Учебный материал / Производственные технологии. А.В.Мовшович.-2006 / Производственные технологии пособие

теплоэлектростанции. Современные технологические предприятия расходуют до одного миллиона м3 воды в сутки. Вода используется для нагревания и охлаждения аппаратуры и веществ, для образования пульп и суспензий, в качестве растворителя, для промывки различных продуктов, для очистки оборудования и др. Воду берут из рек, озер, водохранилищ или из-под земли. Подземные воды значительно чище поверхностных, но их недостаточно для снабжения крупных городов.

В зависимости от назначения, потребляемая вода условно делится на промышленную и питьевую. Одним из важнейших показателей воды является ее жесткость, обусловленная наличием в воде солей Ca и Mg. Промышленные воды проходят в связи с этим ряд операций водоподготовки: фильтрация, обеззараживание, осветление, умягчение, ионный обмен, дегазацию и др. Умягчением воды называют очистку ее от солей Ca и Mg. Если этого не делать, то в аппаратуре будет образовываться накипь. Показатели качества (ПК) питьевой воды делятся на три группы:

1.Микробиологические ПК – обеспечивают безопасность воды в эпидемическом отношении, контролируют общее число микроорганизмов и бактерий в воде.

2.Токсикологические ПК – характеризуют безвредность ее химического состава и предотвращают массовые отравления питьевой водой. Анализ устанавливает содержание отравляющих веществ: мышьяка, свинца, стронция, фтора, нитратов и др. вредных веществ.

3.Органолептические ПК – обеспечивают благоприятные вкусовые свойства воды. Они включают такие показатели, как запах, вкус, цвет, мутность, жесткость, водородный показатель.

Воздух также широко применяется в современных технологических предприятиях химической и металлургической промышленности, на транспорте. Без сжатого воздуха немыслимы многие производства. Им приводятся в действие инструменты и машины во взрывоопасных местах и в шахтах, распыляется вода в системах увлажнения ткацкого производства, удаляется шлак, осевший на водотрубные паровые котлы и т.д. Устройство для сжатия и подачи воздуха называется компрессором. Это одна из самых распространенных машин на производствах. На нефтеперерабатывающих заводах имеются компрессорные цеха, которые обеспечивают сжатым воздухом техпроцессы нефтепереработки.

31

ГЛАВА 8. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

8.1.Химическая промышленность

Химическая промышленность (ХП) объединяет производства, в которых получение и переработка сырья производится химическими методами. ХП является одной из ведущих отраслей народного хозяйства, ей принадлежит определяющая роль в создании предпосылок для комплексного развития всех отраслей промышленности. Научной основой химической и смежных с ней отраслей является химическая технология. Химическая технология – это наука о наиболее экономичных методах массовой химической переработки природных материалов в продукты потребления и средства производства. Химическое машиностроение создает базу для технологического прогресса в ХП. Химическая промышленность производит для народного хозяйства продукцию, которую можно разделить на следующие группы:

1)неорганические вещества (кислоты; содовые продукты, щелочи; минеральные удобрения, ядохимикаты, силикаты);

2)органические вещества (продукция переработки твердого, жидкого и газообразного топлива);

3)продукты органического синтеза (пластмассы, лакокрасочные материалы, химические волокна, каучук и резина;

4)химические реактивы и особо чистые вещества;

5)медикаменты и химико-фармацевтическая продукция.

Эта продукция используется практически во всех отраслях народного хозяйства: в машиностроении, полиграфии, сельском хозяйстве, здравоохранении и т. д. Качество химических продуктов должно соответствовать требованиям стандартов. Обеспечение качества продукции – важнейшая задача химической технологии.

8.2.Особенности химико-технологических процессов

Основу химико-технологического процесса (ХТП) составляют химические процессы, но наряду с ними обязательно происходят и физические процессы.

Химико-технологический процесс можно рассматривать как разновидность производственного технологического процесса, включающего стадию химического превращения веществ.

Любой ХТП (рис. 8.1.) состоит из трех основных стадий:

1)подготовки сырья;

2)химического превращения;

3)выделения целевого продукта.

A+B				A+B				C+F
										Выделение
	Подготовка						Химическое
										целевого продукта
	сырья						превращение

Рис. 8.1. Блок–схема химико-технологического процесса

A, B – исходные продукты, C – целевой продукт, F – побочный продукт

32

Первая и третья стадии ХТП не включают химических превращений. Вторая стадия непременно является химическим превращением, в ходе которого происходит изменение структуры, состава и свойств веществ, участвующих в нем.

Обобщенная технологическая схема ХТП (А + В = С) показана на рис. 8.2. Это пример безотходного технологического процесса.

Рис. 8.2. Обобщенная технологическая схема получения продукта по реакции А + В = С

А и В – исходные жидкие компоненты – проходят через фильтр 1, в котором очищаются от твердых частиц. Затем насосом 2 они подаются в теплообменник 3, где нагреваются до температуры реакции, а затем подаются в реактор 4. Продукты реакции, состоящие из смеси целевого продукта С и примесей не прореагировавших компонентов исходных веществ направляются на разделение в ректификационную колонну 5. Из верхней части колонны выходят пары компонентов А и В, которые затем конденсируются в дефлегматоре 7 и возвращаются в реактор. Чистый продукт С выводится из кипятильника 6 через теплообменник 8, где он охлаждается до нормальной температуры.

8.3.Основные технологические понятия и определения ХТП

Показателем, характеризующим эффективность работы аппаратов, цехов и заводов, служит производительность. Производительность – это количество выработанного продукта или переработанного сырья в единицу времени. Она измеряется в килограммах в час (кг/ч), в тоннах в сутки (т/сут.) или в кубических метрах в сутки (м3/сут.). Максимально возможная производительность называется мощностью.

33

Расход сырья, воды, энергии и различных реагентов, отнесенный к единице целевого продукта, называют расходным коэффициентом. Расходные коэффициенты выражают в тоннах на тонну, кубических метрах на тонну, киловатт-часах на тонну.

Степень превращения – это отношение количества реагента, вступившего в реакцию, к его исходному количеству, введенному в технологический процесс. Например, для простой необратимой реакции типа А Î C степень превращения реагента А выражается уравнением

XA = (NA0 – NA)/ NA0,,

где NA0, NA – количество исходного реагента А в начале и конце процесса. Степень превращения исходных веществ за один проход через реактор, выра-

женная в процентах, называется конверсией сырья.

8.4.Классификация химико-технологических процессов

Различные стадии ХТП протекают в соответствующих аппаратах. Это, например, химические реакторы, ректификационные колонны, теплообменники, насосы, фильтры и др. Для проведения ХТП оборудование соединяют в технологическую схему. Технологической схемой химического производства называют описание и/или графическое изображение процессов и соответствующих им аппаратов. Технологические схемы химического производства составляются в зависимости:

1)от способа организации процесса;

2)от кратности обработки сырья.

Способ организации процесса является общим критерием классификации всех технологических процессов (см. гл. 3), в том числе и ХТП. Кратность обработки сырья зависит от конверсии сырья в ХТП, поэтому и этот критерий является важнейшим для классификации ХТП. Особенностью химико-технологического процесса является наличие стадии химического превращения веществ, поэтому тип и условия протекания основой химической реакции также являются критериями классификации ХТП.

Таким образом, основой классификации ХТП являются: способ организации процесса, кратность обработки сырья, тип и условия протекания основной химической реакции.

1.По способу организации ХТП могут быть дискретными (периодическими), непрерывными и комбинированными. В периодических процессах сырье вводится в

реактор определенными порциями и так же дискретно из реактора извлекается целевой продукт после завершения цикла. В непрерывных процессах сырье подается в реактор постоянным потоком. Целевой продукт выводится из реактора тоже непрерывно. Комбинированные процессы могут характеризоваться непрерывным поступлением сырья

ипериодическим отводом продукта, или периодическим поступлением сырья и непрерывным отводом продукта.

2.По кратности обработки сырья различают процессы: с открытой, закрытой (циклической) и комбинированной схемами компоновки технологического оборудования.

Впроцессах с открытой схемой сырье за один цикл пребывания в реакторе пре-

вращается в целевой продукт. Такие схемы применяются для ХТП с высокой кон-

версией сырья.

Впроцессах с закрытой схемой требуется многократное пребывание сырья в реакторе до того, как оно полностью превратится в конечный продукт. На рис. 8.2 при-

34

ведена структура ХТП, который функционирует по циклической схеме. Циклические

схемы более компактны, требуют меньших затрат на оборудование, обеспечивают полную переработку сырья в процессах с низкой конверсией.

В комбинированных процессах основное сырье может превращаться в целевой продукт за один цикл, а вспомогательные материалы использоваться многократно.

3.По типу химической реакции. Основу ХТП составляют различные химические реакции – простые и сложные, обратимые и необратимые, гомогенные и гетерогенные, экзотермические и эндотермические.

Протекание простых реакций может быть описано с помощью одного уравнения, для описания сложной реакции требуются как минимум два уравнения. К обратимым относятся реакции, протекающие в противоположных направлениях со сравнимыми скоростями. Если скорость реакции в одном направлении велика по сравнению со скоростью ее протекания в обратном направлении, реакцию считают необратимой. Гомогенными называются реакции между веществами, находящимися в одной фазе, гетерогенными – между веществами в различных фазах. Экзотермическими называют реакции, протекающие с выделением тепла. Эндотермическими называют реакции, протекающие с поглощением тепла.

4.По условиям протекания реакции классифицируют на:

•высокотемпературные, протекающие при температуре выше 500 оС;

•электрохимические, происходящие под действием электрического тока;

•фотохимические, вызываемые действием света;

•радиационно-химические, происходящие под действием ионизирующих излучений;

•каталитические, протекающие с участием катализаторов.

Например, технологические процессы получения серной кислоты нитрозным способом, где оксиды серы обрабатываются открытым способом, а оксиды азота – циркулируют по замкнутой схеме.

8.5.Материальный и энергетический балансы химико-технологических

процессов

Материальный и тепловой (энергетический) балансы составляют для анализа работы аппарата, установки или производства.

Материальный баланс химико-технологического процесса составляют на основе закона сохранения массы вещества, согласно которому масса веществ, поступивших на технологическую операцию – приход, равна массе полученных веществ – расход.

Для реакции aA + bB + sS = rR + cC + Q, где A, B, S – исходные реагенты; C – целевой и R – побочный продукты. Уравнение материального баланса будет иметь вид:

mA + mB + mS = mR + mC.

Материальный баланс чаще всего составляют на единицу массы целевого продукта (R), т. е. получают зависимость, показывающую, какова масса исходных реагентов А, В, S, необходимая для получения единичной массы C, а также масса образующегося при этом побочного продукта R. Материальный баланс служит основой для составления теплового и экономического балансов, и поэтому его составляют первым. Из материального баланса можно вычислить практические расходные ко-

эффициенты на сырье.

35

ХТП связаны с преобразованием различных видов энергии (тепловой, механической, электрической). Так как в ХТП тепловая энергия имеет наибольшее значение, для них обычно составляют тепловые балансы. В этом случае закон сохранения энергии формулируется так: суммарный приход теплоты в данной технологической операции равен суммарному расходу теплоты в той же операции. Тепловой баланс составляют по данным материального баланса с учетом тепловых эффектов химических реакций и физических превращений, протекающих в аппаратах, а также с учетом подвода или отвода теплоты.

8.6.Экономическая эффективность химического производства

Экономическая эффективность является самым важным показателем, характеризующим совершенство ХТП. Она характеризуется тремя основными показателями: капитальными затратами, себестоимостью продукции и производительностью труда.

Капитальные затраты – это сумма всех затрат, произведенных при строительстве данного цеха или предприятия в целом. Применение новой, более совершенной аппаратуры, коррозионно-устойчивых материалов, автоматических методов контроля и регулирования ХТП связано с увеличением материальных затрат, но приводит к снижению эксплуатационных затрат и себестоимости продукции.

Удельные капитальные затраты – более наглядный показатель, чем капитальные затраты, они получаются от деления общей стоимости установки (цеха) на ее годовую мощность

Р = К/Q,

где Р – удельные капитальные затраты; К – капитальные затраты, руб.;

Q – мощность установки, т/год.

Максимально возможная производительность называется мощностью.

С увеличением единичной мощности установки удельные капитальные затраты снижаются. Эмпирическое уравнение для выражения зависимости удельных капитальных затрат от единичной мощности установки, т. е. одного производственного агрега-

та, имеет вид

Р = аQ-0.4,

где а – коэффициент, зависящий от характера химического производства. Полной себестоимостью называется денежное выражение затрат данного пред-

приятия на изготовление и сбыт единицы продукции.

Зависимость между себестоимостью ХТП и единичной мощностью производст-

венного агрегата приближенно выражается уравнением

S = mQ n,

где S – себестоимость продукции; Q - мощность цеха (установки);

m, n –параметры.

Расход сырья, воды, энергии и различных реагентов, отнесенный к единице целе-

вого продукта, называют расходным коэффициентом.

Производительность труда – это количество рабочего времени, затрачиваемого на выработку единицы продукции. Так же как и удельные капитальные затраты и себестоимость продукции, производительность труда зависит, главным образом, от техники производства и мощности установки. С увеличением единичной мощности

36

вдвое производительность труда для многих химических производств возрастает на

60–80 %.

Для технологических процессов показателем абсолютной экономической эффективности Э является отношение разности между оптовой ценой предприятия Ц и себестоимостью С продукции к капитальным вложениям К, которые необходимы для реализации этого технологического процесса:

Э = (Ц-С)/К.

Чем меньше себестоимость, тем выше эффективность капитальных вложений.

37

ГЛАВА 9. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА СЕРНОЙ КИСЛОТЫ

9.1.Применение серной кислоты

Производство неорганических кислот (серной, азотной, соляной) относится к важнейшим процессам химической неорганической технологии. Серная кислота является самой дешевой из всех минеральных кислот. Безводная серная кислота H2SO4

– это бесцветная маслянистая жидкость с удельным весом 1,84 кг/см3. По химическому составу серная кислота представляет собой соединение серного ангидрида SO3 с водой. В зависимости от их соотношения серная кислота может быть разбавленной, концентрированной или в виде олеума (15–20 % раствор серного ангидрида в серной кислоте), которые и производятся в промышленности. По объему производства `и

области применения она занимает одно из первых мест среди продукции ХП.

Серная кислота используется:

•в химической промышленности для производства удобрений (суперфосфата и сульфата аммония), получения красителей, пластмасс, химических волокон, при производстве нефтепродуктов (для их очистки);

•в металлургии цветных металлов при выделении металлов из руд;

•в машиностроении при травлении (обработка поверхностей металлов перед нанесением различных покрытий для повышения прочности сцепления);

•в пищевой промышленности при получении крахмала, спирта, патоки;

•в текстильной промышленности при отбеливании тканей, дублении кож;

•для изготовления взрывчатых веществ;

•для сушки различных газов (серная кислота обладает высоким водопоглощающим действием, т. е способностью поглощать пары воды из газов).

9.2.Сырье для производства серной кислоты

Сырьем для производства серной кислоты служат:

1.Элементарная сера. Лучшее сырье для производства. При ее сжигании образуется чистый концентрированный сернистый газ, незагрязненный примесями, что значительно упрощает производство серной кислоты. В настоящее время получают из серы 48–49 % серной кислоты. Но это дорогое сырье. Себестоимость серной кислоты в два раза выше, чем при производстве из серного колчедана.

На предприятия сера поступает в железнодорожных цистернах. При обычной температуре сера находится в твердом состоянии. Т плавления =113-120оС. Для разгрузки серу разогревают до Т = 135–140 оС перегретым паром под давлением около 6 атмосфер. Могут применяться также электронагревательные приборы. Жидкая разогретая сера разгружается с помощью специальных насосов в складской сборник. На складе предусматривается запас серы до 15 суток.

2.Серный колчедан FeS2 (пирит) широко распространен в природе. Содержание серы в нем составляет от 40 до 50 %. Около 30 % серной кислоты получают из колчедана.

3.Сероводород – значительное количество выделяется из газов нефтеперерабатывающей промышленности.

4.Отходящие газы цветной металлургии, образующиеся при переработке сернистых руд.

38

Следует отметить, что с отходящими газами тепловых электростанций и металлургических заводов выбрасывается SO2 значительно больше, чем употребляется для производства H2SO4. Это самое дешевое сырье, но концентрация в них сернистого газа мала, поэтому переработка отходящих газов не всегда ведется.

9.3.Технология серной кислоты

Серную кислоту в промышленности получают двумя способами – нитрозным и контактным. В обоих случаях сущность процесса сводится к окислению сернистого газа SO2 до серного SO3 и соединению трехокиси с водой. В обычных условиях сернистый газ кислородом воздуха не окисляется, поэтому процесс окисления реализуют либо при помощи азота (нитрозный способ), либо в присутствии твердого катализатора (контактный способ). Способ окисления и определяет технологию производства.

Характеристика нитрозного способа производства серной кислоты

Нитрозный способ производства серной кислоты (башенный метод) является более старым. Двуокись серы окисляют до SO3 при помощи нитрозной смеси, состоящей из окиси и двуокиси азота, взятых в соотношении 1:1. Процесс протекает в несколько стадий. Этот способ имеет ряд недостатков:

•он трудно поддается автоматизации;

•кислота имеет концентрацию не более 75–77 %;

•получаемая кислота загрязнена примесями.

Характеристика контактного способа производства серной кислоты

Контактный способ производства серной кислоты применяется в настоящее время во всем мире более широко. Это объясняется более высоким уровнем технологии данного способа производства, возможностью автоматизации процесса, более низким содержанием SO3 и SO2 в выхлопных газах. В качестве катализатора для окисления сернистого газа применяют твердые катализаторы (например, пятиокись ванадия.). Причем, серный газ SO3 переводят в серную кислоту H2SO4 на последней стадии процесса путем абсорбции серного газа. При этом способе производства может быть получена серная кислота любой концентрации и высокой степени чистоты.

Контактный способ производства серной кислоты осуществляется двумя методами:

1.Одинарного контактирования со степенью окисления SO3 и SO2 до 98–97 %.

Вэтом случае в атмосферу выбрасываются вместе с выхлопными газами SO3 и SO2, что требует дополнительных затрат на сооружение систем очистки выхлопных газов.

2.Двойного контактирования – в этом случае степень окисления SO3 и SO2 достигает 99,8 %, при этом содержание SO3 и SO2 в выхлопных газах соответствует предельно допустимой концентрации.

Технология производства серной кислоты способом двойного контактирования состоит из следующих стадий: подготовки сырья, получения диоксида серы, очистки газа, окисления сернистого ангидрида в серный, абсорбции серного ангидрида серной кислотой, очистки выхлопных газов.

1.Подготовка жидкой серы, поступающей на склад из цистерн, заключается в ее фильтрации. Подготовка серного колчедана заключается в его обогащении методом флотации.

39

2.Сернистый газ получают путем окисления сырья (обжига на воздухе). Поскольку в обжиговом газе содержатся примеси мышьяка, фтора, селена, необходима его очистка. Если реакционный газ получают сжиганием элементной серы, то необходимость очистки от примесей отпадает.

3.Обжиговый газ имеет высокую Т = 1050 Со, поэтому перед очисткой его температуру снижают, а затем пропускают через сухие электрофильтры или очищают от пыли в циклопах.

4.После очистки газ направляется на окисление в контактные аппараты. В промышленности основным катализатором является пятиокись ванадия, которая

располагается на специальных решетках. Реакция окисления SO2 является экзотермической, и после окисления газа возникает необходимость в его охлаждении, которое протекает в теплообменниках и холодильниках.

5.Абсорбцию серного ангидрида производят безводной серной кислотой или олеумом, так как в присутствии воды идет экзотермическая реакция, что приводит к образованию сернокислого тумана. Туман плохо улавливается в этих условиях и уносится в атмосферу.

Виды продукции товарной серной кислоты

Промышленность выпускает три вида товарной H2SO4:

1)башенная кислота с концентрацией 75 %;

2)контактная кислота с концентрацией 92,5 %;

3)олеум – 20 % раствор серного ангидрида в серной кислоте.

Зависимость свойств H2SO4 от концентрации учитывают при установлении технологического режима ее переработки, при выборе условий транспортировки и хранения на складах.

40