- •Содержание
- •1. Введение.
- •1.1 Общие закономерности химических процессов. Классификация процессов общей химико-технологических процессов
- •Требования к химическим производствам
- •Компоненты химического производства
- •Разделение на две твердые фазы:
- •Разделение жидкости и твердого вещества:
- •1.2 Промышленный катализ
- •Основные положения теории катализа.
- •1.3. Сырьевая база химической промышленности.
- •Классификация сырья
- •Характеристика минерального сырья
- •Химическое сырье
- •Растительное и животное сырье
- •Характеристика разработок минерального сырья
- •Качество сырья и методы его обработки
- •Способы сортировки:
- •Способы обогащения:
- •Сырьевая база химических производств
- •1.4 Энергетическая база химических производств
- •1.5 Критерии оценки эффективности производства
- •1.5.1. Интегральные уравнения баланса материальных потоков в технологических процессах. Понятие о расходных коэффициентах. Относительный выход продукта
- •1.5.2. Балансы производства
- •1. Материальный баланс
- •2. Энергетический (тепловой) баланс
- •3. Экономический баланс
- •1.5.3. Технологические параметры химико-технологических процессов.
- •1.6.Принципы создания ресурсосберегающих технологий
- •2. Теоретические основы химической технологии
- •2.1. Энергия в химическом производстве. Тепловой эффект реакции в технологических расчетах. Направленность реакции в технологических расчетах
- •2.2 Массообменные процессы. Основные принципы массообменных процессов. Моделирование процессов теплообмена.
- •Молекулярная диффузия. Первый закон Фика
- •Турбулентная диффузия
- •Уравнение массоотдачи
- •Уравнение массопередачи
- •Связь коэффициента массопередачи и коэффициентов массоотдачи (или уравнение аддитивности фазовых сопротивлений)
- •Подобие массобменных процессов
- •3. Химическое производство как сложная система. Иерархическая организация процессов в химическом производстве
- •3.1. Химико-технологические системы (хтс). Элементы хтс. Структура и описание хтс. Методология исследования хтс, синтез и анализ хтс.
- •Методология исследование химико-технологических систем.
- •3.2. Сырьевая и энергетическая подсистема хтс
- •1. Классификация химических реакторов по гидродинамической обстановке.
- •2. Классификация химических реакторов по условиям теплообмена.
- •3. Классификация химических реакторов по фазовому составу реакционной массы.
- •4. Классификация по способу организации процесса.
- •5. Классификация по характеру изменения параметров процесса во времени.
- •6. Классификация по конструктивным характеристикам.
- •3.4. Промышленные химические реакторы. Реакторы для гомогенных процессов, гетерогенных процессов с твердой фазой, гетерогенно-каталитических процессов, гетерофазных процессов.
- •Реакторы для гетерогенных процессов с твердой фазой.
- •Реакторы для гетерогенно-каталитических процессов.
- •4. Основные математические модели процессов в химических реакторах
- •4.1. Идеальные химические реакторы. Непрерывный реактор идеального вытеснения. Непрерывный реактор идеального смешения
- •4.2. Сравнение эффективности проточных реакторов идеального смешения и идеального вытеснения. Обоснование использования каскада реакторов.
- •Каскад реакторов смешения.
- •Влияние степени конверсии.
- •Влияние температуры.
- •5. Применение кинетических моделей для выбора и оптимизации условий проведения процессов
- •5.1. Экономические критерии оптимизации и их применение для оптимизации реакционных узлов.
- •Оптимальные концентрации инициатора и температуры в радикально-цепных реакциях
- •Оптимизация степени конверсии.
- •7. Важнейшие промышленные химические производства
- •7.1 Проблема фиксации атмосферного азота. Синтез аммиака, Физико-химические основы производства и обоснование выбора параметров и типа реакционного узла. Технологическая схема процесса.
- •Синтез аммиака
- •Сырье для синтеза аммиака.
- •Технология процесса.
- •Основные направления в развитии производства аммиака.
- •7.2. Получение азотной кислоты. Физико-химические основы химических стадий процесса, обоснование выбора параметров и типа реакторов. Технологическая схема процесса.
- •Физико-химические основы процесса.
- •Контактное окисление аммиака.
- •Обоснование роли параметров и их выбор.
- •Окисление оксида азота (II) до диоксида.
- •Абсорбция диоксида азота.
- •Технология процесса.
- •7.3. Производство минеральных удобрений. Классификация минеральных удобрений
- •Классификация минеральных удобрений.
- •7.3.1. Азотные удобрения. Физико-химические основы производства нитрата аммония. Устройство реакционного узла. Теоретические основы процесса и его технологическое оформление
- •Производство нитрата аммония.
- •7.3.2. Производство фосфорной кислоты. Физико-химические основы процесса. Технологическая схема
- •Функциональная схема производства эфк.
- •Сернокислотное разложение апатита.
- •7.3.3. Фосфорные удобрения. Физико-химические основы процессов их производства. Типы реакционных узлов.
- •Производство простого суперфосфата.
- •Производство двойного суперфосфата
- •Азотнокислое разложение фосфатов. Получение сложных удобрений
- •Обжиг серосодержащего сырья.
- •Обоснование роли параметров и их выбор.
- •Сжигание серы.
- •Окисление диоксида серы.
- •Обоснование роли параметров и их выбор.
- •Технология контактного окисления so2.
- •Абсорбция триоксида серы.
- •Перспективы развития сернокислотных производств.
- •7.5. Электрохимические производства. Теоретические основы электролиза водных растворов и расплавленных сред. Технология электролиза раствора хлорида натрия.
- •Основные направления применения электрохимических производств
- •Электролиз раствора хлорида натрия
- •Электролиз раствора NaCl с твердым катодом и фильтрующей диафрагмой
- •Электролиз раствора хлорида натрия с ртутным катодом
- •7.6. Промышленный органический синтез
- •Первичная переработка нефти.
- •Каталитический риформинг углеводородов.
- •7.6.2. Производство этилбензола и диэтилбензола. Теоретические основы процесса и обоснование выбора условий процесса. Технология процесса
- •7.6.3. Синтезы на основе оксида углерода. Производство метанола. Теоретические основы процесса.
- •Окисление изопропилбензола (кумола)
- •Технологическая схема получения фенола и ацетона кумольным способом.
- •7.6.5. Биохимические производства. Особенности процессов биотехнологии.
- •7.6.5.1. Производство уксусной кислоты микробиологическим синтезом
- •7.6.5.2. Производство пищевых белков
- •8. Химико-технологические методы защиты окружающей среды
- •8.1. Утилизация и обезвреживание твердых отходов
- •8.2. Утилизация и обезвреживание жидких отходов
- •8.3. Обезвреживание газообразных отходов
7.6.5.1. Производство уксусной кислоты микробиологическим синтезом
В химической промышленности техническая уксусная кислота производится окислением ацетальдегида. Пищевую же уксусную кислоту получают окислением этилового спирта под действием фермента алкогольоксидаза, вырабатываемого уксусно-кислыми бактериями:
С2Н5ОН + О2 = СН3СООН + Н2О
Процесс протекает с выделением теплоты в аэробных условиях (с подачей воздуха для жизнедеятельности микроорганизмов) при температуре 301—308 К в кислой среде (рН = 3). Сырьем служит очищенный разбавленный спирт (примеси угнетают уксусно-кислые бактерии). Реакция (брожение) осуществляется непрерывно или периодически в реакторе — ферментере. Технологическая схема производства приведена на рис.
уксус
Технологическая схема производства уксусной кислоты из спирта
1 – емкость для приготовления питательной среды; 2 – компрессор; 3- фильтр бактерицидный; 4 – ферментеры; 5 – пастеризатор; 6 – фильтр-пресс; 7 – емкость для купажирования; 8 – сборник готового продукта.
Непрерывный процесс проводят в каскаде ферментеров 4, каждый из которых отвечает за определенную стадию процесса — быстрое размножение культуры бактерий и наращивание биомассы, активное окисление спирта, замедление роста биомассы с накоплением продукта (автоингибирование), истощение популяции бактерий и их гибель. В соответствие со стадиями процесса в каждом ферментаторе поддерживаются заданные условия культивирования (концентрации спирта и кислоты, температура, степень аэрации). Подаваемый в ферментеры воздух проходит бактерицидный фильтр 3 для сохранения чистоты бактериальной культуры. Из последнего ферментера выводится сырой уксус, содержащий около 9 СН3СООН и поступает на тепловую обработку в аппарат 5 на пастеризацию. При температуре 358-363К происходит инактивация бактериальной массы и коагуляция коллоидных частиц. После фильтра 6 в емкости 7 уксус доводят (купажируют) до нужной концентрации и направляют в сборник готового продукта 8. Выход уксусной кислоты достигает до 90 кг на 100 л безводного спирта.
Как видно, технологическая схема данного микробиологического синтеза включает ряд типовых аппаратов химической технологии — реакторы, фильтры, смеситель, теплообменник. Но из-за специфичности процесса система реакторов для его обеспечения выбирается с учетом рабочего цикла сопряженного процесса - жизнедеятельности бактерий.
7.6.5.2. Производство пищевых белков
В отличие от сложных белков, белки одноклеточных организмов (БОО) используются как пищевая добавка. Обогащением белковыми добавками на основе БОО улучшают качество растительного белка. Эти добавки повышают содержание витаминов, микроэлементов, а главное — аминокислот, несинтезируемых многими растениями. Производство пищевых белков измеряется миллионами тонн в год и постоянно растет. Микробиологический синтез белка, продукт которого представляет собой инактивированную массу клеток, — основной промышленный способ его получения. Его принципиальная схема включает:
подготовку культуры микроорганизма (продуцента), например, определенного вида дрожжей — одноклеточного гриба, размножающегося почкованием;
приготовление питательной среды (субстрата), включающего вещества сырья, подвергающегося превращению под действием ферментов, и минеральные соли, регулирующие, жизнедеятельность клеток;
культивирование (выращивание) продуцента, в ходе которого увеличивается его биомасса (эта стадия обычно называется ферментацией);
отделение биомассы; отработанная культурная жидкость направляется на очистку; тепловая обработка готовой биомассы, ее сушка и очистка; в ходе этих
операций происходит инактивация массы и ее подготовка в виде товарной продукции.
Охлаждение
Аэрация
Аппаратурное оформление процесса включает характерное для химической технологии оборудование: сепараторы, сушилки, фильтры, выпарные аппараты и др. Здесь обратим внимание только на ферментер, обеспечивающий собственно производство продукта - биомассы. Кроме того, ферментер также должен обеспечить «комфортные» условия жизнедеятельности микроорганизмов — их физиолого-биохимическую активность. Среда, в которой происходит ферментация, состоит из отдельных фаз и образований. Необходимо обеспечить однородность среды по всему объему реактора, иначе локальные неоднородности, застойные зоны существенно изменят ход размножения клеток микроорганизма. Было предложено много разных вариантов конструкций ферментеров (рис. ). В колонном ферментере однородность среды обеспечивается барбатажем воздуха (рис.), а также специальными вставками, встроенными диффузором с турбиной или механическими смесителями. В ферментере, показанном на рис. 6.61, б, перемешивание жидкости осуществляется высоким эрлифтом — барбатаж воздуха вызывает циркуляцию жидкости. Циркуляция может быть обеспечена также принудительно с помощью встроенного перемешивающего устройства. В этих конструкциях необходимо исключить образование застойных зон в углах аппарата (см. разд. и рис. 4.48). В ферментере горизонтального типа (рис. ) поток принудительно циркулирует по объему аппарата, похожего на тороид. Однако скорость движения потока должна быть достаточной, чтобы предотвратить расслаивание жидкости (см. разд. и рис. ).
Рис. 1. Схемы ферментеров:
а - колонного (1 - реакционная зона, 2- пеногаситель, 3- охлаждающая рубашка, 4- распределитель воздуха);
б- циркуляционного (1- реакторная колонна, 2- зона сепарации, 3- циркуляционная труба, 4 - теплообменник, 5 - барбатер);
в - горизонтального (1- винтовое перемешивающее устройство, 2 - горизонтальный реактор, 3 - сепарационная емкость, 4 - теплообменник);
А - питание; Б - газ на аэрацию; В - дрожжевая суспензия; Г - отработанный газ.
В представленных ферментерах обеспечивается интенсивное перемешивание жидкости, и процесс описывается моделью идеального смешения. Соответственно, методы химической технологии (расчет и конструирование химических реакторов и других аппаратов, принципы синтеза ХТС, балансовые расчеты и т.д.) используются и при создании биохимических производств, но, конечно, с учетом специфики протекающих процессов. В заключении отметим, что на выбор схемы и аппаратурного решения в малотоннажных производствах (витаминов, специальных биопрепаратов) наиболее сильно будет сказываться «рецептурная» составляющая процессов (например, условия подачи компонентов, стерильность условий и др.).