ВВЕДЕНИЕ

Пособие разработано в соответствии с требованиями государст­ венного образовательного стандарта к уровню подготовки выпускни­ ков по направлению «Защита окружающей среды».

Дисциплина «Физико-химические основы технологических про­ цессов» входит в блок общепрофессиональных дисциплин и базиру­ ется на знаниях, полученных при изучении общей и органической химии, физики, физической и коллоидной химии, физико-химичес­ ких методов защиты биосферы, и направлена на подготовку специа­ листов к участию в реализации технических решений, инженерных и конструкторских проектов, технологий в области защиты окру­ жающей среды от промышленных загрязнений.

Знание теоретических основ технологических процессов, общей химической технологии создает базу для научно обоснованных ре­ шений по выбору методов очистки сточных вод, газовых выбросов промышленных предприятий, разработке замкнутых систем водо­ снабжения, утилизации твердых отходов, разработке малоотходных технологий, целевых региональных программ в области природо­ охранной деятельности.

В пособии рассмотрены основные закономерности технологиче­ ских процессов, приведены расчетные формулы для проведения тер­ модинамического и кинетического анализа химико-технологических процессов, принципы составления материальных и тепловых балан­ сов процессов и химико-технологических систем, основные матема­ тические модели реакторов, принципы анализа и синтеза химико­ технологических систем.

Кратко рассмотрены основные химические производства неорга­ нического и органического синтеза. Особое внимание уделено прин­ ципам и методам переработки многотоннажных твердых отходов, образующихся при переработке нефти и газа, в производствах неор­ ганического синтеза.

В пособии приведены примеры термодинамических и кинетиче­ ских расчетов процессов и реакторов и разработаны индивидуальные задания по основным темам дисциплины и требования по их вы­ полнению.

Отдельные примеры взяты в переработанном виде из учебно­ методических пособий: «Расчеты химико-технологических процес­ сов» (под редакцией И. П. Мухленова); Дыбина П. В. «Расчеты по технологии неорганических веществ»; Бесков С. Д. «Технохимические расчеты»; Игнатенков В. И., Бесков В. С. «Примеры и задачи по общей химической технологии».

В процессе изучения дисциплины студенты должны получить знания теоретических основ технологических и химико-технологи­ ческих процессов, технологических расчетов реакторов различных типов, основных химико-технологических производств, получить практические навыки проведения технологических расчетов, оценки технических решений по критериям эффективности использования сырья и энергоресурсов, экологической безопасности и экономиче­ ской целесообразности.

Авторы выражают глубокую признательность рецензентам: кан­ дидату технических наук Ю. М. Трухину - директору ООО «Межре­ гиональный экологический центр»; А. А. Кетову - профессору ка­ федры технологии неорганических веществ ПГТУ, доктору техниче­ ских наук за полезные замечания и высказанные рекомендации при ознакомлении с рукописью пособия.

Модуль 1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС.

ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС И ХИМИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО

1. Основные понятия

Технологический процесс - совокупность операций и процессов переработки сырья и материалов.

Подробнее остановимся на процессах химической переработки сырья и материалов с целью получения качественно нового продукта.

Химико-технологический процесс (ХТП) - последовательность процессов целенаправленной переработки сырья и материалов в про­ дукт на основе химических, физико-химических процессов и их со­ четания.

В ХТП можно выделить отдельные процессы и операции, которые можно классифицировать по их основному назначению (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Классификация химико-технологических процессов

Механические и гидромеханические процессы - процессы пере­ мещения материалов, изменения их формы и размеров, сжатия и рас­ ширения - протекают без изменения фазового и химического состава сырья и материалов.

Для проведения механических и гидромеханических процессов обработки материалов используют транспортеры, питатели, дробил­ ки, компрессоры, насосы, фильтры и др.

Теплообменные процессы - это процессы охлаждения, нагрева, сублимации, испарения и др., которые проводят в теплообменниках, кипятильниках, конденсаторах, сублиматорах и др. Процесс протека­ ет без изменения химического состава реагентов, но может сопрово­ ждаться фазовыми переходами.

Массообменные процессы сопровождаются переносом вещества внутри фазы или между фазами за счет градиента концентрации. К ним можно отнести растворение, кристаллизацию, сушку, ректификацию, абсорбцию, десорбцию, адсорбцию, экстракцию и др., которые осуще­ ствляют в соответствующих массообменных аппаратах: абсорберах, адсорберах, сушилках, ректификаторах, экстракторах и др.

Химические процессы, сопровождающиеся качественным изме­ нением химического состава перерабатываемого сырья, проводят в химических реакторах.

Энергетические процессы представляют взаимное преобразова­ ние различных видов энергии (тепловой, механической, электричес­ кой) в турбинах, генераторах, моторах и т. п.

Процессы управления - получение и передача информации о со­ стоянии основных потоков и веществ. К устройствам управления от­ носятся клапаны, задвижки, датчики, автоматическая система управ­ ления - АСУТП.

Химико-технологические процессы лежат в основе химического производства.

Химическое производство - совокупность ХТП, осуществляе­ мых в машинах и аппаратах.

Структура и функциональные элементы химического производ­ ства представлены на рис. 1.2.

Подготовка сырья включает в себя предварительную обработку: обогащение, измельчение, очистку от примесей, смешение компо­ нентов и др. В качестве сырья в ХТП могут быть использованы при­ родные материалы минерального (ископаемые руды, горючее, при­ родные соли и др.) и органического (растительного и животного) происхождения, отходы производства и потребления.

Рис. 1.2. Структура и функциональные элементы химического производства

Подготовленное сырье подвергается переработке в химических реакторах и в результате образуется основной продукт. В связи с тем, что в сырье могут содержаться примеси, превращение исходного ве­ щества может быть неполным, часто необходима стадия выделения основного продукта из образующейся реакционной смеси и очистка его от примесей.

Важным элементом современного химического производства яв­ ляется очистка образующихся сточных вод, газовых выбросов и ути­ лизация твердых отходов, которая включает в себя обезвреживание токсичных отходов и возможность переработки отходов с получением дополнительных продуктов, обладающих товарными свойствами.

В химическом производстве и химической промышленности

вцелом потребляется более 15 % всех энергоресурсов, расходуемых

втехнике, поэтому энергетическая система является важным эле­ ментом химического производства. В химической промышленности используются различные виды энергии: тепловая, электрическая, световая (фотохимия), атомная и др.

Основными источниками энергии могут служить горючие иско­ паемые - каменный уголь, кокс, торф, природный газ, коксовый газ, уран, энергетическая ценность которых представлена в табл. 1.1, а также вторичные источники энергии - отходящие горючие органиче­ ские вещества, отработанные теплоносители.

Таблица 1.1

Энергетическая ценность источников энергии

Химические процессы могут сопровождаться выделением тепла, в связи с чем энергетическая система производства должна обеспе­ чивать рациональное использование энергоресурсов - возврат и ис­ пользование тепла для технологических целей.

При проведении ХТП используются вспомогательные материалы, к которым можно отнести сорбенты, катализаторы, экстрагенты и др.

Особое место среди используемых ресурсов занимает вода. Она применяется для охлаждения оборудования, выработки пара, раство­ рения, разбавления потоков и др. В зависимости от назначения к ка­ честву воды предъявляются определенные требования, поэтому сис­ тема водоподготовки является также частью химического произ­ водства.

Основными стадиями водоподготовки, обеспечивающей очистку воды от механических примесей, растворенных веществ до требуе­ мых показателей, являются следующие:

•очистка воды от грубодисперсных примесей методами проце­ живания, отстаивания и др.;

•очистка воды от мелкодисперсных примесей и снижение цвет­ ности воды методами коагуляции, фильтрации;

•умягчение и обессоливание воды физико-химическими метода­ ми (ионный обмен, обратный осмос и др.);

•дегазация - удаление из воды растворенных газов химическими или физико-химическими методами (фильтрация через слой сорбен­ тов, нагрев и др.).

При необходимости, например при использовании воды в котлах высокого давления, ее подвергают очистке от соединений кремния, железа, удалению кислорода и др.

Наиболее экономически целесообразно разрабатывать систему оборотного водоснабжения, которая представляет собой комплекс со­ оружений, обеспечивающих прием воды из водоема (водозабор), во­ доподготовку, подачу воды потребителю (насосная станция и системы водопроводов), очистку образующихся сточных вод в соответствии

стребованиями, предъявляемыми к оборотной технической воде. За счет использования систем замкнутого водоснабжения водопотребление в химической промышленности может снизиться на 80-90 %.

Контроль состояния производства, основных технологических потоков осуществляется системой управления.

Можно выделить постоянные и переменные компоненты хими­ ческого производства.

Кпеременным компонентам ХП можно отнести:

•сырье, поступающее на переработку;

•вспомогательные материалы, необходимые для проведения про­ цесса;

•продукты производства (основные и дополнительные, получен­ ные из образующихся отходов);

•отходы производства, не подлежащие переработке. В зависимо­ сти от класса опасности они подвергаются захоронению на специ­ альных полигонах или полигонах твердых бытовых отходов;

•энергия.

К постоянным компонентам ХП можно отнести:

•аппаратуру и оборудование;

•здания и сооружения;

•устройства контроля и управления;

•обслуживающий персонал.

В состав химического производства входят следующие произ­ водственные единицы:

•собственно химическое производство;

•складские помещения для хранения сырья, продуктов и мате­ риалов;

•узел транспортировки сырья, материалов и твердых отходов;

•здания и сооружения, в том числе цеховая химическая лабора­ тория;

•обслуживающий персонал;

•службы управления, обеспечения и безопасности. Теоретические основы проведения химико-технологических про­

цессов и организации химического производства изучает прикладная наука - химическая технология.

Химическая технология - наука о способах и процессах произ­ водства продуктов, осуществляемых на основе химических превраще­ ний технически, экономически и социально целесообразным путем.

Основными методами исследования химической технологии яв­ ляются экспериментальный, моделирование и системный анализ.

При изучении химической технологии выделяют:

I.Технологию неорганических веществу включающую в себя:

1)основной неорганический синтез - производство кислот, ще­ лочей, солей, минеральных продуктов;

2)тонкий неорганический синтез - производство неорганических препаратов, реактивов, редких элементов, материалов электроники, лекарственных веществ;

3)ядерно-химическую технологию;

4)металлургию;

5)силикатные производства.

II. Технологию органических веществ, включающую в себя:

1)переработку нефти и газа;

2)нефтехимический синтез;

3)основной органический синтез - производство органических веществ на основе углеводородного сырья;

4)биотехнологию - производство дрожжей, ферментов, амино­ кислот, антибиотиков;

5)тонкий органический синтез - производство органических пре­ паратов, реактивов, лекарственных веществ;

6)технологию высокомолекулярных веществ;

7)технологию переработки растительных и животных жиров.

2.Показатели химико-технологического процесса

ихимического производства

Можно выделить четыре группы показателей химико-технологи­ ческого процесса: технические, экономические, эксплуатационные и социальные.

Технические показатели определяют качество ХТП. Рассмот­ рим основные технические показатели.

Производительность (мощность) производства - количество по­ лучаемого продукта или количество перерабатываемого сырья в едини­ цу времени:

где П - производительность (кг/ч, т/ч, м3/ч, т/сут); G - количество получаемого продукта или перерабатываемого сырья за время /.

При расчете производительности производства за 1 год учиты­ ваются плановые остановки оборудования и принимается, что произ­ водство работает 8000 ч или 330 суток в году.

Расходный коэффициент РК показывает количество затраченно­ го сырья, материалов или энергии на производство единицы продук­ та (кг сырья/т продукта, м3 сырья/кг продукта, кВтч/кг продукта, Гкал/т продукта и т. д.). Расходный коэффициент не отражает эффек­ тивности использования расходуемых компонентов.

Выход продукта (степень исполъзованш сырья) - отношение ре­ ально получаемого количества продукта из сырья к максимальному количеству, которое теоретически можно получить из того же сырья.

Интенсивность процесса - количество перерабатываемого сырья или образующегося продукта в единице объема аппарата. Этот пока­ затель характеризует интенсивность протекания процесса в техноло­ гическом аппарате.

Селективность процесса - отношение выхода основного продук­ та к выходу всех продуктов в процессе:

где G - выход основного продукта; £(Gv) - выход всех продуктов в про­ цессе с учетом побочных реакций.

Качество продукта определяет его потребительские свойства и товарную ценность. Этот показатель может включать в себя содер­ жание (состав и количество) примесей, физические и химические показатели, внешний вид и размеры, цвет, запах и прочее. Качество продукта определяется нормативными документами (ГОСТ - госу­ дарственный отраслевой стандарт, технические условия, сертификат качества).

Экономические показатели определяют экономическую эффек­ тивность производства. К ним можно отнести такие показатели, как себестоимость продукта и производительность труда.

Себестоимость продукта - суммарные затраты на получение единицы продукта. Себестоимость складывается из следующих ста­ тей расхода: затрат на сырье, энергию, вспомогательные материалы; единовременные и амортизационные капитальные затраты - капи­ тальные затраты, распределяемые равномерно на срок эксплуатации оборудования; затраты на оплату труда работников.

Производительность труда - количество продукции, произве­ денной в единицу времени (обычно за год) в пересчете на одного ра­ ботающего; характеризует эффективность производства относитель­ но затрат труда.

Эксплуатационные показатели показывают изменения в хими­ ко-технологическом процессе и производстве при эксплуатации обо­ рудования. К основным эксплуатационным показателям относятся:

• надежность, характеризуется средним временем безаварийной работы либо числом аварийных остановок оборудования или произ­ водства в целом за определенный период времени. Этот показатель зависит от качества используемого оборудования и правильности его эксплуатации;

•безопасность функционирования - вероятность нарушений, приводящих к нанесению вреда или ущерба обслуживающему пер­ соналу, оборудованию, а также окружающей среде, населению;

•чувствительность к нарушениям режима и изменению условий эксплуатации; определяется отношением изменения показателей процесса к этим отклонениям;

•управляемость и регулируемость - возможность поддерживать показатели процесса в допустимых пределах; показатели определяют величину допустимых изменений условий процесса, управляющие параметры и их взаимовлияние (сложность управления).

Социальные показатели определяют уровень безопасности ус­ ловий работы на производстве.

Степень автоматизации и механизации определяет долю ручно­ го и тяжелого труда в эксплуатации производства.

Безвредность обслуживания определяется на основе условий вы­ полнения нормативных требований к охране труда на производстве.

Экологическая безопасность - степень воздействия производства на объекты окружающей среды.

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение основных понятий: технологический про­ цесс, химико-технологический процесс, химическое производство, химическая технология.

2.Рассмотрите классификацию ХТП.

3.В каких аппаратах осуществляются массообменные процессы?

4.В каких аппаратах осуществляются теплообменные процессы?

5.Рассмотрите основные элементы химического производства и определите функциональное назначение каждого элемента ХП.

6.Рассмотрите состав и основные компоненты ХП.

7.Что изучает химическая технология как наука?

8.Рассмотрите основные показатели ХП.

9.Что представляет собой расходный коэффициент сырья?

10.Что понимается под социальными показателями химического производства?

11.Каковы основные источники сырья для химической промышлен­ ности?

12.Что представляет собой энергетическая система ХП?

13.Рассмотрите особенности водоподготовки на химическом про­ изводстве.

14.Что представляет собой система управления ХП?