Лекция №1

Вопросы:

1. Предмет ОХТ. Цели и задачи курса. Основные термины и определения.

2. История развития химической промышленности.

3. Современные тенденции развития химической промышленности.

4. Химическая промышленность РБ.

Происхождение слова «технология»(от греческих«technos»- искусство, ремесло и «logos» - учение, наука) вполне отвечает его содержанию: учение об умении, искусстве перерабатывать исходные вещества в полезные продукты.

Химическая технология – естественная, прикладная наука о способах и процессах производства продуктов(предметов потребления и средств производства), осуществляемых с участием химических превращений технически, экономически и социально целесообразным путем.

Химическая технология как наука имеет:

Предмет изучения – химическое производство;

Цель изучения – создание целесообразных способов производства необходимых человеку продуктов;

Методы исследования – экспериментальный, моделирования и системный анализ.

Химическое производство – совокупность машин, аппаратов и других устройств, связанных между собой материальными Из бескова надо подумать.

Все они взаимосвязаны и функционируют вместе, обеспечивая получение продукции и выполняя другие функции производства. Такой объект называется системой.

Система – совокупность элементов и связей между ними, функционирующая как единое целое.

Химическое производство должно быть организовано таким образом, чтобы соблюдались следующие требования:

1. получение продукта, отвечающего требованиям ТУ, ГОСТ, СТБ, ISO;

2. максимальное использование сырья и энергии;

3. максимальная экономическая эффективность;

4. экологическая безопасность;

5. безопасность и надежность эксплуатации оборудования.

ХТП характеризуется технологическим режимом. Технологический режим – это совокупность параметров, определяющих условия работы аппарата, реактора или их систем и переработки сырья в продукты.

Оптимальный технологический режим – это совокупность значений параметров, позволяющих получить наибольший выход продукта при максимальной интенсивности процесса, производительности труда и низкой себестоимости.

Параметрами химико-технологического процесса, обеспечивающими его функционирование, являются измеримые величины, определяющие состояние реагентов и их реакционную способность, – температура, концентрация реагентов и их соотношение, давление, дисперсность и состав твердых реагентов, состав жидких и газообразных реагентов, способ и интенсивность перемешивания реагентов, линейная и объемная скорости реагентов, поступающих в систему.

Конечные продукты ХТП классифицируют следующим образом: целевые продукты, побочные продукты, отходы. Целевые продукты – это продукты целевого или многоцелевого назначения, получаемые при переработке сырья при заданных оптимальных условиях и соответствующие требованиям технических условий. Побочные продукты образуются параллельно с целевым продуктом в результате переработки сырья. Отходы – это побочные продукты, которые в настоящее время по техническим или экономическим причинам не находят применения и выводятся из ХТП в окружающую среду.

Лекция №2

Химическое производство как многофункциональная химико-технологическая система.

1. Химико-технологический процесс

2. Структура и состав химического производства

3. Показатели химического производства и химико-технологического процесса

4. Сырьевая и энергетическая подсистемы химико-технологической системы

(тема для самостоятельного изучения)

5. Общие принципы разработки и создания химико-технологических систем

(Основные этапы создания химико-технологических процессов. Классификация моделей химико-технологических систем. Функциональная, структурная, операторная, технологическая схемы. Типы технологических связей.).

Химическое производство – это совокупность функциональных подсистем, связанных между собой технологическими, электрическими, транспортными и телекоммуникационными (для информации и управления) линиями связи для совместного функционирования и обеспечивающих эффективное использование материальных, энергетических ресурсов при химическом превращении реагентов в целевой продукт заданного качества, высокую производительность, управление процессами, охрану труда и окружающей среды.

Все они взаимосвязаны и функционируют вместе, обеспечивая получение продукции и выполняя другие функции производства. Такой объект называется системой.

Система – совокупность элементов и связей между ними, функционирующая как единое целое.

Химико-технологический процесс – последовательность химических и физико-химических процессов целенаправленной переработки исходных веществ в продукт.

В совокупном химико-технологическом процессе выделяются следующие отдельных процессов и операций, классифицированных по их основному назначению, и соответствующие аппараты и машины в которых они осуществляются.

1. Механические и гидромеханические процессы – перемещение материалов, изменение их формы и размеров, сжатие и расширение, смешение и разделение потоков. Все они протекают без изменения химического и фазового состава обрабатываемого материала. Для проведения этих процессов предназначены транспортеры, питатели, дробилки, диспергаторы,формователи, компрессоры, насосы, смесители, фильтры и т.д.

2. Теплообменные процессы – нагрев, охлаждение, изменение фазового состояния. Химический и фазовый состав в них не меняется. Они протекают в теплообменниках, кондансаторах, кипятильниках, плавислках, сублиматорах.

3. Массообменные процессы – межфазный обмен, в результате которого меняется компонентный состав контактирующих фаз без коренного изменения химического состава, т.е. химических превращений. К ним относятся растворение, кристаллизация, сушка, дистилляция, ректификация, абсорбция, экстракция, десорбция, осуществляемые в соответствующих аппаратах – сушилках, дистилляторах, ректификаторах, абсорберах, экстракторах, десорберах.

4. Химические процессы – процессы, связанные с изменением химического состава веществ; данные процессы проводятся в химических реакторах.

2. Структура и состав химического производства

Химическое производство можно представить как систему. Система – совокупность элементов и связей между ними, функционирующих как единое целое. Элемент системы изменяет свойства и состояние входящих в него потоков. Выходящие потоки передаются по связям в другие элементы, в которых происходят их последующие изменения. Система элементов, перерабатывая входящие и выходящие из нее потоки, функционирует взаимосвязано. Для исследования таких объектов, их свойств и особенностей функционирования используется теория систем [1, 2].

В химическом производстве элементы – это машины, аппараты, реакторы; связями являются трубо-, газо- и паропроводы. В элементах происходит превращение потоков – изменение их состояния – разделение, смешение, сжатие, нагрев, химическое превращение и прочее, а по связям материальные, тепловые, энергетические потоки передаются из одного элемента в другой. Это позволяет представлять химическое производство как химико-технологическую систему.

Химико-технологическая система (ХТС) – совокупность аппаратов, машин, реакторов, других устройств (элементов), а также материальных, тепловых, энергетических и других потоков (связей) между ними, функционирующая как единое целое и предназначенная для переработки исходных веществ (сырья) в продукты.

Элемент ХТС может быть представлен отдельным аппаратом (реактором, смесителем, абсорбером, теплообменником, турбиной и т. д.) или их совокупностью. Например, каскад реакторов с теплообменниками и смесителями потоков, расположенных между ними, изменяет химический состав, и эту совокупность аппаратов можно представить как элемент ХТС. Степень детализации элемента (один аппарат или совокупность нескольких) зависит от задачи исследований (установить те или иные показатели химико-технологического процесса, определить особенности функционирования и т. д.).

Совокупность элементов можно представить как химико-техноло-гическую систему. Например, реакционный узел, состоящий из нескольких реакторов, теплообменников, смесителей (элементов) и потоков между ними (связей) и функционирующих как единое целое, является системой. В то же время его можно рассматривать как подсистему, входящую в большую систему.

Подсистемы могут быть выделены как по масштабу, так и функционально. Реакционный узел – малая по масштабу, но значимая во всем технологическом процессе переработки сырья в продукт подсистема. В этом случае рассматривается технологическая подсистема производства. Энергетическая подсистема включает энергетическое оборудование как ее элемент, по масштабу охватывает все производство, но ее роль сводится к выполнению определенной функции – обеспечению производства энергией.

Таким образом, химико-технологическая система представляет собой модель химического производства или химико-технологического процесса, отображающую его структуру и позволяющую прогнозировать те или иные свойства и показатели 1.

Общая структура химического производства или ХТС включает в себя функ­циональные элементы подсистем, представленные на рис. 1, согласно которому 1–3 – технологическая подсистема или собственно химико-технологический процесс, в ко­тором сырье перерабатывается в продукт. ХТП включает подготовку сырья 1, т. е. его предварительную обработку: измельчение, очистку от примесей, смешение компо­нентов, нагревание и т. д. Подготовленное сырье проходит ряд физико-химических и химических превращений – его перера­ботку 2, в результате чего образуются целевой и, как правило, побочный продукты. Образование побочных продуктов может осуществляться как при протекании целевой, так и побочных реакций. Кроме того, побочные продукты могут образовываться и за счет наличия в сырье примесей. Поскольку степень превращения исходных реагентов в промышленном ХТП меньше 1, то после химического превращения 2 в образовавшейся смеси продуктов присутствуют и компоненты сырья. выделение целевого продукта из образовавшейся смеси, а иногда и его очистка от примесей, осуществляются на стадии 3.

Продукт целевой

Сырье 1 2 3

Побочные

продукты

Материалы

4 Продукт

дополни-

тельный

Отходы

5 6 7

Энергия Вода Управление

Рис. 1. Структура и функциональные элементы химического производства 1:

1 – подготовка сырья; 2 – химическая переработка сырья; 3 – выделение целевого продукта;

4 – обезвреживание и переработка побочных продуктов; 5 – энергетическая подсистема;

6 – подготовка вспомогательных материалов и водоподготовка; 7 – подсистема управления

После выделения целевого продукта оставшиеся побочные продукты направляют на очистку и обезвреживание, либо на переработку в продукт, используемый в химической или других отраслях промышленности 4. Переработка и обезвреживание побочных продуктов необходимы для снижения вредного воздействия производства на окружающую среду и человека.

Отходы производства, или невостребованные продукты переработ­ки сырья, могут содержать как вредные вещества, которые могут за­грязнять окружающую среду, так и полезные, которые целесообраз­но использовать. Поэтому особое внимание необходимо уделять переработке отходов (рис. 1, поз. 4). Наиболее рациональным является превращение отходов основного производства в технические материалы, которые можно использовать в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве. В частности, пигменты, получаемые переработкой железосодержащих отходов (шламов), которые образуются при обезвреживании травильных растворов, могут быть применены для окрашивания строительных, резинотехнических, лакокрасочных и других материалов. В случае, когда невозможна переработка отходов в технические продукты, производится их очистка или обезвреживание. После проведения данных процессов при соблюдении санитарно-гигиенических нормативов твердые отходы складируются на специально подготовленных полигонах, жидкие (сточные воды) сбрасываются в природные водоемы, газообразные выбрасываются в атмосферу.

Предприятия химической промышленности достаточно энергоем­ки: для обеспечения переработки сырья в конечные продукты расхо­дуется около 15% всех вырабатываемых энергоресурсов. Энергетичес­кая подсистема – важный и сложный элемент химического производства (рис. 1, поз. 5). Расход энергии осуществляется на всех стадиях получения целевого продукта, а также очистки, обезвреживания и переработки побочных продуктов. Основная доля расходуемой энергии приходится на тепловую. Нередко химические превращения сопровождаются выделением энергии (экзотермические реакции), и в энергетической системе, кроме обеспечения распределе­ния энергии по стадиям переработки, должна быть предусмотрена воз­можность вторичного использования выделяемой энергии для нужд производства.

Кроме энергии в химическом производстве применяются вспомо­гательные материалы, имеющие различное целевое назначение. К ним относятся, например, сорбенты для очистки и выделения продуктов, катализаторы, ускоряющие химическое превращение реагентов, коагулянты для осветления природной и оборотной воды, рассолов, флокулянты для укрупнения взвешенных частиц и др.

Особое место в химическом производстве занимает вода. Она используется для охлаждения технологических потоков, выработки пара, растворе­ния, разбавления веществ и отмывки осадков как реагент, и ее потребление может быть значитель­ным. Подготовка вспомогательных материалов и особенно водоподготовка (рис. 1, поз. 6) – очень важная и сложная часть хими­ческого производства. Поскольку вспомогательные материалы и вода обеспечивают технологический процесс, но, как правило, не входят в конечные продукты производства, система подготовки должна предусмотреть восстановление их свойств после проведения цикла операций с их участием с последующим возвращением в производство.

Сложное химическое производство невозможно эксплуатировать без системы управления (рис. 1, поз. 7). Она обеспечивает контроль технологического режима, проведение процессов при оптимальных ус­ловиях, защиту от нежелательных или аварийных ситуаций, пуск и остановку сложной системы. Эта подсистема представляет собой автоматизированную систему управления технологическим процессом (АСУТП).

Компоненты химического производства. Переменные компоненты постоянно потребляются или образуются в производстве. К ним относятся [1, 2]:

1. сырье, поступающее на переработку;

2. вспомогательные материалы, обеспечивающие технологический процесс;

3. продукты (основные и побочные) как результат переработки сырья; продукты производства далее могут быть использованы как целевые продукты потребления и как полупродукты для их дальнейшей переработки в другие продукты;

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

5. энергия, обеспечивающая функционирование производства.

Постоянные компоненты закладываются в производство (оборудо­вание, конструкции) или участвуют в нем (персонал) на весь или поч­ти весь срок его существования. Они включают:

− аппаратуру (машины, аппараты, реакторы, емкости, трубопроводы, арматуру);

− устройства контроля и управления;

− строительные конструкции (здания, сооружения);

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

Последний компонент требует особого внимания как социальная составляющая производства.

В компоненты конкретного производства не входят элементы ин­фраструктуры, как не участвующие непосредственно в производстве продукта, но необходимые для его функционирования.

Состав химического производства, обеспечивающий его функционирование как производственной единицы:

1. собственно химико-технологический процесс;

2. хранилища сырья, продуктов и других материалов;

3. система организации транспортировки сырья, продуктов, вспомогательных материалов, промежуточных веществ, отходов;

4. дополнительные здания, сооружения;

5. обслуживающий персонал производственных подразделений;

6. система управления, обеспечения и безопасности.

3. Показатели химического производства и химико-технологического процесса

Эффективность любого химического производства оценивается рядом технологических, экономических, эксплуатационных и социальных показателей.

Технологические показатели. В качестве технологических показателей, которые отражают физико-химическую сущность явлений, происходящих при том или ином химико-технологическом процессе, принято использовать, прежде всего, следующие:

 расходные коэффициенты;

 степень превращения исходных реагентов;

 селективность;

 выход продукта;

 производительность (мощность);

 интенсивность процесса;

 удельные капитальные затраты;

− качество продукта.

Они с различных сторон характеризуют степень использования сырья и энергии для осуществления конкретной химической реакции.

Удельные капитальные затраты – затраты на оборудование, отнесенные к единице его производительности. Для организации производства необходимы единовременные затраты на аппараты, машины, трубопроводы, сооружения и прочее, т. е. капитальные затраты. Этот технический показатель характеризует эффективность организации процесса и производства в целом, совершенство используемых конструкций и выражается в натуральных величинах (например, [тонна металла/1000 тонн продукта в сутки]) или в денежном выражении.

Качество продукта определяет его потребительские свойства и товарную ценность и оценивается разными характеристиками, такими как содержание (состав и количество) примесей, физические и химические показатели, внешний вид и размеры, цвет, запах и т. д. Устанавливается следующими документами: СТБ, ISO 9001, ГОСТ, ТУ, сертификатом качества.

Экономические показатели. Данные показатели определяют экономическую эффективность производства. К ним относятся себестоимость продукции, производительность труда и др.

Себестоимость продукции – суммарные затраты на получение единицы продукта. В себестоимость входят следующие расходы: затраты на сырье, энергию, вспомогательные материалы, капитальные затраты, оплата труда работников и др.

Производительность труда – количество продукции, произведенное в единицу времени в пересчете на одного работающего. Данный показатель характеризует эффективность производства относительно затрат труда.

Экономические показатели рассчитываются на основе технологических показателей. Некоторые из них (производительность, расходные коэффициенты, удельные капитальные затраты) можно представить в денежном выражении. В данном случае такие показатели называют технико-экономическими.

Эксплуатационные показатели. Эти показатели характеризуют изменения, возникающие в химико-технологическом процессе при появлении отклонений от регламентированных условий и состояний. Основными эксплуатационными показателями являются надежность, безопасность функционирования, чувствительность, управляемость и регулируемость.

Надежность характеризуют средним временем безаварийной работы либо числом аварийных остановок оборудования за определенный отрезок времени.

безопасность функционирования – вероятность нарушений, приводящих к нанесению вреда или ущерба обслуживающему персоналу, оборудованию, населению, окружающей среде.

Чувствительность к нарушениям режима и изменению условий эксплуатации определяется отношением изменения показателей процесса к этим изменениям.

Управляемость и регулируемость характеризуют возможность поддерживать показатели процесса в допустимых пределах, определяют величину допустимых изменений условий процесса.

Социальные показатели. Названные показатели определяют комфортность работы на данном производстве и его влияние на окружающую среду.

Безвредность обслуживания следует из сопоставления санитарно-гигиенических условий для обслуживающего персонала с соответствующими нормами по загазованности, запыленности, уровню шума и т. д.

Степень механизации и автоматизации определяет долю ручного и тяжелого труда в эксплуатации производства.

Экологическая безопасность характеризует степень воздействия производства на окружающую среду и экологическую обстановку в регионе.

4. Сырьевая и энергетическая подсистемы химико-технологической системы. (Самостоятельное изучение)

Вопросы:

1) Классификация сырья, запасы сырья и энергии, вторичные материальные и энергетические ресурсы.

2) Рациональное и комплексное использование сырьевых ресурсов.

3) Принципы обогащения сырья.

4) Использование воды и воздуха в промышленности. Промышленная водоподготовка.

5. Общие принципы разработки и создания химико-технологических систем

(Основные этапы создания химико-технологических процессов. Классификация моделей химико-технологических систем. Функциональная, структурная, операторная, технологическая схемы. Типы технологических связей.).

Основные этапы создания химико-технологических процессов.