- •Предисловие
- •Тема 1 общие понятия о химическом производстве
- •1.1. Химическая технология как наука
- •М акрокинетика
- •1.2. Связь химической технологии с другими науками
- •Химическая технология
- •1.3. История отечественной химической технологии
- •Контрольные вопросы
- •Тема 2 компоненты химического производства
- •2.1. Сырье в химическом производстве
- •Химическое сырье, классификация
- •Кларки наиболее распространенных в земной коре элементов
- •2.2. Энергия в химической технологии
- •Энергетические ресурсы
- •2.4. Воздух в химической технологии
- •Химический состав сухого воздуха в приземном слое
- •Структура вредных выбросов промышленности России
- •Контрольные вопросы
- •Тема 3 критерии оценки эффективности химического производства
- •3.1. Технико-экономические показатели (тэп)
- •3.2. Структура экономики химического производства
- •Контрольные вопросы
- •Тема 4 системный подход в изучении химико-техноло-гического процесса
- •4.1. Общие понятия и определения
- •4.2. Химико-технологическая система как объект моделирования
- •4.3. Операторы
- •Типовые технологические операторы
- •4.4. Матричное представление моделей
- •Матрица инценденций
- •Матрица смежности (связи)
- •4.5. Подсистемы хтс
- •4.6. Связи
- •4.7. Классификация технологических схем
- •4.8. Системный подход к разработке технологии производства
- •4.9. Оптимизация производства
- •Контрольные вопросы
- •Тема 5 общие закономерности химических процессов
- •5.1. Понятие о химическом процессе
- •5.2. Классификация химических реакций
- •5.3. Интенсификация гомогенных процессов
- •5.4. Интенсификация гетерогенных процессов
- •5.5. Интенсификация процессов, основанных на необратимых реакциях
- •5.6. Интенсификация процессов, основанных на обратимых реакциях
- •Контрольные вопросы
- •Тема 6 гетерогенный катализ
- •6.1. Общие положения катализа
- •6.2. Процессы абсорбции и хемосорбции в гетерогенном катализе
- •6.3. Механизм гетерогенных каталитических процессов
- •6.4. Основные требования к гетерогенным катализаторам
- •6.5. Основные структурные параметры гетерогенных катализаторов
- •6.6. Технологические свойства гетерогенных катализаторов
- •6.7. Классификация гетерогенных катализаторов
- •6.8. Состав катализаторов
- •6.9. Приготовление катализаторов
- •Контрольные вопросы
- •Тема 7 гомогенный катализ
- •7.1. Кислотный (основной) катализ
- •7.2. Металлокомплексный катализ
- •7.3. Ферментативный катализ
- •Контрольные вопросы
- •Тема 8 химические реакторы
- •8.1. Принципы классификации химических реакторов
- •8.2. Принципы проектирования химических реакторов
- •8.3. Химические реакторы с идеальной структурой потока в изотермическом режиме
- •8.3.3. Примеры аналитического решения математической модели (8.22) и (8.23) для частных случаев.
- •8.4. Сравнение эффективности проточных реакторов идеального смешения и идеального вытеснения
- •8.5. Конструкции реакторов
- •Контрольные вопросы
- •Тема 9 производство серной кислоты
- •9.1. Способы производства серной кислоты
- •8.2. Сырье процесса
- •8.3. Промышленные процессы получения серной кислоты
- •Влияние параметров процесса на степень превращения so2 в so3
- •9.4. Пути совершенствования сернокислотного производства
- •Динамика использования различных источников сырья
- •Контрольные вопросы
- •Тема 9 производство аммиака
- •10.1. Проблема связанного азота
- •10.2. Получение азота и водорода для синтеза аммиака
- •10.3. Синтез аммиака
- •Контрольные вопросы
- •Тема 11 переработка нефти
- •11.1. Общие сведения о нефти
- •11.2. Классификация нефтей
- •11.3. Состав нефти
- •11.4. Нефтепродукты
- •11.5. Подготовка нефти на нефтепромыслах
- •11.6. Первичная переработка нефти
- •11.7. Пиролиз
- •11.8. Коксование
- •11.9. Каталитический крекинг
- •11.10. Каталитический риформинг
- •11.11. Гидроочистка
- •11.12. Производство нефтяных масел
- •Контрольные вопросы
- •Тема 12 переработка каменного угля
- •12.1. Показатели качества каменных углей
- •12.2. Классификация углей
- •12.3. Коксование каменных углей
- •Коксование
- •Тушение
- •Разгонка
- •12.4. Состав прямого коксового газа и его разделение
- •11.5. Переработка сырого бензола
- •12.6. Переработка каменноугольной смолы
- •12.7. Газификация твердого топлива. Процесс Фишера – Тропша
- •Контрольные вопросы
- •Тема 13 производство стирола
- •13.1. Получение этилбензола
- •13.2. Производство стирола дегидрированием этилбензола
- •13.1.3. Технологическая схема производства стирола дегидрированием этилбензола
- •Контрольные вопросы
- •Тема 14 производство этанола
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Содержание
- •Тема 5. Общие закономерности химических процессов……………………..54
- •Тема 6. Гетерогенный катализ ……………………………………….................64
- •Тема 7. Гомогенный катализ……………………………………………………93
- •Тема 8. Химические реакторы…………………………………………………101
- •Тема 9. Производство серной кислоты……………………………………….123
- •Тема 10. Производство аммиака………………………………………………137
- •Тема 11. Переработка нефти…………………………………………………...146
- •Тема 12. Переработка каменного угля………………………………………..204
- •Тема 13. Производство стирола……………………………………………….213
- •Тема 14. Производство этанола………………………………………………..218
Контрольные вопросы
1. Дайте определение понятию “химический реактор”. Приведите основные требования к ним.
2. Приведите классификацию химических реакторов. Какие принципы положены в основу классификации химических реакторов?
3. Сравните графики изменений во времени основных параметров химических процессов в реакторах периодического и непрерывного действия.
4. Назовите особенности адиабатических реакторов. Изобразите гра-фики температурных режимов адиабатических реакторов для эндотермических и экзотермических процессов.
5. Приведите особенности изо- и политермических реакторов.
6. Сформулируйте допущения модели реактора идеального смешения.
7. Почему при составлении балансовых уравнений для РИС в качестве элементарного объема может быть принят полный объем реактора?
8. Выведите уравнение материального баланса для стационарного проточного реактора идеального смешения.
9. Какова разница между действительным и средним временем пребывания реагентов в проточном реакторе? Для какого типа реакторов действительное и среднее время пребывания совпадают?
10. Сформулируйте допущения модели идеального вытеснения.
11. Составьте уравнение материального баланса для стационарного проточного реактора идеального вытеснения в дифференциальной форме.
12. Назовите основную причину, почему для достижения одинаковой степени превращения при равных условиях проведения реакции в проточном РИС требуется большее время пребывания реакционной массы, по сравне-нию с проточным РИВ.
13. Сделайте анализ достоинств и недостатков реакторов идеального смешения и идеального вытеснения.
14. Сравните графики изменений по фронту реактора основных харак-теристик для реакторов типа РИС и РИВ.
15. Как изменяется движущая сила процесса в реакторах типа РИС и РИВ?
16. Приведите примеры процессов в реакторах типа РИС и РИВ.
17. Назовите типы реакторов по конструктивным элементам.
Тема 9 производство серной кислоты
Этот процесс – один из самых многотоннажных среди неорганических производств и занимает одно из ведущих мест в химической технологии.
В 2007 г. в мире выпускалocь свыше 175 млн. т серной кислоты. Объем ее выпуска превышает производство соляной, азотной, уксусной и других кислот вместе взятых. Серная кислота находит применение в производстве минеральных удобрений (около 50 %), взрывчатых веществ, минеральных солей и кислот, для очистки нефтепродуктов, и их синтезе (например, алкилирование изобутана), при обработке металлов, производстве продуктов органического синтеза, лекарственных препаратов и т.д. Многообразие областей применения серной кислоты представлено на диаграмме (рис. 9.1).
Производство хроматов Производство сульфатов Минеральные Сульфат
удобрения аммония
Взрывчатые вещества Травление металлов
Производство спиртов, Цветная
эфиров, кислот и др. СЕРНАЯ КИСЛОТА металлургия
органических веществ
Производство красителей
Минеральные кислоты
Производство глюкозы Химические Очистка Катализатор В сернокис-
и патоки волокна, нефте- алкилирования лотных ак-
текстиль продуктов и др. процессов кумуляторах
Рис. 9.1. Области применения серной кислоты
Больше всeго серной кислоты производится в США – 30 млн. т. Другими крупными ее производителями являются Германия и Япония.
Феномен высокого объема производства серной кислоты обусловлен комплексом ее физико-химических свойств. Она – самая дешевая из всех сильных кислот, не дымит и не имеет запаха, удобна в транспортировке, т. к. в концентрированном виде не разрушает черные металлы.
В технике под серной кислотой подразумевают любые смеси SO3 c H2O (mSO3 nH2O). Формуле H2SO4 соответствует моногидрат (m = n = 1) с плотностью 1850 кг / м3.
Разделение H2SO4 по сортам во многом связано с ее концентрацией и в значительной мере определяется температурой замерзания растворов ее с водой. Диаграмма кристаллизации системы SO3 – H2O представлена на рис. 9.2.
40
20
0
-
20
-40
-60
-80
-102
-
Н2SO4
хSO3
H2SO4
х2SO3
Н2О
Н2SO4
SO3
H2SO4 x
4H2O
H2SO4 x2H
2H2O
0 0 20 40 60 80 100 20 40 60 80 100
% Н2SО4 % SO3 (своб.)
Концентрация, % масс.
Рис. 9.2. Диаграмма кристаллизации системы Н2О – SO3
Из диаграммы следует, что при концентрациях от 0 до 64,5 % SO3 образуется 6 химических соединений-гидратов SO3, растворимых друг в друге в жидком состоянии, а при кристаллизации образуют эвтектические смеси. В области концентраций от 64,5 % до 100 % SO3 при замерзании образуются твердые растворы. Для того, чтобы кислота не замерзала в зимнее время, все ее товарные сорта имеют концентрации, близкие к эвтектическим составам.
Ниже приведена еще одна диаграмма – кипения системы Н2О – SО3 при атмосферном давлении (рис. 8.3).
Кислота, содержащая 98,3 % Н2SO4, является азеотропом и кипит при температуре 336,6 оС. Диаграмму, изображенную на рис. 9.3, применяют при концентрировании кислоты выпариванием воды. Из диаграммы следует, что при нагревании кислоты, содержащей менее 90 % Н2SО4, в пар переходит почти исключительно вода. При концентрации выше 93 % Н2SО4 состав паров быстро приближается к составу жидкой фазы. Поэтому практически серную кислоту концентрируют упариванием только до купоросного масла, т. е. до 92 % Н2SО4. При повышении температуры пары Н2SО4 диссоциируют на SО3 и Н2О, а затем SО3 распадается на SО2 и О2. При 700 оС в парах преобладает SО2 , а выше 900 оС SО3 диссоциирует полностью.
340
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
П ар |
|
|
|
|
|
|
Пар |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Раствор |
|
|
|
|
|
Раствор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 20 40 60 80 100 20 40 60 80 100
Н2SО4 SO3 (cвоб.)
Концентрация, % масс.
Рис. 9.3. Диаграмма кипения системы Н2О–SО3 при атмосферном давлении