- •Учреждение образования
- •Предисловие
- •Условные обозначения
- •1. Химическое производство
- •1.1. Химико-технологический процесс, основные понятия и определения
- •1.2. Структура и состав химического производства
- •1.3. Показатели химического производства и химико-технологического процесса
- •1.4. Расчет технологических показателей
- •1.5. Примеры расчета и контрольные задания
Условные обозначения
А, В, …, R, S – исходные вещества и продукты реакции;
а, b, …, r, s – коэффициенты в стехиометрических уравнениях;
Вв – расход вещества в единицу времени, кмоль/ч, моль/с;
Св – молярная концентрация вещества, моль/л, кмоль/м3;
ср(м) – молярная теплоемкость, Дж/(моль К);
ср – удельная теплоемкость, кДж/(кг К), кДж/(м3 К);
средняя молярная теплоемкость, Дж/(моль К);
I – интенсивность, кг/(ч м3), м3/(ч м3), т/(сут м2);
F поверхность теплообмена, м2;
G – массовый расход, кг/ч, т/ч;
f – стандартная энтальпия образования вещества, кДж/кмоль;
r – стандартная энтальпия реакции, кДж/кмоль;
k коэффициент теплопередачи, Дж/(м2 К);
mв – масса вещества, кг;
Мв – молекулярная масса вещества;
nв – химическое количество вещества, моль, кмоль;
Nв – молярная доля вещества;
Р – давление, Па, кПа;
Q – тепловой эффект реакции, количество тепла, Дж, кДж;
Т – температура, С, К;
V – объем, л, м3;
х – степень превращения;
z число эквивалентов;
П – производительность, кг/ч, т/сут;
Рк – расходный коэффициент, т/т, кг/т, м3/т;
ХТС – химико-технологическая система;
ХТП – химико-технологический процесс;
плотность, г/л, кг/м3;
α – выход продукта;
τ продолжительность, мин, ч;
ωв – массовая доля вещества.
1. Химическое производство
1.1. Химико-технологический процесс, основные понятия и определения
Химико-технологический процесс (ХТП) – это совокупность последовательных физических, физико-химических, химических процессов и операций, протекающих в соответствующих реакторах и аппаратах для целенаправленной переработки сырья в продукты заданных состава и свойств.
В качестве примера рассмотрим промышленный химико-технологический процесс получения аммиака из азота и водорода. Аммиак образуется в результате протекания экзотермической обратимой химической реакции N2 + 3Н2 = 2NН3 при температуре 700–850 К и давлении 30 МПа. Исходные азот и водород в процессе синтеза превращаются в аммиак лишь частично, поэтому на выходе из реактора газовая смесь содержит как продукт реакции (аммиак), так и непрореагировавшие азот и водород. Образовавшийся аммиак выделяют, для чего смесь охлаждают и сконденсированный аммиак отделяют от газообразных компонентов. Конденсация – физико-химический процесс в промышленном синтезе аммиака. Непрореагировавшие N2 и Н2 возвращают в реактор. Для повышения давления, а также для циркуляции газов необходимо их сжатие, что является механическим процессом. Нагрев и охлаждение потоков, осуществляемые при этом, – теплообменные процессы. Совокупность указанных процессов в их последовательности есть химико-технологический процесс получения аммиака (продукта) из водорода и азота (исходные вещества). Исходные вещества для синтеза аммиака получают из природного газа, воды и воздуха. Можно также описать последовательность операций и процессов превращения природного газа, воды и воздуха в азот и водород – химико-технологический процесс получения азотоводородной смеси. В то же время совокупность процессов и операций для превращения природного газа, воды и воздуха в аммиак – это химико-технологический процесс производства аммиака из природного сырья, т. е. химико-технологический процесс может быть представлен как для химического производства в целом, так и для его отдельных частей. В зависимости от основного назначения в совокупном химико-технологическом процессе выделяют отдельные виды процессов и операций, которые составляют химико-технологический процесс получения полупродукта или целевого продукта.
Для аппаратурного оформления ХТП используются аппараты, реакторы и машины. Аппараты – это такие устройства, работа которых основана на физических явлениях (электрофильтры, электростатические сепараторы, магнитные сепараторы) или на явлениях массопередачи (ректификационные колонны, абсорберы, адсорберы) без протекания химических реакций. Реакторы – это разновидность аппаратов, в которых протекают химические реакции, физико-химические превращения, в сочетании с массопереносом, например аппараты с мешалками для химического осаждения, печи для обжига и крекинга, колонны для синтеза аммиака, метанола и т. д. Машины – это механизмы или сочетание механизмов, осуществляющие целесообразные движения для преобразования энергии или для производства работы, например компрессоры, насосы, вентиляторы, транспортеры, дробилки. Так, в компрессоре механическая энергия затрачивается на сжатие газа, а в дробилке – на измельчение материала.
Процессы, лежащие в основе ХТП, можно разделить на следующие:
1) механические и гидромеханические – перемешивание материалов, изменение их формы и размеров, сжатие и расширение, смешение и разделение потоков; все они протекают без изменения химического и фазового состава обрабатываемого материала; для проведения этих процессов предназначены транспортеры, питатели, дробилки, диспергаторы, формователи, компрессоры, насосы, смесители, фильтры;
2) теплообменные – нагрев, охлаждение, изменение фазового состояния; химический состав веществ при этом не меняется; они протекают в теплообменниках, кипятильниках, конденсаторах, плавилках, сублиматорах;
3) массообменные – растворение, кристаллизация, сушка, дистилляция, ректификация, абсорбция, адсорбция, экстракция, десорбция; представляют собой перенос вещества внутри фазы или между фазами, вызванный градиентом его концентраций и протекающий без изменения химического состава; для данных процессов служат кристаллизаторы, сушилки, дистилляторы, ректификаторы, абсорберы, адсорберы, экстракторы, десорберы;
4) химические – процессы, связанные с изменением химического состава веществ; данные процессы проводятся в химических реакторах.
Кроме указанных основных процессов, в химико-технологическом процессе осуществляются также:
− энергетические процессы, которые заключаются во взаимном преобразовании различных видов энергии (тепловой, механической, электрической) в турбинах, генераторах, моторах;
− информационно-управляющие процессы, отвечающие за получение и передачу информации о состоянии потоков и веществ, выработку и передачу сигналов на пульт управления процессами; к информационно-управляющим устройствам относятся: датчики состояния потоков и оборудования (температуры, давления, состава, скорости вращения двигателей и т. д.), сигнальные и информационные системы, системы автоматического регулирования, включающие управляющие вычислительные машины и др.
Часто в каком-либо процессе имеют место одновременно два или более явления. В таких случаях процесс следует классифицировать по его основному назначению. Например, сжатие газа в компрессоре сопровождается его нагревом, но по основному назначению это процесс механический. В детандере сжатый газ совершает механическую работу, сильно охлаждаясь. По назначению это процесс теплообменный, предназначенный для выработки холода.
ХТП характеризуется технологическим режимом. Технологический режим – это совокупность параметров, определяющих условия работы аппарата, реактора или их систем и переработки сырья в продукты.
Оптимальный технологический режим – это совокупность значений параметров, позволяющих получить наибольший выход продукта при максимальной интенсивности процесса, производительности труда и низкой себестоимости.
Параметрами химико-технологического процесса, обеспечивающими его функционирование, являются измеримые величины, определяющие состояние реагентов и их реакционную способность, – температура, концентрация реагентов и их соотношение, давление, дисперсность и состав твердых реагентов, состав жидких и газообразных реагентов, способ и интенсивность перемешивания реагентов, линейная и объемная скорости реагентов, поступающих в систему.
Конечные продукты ХТП классифицируют следующим образом: целевые продукты, побочные продукты, отходы. Целевые продукты – это продукты целевого или многоцелевого назначения, получаемые при переработке сырья при заданных оптимальных условиях и соответствующие требованиям технических условий. Побочные продукты образуются параллельно с целевым продуктом в результате переработки сырья. Отходы – это побочные продукты, которые в настоящее время по техническим или экономическим причинам не находят применения и выводятся из ХТП в окружающую среду.