Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Тема 2. Химико-технологический процесс и его содержание
Химико-технологический процесс представляет собой совокупность операций, позволяющих получить целевой продукт из исходного сырья.
Химический процесс – одна или несколько химических реакций, сопровождаемых явлениями переноса теплоты, массы и импульса, оказывающих влияние как друг на друга, так и на протекание химической реакции.
Любое химическое производство с точки зрения системного подхода представляют в виде химико-технологической системы, в которой реализуется совокупность химико-технологических процессов, протекающих в различных аппаратах.
Химико-технологическая система состоит из ряда подсистем.
Основные подсистемы: 1) подсистема подготовки сырья;
2) подсистема химического превращения;
3) подсистема разделения продуктов химической реакции.
К вспомогательным подсистемам относятся: 1) подсистема утилизации побочных продуктов;
2) доведения целевого продукта до требований стандартов;
3) операции, связанные с требованием экологии (очистка сточных вод).
1) В подсистеме подготовки сырья реагенты приводят в более реакционно-способное состояние
•часто реагенты нагревают, так как скорость процесса зависит от температуры;
• газы компримируют до определенного давления, что позволяет снизить объем используемой аппаратуры);
•исходное сырье подвергают очистке от посторонних примесей, при этом используются явления тепло- и массообмена, гидромеханические процессы. обычно проводятся следующие операции: очистка сырья от примесей за счет разнообразных физических, физико-химических, химических процессов, таких как, аб- и адсорбция, экстракция, перекристаллизация, ректификация, фильтрация. В некоторых случаях используются и химические реакции, например, для очистки изобутилена от нормальных бутенов: его можно превратить в триметилкарбинол
i-С4Н8 (г) + Н2О(Т,Р,Каt) ТМК (Р) i-С4Н8 + Н2О
н-бутены + Н2О
Если сырье имеет разнообразные примеси, используется комплекс методов.
К первой подсистеме также относится нагрев. Чаще всего сырье перед подачей в реактор нагревают. Наиболее экономически целесообразно проводить нагрев сырья за счет съема тепла с продуктов реакции, уже прошедших реактор. Съем тепла проводится в теплообменных устройствах.
В некоторых случаях для предотвращения быстрой взрывной реакции, с точки зрения требования техники безопасности, по условиям процессов требуется охлаждать сырье.
2) подготовленное сырье подается в химический реактор, где оно подвергается химическому взаимодействию. В химическом реакторе протекают целевая реакция, приводящая к образованию целевого продукта, и побочные реакции.
В химическом реакторе часть сырья может не вступить в химическое превращение, т.е. остаться непревращенным.
Оно может состоять из нескольких этапов, в промежутках между которыми иногда вновь используются тепло- и массообменные процессы: фильтрование, центрифугирование, ректификация, абсорбция, экстракция и другие.
3) На стадии разделения производится разделение смеси продуктов, полученных в результате химических реакций используя физические, физико-химические, иногда и химические методы, или их комплекс.
Сырье в структуре себестоимости химической продукции составляет примерно 60 – 70 %, поэтому после разделения и если необходимо до очистки его вновь возвращают в химический реактор (на 2 стадию), организуя, т.о., рецикл. Рецикл осуществляется не только по сырью, но и по растворителям.
Химико-технологический процесс реализуется в совокупности разнообразных аппаратов (химические реакторы, абсорбционные и ректификационные колонны, теплообменники), объединенных материальными потоками от начала переработки сырья до конечной продукции. Эта совокупность аппаратов называется технологической схемой производства. Бывают открытые и закрытые ТС, они могут содержать байпасные (отводные) потоки и рециклы, повышающие эффективность ХТС в целом.
Каждый процесс проводится при определенных условиях. Совокупность параметров процесса, определяющих работу аппарата или группы аппаратов называется технологическим режимом процесса. Наибольший выход продукта получается при оптимальных условиях проведения процесса. (С, Р, Т и др). Оптимальные условия ведения процесса – это сочетание основных параметров (температуры Т°, давления Р, состава исходной реакционной смеси С, и так далее), позволяющее получить наибольший выход продуктов с высокой скоростью или обеспечить наименьшую себестоимость при соблюдении условий рационального использования сырья и энергии и минимизации возможного ущерба окружающей среде.
На всех этапах (особенно на заключительных) проводят также рекуперацию вторичных материальных и энергетических ресурсов. Потоки газообразных и жидких веществ, попадающих в окружающую среду, подвергают очистке, чтобы извлечь из них все ценные компоненты, а также ликвидировать опасность загрязнения окружающей среды. Твердые отходы либо направляют на дальнейшую переработку, либо размещают для хранения в безопасных для окружающей среды условиях.
Классификация химических реакций, лежащих в основе промышленных ХТП.
Для получения химической продукции в основе процессов заложены десятки тысяч разнообразных химических реакций, которые можно классифицировать по определенным признакам для оптимального управления ХТП.
1) По механизму протекания реакции:
а) простые необратимые (например обжиг руды) – для осуществления требуется преодоление лишь одного энергетического барьера
4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8 SO2
б) простые обратимые (синтез аммиака)
N2 + 3H2 2NH3
в) сложные необратимые
- параллельные: C2Н4 + ½ О2 = С2Н4О
C2Н4 + 3 О2 = 2СО2 + 2Н2О
- последовательные: C2Н5ОН + ½ О2 = СН3СНО + Н2О
СН3СНО + ½ О2 = СН3СООН
г) сложные обратимые:
СО + Н2О СО2 + Н2; СО2 + 3Н2 СН3ОН + Н2О
2) по фазовому составу реакционной системы:
В зависимости от того, одну или несколько фаз образуют исходные реагенты и продукты реакции, химические реакции делят на:
- гомофазные, в которых исходные реагенты, стабильные промежуточные вещества и продукты реакции находятся в пределах одной фазы.
- гетерофазные, в которых исходные реагенты, стабильные промежуточные вещества и продукты реакции образуют более чем одну фазу.
Понятия «гомофазный» и «гетерофазный» процессы не совпадают с понятиями «гомогенная» и «гетерогенная» реакции:
- Гомо- и Гетеро-фазность процесса позволяет лишь судить о ФАЗОВОМ составе участников реакции.
- Гомо- и гетеро-генность реакции отражает в определенной степени ее механизм: протекает ли реакция в объеме какой-то одной фазы или на поверхности раздела фаз.
- Гомогенные. Реагенты и продукты находятся в одноименных фазах и реакция протекает в объеме этой фазы. : Г-Г, Ж-Ж (смешивающиеся)
- Гетерогенные. По меньшей мере один из реагентов или продуктов находится в фазовом состоянии, отличающемся от фазового состояния остальных участников, и при ее анализе обязательно должна учитываться поверхность раздела фаз. Г-Ж, Т-Т, Ж-Т, Ж-Ж (несмешивающиеся)
б) каталитические:
- гетерогенно-каталитические: катализатор – твердое вещество, реагенты – Г, Ж
- гомогенно-каталитические (и реагенты и катализатор и растворители в одной и той же фазе – жидкой)
3) по величине и знаку теплового эффекта реакции:
а) экзотермические реакции, в ходе которых происходит выделение теплоты (Q>0), происходит уменьшение энтальпии (H<0) реакционной системы.
б) эндотермические реакции, сопровождающиеся поглощением теплоты (Q<0), энтальпия увеличивается (H>0)
по величине: 1) сильноэкзотермические
2) экзотермические
3) слабоэкзотермические
4) слабоэндотермические
5) эндотермические
6) сильноэндотермические
Деление реакций по тепловому эффекту имеет важное значение при определении влияния теплового эффекта на равновесие и скорость обратимых реакций.
4) по типу кинетической модели процесса. Порядок реакции – сумма показателей степеней у концентраций реагентов в кинетическом уравнении. (порядок реакции определяется на основе экспериментальных исследований):
а) реакции 0-ого порядка
б) 1-ого порядка
в) 2-ого порядка
г) 3-его порядка
д) дробного порядка
Кинетическая модель реакции необходима для расчета времени пребывания реагентов в реакторе для достижения заданной степени превращения реагентов в реакторе.
5) по молекулярности (учитывает, сколько молекул участвует в элементарном акте реакции)
а) мономолекулярные
б) бимолекулярные
в) тримолекулярные (редко)
6) по способу активации реакционной системы:
а) низко- и высокотемпературные
б) давление (под вакуумом, при нормальном и высоком давлении)
в) каталитические (более 90 % реакций), некаталитические
г) фотохимические, электрохимические, радиационные и т.д.
Для простых необратимых процессов в качестве критерия оптимизации выбирают скорость процесса и конверсию (скорость должна обеспечивать заданную производительность, а конверсия = выходу).
Для простых обратимых – скорость и положение равновесия.
Для сложных необратимых – скорость, селективность, конверсия.
Для сложных обратимых – скорость, положение равновесия, селективность.
Работу химических производств в целом оценивают по экономическим показателям, таким как, прибыль, себестоимость продукции, капитальные затраты и т.д.
Экономические показатели процесса в значительной мере зависят от технологических: конверсия (степень превращения), селективность, выход продукта, расходные коэффициенты по сырью, вспомогательным материалам (растворители, катализаторы) и др. Эти показатели с разных сторон характеризуют глубину протекания химико-технологического процесса, его полноту и направленность в сторону образования целевого продукта.
1. Конверсия X (степень превращения) исходного реагента это доля исходного реагента, использованного на химическую реакцию – показывает, насколько полно в ХТП используется исходное сырье.
Для реакции аА + bВ rR + sS
степень превращения реагента А:
(Исходное число молей реагента А – оставшееся в реакционной смеси)/Исходное число молей реагента А.
Или через концентрации
через массы
Зная конверсию одного из реагентов можно выразить конверсии других реагентов, участвующих в реакции.
Из конечного уравнения следуют частные случаи:
а) если , то реагенты взяты в стехиометрическом количестве , т.е. Х(А) = Х(В);
б) если – реагент А взят в избытке, Х(А) < Х(В);
в) если – реагент В взят в избытке, Х(А) > Х(В);
Пределы конверсии: 0 < X < 1 (это доля от первоначального количества реагента)
В избытке берут более дешевый реагент для повышения степени использования более дорогого.
Для обратимых химических реакций предельно состояние химического равновесия. Предельно достижимая при данных условиях равновесная степень превращения
(Исходное число молей реагента А – Число молей реагента А в условиях равновесия)/Исходное число молей реагента А
(индекс е от лат. equilibrium – "равновесие").
Степень превращения ХА характеризует процесс не полностью: даже прореагировав целиком, реагент может послужить образованию не целевого, а побочного продукта.
2. Селективность ( - позволяет оценить эффективность целевой реакции по сравнению с побочными).
Полная, или интегральная селективность – это отношение количества исходного реагента, расходуемого на целевую реакцию, к общему количеству реагента, расходуемого на целевую и побочную реакции вместе:
, также можно выразить через концентрацию, число молей.
Пределы селективности: 0 < < 1. Чем выше селективность, тем меньше побочных продуктов образуется в ходе процесса, тем меньше расход сырья на побочные реакции.
Дифференциальная селективность ' – может рассматриваться как функция соотношения скоростей целевой и побочной реакции:
А R (целевая)
А S (побочная)
3. Выход Ф готового продукта – отношение реально полученного количества продукта к максимально возможному его количеству, которое могло быть получено при этих условиях.
Если в основе процесса лежит химическая реакция, описываемая конкретным уравнением, то для необратимых реакций выход определяется как отношение массы, полученной на практике mnp к массе, теоретически возможной по стехиометрическому уравнению mтеор.
Для простых необратимых реакций Выход = Конверсии ХА.
Выход для обратимой реакции определяется как отношение практически полученной массы продукта к максимально возможной массе его, которая может быть получена в данных условиях производства. Максимально возможное количество продукта рассчитывается по стехиометрическому уравнению реакции.
4. Расходные коэффициенты РК (Ктеор, Кпр.) по сырью количество сырья или энергии каждого вида, затрачиваемое на производство единицы массы или объема готовой продукции. РК по сырью выражаются в т/т, кг/кг, и т.д.; по энергии, соответственно, в кВтч/т.
Теоретические РК рассчитываются на основе стехиометрического уравнения целевой реакции, как отношение молярной массы реагента к молярной массе целевого продукта с учетом стехиометрических коэффициентов.
Практические РК рассчитывают из практических данных по материальным балансам производств.
РК показывает расход чистого реагента при полной конверсии без протекания побочных реакций и без учета потерь на получение единицы продукции.
5. Показателем, характеризующим эффективность работы машин, аппаратов, цехов и заводов в целом, служит производительность. Производительность – это количество выработанного продукта или переработанного сырья в единицу времени:
где П – производительность; m – количество продукта; τ – время.
Производительность может быть отнесена к отдельному аппарату, технологической линии, цеху, предприятию в целом.
МАХ возможная производительность П называется мощностью N предприятия.
Производительность измеряется в килограммах в час (кг/ч), тоннах в сутки (т/сут), или, кубических метрах в сутки (м3/сут) и т.д. Максимально возможная в данных условиях производства производительность называется мощностью.
6. Для сравнения работы аппаратов и установок различного устройства и размеров, в которых протекают одни и те же химические процессы, используется понятие интенсивность. Интенсивность I аппарата (машины, реактора) его производительность, отнесенная к единице величины, характеризующей размеры рабочей части аппарата объема V или площади сечения S:
где V – объем аппарата (реактора).
Интенсивность может измеряться количеством продукта, получаемого в течение единицы времени с единицы объема аппарата. Например, (кг/чм3), или с единицы сечения аппарата (т/сутм2) и т.д.
Интенсивность по катализатору
7. Качество продукции – совокупность технических, эксплуатационных, экономических и других свойств, обуславливающих ее пригодность для удовлетворения личных или производственных потребностей в соответствии с ее назначением. В большинстве случаев качество химических продуктов определяется их чистотой или содержанием в них основного вещества. Производство высокочистых или концентрированных продуктов важно не только с точки зрения качества конечного продукта, идущего на народное потребление, но и по многим другим причинам. Например, применение концентрированных продуктов повышает интенсивность процессов, в которых они используются в качестве сырья. Это приобретает особое значение для химической промышленности, продукция которой представляет собой главным образом сырье или средство производства, а не непосредственного потребления.
Особенно большие требования к чистоте химических продуктов предъявляются при производстве химических реактивов и особо чистых веществ, применяемых в некоторых технологических процессах. Так, например, содержание окислов азота и хлора в реактивной серной кислоте должно быть не более 10-4 %, а содержание мышьяка – не более 310-6 %.
Качество продукции измеряется системой показателей, охватывающих различные области использования продукции: надежности, долговечности. Эти показатели задаются государственными стандартами (ГОСТ) и техническими условиями (ТУ) на продукцию.
По мере совершенствования химико-технологических процессов, а также по требованию потребителей химических продуктов стандарты систематически пересматриваются. При этом проводится большая исследовательская работа по оценке возможностей промышленности, вырабатывающей тот или иной продукт, а также по установлению обоснованности выдвигаемых потребителями требований. В результате такой работы составляется новый стандарт, в котором предусматриваются более качественные показатели продукции (все или некоторые из них).
Экономические критерии эффективности ХТП
Для химической промышленности, как отрасли крупномасштабного материального производства, имеет значение не только технический, но и тесно связанный с ним экономический аспект, от которого зависит нормальное функционирование и развитие производства. Этот аспект рассматривает экономика химической промышленности. Важнейшим критерием, характеризующим совершенство химического производства, является его экономическая эффективность, которая зависит от мощностей технологических установок, используемых в производстве, на которых вырабатывается продукция, и от научного и технического уровня, на котором осуществляется технологический процесс.
Экономическая эффективность характеризуется 3-мя основными показателями:
Капитальные затраты.
Себестоимость продукции.
Производительность труда. Все эти показатели тесно связаны между собой и должны рассматриваться в комплексе.
1. Капитальные затраты К – это сумма всех затрат, произведенных при строительстве данного цеха или предприятия в целом. Естественно, что во всех случаях следует стремиться к тому, чтобы эти затраты были минимальными. Однако, применение новой более совершенной аппаратуры, коррозионно-устойчивых материалов, автоматических методов контроля и регулирования процесса связано с увеличением материальных затрат, но одновременно приводит к снижению эксплуатационных затрат и себестоимости продукции. Поэтому в каждом отдельном случае при разработке проекта все эти вопросы решаются с учетом конкретных условий.
Удельные капитальные затраты Р – это отношение общей стоимости установки или цеха (т.е. капитальных затрат) К (руб.) к годовой мощности.
P = K / Q
ге Р – удельные капитальные затраты, руб/тгод; К – капитальные затраты, руб, Q – мощность установки, тон/год.
С увеличением единичной мощности установки удельные капитальные затраты снижаются.
2. Полной себестоимостью называется денежное выражение затрат данного предприятия на изготовление и сбыт единицы продукции. Затраты предприятия, непосредственно связанные с производством продукции, называются фабрично-заводской себестоимостью, которая слагается из следующих статей:
1) сырье, полуфабрикаты и основные материалы, непосредственно участвующие в химических реакциях производства;
2) топливо и энергия на технологические цели;
3) заработная плата основных производственных рабочих;
4) амортизация – отчисления Ам на возмещение износа основных производственных фондов, зданий, сооружений, оборудования и др.;
5) цеховые расходы, включающие затраты на содержание и текущий ремонт основных производственных фондов (в том числе и зарплату вспомогательных и ремонтных рабочих), а также затраты на содержание административно-управленческого персонала цеха, охрану труда и технику безопасности;
6) общезаводские расходы.
Из себестоимости основного продукта обычно вычитается стоимость побочных продуктов, полученных из того же сырья.
Учет себестоимости ведут по специальной форме, в которой отражаются все элементы себестоимости. Форма является одинаковой для всех химических производств.
Соотношение затрат по различным статьям себестоимости сильно изменяется для различных химических производств. Важнейшей статьей в большинстве случаев являются затраты на сырье; в среднем по химической промышленности они составляют 60…70 % себестоимости. Топливо и энергия в среднем составляют около 10 % себестоимости, однако в электрохимических и электротермических производствах электроэнергия представляет одну из главных статей расхода. Так, например, в производстве элементарного фосфора на электроэнергию приходится 40 % себестоимости.
Заработная плата основных рабочих в химической промышленности невелика ввиду высокой степени механизации и автоматизации производственных процессов, она составляет в среднем лишь около 4 % себестоимости. Однако в ряде химических производств зарплата превышает 20 % себестоимости.
Отчисления на амортизацию составляют обычно 10…15 % себестоимости; для фосфорной кислоты они значительно меньше, так как применяемое при этом оборудование сравнительно простое и дешевое.
В состав себестоимости включены амортизационные отчисления (что отражает влияние капитальных затрат) и все виды заработной платы (что отражает производительность труда), поэтому в первом приближении можно принять, что экономическая эффективность химического производства характеризуется себестоимостью продукции.
Зависимость между себестоимостью и единичной мощностью производственного агрегата приближенно выражается уравнением
S = m Qn ,
где S – себестоимость продукта, руб./т; Q – мощность цеха (установки), т/год; m, n – коэффициенты (n = – 0,2…– 0,3).
3. Производительность труда – это количество продукции, вырабатываемой рабочим в единицу времени, или 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 установки вдвое производительность труда для многих химических производств возрастает на 60…80 %.
При разработке химико-технологических процессов проводятся разнообразные расчеты для количественной оценки протекающих операций, а также для определения оптимальных значений параметров технологического процесса. Во всех случаях при расчетах учитываются законы гидродинамики, тепло- и массопередачи и химической кинетики, поэтому расчеты материальных потоков обычно сочетаются с энергетическими расчетами, для этого составляют материальный и энергетический балансы.
Материальный баланс – это вещественное выражение закона сохранения массы вещества, согласно которому во всякой замкнутой системе масса веществ, вступивших во взаимодействие, равна массе веществ, образовавшихся в результате этого взаимодействия, т.е. приход вещества ΣGприх равен его расходу Σ Gрасх . Таким образом, уравнение материального баланса можно представить в виде:
ΣGприх = ΣGрасх .
Для периодических процессов материальный баланс составляют в расчете на одну операцию, для непрерывных процессов – за единицу времени.
Материальный баланс составляют по уравнению основной суммарной реакции с учетом параллельных и побочных реакций. Он может быть составлен для всех веществ, участвующих в процессе, или только для одного какого-либо вещества. Обычно учитываются не все протекающие реакции и получаемые побочные продукты, а лишь те, которые имеют существенное значение, т.е. материальный баланс носит приближенный характер.
Материальный баланс составляют для процесса в целом или для отдельных его стадий.
Расчет материального баланса основан на 2 объективных законах:
Сырье в реальных процессах, протекающих в промышленности, подается на взаимодействие с определенной долей примесей – это сырье называется техническим.
Материальный баланс может быть как в виде уравнения, так и в виде таблицы. В левой части – приход –записываются массы потоков сырья, поступающих на переработку, в правой части (расход) – массы потоков, прошедших переработку. Если процесс протекал в химическом реакторе, то после переработки в графе расход возможны следующие потоки:
1) целевой продукт;
2) побочные продукты;
3) непревращенный остаток сырья;
4) примеси, поступающие вместе с реагентами;
5) потери (сырья, продукта, указанных в исходных данных.)
При проектировании обычно задаются массой целевого продукта; массу сырья и массу побочных продуктов определяют по уравнению материального баланса.
На основании материального баланса рассчитываются расходные коэффициенты, определяются размеры аппаратов и устанавливаются оптимальные значения параметров технологического режима процесса.
Сравнивая фактические и теоретические расходные коэффициенты, можно сделать вывод о совершенстве процесса. Чем ближе эти значения, тем совершеннее производство.
Фактические расходные коэффициенты по сырью увеличиваются, если уменьшаются конверсия, селективность, увеличиваются потери, недостаточная очистка сырья.
Химико-технологические процессы связаны с затратой различных видов энергии – тепловой, механической, электрической. В основу энергетического баланса положен закон сохранения энергии, согласно которому в замкнутой системе сумма энергий всех видов постоянна. Поскольку в ХТпроцессах тепловая энергия имеет наибольшее значение, для них обычно составляют тепловой баланс: приход тепла ΣQПPИX в данной технологической операции, равен расходу тепла ΣQPACX в той же операции.
ΣQПPИX = ΣQPACX
Тепловой баланс составляют по данным материального баланса с учетом тепловых эффектов химический реакций и физических превращений, протекающих в аппарате, учитывается теплосодержание веществ, участвующих в процессе, а также теплота подводимая в аппарат извне и выводимая из аппарата, тепловые потери в данной технологической операции.
Тепловые вклады в баланс рассчитывают по известным формулам.
Тепловой эффект химической реакции:
(значения энтальпии продуктов реакции и исходных веществ берутся из таблиц)
Теплосодержание веществ6
где m – масса вещества,
c – его теплоемкость,
t – температура.
Теплоту фазовых переходов рассчитывают по формуле:
где q – удельная теплота соответствующего фазового перехода (испарения, конденсации, растворения, кристаллизации)
m – масса вещества.
Подвод и отвод теплоты в систему рассчитывают по потере тепла теплоносителем:
где m – масса теплоносителя,
С – теплоемкость теплоносителя,
tн tк – начальная и конечная температура теплоносителя.
И по формуле теплопередачи через стенку:
где КТ – коэффициент теплопередачи;
F – поверхность телообмена;
tт – температура теплоносителя, обогревающего аппарат;
tпр – температура подогреваемого продукта;
– время.
Данные теплового баланса используются для определения расхода теплоносителя и хладоагента, расчета поверхности греющих и охлаждающих элементов и подбора оптимального теплового режима процесса.
PAGE 14