МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Одесский национальный политехнический университет химико-технологический факультет кафедра органических и фармацевтических технологий

По курсу

“ ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ”

для студентов химико-технологического факультета

специальности 8.091.601 - «Технология органических веществ»

Одесса 2005 г.

Конспект лекцийпоз курсу “ ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ”

«ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ»

для студентов химико-технологического факультета специальности

8.091.601 - «Технология органических веществ» / Сост. В.В.Лялин. - Одесса: ОНПУ. 2005. - 50с.

.

Составители: к.х.н.,доц.Лялин Виктор Васильевич

Ответственный за выпуск д.х.н., проф.Куншенко Б.В.

Утверждено методической комиссией химико-технологического факультета ОНПУ.

I. Введение

1.1.. Определение химической технологии

Изучение какого-нибудь предмета может быть успешным, если точно обрисовать изучаемую область и дать однозначное определение используемых в ней понятий. Это отметил еще Сократ: "Точное логичес­кое определение понятий - главнейшее условие истинного знания".

Следуя этому правилу, определим - что такое "химическая технология» предмет дальнейшего рассмотрения.

Слово "технология" - греческого происхождения: techne- искусство (ремесло умение) logos-учение, т.е. дословный перевод слова "технология" - учение об искусстве получения, об умении де­лать что-то. Уже генезис этого слова определяет технологию как науку (учение) о способах, процессах переработки, изготовления, производства. "Химическая технология" подразумевает обязательным при этом осуществление химических превращений, т.е. определяет ее как учение (науку) о химическом производстве.

Химическая технология - прикладная, естественная наука о спо­собах и процессах переработки сырья и продукты (предметы потребле­ния или средства производства), осуществляемых с участием хими­ческих и физико-химических превращений технически, экономически и социально целесообразным путем.

Наука как отдельная отрасль знаний о природе. обществе и мыш­лении должна иметь объект изучения, цель исследований и метод ис­следований.

Химическая технология имеет:

Объект изучения - химическое производство, включая способы и процессы переработки сырья в продукты;

цель исследования - создание экономичного способа производства необходимых человечеству продуктов;

методы исследования - математическое моделирование на основе физико-химических, тепло-массообменных и гидродинамических закономерностей явлений, происходящих в аппаратах химического производ­ства и системный анализ химического производства как химико-технологической системы.

В технической литературе термин "химическая технология" не­редко используется также в другом значении - как синоним понятий "способ превращений", "метод получения". Так, "технология нефти и газа" означает " способы переработки нефти и газа", "'технология кипящего слоя" означает "методы получения продуктов с использованием кипящего слоя" и т.д.

Химическое превращение является основным процессом не только в химическом и нефтехимическом производстве. Химическое превращение лежит в основе получения строительных и вяжущих материалов, метал­лов, производств медицинской промышленности и микробиологии, про­цессов горения в энергетике и на транспорте и т.д. Это показывает, что общие закономерности химической технологии имеют межотраслевое значение.

1.2. Структура химического производства

Проведем дальнейшее уточнение объекта рассмотрения химической технологии . Отмечалось, что объектом изучения в химической технологии являются химическое производство.

Химическое производство - совокупность операций, осуществляемых в соответствующих аппаратах и машинах и направленных на получе­ние продукта из сырья целесообразным способом.

Первой группой операций в химическом производстве являетcя подготовка сырья к осуществлению химических превращений. Как правило, это физические воздействия - измельчение, растворение, нагревание, концентрирование, очистка от примесей и т.д.

После подготовки сырья проводится собственно химическое превращение, в результате чего образуется смесь, химический состав кото­рой отличается от исходного сырья. Наличие химического превращения сырья является признаком, что производство - химическое.

Третья группа операций - выделение и очистка полезного продук­та от примесей. Необходимость этих операция связана с тем, что в химическом превращении могут образовываться побочные продукты, не­полное превращение сырья, от которых надо очистить продукт.

Три группы операций - подготовка сырья, химическое превращение, выделение продукта - основные составные части химического произ­водства. Они обеспечивают выполнение основной задачи химического производства - получение продукта.

Развитие промышленности выдвинуло новые требования ко всем производствам - основными целями их функционирования является не только получение продукта, но выполнение таких функций, как комплексное использование сырья, защита окружающей среды, экономия топливно-энергетических ресурсов. Химическое производство стало многофункциональным. Поэтому следует выделить так же составные части химического производства, обеспечивающее решение отмеченных выше дополнительных, но так же главных задач химического производства.

Состав химического производства представлен на рис.1, где показаны его основные составные части и функциональные связи меж­ду ними.

Рис.1. Состав химического производства

В системе аппаратов химического производства перерабатываются потоки вещества энергии, которые назовем компонентами химического производства. К ним относятся: сырье, энергия, вода, продукты, полупродукты, отходы.

Сырье - исходные перерабатываемые вещества или материалы.

По назначению сырье может быть основным (технологическим) и вспомогательным. Основное сырье превращается в продукты. Вспомогательное используется для обеспечения производства.

Энергия также служит для обеспечения процессов химического производства. Возможно полезное использование энергии, потоков хи­мического производства в виде так называемых вторичных энергетичес­ких ресурсов.

Вода в химическом производстве не только хладоагент или тепло­носитель, но один из видов сырья. Учитывая большое потребление и особое значение для жизнедеятельности человека, ее следует выде­лить как отдельный компонент.

Продукты химического производства могут быть основные и допол­нительные, или побочные.

Полупродукты - продукт данного химического производства, используемый как сырье в другом производстве.

Отходы - полезно не используемые вещества в материалы, образуемые в данном производстве.

Химическое производство - сложная система. В ней протекают химические реакций, перенос тепла, вещества и импульса движения на молекулярном уровне и в масштабе аппаратов, обмен тепловыми, массовыми, энергитическими, механическими потоками между разнообразными аппаратами и устройствами. Протекающие процессы имеют разный масштаб, различное место проведения, различную интенсивность.Структура процессов химического производства представлена на рис.2. Она представляет собой иерархическую, возрастающую по масштабам последовательность.

Нижний уровень составляют отдельные процессы - явления воздействия на вещества. Процессы могут быть механические, физические, химические. При механическом воздействии происходит переме­щение веществ, изменение формы, размеров; при физическом – изменение физического состояния, фазового состава, агрегатного состоя­ния. В химическом процессе происходит изменение химического соста­ва.

Рис. 2. Структура процессов химического производства

Следующим структурным уровнем процессов химического производст­ва является химико-технологический аппарат – устройство для осуществления процесса - абсорбер , ректификационная колонна , теплообменник, насос, фильтр, химический реактор и т.д.. В каждом из аппара­тов может осуществляться несколько процессов.

Совокупность аппаратов, осуществляющих определенную операцию назовем агрегатом - третий уровень. Например, химический реактор вместе в теплообменником и смесителем , обеспечивающим режим рабо­ты реактор можно классифицировать как агрегат (иногда его называют также реакционным узлом). Аппарат и агрегат могут совпадать. Выделение агрегата в отдельную структурную единицу обусловлено не только иерархической схемой структуры химического производства. Объединение аппаратов в агрегат обусловлено также возможностью по­явления качественно новых свойств процесса из-за наличия разнообраз­ных связей между аппаратами.

Химико-технологический процесс (ХТП) – четвертый уровень - протекает в совокупности агрегатов и аппаратов с получением определенного продукта - конечного (целевого) продукта, промежуточного про­дукта, полупродукта и т.п.

Совокупность химико-технологических процессов образует хими­ческое производство (ХПр). служащее для получения конечного про­дукта - пятый уровень. Химическое производство и химико-технологический процесс могут совпадать. Например, производство слабой азотной кислоты можно определить как химико-технологический процесс. В производстве аммиака можно выделить, по крайней мере, два химико-технологических процесса - получение азото-водородной смеси как промежуточного продукта и синтез аммиака.

Шестой уровень это химический комбинат или производственное объединение представляют собой совокупность химических (и. воз­можно. других) производств, объединенных в производственной единице структуры народного хозяйства. Из определения следует, что производственное объединение –экономическая единица.

1.3. Показатели химического производства.

Определяя цель химической технологии как науки: создание экономического способа производства необходимых человечеству про­дуктов (с использованием химических превращений), - необходимо оп­ределить показатели производства характеризующие его совершенство и эффективность. Можно выделить следующие группы показателей технические , экономические, эксплуатационные и социальные.

Техническим показатели характеризуют техническое совершенство рассматриваемого производства. К ним относятся производительность или мощность, расходный коэфициент , интенсивность качество продукта.

Производительность или мощность производства определяет количество продукта - G , вырабатываемого в единицу времени :

П=G/t (1.1)

и обычно имеет размерности "тонн в сутки” или “тыс.тонн в год”. Химическое производство работает 300-330сут.в году, т.е. за исключением времени на планово-предупредительные ремонты и возможные аварийные остановки. Таким образом:

П[т.т./год.] ≈1/3П[т/сут] (1.2)

Современные промышленные производства достигают производи­тельности:

производство аммиака - 450 тыс. т/год (1360 т/сут )

производство серной кислоты - 500 тыс.т/год (1500 т/сут )

производство метанола - 250 тыс.т/год(750 т/сут )

Расходный коэффициент - является важным показателем технического совершенства производства и определяет затраты сырья и энергии на единицу производственной продукции :

К расх = Gисх/G (1.3)

где G_исх - затраты сырья, топлива, энергии при производстве про­дукта.

Расходные коэффициенты могут иметь размерности «кг. сырья на тонну продукта» «кВт. ч электроэнергии на тонну продукта» и т.д.

Учитывая что половина или более стоимости продукта составляют затраты на сырье и энергию, расходный –коэффициент по сырью нередко являются определяющим показателем эффективности процесса.

Выход продукта от теоретической величины также является показателем совершенства процесса и показывает отношения количества полученного продукта G к теоретическому количеству его G_теор которое могло быть получено из этого же количества сырья при идеальной организации процесса :

g=G/G_теор (1.4)

Интенсивность процесса характеризует совершенство его организации в отдельном аппарате. Этот показатель определяет коли­чество полученного продукта или количество подаваемого сырья в единицу времени, отнесенное к единице величины, характеризующей размеры аппарата(υ_ап - объем аппарата или реакционного пространст­ва, поперечное сечение аппарата - F):

I = G/Vап (1.5);

и обычно имеет размерности "кг/м³ч", "м³/м² с", "кг/м³ч" и т.д.

Качество продукта - набор свойств и характеристик, определяю­щих потребительскую ценность продукта. Сюда относятся показатели чистоты продукта, наличие примесей, а также химические, физико-химические, физические, механические и др. свойства. Они определя­ются государственными и отраслевыми стандартами (ГОСТ, ОСТ) и техническими условиями на продукцию.

Экономические показатели характеризуют экономическую эффективность производства и подробно изучаются в курсе по экономике химической промышленности. Технические и экономические показатели связаны между собой, и потому некоторые из них называют техноэкономическими показателями. К ним можно отнести мощность произ­водства, удельные капитальные затраты, производительность труда, себестоимость продукта и приведенные затраты.

Капитальные затраты или удельные капитальные затраты пока­зывают затраты на оборудование коммуникации, строительную часть, отне­сенные к производству в целом – К_кап или - к единице мощности производства –К_уд:

Куд = Ккап/П (1.6)

Они имеют размерности ''кг металла на I т продукции в год", "грн. на 1 т продукции" и др.

Производительность труда Пт - количество произведенного продукта за определенное время, приходящегося на одного работавшего:

Пт = G/Nраб (1.7)

Пт = G∙Ц/Nраб (1.8.)

где: Nраб - численность персонала, обслуживающего данное производство;

Ц- цена единицы продукции.

Производительность труда имеет количественные или стоимостные выражения и, соответственно, размерность «тонн в год на работающего» или "грн. в год на работающего".

Себестоимость продукта и приведенные затраты показывают зат­раты на единицу продукция в денежном выражении.

Эксплуатационные показатели характеризуют совершенство соз­данного производства как промышленного объекта. К ним относится: управляемость или регулируемость, чувствительность к отклонениям условий работы, надежность аппаратов и производства в целом, пожаро- и взрывобезопасность.

Социальные показатели определяют условия работы обслуживающего персонала и безвредность производства для окружающей среды; безвредность обслуживания, степень автоматизации и механизации, экологические безопасность.

Инженер-технолог должен решать одновременно множество задач. Их наилучшие решения нередко противоречат друг другу, поэтому требуется находить компромиссные варианты, в каком-то смысле наи­лучшие. Находить такие наилучшие решения позволяет наука- химичес­кая технология, ориентирующаяся на фундаментальные знания как от­дельных процессов в явлений, так и химического производства в целом, т.е. химико-технологических систем, а также знания экономи­ческих и социальных законов.