Тут есть жесткость воды

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Изучение данной темы следует начинать с рассмотрения основных стадий любого химикотехнологического процесса (ХТП), классификации технологических процессов. В основу классификации ХТП положены характер и значение параметров технологического режима.

Агрегатное состояние реагирующих веществ определяет способы их технологической переработки и принципы конструирования аппаратов. Поэтому гомогенные и гетерогенные ХТП следует рассмотреть на примерах конкретных производств.

Скорость ХТП представляет собой результирующую скорость всех протекающих процессов. Для интенсификации процессов необходимо ускорение всех стадий химического процесса, поэтому следует определить пути увеличения скорости его отдельных стадий. Для этого необходимо выяснить, какая стадия является лимитирующей и в какой области – кинетической, диффузионной или переходной – протекает процесс.

Равновесие ХТП характеризуется равенством скоростей прямой и обратной реакции. Используя принцип Ле Шателье-Брауна и знания кинетических закономерностей, нужно научиться находить оптимальные условия ведения технологических процессов.

Изучая вопрос о катализаторах, следует разобраться, что представляет собой катализ, в чём различие каталитических процессов по фазовому состоянию реагентов и катализатора. Необходимо уяснить роль катализатора в промежуточных стадиях реакции и сущность ускоряющего действия катализатора в связи с уменьшением им энергии активации.

Химико-технологическая система представляет собой совокупность последовательных операций, протекающих в соответствующих машинах и аппаратах. Технологические схемы отличаются друг от друга направлением движения сырья и промежуточных продуктов. Следует рассмотреть химико-технологические системы с открытой, циклической и комбинированной цепями на конкретных технологических схемах.

Технологическая документация – основной источник информации для организации, управления и регулирования технологического процесса на предприятии. Следует изучить содержание различных видов документации – технологического регламента, рабочих инструкций, инструкций по технике безопасности и др.

70

3.1.ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

3.1.1. Химическое производство как химико-технологическая система

Химическое производство представляет собой химико-технологическую систему (ХТС), в которой осуществляются химико-технологические процессы в определённых аппаратах. Любое производство характеризуется системой связанных между собой компонентов технологического процесса. Компоненты химического производства можно подразделить на переменные и постоянные.

Переменные компоненты постоянно потребляются или образуются в производстве. К ним относятся:

сырьё, поступающее на переработку;

вспомогательные материалы, обеспечивающие технологический процесс;

продукты (основной и побочные) – как результат переработки сырья; продукты производства далее могут использоваться как продукты потребления и как полупродукты для их дальнейшей переработки в другие продукты;

отходы производства – не подлежащие дальнейшей переработке вещества и материалы, удаляемые в окружающую среду;

энергия, обеспечивающая функционирование производства.

Постоянные компоненты закладываются в производство и участвуют в нём на весь или почти весь срок его существования. Они включают:

оборудование (машины, аппараты, ёмкости, трубопроводы, арматура и т.д.);

устройства контроля и управления;

строительные конструкции (здания, сооружения);

обслуживающий персонал (рабочие, аппаратчики, операторы, инженеры и другие работники производства).

Химико-технологический процесс (ХТП) представляет собой совокупность операций, позволяющих получить целевой продукт из исходного сырья. Все эти операции входят в состав трёх основных стадий, характерных практически для каждого химикотехнологического процесса: 1) подготовка исходных реагентов к проведению химической реакции; 2) химическое взаимодействие; 3) выделение продукта(ов).

Подготовка исходных реагентов может включать несколько операций: очистка исходного сырья от посторонних примесей, компримирование (сжатие) газов до определённого давления, нагрев реагентов до определённой температуры и др.

Соответствующим образом подготовленные реагенты на следующей стадии подвергают химическому взаимодействию, которое может состоять из нескольких этапов. В промежутке

71

между этими этапами иногда необходимо вновь использовать охлаждение, нагрев, сжатие газов или другие физические процессы.

В результате химических реакций получают смесь продуктов и непрореагировавших реагентов. На последней стадии проводят операции, связанные с разделением этой смеси и выделением целевых продуктов.

Таким образом, химико-технологический процесс в целом – это сложная система, состоящая их отдельных связанных между собой процессов (элементов или подсистем) и взаимодействующая с окружающей средой. Элементами ХТС являются процессы тепло- и массообмена, гидродинамические, механические, химические и т.д.

Одним из важнейших элементов ХТП является химический процесс.

Химический процесс представляет собой одну или несколько химических реакций, сопровождаемых явлениями переноса теплоты, массы и импульса, оказывающих влияние как друг на друга, так и на протекание химической реакции. В реагирующей системе обычно происходит несколько последовательных (а иногда и параллельных) химических реакций, приводящих к образованию основного продукта, а также ряд побочных реакций между основными исходными веществами и примесями, содержащимися в сырье. В результате кроме основного образуются побочные продукты или же отходы производства.

Состояние процессов характеризуется технологическими параметрами, к которым относятся температура, давление, расход, концентрация и др. Совокупность технологических параметров, определяющих условия работы аппарата или системы аппаратов, называется

технологическим режимом.

Оптимальные условия ведения процесса – это сочетание технологических параметров, позволяющее получить наибольший выход продукта с высокой скоростью или обеспечить наименьшую себестоимость при соблюдении условий рационального использования сырья и энергии и минимизации возможного ущерба окружающей среде.

Единичные процессы протекают в различных аппаратах – химических реакторах, абсорбционных и ректификационных колоннах, теплообменниках и др. Отдельные аппараты соединены в технологическую схему процесса.

Технологическая схема – рационально построенная система единичных аппаратов, соединённых различными видами связей, позволяющая получить заданный продукт заданного качества.

Для обозначения наименьшей технологической единицы, в которой, как правило, получают определённый продукт или полупродукт или заканчивается часть технологического процесса, используют термин «установка».

Промышленное предприятие (завод, комбинат) состоит из ряда производств, объединённых однотипностью химических и физико-химических процессов, общностью источников сырья и энергии, возможностью использования целевых продуктов одного производства в качестве сырья на другом.

Разработка и построение рациональной технологической схемы – важная задача химической технологии. Процесс создания химического производства складывается из следующих этапов:

1)разработка химико-технологического процесса;

2)составление проектной документации;

72

3)строительство цеха, т.е. сооружение зданий, монтаж оборудования, размещение приборов контроля и регулирования.

Химико-технологическими методами производят десятки тысяч продуктов. По мере развития химической технологии химические процессы и реакторы всё более типизируются. Разработаны химико-технологические системы с однотипными процессами и реакторами, которые можно применять в производстве многих химических продуктов с учётом непринципиальной специфики. Поэтому инженерам-технологам-химикам необходимо знать общие закономерности химической технологии, наиболее типичные химикотехнологические процессы и реакторы, принципы создания рациональных химикотехнологических систем.

3.1.2. Технико-экономические показатели химико-технологических процессов

Об эффективности осуществления любого промышленного процесса судят прежде всего по экономическим показателям, таким как приведённые затраты, себестоимость продукции и т.д. Естественно, что окончательная оценка эффективности химико-технологического процесса выводится из этих критериев. Однако, они характеризуют весь процесс в целом, его конечный результат, не входя в детальное рассмотрение особенностей процесса.

Для оценки эффективности отдельных этапов процесса помимо общих экономических показателей используют критерии эффективности, которые отражают химическую и физикохимическую сущность явлений, происходящих в отдельных аппаратах технологической схемы. В качестве таких показателей используют степень превращения исходного реагента, выход продукта, селективность. Они с разных сторон характеризуют полноту использования возможностей осуществления конкретной химической реакции. Таким образом, техническое совершенство и эффективность химико-технологического процесса характеризуются технико-экономическими показателями. Ниже будут рассмотрены основные показатели.

Производительность

Показателем, характеризующим эффективность работы машин, аппаратов, установок, цехов и заводов в целом, служит производительность.

Производительность – это количество выработанного продукта или переработанного сырья в единицу времени:

(3.1.)

Производительность обычно измеряют в тоннах в сутки (т/сутки), килограммах в час (кг/ч), тысячах тонн в год (тыс.т/год), кубических метрах в сутки (м3/сутки). Например, производительность современного агрегата синтеза аммиака составляет 1360 т аммиака в сутки, производительность газогенератора для термической переработки сланцев 1000 т сланца в сутки.

Максимально возможная производительность (проектная) называется мощностью. Мощность зависит от многих факторов, прежде всего от потребности в тех или иных продуктах, экономического района их потребления, наличия сырьевых и энергетических

73

ресурсов, дальности транспортных перевозок, близости соседних аналогичных предприятий. Одним из направлений развития химической промышленности является увеличение единичной мощности агрегатов. Общеизвестно, что крупные предприятия экономически эффективнее, чем мелкие. На крупных предприятиях, как правило, ниже удельные капитальные затраты, более эффективно используется сырьё и энергия, имеется возможность полностью автоматизировать процесс. Но при чрезмерной концентрации предприятий пропорционально росту мощности возрастает радиус перевозок, увеличивается продолжительность строительства, ухудшается экологическая ситуация внутри и вокруг предприятия.

Интенсивность

Для сравнения работы аппаратов различного устройства и размеров, в которых протекают одни и те же процессы, используют понятие «интенсивность».

Интенсивность – это производительность, отнесённая к какой-либо величине, характеризующей размеры аппарата, - его объёму, площади поперечного сечения и т.д.:

(3.2.)

(3.3.)

Интенсивность измеряется, например, количеством тонн или кг продукта, получаемого в течение суток или часа с единицы объёма аппарата - т/(сутки·м3), кг/(ч·м3), или количеством тонн продукта, полученного в сутки с единицы сечения аппарата – т/(сутки·м2).

При разработке новых процессов или усовершенствовании существующих стремятся к созданию высокоинтенсивных аппаратов. Повышение интенсивности аппарата возможно, например, за счёт увеличения скорости процесса.

При анализе работы каталитических реакторов принято относить производительность аппарата в целом к единице объёма или массы катализатора, загруженного в реактор. Такую величину, численно равную количеству продукта, полученного с единицы объёма или массы катализатора, называют производительностью катализатора.

Степень превращения

Чтобы охарактеризовать процесс, нужно знать, как полно используется сырьё, насколько глубоко протекает его химическое превращение. Это можно установить, если сопоставить количество вещества, вступившего в реакцию, с его исходным количеством. Например, протекает простая необратимая реакция типа

А → В.

Допустим, что NAo – исходное количество вещества А (масса, объем, число моль), а NA – количество вещества А после проведения процесса. Необходимо установить, насколько полно прошло химическое превращение вещества А. Для этого найдём количество

вступившего в химическую реакцию. Её обозначают через и называют степенью превращения:

(3.4.)

Степень превращения – это отношение количества реагента, вступившего в реакцию, к его исходному количеству.

Степень превращения реагента показывает, насколько полно в химико-технологическом процессе используется исходное сырьё или долю исходного реагента, вступившего в реакцию, и выражается в долях или процентах, т.е. пределы изменения степени превращения определяются соотношением

Для разных процессов степень превращения называют степенью окисления, степенью конверсии, степенью полимеризации, степенью абсорбции и т.д.

Из уравнения (4) следует, что

(3.5.)

Если реакция протекает без изменения объёма, то

(3.6.)

где и - концентрация исходного реагента А в начале и конце процесса.

Из уравнения (6) находим, что

(3.7.)

В тех случаях, когда объём реакционной смеси изменяется, в функциональную зависимость c=f(xA) вводят относительное изменение объёма системы, выражаемое уравнением

В частном случае – при линейном изменении объема реакционной смеси во времени – зависимость объёма от степени превращения можно записать

(3.9.)

С учетом уравнений (5) и (9) текущая концентрация исходного реагента может быть выражена в виде

(3.10.)

75

Но

(3.11.)

поэтому

(3.12.)

или

(3.13.)

Чаще всего в химической реакции участвует не один, а два реагента (или даже больше). Степень превращения может быть рассчитана по первому, второму или третьему реагенту, причём в общем случае не обязательно получаются равные результаты.

Рассмотрим реакцию (I)

Числа, показывающие количества молекул участвующих и получающихся в реакции веществ, называют стехиометрическими коэффициентами, а отношения этих чисел стехиометрическими отношениями. В соответствии со стехиометрическим уравнением реакции изменения количеств веществ, участвующих в реакции ni, связаны между собой следующими соотношениями:

(3.14.)

Степени превращений реагентов А и В, участвующих в реакции (I):

(3.15.)

Из уравнений (3.14) и (3.15) следует

(3.16.)

или

(3.17.)

Уравнение (3.17) устанавливает связь между степенями превращения реагентов А и В и позволяет рассчитать неизвестную степень превращения одного реагента, зная степень превращения другого.

Если

т.е. реагенты А и В взяты для проведения реакции в стехиометрическом соотношении (количества реагентов А и В относятся между собой как соответствующие этим веществам стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции), то степени превращения веществ А и В равны между собой: xA = xB.

76

Если

т.е. реагент А взят в избытке, то, как следует из уравнения (3.17), xA < xB.

Если же

т.е. взят в избытке реагент В, то xA > xB.

Следовательно, если один из реагентов (например, реагент В) взят в избытке, то его степень превращения всегда будет меньше единицы xB < 1, даже в том случае, когда xA =1.

На практике обычно в избытке берут более дешёвый реагент (например, воздух, воду и т.д.) с целью повышения степени использования более ценного сырья.

Не всегда возможно достичь полного использования реагента. Большинство химических реакций обратимы. Для обратимых реакций при заданных условиях их осуществления предельным является состояние их химического равновесия. Этому состоянию соответствует и предельно достижимая при данных условиях равновесная степень превращения х*

(3.18.)

где nA* - количество реагента А в условиях равновесия;

nA* - изменение количества реагента А к моменту наступления равновесия.

Используя степень превращения реагентов, можно определить количество продуктов R и S, образовавшихся в результате реакции (I). Если первоначальное количество продукта R равно нулю (nRo = 0), то

(3.19.)

или

(3.20.)

В качестве ключевого реагента, через степень превращения которого выражают количества продуктов, удобно брать реагент, взятый либо в недостатке, либо в стехиометрическом соотношении к другому реагенту.

Максимально возможное количество продукта R, которое может быть получено при

проведении обратимой реакции, рассчитывают как равновесное количество этого продукта

nR*:

(3.21.)

Если реакционный объём V – постоянная величина (V=const), то во всех приведённых выше соотношениях количества реагентов и продуктов могут быть заменены молярными концентрациями, Например,

(3.22.)

77

(3.23.)

Выход продукта

Выход продукта – это отношение количества полученного целевого продукта к максимально возможному его количеству, которое могло бы быть получено при данных условиях осуществления химической реакции. Для продукта R выход φR

(3.24.)

Выход продукта выражается как доля от некоторой предельно возможной величины и изменяется в пределах

Величина nR,max зависит от типа осуществляемой химической реакции.

Для необратимых реакций A → R максимально возможное количество продукта R будет получено, если весь реагент А вступит в реакцию. В данном случае nR,max =nAo(r/a) и

(3.25.)

Так как в соответствии с уравнением (3.19)

то

(3.26.)

т.е. для простых необратимых реакций выход продукта и степень превращения реагента совпадают. Однако для других типов химических реакций эти два критерия эффективности различаются.

Для обратимых реакций A <=> R максимально возможное количество продукта R определяется по уравнению (3.21) как равновесное количество продукта R при данных условиях осуществления реакции. Тогда с учётом уравнения (3.19)

(3.27.)

Таким образом, для обратимых реакций выход продукта равен доле, которую составляет реально достигнутая степень превращения от равновесной для данных условий проведения реакции.

Чем выше выход продукта, тем экономичнее производство. Снижение выхода продукта может быть обусловлено загрязнённостью сырья, потерей сырья в процессе

78

транспортировки, негерметичностью аппаратуры, протеканием побочных реакций, обратимостью реакций.

Селективность

Для сложных реакций, когда с одним и тем же исходным веществом могут происходить несколько химических превращений и получаться различные продукты реакции, оценивать ход процесса только по степени превращения недостаточно. Степень превращения может быть высокой, т.е. большая часть исходных веществ вступит в химическую реакцию, но не всегда это превращение приведёт к образованию нужных (целевых) продуктов. Наряду с целевыми могут образоваться и ненужные (побочные) продукты. Чем больше образуется целевых и меньше побочных продуктов, тем эффективнее протекает процесс. Для характеристики таких сложных процессов используют понятие селективности.

Рассмотрим две параллельно протекающие реакции, в которых наряду с целевым продуктом R получаются побочные продукты:

Селективностью (избирательностью) называется отношение количества исходного вещества, расходуемого на целевую реакцию, к общему количеству исходного вещества, израсходованного на все реакции (и целевую, и побочные):

(3.28.)

Селективность выражается как доля от некоторой предельно возможной величины и изменяется в пределах

Селективность по целевому продукту может быть выражена через количество полученного продукта R и количество реагента А, суммарно израсходованного на реакцию.

Для реакций (II) селективность по целевому продукту R

(3.29.)

Селективностью (избирательностью) называется отношение количества целевого продукта к общему количеству полученных продуктов. Знаменатель в уравнении (3.29) можно заменить через количество полученных продуктов целевой и побочной реакций с учётом стехиометрических соотношений:

(3.30.)

тогда

(3.31.)

79