Тема №1: Химическое производство. Иерархическая организация процессов в химическом производстве. Критерии оценки эффективности производства.
Из каких основных стадий состоит химико - технологический процесс (ХТП)? В каких стадиях химико - технологического процесса участвуют химические реакции?
Химико-технологический процесс (ХТП) – это совокупность операций, позволяющих получить целевой продукт из исходного сырья.
Он состоит:
- из подготовки сырья;
- химической или физико-химической переработки сырья;
- обработки готовой продукции.
Вторую операцию можно подразделить на элементарные стадии:
- подвод реагентов в зону химической реакции;
- химическую реакцию;
- отвод продуктов из зоны химической реакции.
Что такое химический процесс? Почему химический процесс, как единый процесс химической технологии, сложнее по сравнению с тепловыми и массообменными?
«Химическая технология – естественная прикладная наука о способах и процессах производства продуктов (предметов потребления и средств производства), осуществляемых с участием химических превращений, технологически, экономически и социально целесообразным путем».
Химико-технологический процесс представляет собой совокупность операций, позволяющих получить целевой продукт из исходного сырья. Некоторые из этих операций необходимы для подготовки исходных реагентов к проведению химической реакции, перевода их в наиболее реакционноспособное состояние. Например, известно, что скорость химических реакций сильно зависит от температуры, поэтому часто реагенты до проведения реакции нагревают. Чтобы устранить побочные явления и получить продукт высокого качества, исходное сырье подвергают очистке от посторонних примесей, пользуясь методами, основанными на различии физических свойств (растворимость в различных растворителях, плотность, температуры конденсации и кристаллизации и т.д.). При очистке сырья и реакционных смесей широко применяют явления тепло- и массообменные, гидромеханические процессы.
Соответствующим образом подготовленные реагенты подвергают химическому взаимодействию, включающему часто несколько этапов.
В промежутках между этими этапами иногда необходимо вновь использовать тепло- массообменные и другие физические процессы. В результате химических реакций получают смесь продуктов (целевых, побочных) и не прореагировавших реагентов. Заключительные операции связаны с разделением этой смеси, для чего вновь применяют гидромеханические, тепло- и массообменные процессы, например, фильтрование, центрифугирование, ректификацию, абсорбцию, экстракцию и т.д. Продукты реакции направляют на склад готовой продукции или на дальнейшую переработку; не прореагировавшее сырье вновь используют в процессе, организуя его рецикл. На заключительных этапах проводят также рекуперацию энергии и очистку промышленных выбросов, чтобы извлечь из отходящих газов и сточных вод все ценные компоненты, а
также ликвидировать опасность загрязнения окружающей среды.
Таким образом, химико-технологический процесс в целом это сложная система, состоящая из единичных связанных между собой процессов (элементов) и взаимодействующая с окружающей средой.
Элементами химико-технологической системы являются названные процессы тепло- и массообменным, гидромеханические, химические и т.д.
Их рассматривают как единичные процессы химической технологии.
Важной подсистемой сложного химико-технологического процесса является химический процесс.
Он представляет собой одну или несколько химических реакций, сопровождаемых тепло- и массообменными явлениями.
Анализ единичных процессов, их взаимного влияния позволяет разработать технологический режим.
Технологическим режимом называется совокупность параметров, определяющих условия работы аппарата или системы аппаратов.
Оптимальные условия ведения процесса – это сочетание основных параметров (температуры, давления, состава исходной реакционной смеси, катализатора и т.д.), позволяющее получить наибольший выход продукта с высокой скоростью или обеспечить наименьшую себестоимость.
Единичные процессы протекают в различных аппаратах – химических реакторах, абсорбционных и ректификационных колоннах, теплообменниках и т.д. Отдельные аппараты соединены в технологическую схему процесса. Разработка и построение рациональной технологической схемы – важная задача химической технологии.
Какие вы знаете технологические критерии эффективности химико – технологического процесса? Дайте их определения.
Степень превращения – это доля исходного реагента, использованного на химическую реакцию.
Выход продукта – это отношение реально полученного количества продукта к максимально возможному его количеству, которое моглобы быть получено при данных условиях проведения химической реакции.
Полная или интегральная селективность φ– это отношение количества исходного реагента, пошедшего на целевую реакцию, к количеству реагента, пошедшего на целевую реакцию и побочное взаимодействие.
Мгновенная, или дифференциальная, селективность φ' – это отношение скорости расходования реагента на целевую реакцию к скоростирасходования реагента на целевую реакцию и побочное взаимодействие:
, (2.26)
где – скорость расходования реагента А на целевую реакцию;
– скорость расходования реагента А (на целевую реакцию и побочное взаимодействие).
Производительность – это количество продукции, полученное в единицу времени:
; , (2.27)
где СR – концентрация продукта;
υ – объемный расход реакционной смеси.
Мощность – максимальная производительность аппарата, машины,ХТС:
P= Пmax. (2.28)
Интенсивность – это производительность аппарата, отнесенная к какой-либо величине, характеризующей размеры аппарата (объему, площади поперечного сечения и т.д.):
I= П/А . (2.29)
где А – «живое» сечение аппарата.
Время контактирования (соприкосновения) – отношение свободного объема катализатора к объемному расходу реакционной смеси:
, (2.30)
где – свободный объем катализатора;
υ – объемный расход реакционной смеси.
Объемная скорость– это величина, обратная , и представляет собой
. (2.32)
Объемная скорость– это объемный расход, приходящийся на единицу объема катализатора.
Каковы пределы измерения степени превращения, выхода, селективности?
Необходимо помнить, что степень превращения – это доля исходного реагента, использованного на химическую реакцию: ; .
Для выхода продукта: . Из уравнения следует, что .
Селективность ,
Где, – количество реагента А, пошедшего на целевую реакцию;
– количество реагента А, пошедшего на целевую реакцию и побочное взаимодействие.
По определению .
,
Где, – скорость расходования реагента А на целевую реакцию;
– скорость расходования реагента А (на целевую реакцию и побочное взаимодействие).
По определению 0.эффективности целевой реакции по сравнению с побочными взаимодействиями.
Что означает выражение: «реактивы взяты в стехиометрическом соотношении»?
Стехиометрическое соотношение, численное соотношение между количествами реагирующих веществ, отвечающее законам стехиометрии. С. с. выражаются целыми числами, что справедливо для всех газообразных и жидких, а также для подавляющего большинства твёрдых химических соединений. Однако среди последних, вследствие некоторых особенностей кристаллической структуры, встречаются соединения переменного состава, т. н. нестехиометрические соединения, в которых С. с. выражаются дробными числами.
В чем различие между действительной и равновесной степенями превращения реагента?
Различается тем, что строение конечного продукта будет зависеть от природы действующего реагента, а степень превращения реагента показывает, какая часть поданного реагента вступила в химические реакции (как целевую, так и побочные).
Равновесные степени превращения взаимосвязаны:
.
Если объем реакционной смеси постоянная величина, то можно использовать молярные концентрации:
;
;
.
С какой целью при проведении химических процессов в промышленных условиях один из реагентов часто будет в избытке по отношению к стехиометрии реакции? Каковы пути использования реагента, взятого в избытке и не вступившего в реакцию?
Степень превращения реагента показывает, насколько полно в ХТП используется сырье.
Возьмем произвольно в качестве участника реакции вещество Ј, следовательно, степень превращения:
, (2.1)
где nJ,0– количество реагентаJв исходной реакционной смеси;
nJ– количество реагентаJв исходной реакционной смеси, выходящей из реактора;
nJ – изменение количества реагента J в ходе химической реакции.
Чаще всего в химической реакции участвуют несколько реагентов, следовательно, для каждого из них можно определить степеньпревращения. Рассмотрим простую необратимую реакцию aA + bB = = rR + sS.
Степень превращения реагентов А и В:
; (2.2)
.
Изменение количества вещества в ходе химической реакции связано соотношениями:
(2.4)
. (2.5)
Уравнение позволяет рассчитывать неизвестную степень превращения одного реагента, зная степень превращения другого. Зная степенипревращения реагентов, можно определить и количество продукта:
. (2.6)
Если реакция протекает без изменения объема, то количество реагентов и продуктов можно заменить молярными концентрациями:
. (2.7)
Если , т.е. реагенты А и В взяты для проведения реакции в стехиометрическом соотношении (количества реагентов А и В относятся между собой как соответствующие этим веществам стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции), то ХА = ХВ.
Если , т.е. реагент А взят в избытке по отношению к реагенту В, то ХА < ХВ.
Если , т.е. реагент Bвзят в избытке по отношению к реагентуA, то ХА > ХВ.
Как связаны между собой:
Производительность и степень превращения реагента?
Степень превращения реагента показывает, насколько полно в ХТП используется сырье, а производительность показывает какое количество продукта получается за единицу времени.
Производительность и выход целевого продукта?
Производительность и выход продукта зависит от типа реакции.
Определите понятие «технологический режим», «технологическая схема процесса».
Технологический режим - это совокупность значений параметров технологического процесса в определенном интервале времени работы. К параметрам режима сварки относится сила тока, диаметр электрода, скорость сварки, напряжение на дуге и т. Д
Технологическая схема процесса – это схема описывающая последовательность основных действий данного процесса.