Глава I. Химический и технологический принципы

РАЗРАБОТКИ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА

Основной объект химической технологии – химическое производство. Химическое производство определяется как совокупность связанных материальными и тепловыми потоками машин и аппаратов, в которых осуществляются химические превращения, физические и физико-химические процессы. Цель любого производства (в том числе и химического) – получение конечного продукта. Это получение конечного продукта должно происходить при минимальных удельных капитальных вложениях, а так же при минимальных эксплуатационных затратах и ограничениях, которые накладываются требованиями техники безопасности и охраны окружающей среды. Эта цель достигается выбором соответствующих технологических процессов, выбором оптимальных режимов осуществления этих процессов, выбором необходимого оборудования, выбором рациональной аппаратурно-технологической схемы, а также путем автоматизации контроля и управления технологическими процессами и производства в целом.

1. ПОНЯТИЕ О ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ И

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ

Основу любого химического производства составляет химико-техноло-гический процесс. В современной химической промышленности используются десятки тысяч способов переработки сырья (т.е. получения конечного продукта). Каждый способ состоит из нескольких операций, которые выполняются последовательно или параллельно в соответствующих машинах и аппаратах. В общем случае каждая операция представляет собой сочетание нескольких элементарных физических, физико-химических и химических процессов. Из совокупности этих элементарных процессов и складывается сложный химико-технологический процесс (ХТП). Взаимная связь закономерностей ХТП очень сложна и выражается в математической форме в виде системы уравнений. Но поскольку совместное решение этих уравнений практически невозможно, приходится рассматривать отдельные стороны процесса и их взаимное влияние.

Весь сложный ХТП может быть разделен на ряд взаимосвязанных последовательно протекающих элементарных процессов (стадий), обычно принято рассматривать три стадии:

1. подвод реагирующих веществ в зону реакции (совершается он путем молекулярной диффузии или путем конвекции). В многофазных системах подвод реагирующих компонентов может совершаться абсорбцией, адсорбцией или десорбцией паров или газов, конденсацией паров, плавлением твердых веществ и т.п. Межфазный переход, по существу, является сложным диффузионным процессом. Таким образом, первая стадия – физический процесс – исходные реагенты в химически неизмененном виде переходят во вторую стадию.

2. химическая реакция (составляет основу ХТП). Как правило промышленная химическая реакция – процесс сложный. Обычно химическое превращение вещества проходит через ряд последовательных (а иногда и параллельных) химических реакций, в результате которых образуются основной и побочные продукты, а также образуются и отходы производства. Побочные продукты и отходы производства образуются в результате как основных, так и побочных реакций между основными веществами и примесями, которые неизбежно могут быть в сырье. Обычно при рассмотрении производственных процессов учитываются не все реакции, а лишь те из них, которые имеют определяющее влияние на качество и количество получаемых основных продуктов.

Например, химический процесс окисления метана можно представить целым рядом реакций:

- целевая реакция (образование основного

продукта),

- параллельная реакция,

}- последовательно-побочные реакции.

3. отвод полученных продуктов из зоны реакции - также как и первая стадия, отвод продуктов осуществляется диффузией или конвекцией, которые, в основном, определяют переход вещества из одной фазы в другую.

Как известно, общая (суммарная) скорость процесса зависит от наиболее медленного этапа. Если общая скорость будет зависеть от второго этапа, то процесс проходит в кинетической области; в этом случае надо усиливать те факторы, которые влияют на скорость химической реакции (факторы: температура, давление, катализатор и проч.). Если общая скорость лимитируется первым или третьим этапами, то процесс проходит в диффузионной области. Ускорить процесс можно изменением параметров диффузии (перемешивание, повышение температуры, перевод системы из многофазной в однофазную и т.п.). А если скорости всех стадий соизмеримы – процесс протекает в, так называемой, переходной области. Чтобы увеличить общую скорость процесса, надо воздействовать на систему теми факторами, которые увеличивают как диффузию, так и скорость химической реакции (прежде всего повышение температуры и концентрации исходных веществ). То –есть надо оперировать определенными параметрами.

Совокупность определенных параметров, влияющих на скорость процесса, а также на выход и качество продукта, называется технологическим режимом.

Параметры: температура, давление, концентрация, катализатор, перемешивание (способ и степень перемешивания реагентов) – это все параметры технологического режима. Параметры технологического режима определяют принципы конструирования соответствующих аппаратов (реакторов). Оптимальному значению параметров соответствует максимальная производительность аппаратов.

Все параметры технологического режима взаимосвязаны и обусловливают друг друга (все параметры разом изменять нельзя, потому что даже изменение одного влечет за собой резкое изменение оптимальных значений других параметров режима) – поэтому должен быть определенный компромисс.