимической промышленности является получение высококачественных топлив и смазочных масел, а также индивидуальных углеводородов, которые используются в качестве сырья для промышленности органического синтеза. При изучении данной темы следует обратить внимание на способы, с помощью которых получают бензины. Чем они отличаются друг от друга, как отражается способ получения на качестве бензина, основные показатели, характеризующие качество бензинов. При каком условии, и какие продукты получают из нефти в качестве химического сырья. Влияние температуры и давления на состав получающихся продуктов.

Технология органического синтеза

Народнохозяйственное значение промышленности органического синтеза. Сырьевая база и исходные вещества для основного органического синтеза. Методы химической переработки сырья. Примеры типичных процессов органического синтеза. Синтез метилового и этилового спиртов, дивинила, ацетилена. Применение теоретических основ химической технологии для обоснования режимных параметров указанных процессов.

Методические указания

Органический синтез на основе оксида углерода и водорода получил широкое промышленное развитие. Из них термодинамически возможно образование углеводородов любых молекулярных масс, типа и строения, широкого фракционного состава, включающие в себя алканы и алкены. На основе смесей оксида углерода и водорода в промышленном масштабе производят такие крупнотоннажные продукты, как метанол, жидкие алифатические углеводороды и метан. Метанол широко применяется для получения пластических масс, синтетических волокон, синтетических каучуков, в качестве растворителя и т.д.