Общая химическая технология и химические реакторы (теория и практика). Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

________________________________

ФГБОУ ВО « ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ »

_______________________________________________________________________________________________________________

Н. Ю. САННИКОВА, А. С. ГУБИН, А. А. КУШНИР, С. С. НИКУЛИН, П. Т. СУХАНОВ

ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ

(ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА)

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

ВОРОНЕЖ

2023

1

УДК 66.0 (075)

ББК Л10я7

О-28

Научный редактор профессор О.В. КАРМАНОВА

Р е ц е н з е н т ы:

зав. кафедрой химии и химической технологии материалов Воронежского государственного технического университета профессор О.Б. РУДАКОВ;

д.х.н., профессор А.С. ШЕСТАКОВ (Воронежский государственный университет)

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Воронежского государственного университета инженерных технологий

- Воронеж: ВГУИТ, 2023. – 103 с. – Текст: непосредственный. ISBN 978-5-00032-678-7

Учебное пособие составлено в соответствии с требованиями ФГОС ВО по направлениям подготовки 18.03.01 – «Химическая технология», 18.03.02 – «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», 20.03.01 – «Техносферная безопасность». Представленный материал направлен на закрепление знаний по основным химическим производствам и реакторам, применяемым в химической промышленности.

Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежского государственного университета инженерных технологий, его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия университета запрещается.

2

3

4

1. СЫРЬЕВАЯ БАЗА ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Сырье – исходный материал для производства химического продукта, обладающий стоимостью. Сырье классифицируется по нескольким признакам.

По происхождению сырье бывает природное и синтетическое.

С Ы Р Ь Е

Растительное и животное сырье обычно подразделяют на пищевое и техническое.

По запасам сырье бывает возобновляемое(вода, воздух, растительное и животное сырье) и невозобновляемое (руды, горячие ископаемые).

По химическому составу сырье бывает неорганическое (руды, минералы) и органическое (нефть, уголь, природный газ).

По агрегатному состоянию сырье бывает твердое (руды, уголь, древесина), жидкое (вода, нефть) и газообразное (воздух, природный газ).

Сырье для промышленности органического синтезаэто углеводороды, получаемые из горючих ископаемых (нефти, угля, природного газа).

5

Нефть - это тяжелая маслянистая жидкость, содержащая: 1) парафиновые углеводороды (алканы) газообразные

С1 – С4, жидкие С5 – С15 и твердые С15 и более;

2)нафтеновые углеводороды (циклоалканы) – моно-, би- и полициклические структуры с боковыми цепями;

3)ароматические углеводороды (арены) – моноциклические (бензол, толуол, ксилолы) и полициклические (нафталин, фенантрен, антрацен и др.);

4)кислородсодержащие соединения (нафтеновые кислоты, фенолы, крезолы и др.);

5)сернистые соединения (сероводород, сульфиды, дисульфиды, меркаптаны, тиофены и др.);

6)азотистые соединения (пиридин, хинолин и их произ-

водные);

7)соли минеральных кислот;

8)органические комплексы ванадия, никеля и других ме-

таллов;

9)другие соединения.

Углеводородные газы являются более перспективным видом сырья, чем нефть, так как характеризуются лучшими экономическими показателями, более высокой технологичностью, легко транспортируются, содержат меньше примесей и перерабатываются по непрерывным легко автоматизируемым технологическим схемам.

По происхождению углеводные газы делятся на природные, попутные и нефтезаводские. Природные газы добываются из пластов, не содержащих нефть, и содержат 80-98 % метана, 0,5-2,0 % углеводородов С2-С4 и не более 0,7 % углеводородов С5, Н2S и СО2. Различают тощие (96-98 % метана) и жирные (менее 96 % метана) природные газы. В группу природных газов включают также газы газоконденсатных месторождений. При добыче из них выделяется конденсат, содержащий жидкие углеводороды и значительное количество сероводорода. Из природных газов получают формальдегид, уксусную кислоту, синтез-газ, водород, ацетилен, сажу, метанол, растворители и хладоагенты(хлор- и

6

фторпроизводные метана), нитросоединения и др. Большое количество природных газов используется в качестве бытового и промышленного топлива.

Попутные газы добываются вместе с нефтью в количестве порядка 50 м3/т. Они относятся к группе жирных газов, так как содержат значительное количество гомологов метана. Многие попутные газы содержат также благородные газы (гелий и аргон). Из попутных газов получают олефины, диены, благородные газы и используют в качестве топлива. Предварительно попутные газы

разделяются на отдельные компоненты и газовый бензин на газофракционирующих установках (ЦГФУ) газобензиновых заводов.

Нефтезаводские газы образуются в процессах вторичной переработки нефти и угля; состав этих газов и направления их использования зависят от их происхождения. В каталитических процессах выход газов - 15-20 %, в термических – 7-8 %.

Уголь - вид сырья альтернативный нефти и газу, запасы которых быстро истощаются. Уголь содержит органическую и неорганическую часть. Органическая часть представляет собой макроциклические полимеры сложного состава и строения. Неорганическая часть представлена производными кремния, алюминия, кальция, железа.

Основные процессы переработки угля– пиролиз (коксование и полукоксование), ожижение и газификация.

Пиролиз – нагрев угля до 500-600 0С (полукоксование) или до 900-1200 0С (коксование) без доступа воздуха. При этом образуется некоторое количество горючего газа, выделяются жидкие углеводороды, в основном ароматические, и получается кокс для металлургической промышленности.

Ожижение (гидрогенизация) осуществляется с целью по-

лучения искусственной нефти, которую затем перерабатывают в моторное топливо. Уголь в виде пасты гидрируется водорододонорными растворителями в присутствии катализаторов.

Газификация твердого топлива производится с целью -по лучения искусственного газообразного топлива, восстановитель-

7

ных газов, синтез-газа (СО + Н2). Суть процесса заключается в пропускании через раскаленный уголь газов различной природы. При использовании паров воды получают водяной газ; при использовании воздуха и кислорода – паровоздушные и парокислородные газы; иногда используют СО2, Н2 и другие газы. Процессы газификации могут быть термическими и каталитическими.

Воздух в химической технологии используется в качестве:

-сырья в процессах окисления, при получении кислорода, азота, благородных газов;

-окислителя при получении тепловой энергии(сжигании топлива);

-теплоносителя и хладагента;

-для перемешивания и распыления жидкостей.

Степень и способ очистки воздуха зависит от характера его применения. Обычно его очищают от пыли и влаги, а при использовании воздуха в качестве сырья – от контактных ядов.

1.1. Вода как сырье, методы очистки

Современная химическая промышленность является крупнейшим потребителем воды. По объему водопотребления химический завод средней мощности может быть приравнен к городу с 800 тысячным населением, то есть 10-20 млн м3 в год.

Вода используется:

-как реагент (в процессах гидратации, гидролиза, в производстве Н2 и др.);

-в качестве промывного агента;

-в качестве растворителя;

-как разбавитель (в процессах пиролиза, крекинга, дегидрирования и др.);

-теплоноситель (перегретая вода, водяной пар, хладагент). Вода является самым распространенным на Земле соедине-

нием. Но запасы пресной воды, пригодной для использования, составляют всего 0,3 % объема гидросферы. Все природные воды подразделяют на атмосферные, поверхностные и подземные.

8

Атмосферные воды выпадают на землю в виде дождя и снега. Они содержат наименьшее количество примесей. В основном это растворенные газы (кислород, углекислый газ, азот, др.), соли, бактерии. Атмосферные воды используются как источник водоснабжения только в безводных и засушливых районах.

Поверхностные воды – это воды открытых водоемов: рек, озер, морей. В состав этих вод входят разнообразные минеральные и органические вещества.

Подземные воды – воды артезианских скважин, колодцев, ключей, гейзеров. Они характеризуются значительным содержанием минеральных солей.

Взависимости от солесодержания природные воды подраз-

деляют:

- на пресные (до 1 г/кг солей), - солоноватые (1-10 г/кг), - соленые (более 10 г/кг).

Природные воды представляют собой сложную динамическую систему, содержащую газы, минеральные и органические вещества, находящиеся в истинно растворенном, коллоидном или взвешенном состоянии.

Вистинно растворенном состоянии находятся в основном

2+ 2+ + +

минеральные соли, содержащие катионы Са , Мg , Na , К и анионы SO42-, CO32-, HCO3-, Cl-. В виде недиссоциированных молекул могут находиться некоторые органические соединения, а также растворенные газы (О2, СО2, Н2S и др.).

В коллоидном состоянии в воде находятся недиссоциированные и малодиссоциированные соединения алюмо- и железосиликатов, гидроксид железа, кремниевая кислота и др., различные органические соединения. Органические коллоиды состоят в основном из гуминовых кислот, фульвокислот, лигнина, протеина, клетчатки, различных смол и других сложных соединений.

Во взвешенном состоянии природные воды содержат глинистые, песчаные, известковые и гипсовые частицы. Они могут также содержать живые организмы в виде различных бактерий, грибков, водорослей и т.п. В зависимости от назначения потребляемая вода условно подразделяется на промышленную и питье-

9

вую; содержание примесей в них регламентируется соответствующими стандартами.

Пресная природная вода используется без предварительной очистки в процессах первичной обработки сырья, для охлаждения продуктов и аппаратов и для различных вспомогательных операций. Во всех остальных случаях она подвергается очистке различными методами в зависимости от характера примесей и предъявляемых требований. Можно выделить следующие методы очистки воды:

- механические методы:

1)отстаивание – осаждение песка и тяжелых минеральных примесей под действием силы тяжести;

2)фильтрация (через кварцевый песок, коксовую мелочь, мраморную крошку, неактивный уголь и др.) – выделение тонкодисперсных соединений;

- механо-химические методы:

1)коагуляция – адсорбция мелкодисперсных примесей на хлопьях коагулянта и их совместное осаждение. Наиболее распространенными коагулянтами являются сульфаты алюминия и железа в присутствии едкого натра или извести;

2)флотация – выделение гидрофобных частиц примесей вместе с пузырьками воздуха и удаление их с поверхности воды;

- термические методы:

1)кипячение;

2)дистилляция – последовательное испарение воды с конденсацией пара;

- физические методы:

1)радиационный метод, основанный на разрушении примесей излучениями высоких энергий;

2)магнитная обработка, используемая для предотвращения образования накипи;

3)вымораживание;

4)ультрафиолетовое облучение;

5)ультразвуковая обработка;

- физико-химические методы:

1) метод ионного обмена, основанный на способности некоторых материалов обмениваться ионами с водой. Обмен ионов

10