Скачиваний:
117
Добавлен:
02.07.2019
Размер:
1.84 Mб
Скачать

Министерство образования Российской Федерации

Московская государственная академия тонкой химической технологии имени М.В. Ломоносова

Кафедра Общей хшwической технологии

Г.Н. Кононова,В.В. Сафонов, В.Н. Цыганков

Технологические принципы разрабоки

химико-технологических систем

Утверждено бuблUDmeЧI/О-uздaтелъскойКомиссией

методического совеma lvfИТXТим. МВ. ЛОМОl/осова

6 качествеучебного пособия

Москва, 2003

www.mitht.ru/e-library

УДК 66.0

Кононова г.н, Сафонов В.д, Цыганков в.н Теmолоmческие принципы

разработки химико-теmолоmческих сиcrем. Учебное пособие. - М.: ИIЩ

:митхт им.. М..В. Ломоносова, 2003. - 57 с.

В предлагаемом учебном пособии в сжатой и дOC1)'IIНой форме рас­

смотрены принципы, положеllliыIe в основу разработки малoorxодных,

энерroмалоемких и эколоrnчески безопасных химико-технолоrnческих

систем.

Пособие можег бьпь рекомендовано cryденraм дневной и вечерней

формы обучения, изучающих курсы «Основы химической технолоrnи» и

«Основы и системные закономернОС1И химико-технолоrnческих проuес­

сов».

©Московская государственная академюt<'fОИIOQЙ' X!-fМической технологии имени

М.В. Ломоносова, 2003 г.

www.mitht.ru/e-library

ВВЕДЕНИЕ

Разработка химико-технологических систем (ХТС) основывает­

ся на ряде принципов*), соответствующих уровню иерархии предпри­

ятия в системе его функционирования. Можно выделить различные

уровни, на которых действуют соответствующие принципы. Высший

уровень представляет собой глобмыtеe принципы, соответствую­

щие связям ХТС с подсистемами более высоких уровеней (предпри­

ятие в целом, отрасль, промышленность, регион, страна и т. д.). Об­

щие принципы являются характерными для всех ХТС независимо от

их отраслевой ориентации. Это могут быть организационные, струк­

турные, технологические, экономические и другие принципы. Спе­

цифика отрасли отражается в отраслевых принципах (основной ор­

ганический синтез, технология материалов, азотная промышлен­

ность, хлорная отрасль и т. п.). Частltые принципы действуют на

уровне отдельных элементов и внутренних подсистем ХТС (органи­

зация реакторных подсистем, разделение, очистки газов и т. п.). Де­

ление принципов весьма условно. Так, принцип экологической безо­

пасносm является глобальным, а с другой стороны - технологиче­

ским, поскольку конкретные способы его реализации связаны с со­

вершенствованием технологии и принятием превентивных мер, пре­

дотвращающих образование отходов и загрязнение окружающей сре-

*) Термин «принцип» происходит от латинского слова «princip-

ium» - основа, первоначало, и означает основоположение или основ­

ное правило действия, или руководящая идея.

www.mitht.ru/e-library

ды.

в соответствии с иерархичностью (соподчиненностью больших

систем) принципы более низкого уровня иерархии должны быть под­

чинены принципам более высокого уровня. Так, глобальное потепле­

ние климата земли, связываемое, в том числе, с увеличением содер­

жания парниковых газОВ в атмосфере, требует резкого сокрашения их

выбросов и, соответственно, корректировки действующих техноло­

гий.

При разработке ХТС основу составляют технологические

принципы, которые относятся к общим принципам. Они не являются

постоянными (как и сама технология) и могут видоизменяться по ме­

ре появления новых проблем, требующих современных решений.

Так, наряду с традиционными принципами наилучшего использова­

ния сырья и энергии на первое место выходит принцип экологиче­

ской безопасности химических производств. В соответствии с науч­

но-техническим прогрессом также изменяются и способы их реали­

зации. При этом используются организационные, методологические,

химические и экономические принципы, которые в свою очередь на­

I<..1адывают определенные ограничения на функционирование хтс.

В настоящее время разработка ХТС базируется на следующих

основных технологических принципах:

-

-

принцип наилучшего использования сырья;

принцип наилучшего использования энергии;

-принцип наибольшей интенсивности процессов;

-принцип экологической безопасности.

www.mitht.ru/e-library

Возникающие при реализации перечисленных выше принципов

противоречия вызывают необходимость использования приемов

прииципа «технологической сораз,:нерностll», которые позволяют

разрешить возникшие противоречия и решить задачу оптимизации на

качественном уровне. Следует отметить, что эти противоречия не

имеют общего характера. Поэтому они будут рассматриваться кон­

кретно при реализации основных технологических принципов.

Реализация принципов основывается как на фундаментальных

закономерностях, так и на ряде эвристических правил и приёмов, вы­

рабатьmаемых в процессе функционирования ХТС и её развития.

Данное учебное пособие преследует цель оказать помощь сту­

дентам, изучающих курс «Основы химической технологии» в освое­

нии приемов реализации основных технологических принципов при

разработке новых и совершенствовании действующих хтс.

www.mitht.ru/e-library

Глава 1. ПРИНЦИП НАИЛУЧШЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЫРЬЯ

в настоящее время основная химическая и нефтехимическая

промышленности используют, в основном, минеральное сырье, кото­

рое делится на рудное, нерудное и горючее (органическое). Рудное

сырье представляет собой твердофазную совокупность минералов,

содержащую сульфиды ИJlИ оксиды металлов и пустую породу, их

вмещающую. Оно применяется для производства металлов и их со­

единений. Нерудное сырье содержит в своем составе соли, песок,

глину, асбест и используется или в естественном состоянии, или пе­

рерабатывается на соли и минеральные удобрения. Горючие мине­

ральные ископаемые представлены нефтью, газом, углем и сланцами

и в ХТС ИСПО.1ЬЗУЮТСЯ в качестве источников сырья для производст-

ва органических продуктов или в качестве топливно-энергетических

ресурсов. Так, при производстве аммиака на 1 т расходуется 1200 м3

природного газа, в том числе 650 м3 - на сжигание, а 550 м3 - на син-

тез.

Минеральное сырье относится к практически невозобновляе­

мым ресурсам. В тоже время, используемые в производстве вода и

воздух, в соответствии с круговоротом веществ в природе, относятся

к числу возобновляемых ресурсов.

Особым видом сырьевых источников для производства химиче­

ской продукции являются вторичные :11Gтериальные ресурсы. Они

представляют собой отходы производства и потребления, побочные и

6

www.mitht.ru/e-library

промежуточные вещества, образующиеся и не использующиеся в

процессе функционирования данной ХТС.

Бурное развитие химической и нефтехимической промышлен­

ности сопровождается непрерывным ростом потребления природных

ресурсов, что приводит к высоким темпам истощения естественных

источников сырья. По оценкам специалистов, запасы многих видов

минерального сырья израсходуются в течение нескольких десятков

лет. Резко падает качество сырья, уменьшается содержание основно­

го компонента, возрастает доля примесей, повышается стоимость до­

бычи. Возрастающий дефицит многих видов сырья является одной из

важнейших проблем в химической промышленности.

Вторая проблема связана с большими расходными коэффициен­

тами по сырью, доля которого в себестоимости химической продук­

ции достигает 60%.

И, наконец, неполнота использования сырья приводит к образо-

ванию отходов и загрязнению окружающей среды.

Поэтому принцип наилучшего использования сырья включает:

-

-

-

увеличение степени использования сырья;

сокращение количества отходов;

комплексное использование сырья.

Низкая степень использования сырья возникает по следующим

причинам: термодиuа«ическим (состояние равновесия обратимых

реакций не позволяет проводить до конца основную реакцию); кине­

тическим (не достигается теоретически возможная степень превра­

щения из-за низких скоростей реакции); обусловленным ;14еханuзмом

www.mitht.ru/e-library

процесса (например, наличием побочных взаимодействий и др.).

Кроме того, на уровне организации производства к ним присоединя­

ются технологические И конструкционные причины. Отсюда форми­

руются основные приемы для увеличения степени использования сы­

рья, базирующиеся на основных химических закономерностях.

1.1. Использование одного из реагентов в избытке (относительно теоретически необходимого ко­ личества).

Для реакции аА + ЬВ ~ rR относительный избыток IB реагента

В определяется:

где САО и СВО - начальные мольные концентрации исходных ве-

ществ.

Применение избьпка реагентов определяется различными при-

чинами:

а) Избытокреагента приводит к смещению

равновесия.

для реакции:

(1.l)

2

К:::: Pso,

рPSO, PO,

8

www.mitht.ru/e-library

С увеличением парциального давления кислорода РО2 возраста­

ет значение знаменателя. А поскольку константа равновесия Кр при

данной температуре есть величина постоянная, то возрастает числи­

тель-Рsоз, Т.е. равновесие смещается в сторону образования проДУк-

тов реакции.

б) Избытокреагентовускоряет какхимическую,

так и диффузионную стадии nроцессов.

Напомним, что в системе газ - твердое тело скорость rj химиче-

скnй реакции А+В ~ R определяется:

_ dCR =kC"'C"'

r. - dC

А В

т

а скорость диффузии f g:

где Сл и СВ - концентрации реагирующих веществ, П! и П2 - порядок

реакции по соответствующему компоненту, р - коэф­

фициент массопередачи, Cv и CF - концентрации ком­

.понента в объеме потока и на поверхности твердой фа-

ЗЪIсоответственно.

www.mitht.ru/e-library

в) Подавление побочныхреаlЩUЙ.

Получение этилбензола алкилированием бензола на катализато­

ре А1С1з сопровождается последовательным образованием ди- и

триэтилбензола:

СД + С2Н4 ~ C6HsC2Hs,

(1.2)

C6HsC2Hs + С2Н4 ~ С6Н42НS

(1.3)

С6Н42Н4) + C2~ ~ С6Нз2Нs)з.

(1.4)

Избыток бензола предотвращает образование побочных ве­

ществ. При выборе компонента, используемого в избытке, необходи­

мо руководствоваться следующими правилами:

1. Реагент, используемый в избытке, не должен быть дорогим.

Наиболее дешевым сырьем в процессах окисления является воздух.

Однако при этом необходимо учитывать, что при использовании воз­

духа, наряду с кислородом, вводится азот, который при организации

рециклов может накапливаться в системе, понижая парциальное дав­

ление реагирующих веществ. Кроме того, он' разбавляет полученные

продукты, что отрицательно сказывается на последующих стадиях

проuесса. Так, при конверсии СО водяным паром:

СО + Н2О ~ С02 + Hz

(1.5)

процесс ведут при избытке воды, но большие масштабы производст­

ва водорода приводят к тому, что себестоимость водорода определя­

ется расходом водяного пара;

2. Реагент, используемый в избытке, не должен принимать уча­

стия в побочных взаимодействиях;

10

www.mitht.ru/e-library