охт (6sem) / методички митхт / Principals of technology
.pdfМинистерство образования Российской Федерации
Московская государственная академия тонкой химической технологии имени М.В. Ломоносова
Кафедра Общей хшwической технологии
Г.Н. Кононова,В.В. Сафонов, В.Н. Цыганков
Технологические принципы разрабоки
химико-технологических систем
Утверждено бuблUDmeЧI/О-uздaтелъскойКомиссией
методического совеma lvfИТXТим. МВ. ЛОМОl/осова
6 качествеучебного пособия
Москва, 2003
www.mitht.ru/e-library
УДК 66.0
Кононова г.н, Сафонов В.д, Цыганков в.н Теmолоmческие принципы
разработки химико-теmолоmческих сиcrем. Учебное пособие. - М.: ИIЩ
:митхт им.. М..В. Ломоносова, 2003. - 57 с.
В предлагаемом учебном пособии в сжатой и дOC1)'IIНой форме рас
смотрены принципы, положеllliыIe в основу разработки малoorxодных,
энерroмалоемких и эколоrnчески безопасных химико-технолоrnческих
систем.
Пособие можег бьпь рекомендовано cryденraм дневной и вечерней
формы обучения, изучающих курсы «Основы химической технолоrnи» и
«Основы и системные закономернОС1И химико-технолоrnческих проuес
сов».
©Московская государственная академюt<'fОИIOQЙ' X!-fМической технологии имени
М.В. Ломоносова, 2003 г.
www.mitht.ru/e-library
ВВЕДЕНИЕ
Разработка химико-технологических систем (ХТС) основывает
ся на ряде принципов*), соответствующих уровню иерархии предпри
ятия в системе его функционирования. Можно выделить различные
уровни, на которых действуют соответствующие принципы. Высший
уровень представляет собой глобмыtеe принципы, соответствую
щие связям ХТС с подсистемами более высоких уровеней (предпри
ятие в целом, отрасль, промышленность, регион, страна и т. д.). Об
щие принципы являются характерными для всех ХТС независимо от
их отраслевой ориентации. Это могут быть организационные, струк
турные, технологические, экономические и другие принципы. Спе
цифика отрасли отражается в отраслевых принципах (основной ор
ганический синтез, технология материалов, азотная промышлен
ность, хлорная отрасль и т. п.). Частltые принципы действуют на
уровне отдельных элементов и внутренних подсистем ХТС (органи
зация реакторных подсистем, разделение, очистки газов и т. п.). Де
ление принципов весьма условно. Так, принцип экологической безо
пасносm является глобальным, а с другой стороны - технологиче
ским, поскольку конкретные способы его реализации связаны с со
вершенствованием технологии и принятием превентивных мер, пре
дотвращающих образование отходов и загрязнение окружающей сре-
*) Термин «принцип» происходит от латинского слова «princip-
ium» - основа, первоначало, и означает основоположение или основ
ное правило действия, или руководящая идея.
www.mitht.ru/e-library
ды.
в соответствии с иерархичностью (соподчиненностью больших
систем) принципы более низкого уровня иерархии должны быть под
чинены принципам более высокого уровня. Так, глобальное потепле
ние климата земли, связываемое, в том числе, с увеличением содер
жания парниковых газОВ в атмосфере, требует резкого сокрашения их
выбросов и, соответственно, корректировки действующих техноло
гий.
При разработке ХТС основу составляют технологические
принципы, которые относятся к общим принципам. Они не являются
постоянными (как и сама технология) и могут видоизменяться по ме
ре появления новых проблем, требующих современных решений.
Так, наряду с традиционными принципами наилучшего использова
ния сырья и энергии на первое место выходит принцип экологиче
ской безопасности химических производств. В соответствии с науч
но-техническим прогрессом также изменяются и способы их реали
зации. При этом используются организационные, методологические,
химические и экономические принципы, которые в свою очередь на
I<..1адывают определенные ограничения на функционирование хтс.
В настоящее время разработка ХТС базируется на следующих
основных технологических принципах:
-
-
принцип наилучшего использования сырья;
принцип наилучшего использования энергии;
-принцип наибольшей интенсивности процессов;
-принцип экологической безопасности.
www.mitht.ru/e-library
Возникающие при реализации перечисленных выше принципов
противоречия вызывают необходимость использования приемов
прииципа «технологической сораз,:нерностll», которые позволяют
разрешить возникшие противоречия и решить задачу оптимизации на
качественном уровне. Следует отметить, что эти противоречия не
имеют общего характера. Поэтому они будут рассматриваться кон
кретно при реализации основных технологических принципов.
Реализация принципов основывается как на фундаментальных
закономерностях, так и на ряде эвристических правил и приёмов, вы
рабатьmаемых в процессе функционирования ХТС и её развития.
Данное учебное пособие преследует цель оказать помощь сту
дентам, изучающих курс «Основы химической технологии» в освое
нии приемов реализации основных технологических принципов при
разработке новых и совершенствовании действующих хтс.
www.mitht.ru/e-library
Глава 1. ПРИНЦИП НАИЛУЧШЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЫРЬЯ
в настоящее время основная химическая и нефтехимическая
промышленности используют, в основном, минеральное сырье, кото
рое делится на рудное, нерудное и горючее (органическое). Рудное
сырье представляет собой твердофазную совокупность минералов,
содержащую сульфиды ИJlИ оксиды металлов и пустую породу, их
вмещающую. Оно применяется для производства металлов и их со
единений. Нерудное сырье содержит в своем составе соли, песок,
глину, асбест и используется или в естественном состоянии, или пе
рерабатывается на соли и минеральные удобрения. Горючие мине
ральные ископаемые представлены нефтью, газом, углем и сланцами
и в ХТС ИСПО.1ЬЗУЮТСЯ в качестве источников сырья для производст-
ва органических продуктов или в качестве топливно-энергетических
ресурсов. Так, при производстве аммиака на 1 т расходуется 1200 м3
природного газа, в том числе 650 м3 - на сжигание, а 550 м3 - на син-
тез.
Минеральное сырье относится к практически невозобновляе
мым ресурсам. В тоже время, используемые в производстве вода и
воздух, в соответствии с круговоротом веществ в природе, относятся
к числу возобновляемых ресурсов.
Особым видом сырьевых источников для производства химиче
ской продукции являются вторичные :11Gтериальные ресурсы. Они
представляют собой отходы производства и потребления, побочные и
6
www.mitht.ru/e-library
промежуточные вещества, образующиеся и не использующиеся в
процессе функционирования данной ХТС.
Бурное развитие химической и нефтехимической промышлен
ности сопровождается непрерывным ростом потребления природных
ресурсов, что приводит к высоким темпам истощения естественных
источников сырья. По оценкам специалистов, запасы многих видов
минерального сырья израсходуются в течение нескольких десятков
лет. Резко падает качество сырья, уменьшается содержание основно
го компонента, возрастает доля примесей, повышается стоимость до
бычи. Возрастающий дефицит многих видов сырья является одной из
важнейших проблем в химической промышленности.
Вторая проблема связана с большими расходными коэффициен
тами по сырью, доля которого в себестоимости химической продук
ции достигает 60%.
И, наконец, неполнота использования сырья приводит к образо-
ванию отходов и загрязнению окружающей среды.
Поэтому принцип наилучшего использования сырья включает:
-
-
-
увеличение степени использования сырья;
сокращение количества отходов;
комплексное использование сырья.
Низкая степень использования сырья возникает по следующим
причинам: термодиuа«ическим (состояние равновесия обратимых
реакций не позволяет проводить до конца основную реакцию); кине
тическим (не достигается теоретически возможная степень превра
щения из-за низких скоростей реакции); обусловленным ;14еханuзмом
www.mitht.ru/e-library
процесса (например, наличием побочных взаимодействий и др.).
Кроме того, на уровне организации производства к ним присоединя
ются технологические И конструкционные причины. Отсюда форми
руются основные приемы для увеличения степени использования сы
рья, базирующиеся на основных химических закономерностях.
1.1. Использование одного из реагентов в избытке (относительно теоретически необходимого ко личества).
Для реакции аА + ЬВ ~ rR относительный избыток IB реагента
В определяется:
где САО и СВО - начальные мольные концентрации исходных ве-
ществ.
Применение избьпка реагентов определяется различными при-
чинами:
а) Избытокреагента приводит к смещению
равновесия.
для реакции:
(1.l)
2
К:::: Pso,
рPSO, PO,
8
www.mitht.ru/e-library
С увеличением парциального давления кислорода РО2 возраста
ет значение знаменателя. А поскольку константа равновесия Кр при
данной температуре есть величина постоянная, то возрастает числи
тель-Рsоз, Т.е. равновесие смещается в сторону образования проДУк-
тов реакции.
б) Избытокреагентовускоряет какхимическую,
так и диффузионную стадии nроцессов.
Напомним, что в системе газ - твердое тело скорость rj химиче-
скnй реакции А+В ~ R определяется:
_ dCR =kC"'C"' |
|
r. - dC |
А В |
т
а скорость диффузии f g:
где Сл и СВ - концентрации реагирующих веществ, П! и П2 - порядок
реакции по соответствующему компоненту, р - коэф
фициент массопередачи, Cv и CF - концентрации ком
.понента в объеме потока и на поверхности твердой фа-
ЗЪIсоответственно.
www.mitht.ru/e-library
в) Подавление побочныхреаlЩUЙ.
Получение этилбензола алкилированием бензола на катализато
ре А1С1з сопровождается последовательным образованием ди- и
триэтилбензола:
СД + С2Н4 ~ C6HsC2Hs, |
(1.2) |
C6HsC2Hs + С2Н4 ~ С6Н4(С2НS)Ъ |
(1.3) |
С6Н4(С2Н4) + C2~ ~ С6Нз(С2Нs)з. |
(1.4) |
Избыток бензола предотвращает образование побочных ве
ществ. При выборе компонента, используемого в избытке, необходи
мо руководствоваться следующими правилами:
1. Реагент, используемый в избытке, не должен быть дорогим.
Наиболее дешевым сырьем в процессах окисления является воздух.
Однако при этом необходимо учитывать, что при использовании воз
духа, наряду с кислородом, вводится азот, который при организации
рециклов может накапливаться в системе, понижая парциальное дав
ление реагирующих веществ. Кроме того, он' разбавляет полученные
продукты, что отрицательно сказывается на последующих стадиях
проuесса. Так, при конверсии СО водяным паром:
СО + Н2О ~ С02 + Hz |
(1.5) |
процесс ведут при избытке воды, но большие масштабы производст
ва водорода приводят к тому, что себестоимость водорода определя
ется расходом водяного пара;
2. Реагент, используемый в избытке, не должен принимать уча
стия в побочных взаимодействиях;
10
www.mitht.ru/e-library