1.5. Основные понятия и определения химического производства
Химическое производство - это совокупность большого количества взаимосвязанных технологических аппаратов, которые предназначены для переработки сырья в продукты потребления и средства производства. Это - сложный комплекс, в котором оптимальные параметры работы отдельных аппаратов преимущественно существенно отличаются. Так, например, производство серной кислоты состоит из трех основных стадий, которые характеризуются разными температурными и гидродинамическими режимами: 1) выжигание серосодержащего сырья в печах, которое осуществляется при температурах 973...1273 К; 2) окисление серы оксида(IV) в серу оксид (VI) при температурах 713...873 К в контактных аппаратах; 3) абсорбция серы оксида (VI) концентрированной серной кислотой (при этом происходит взаимодействие 8О3 с водой) при температуре 323 К в насадоных колоннах. В этом случае мы рассматриваем довольно сложную химико-технологическую систему. Большинство современных химических предприятий - это сложные химико-технологические системы, которые состоят из большого количества аппаратов и потоков между ними. Итак, химико-технологическая система является рядом взаимосвязанных технологическими потоками и действующих как одно целое аппаратов, в которых происходят в определенной последовательности технологические операции - подготовка сырья к химическим превращениям, химическое превращение, выделение и очистка конечных продуктов. Современное химическое производство - это совокупность операций, которые осуществляются в соответствующих аппаратах и машинах с получением продукта из сырья целесообразным способом. Химико-технологический процесс является совокупностью физических, химических и физико-химических операций, которые выполняются с целью превращения сырья в целевые продукты.
Простейшее производство можно описать такими реакциями:
и изобразить принципиальной схемой, которая охватывает три стадии (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Принципиальная схема простейшего химического производства
1 - подготовка сырья; 2- химическое превращение сырья в целевой продукт;
З - выделение или очистка целевого продукта; R - целевой продукт;
S - побочный продукт; А - сырье
Первой стадией в химическом производстве есть подготовка сырья к осуществлению химических преобразований. Преимущественно, это физические процессы: измельчение, размалывание, растворение, нагревание, концентрирование, обогащение, очищение от примесей и т.п.. Задача первой стадии заключается в том, чтобы предоставить сырью такие свойства, которые дали бы возможность осуществить химическое превращение с наибольшей эффективностью и обеспечить по возможности полное превращение его в желательный продукт с наименьшими затратами.
После подготавливания сырья осуществляется вторая стадия - химическое превращение. Она есть главной в любом химическом производстве, так как именно на этой стадии ценный компонент сырья превращается в целевой продукт. Вследствие химического превращения. образовывается смесь, химический состав которой отличается от состава начального сырья. Наличие стадии химического превращения является признаком того, что производство химическое.
Третья стадия - выделение целевого продукта и очистка его от примесей. Необходимость этой операции связана с тем, что во время химического превращения одновременно с целевым (R) может образовываться побочный продукт (S), а превращение сырья по обычно является неполным, вследствие чего образовавшийся продукт будет загрязненным. Это требует дополнительной его очистки. Поэтому непрореагировавшее исходное вещество необходимо возвратить в технологический процесс на первую или вторую стадию химического производства.
22
Все три вышеупомянутые стадии являются главными составными частями каждого химического производства. Они обеспечивают выполнение основной задачи химического производства - получение продукта заданного качества в необходимом количестве и образовывают главную подсистему ХТС. Но производство не может функционировать без обеспечения его энергией, оно также использует значительные объемы воды как теплоносителя, растворителя, реагента. Кроме того, развитие промышленности предъявило новые требования ко всем производствам - целью их функционирования есть не только получение продукта, но и соблюдение таких технологических принципов, как комплексное использование сырья, рациональное использование топливно-энергетических ресурсов, защита окружающей среды от вредных промышленных выбросов и стоков. Итак, в структуре каждого химического производства необходимо предусмотреть комплекс, предназначенный для утилизации отходов и очистки выбросов. Поэтому структура современного химического производства (рис. 1.3) охватывает, кроме трех стадий, указанных выше, еще и вспомогательные подсистемы: энергетическую, водоподготовки и водоочистки, утилизации отходов и очистки выбросов, а также управление.
Рис. 1.3. Структура химического производства Главная подсистема: 1 - подготовка сырья; 2 - главный технологический процесс
(химическое превращение); 3 - выделение и очистка целевого продукта;
вспомогательные подсистемы: 4 - энергетическая; 5 - водоподготовка и водоочистка;
6 - очистка выбросов и утилизация отходов; 7 -управление
Энергетическая подсистема предназначена для обеспечения всех технологических процессов и операций необходимой энергией, преимущественно в виде электрической и тепловой. Для этого на предприятии сооружают теплоэлектроцентрали, теплоэлектростанции, котельные, бойлерные, а также
23
трансформаторные подстанции для превращения высокого напряжения (десятки и сотни кв), которое подается внешней энергосистемой, к потребительским: 220 и 380 В.
Подсистема водоподготовки и водоочистка предназначена для очистки вод, которые забираются из естественных водоемов, от разных примесей соответственно тому, в каком конкретном технологическом процессе они используются, а также кондиционирование воды, если она используется в закрытом технологическом цикле. Кроме того, в этой подсистеме осуществляют очистку сточных вод, которые образовались в разных технологических процессах, перед их сбрасыванием в естественные водоемы.
Подсистема очистки выбросов и утилизации отходов являетсяобязательной в структуре современного производства. Очень часто она выглядит как отдельное производство, где из отходов или во время очистки выбросов получают дополнительный продукт. Например, из шлаков, которые образовываются после сжигания твердого топлива (уголь), изготовляют строительные материалы, а во время очистки отходящих промышленных газов от оксидов серы можно получить товарную серную кислоту.
Подсистема управления предназначена для управления отдельными подсистемами и согласование их работы. Функции этой подсистемы состоят в обеспечении оптимальных режимов работы в пределах подсистем и оперативном вмешательстве в ход технологических процессов в случае сбоев в работе оборудования или возникновении аварийных ситуаций.