Введение

Дисциплина «Общая химическая технология» является важной частью в системе подготовки квалифицированных инженеров для химического комплекса России.

Ввиду большого многообразия производств, входящих в неорганическую технологию, в данной дисциплине основной акцент сделан на рассмотрение многотоннажных производств, получивших наибольшее распространение: производство серной, азотной, фосфорной кислот, аммиака, производство удобрений и силикатных материалов, основы металлургии.

Главная цель дисциплины «Общая химическая технология» - изучение научных основ химической технологии и установлении закономерностей, общих для разработки ряда химико-технологических процессов

В соответствии с вышеуказанной целью ведущими задачами дисциплины выступают:

  • - ознакомление с историей развития, современным состоянием и перспективами развития рассматриваемых отраслей промышленности;
  • - изучение основных видов применяемого сырья, его состава и характеристик, требований к качеству сырья, способов подготовки и обогащения сырья;
  • - освоение физико-химических основ процессов, составляющих производства, изучение влияния технологических параметров и обоснование оптимального технологического режима;
  • - обзор методов получения конкретных видов продукции и изучение технологических схем их производства.

Химическое производство и химико-технологический процесс

Структура, компоненты и показатели химического производства

Общая химическая технология (ОХТ) - это одна из основных инженернохимических дисциплин, необходимых для формирования технологического мышления у инженеров [1,2].

Слово «технология» появляется в конце XVIII века и происходит от греческих слов: tectne - ремесло (мастерство, искусство) и logos - понятие, учение. Дословный перевод - «учение о ремесле» - в настоящее время можно трактовать как «наука о производстве».

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

Химическую технологию классифицируют на основе различных признаков -характер используемых технологических процессов, происхождение и характер сырья, характер и потребительские свойства продуктов. По отраслям, как они исторически сформировались в хозяйственной жизни, химическую технологию делят на неорганическую и органическую.

К первой группе относятся:

  • 1) основной неорганический синтез - производство кислот, щелочей, солей и минеральных продуктов;
  • 2) тонкий неорганический синтез - производство неорганических препаратов, реактивов, редких элементов, материалов электроники, лекарственных веществ;
  • 3) ядерно-химическая технология;
  • 4) металлургия - производство черных и цветных металлов;
  • 5) силикатные производства - производства вяжущих материалов, керамических изделий, стекла.

Ко второй группе относятся:

  • 1) переработка нефти и газа - первичная переработка (первичное разделение, очистка, облагораживание) газообразных, жидких и твердых природных углеводородов (ископаемого топливного сырья);
  • 2) нефтехимический синтез - производство органических продуктов и полупродуктов на основе переработки газообразных, жидких и твердых углеводородов, а также оксидов углерода и водорода;
  • 3) основной органический синтез - производство органических продуктов и полупродуктов на основе главным образом углеводородного сырья;
  • 4) биотехнология - производство кормовых дрожжей, аминокислот, ферментов, антибиотиков и др. на основе биологических процессов;
  • 5) тонкий органический синтез - производство органических препаратов, реактивов, лекарственных веществ, средств защиты растений;
  • 6) высокомолекулярная технология - получение высокомолекулярных соединений (синтетический каучук, пластмассы, химические волокна, пленкообразующие вещества);
  • 7) технологии переработки растительного и животного сырья.

Объектом исследования XT является химическое производство.

Химическое производство (ХП) - совокупность операций и процессов, осуществляемых в аппаратах и машинах, предназначенных для переработки сырья путем химических превращений в необходимые человеку продукты [1,2,4,6].

Требования, предъявляемые к химическому производству:

  • 1) получение в производстве целевого продукта;
  • 2) экологическая безопасность;
  • 3) безопасность и надежность эксплуатации;
  • 4) максимальное использование сырья и энергии;
  • 5) максимальная производительность труда.

Основное назначение химического производства - получение продукта, при этом химическое производство является многофункциональным, общая структура которого представлена на рисунке 1.

Общая структура химического производства

Рисунок 1 - Общая структура химического производства

Этапы 1-3 - собственно химическое производство, в котором сырье перерабатывается в продукт. Подготовка сырья (этап 1) включает в себя предварительную обработку - измельчение, очистку от примесей, смешивание компонентов. Процессы подготовки сырья зависят от вида сырья и условий превращения.

Подготовленное сырье проходит ряд превращений (этап 2), в результате которых образуется целевой продукт производства. Так как исходное сырье, как правило, содержит примеси, превращение может быть неполным, и могут образовываться другие вещества, поэтому приходится выделять основной продукт из образовавшейся смеси, очищать его от примесей (этап 3).

Отходы производства или невостребованные продукты переработки сырья могут содержать как вредные компоненты, которые опасно выбрасывать в окружающую среду, так и полезные, которые нецелесообразно выбрасывать. Поэтому существенным элементом ХП является санитарная очистка и утилизация отходов производства (этап 4). Наиболее рациональным является превращение отходов основного производства в полезный дополнительный продукт, с тем, чтобы существенно уменьшить количество выбрасываемых отходов.

ХП потребляет много энергии, чтобы обеспечить переработку сырья в продукты, - около 15 % всех энергоресурсов. Энергетическая система - важный и сложный элемент ХП. Энергия обеспечивает условия получения готового продукта. Часто химические превращения сопровождаются выделением тепла (экзотермические реакции). Поэтому энергетическая система должна обеспечивать не только распределение энергии по стадиям производства, но и по возможности возвращения ее после использования.

Используются также вспомогательные материалы. Особое место занимает вода - она применяется для выработки пара, охлаждения, растворения и разбавления технологических потоков. Система подготовки должна обеспечивать восстановление свойств вспомогательных материалов и воды после проведения цикла операций с их участием и возврат их в производство.

Сложное химическое производство невозможно эксплуатировать без системы управления (этап 7), которая обеспечивает контроль за состоянием производства, проведение процессов при оптимальных условиях, защиту от аварийных ситуаций, пуск и остановку сложной системы. Этот элемент представляет собой автоматизированную систему управления технологическим процессом (АСУТП).

Компоненты химического производства:

  • 1. Переменные компоненты постоянно потребляются или образуются в производстве (сырье, поступающее на переработку; вспомогательные материалы; продукты - основной и дополнительный - как результат переработки сырья; отходы производства; энергия, обеспечивающая функционирование производства).
  • 2. Постоянные компоненты закладываются в производство (оборудование, конструкции) или участвуют в нем (персонал) весь срок его существования (аппаратура (машины, аппараты, емкости, трубопроводы, арматура); устройства контроля и управления; строительные конструкции (здания, сооружения); обслуживающий персонал (рабочие, инженеры и др. работники производства)).

Состав химического производства, обеспечивающий его функционирование как производственной единицы:

  • 1) собственно ХП;
  • 2) хранилища сырья, продуктов и других материалов;
  • 3) транспортировка сырья, продуктов, промежуточных веществ, отходов;
  • 4) обслуживающий персонал производственного подразделения;
  • 5) система управления, обеспечения и безопасности.

Собственно ХП было рассмотрено выше. Ясно назначение хранилищ сырья, продуктов и других материалов: при непрерывном производстве доставка сырья и отгрузка продуктов происходит периодически. Нередко хранилища представляют собой технически сложные сооружения. Например - аммиак (3000 т/сутки) хранится в жидком виде (в газообразном состоянии его объем в 7 - 8 тысяч раз больше) под давлением 1-2 МПа. Необходимо поддерживать определенную температуру и отвод испаряющегося аммиака с его возвратом в хранилище.

Совокупность операций и процессов целенаправленной переработки сырья и материалов в продукт - химико-технологический процесс (ХТП).

Например, синтез аммиака из азота и водорода (при температуре 700 - 800 К и давлении 30 МПа.) (1):

N2 + ЗН2 2NH3 (1)

Из-за обратимости реакции исходная азотоводородная смесь превращается не полностью. Необходима физико-химическая стадия - конденсация - для выделения образовавшегося аммиака. Непрореагировавшие азот и водород возвращаются в реактор. Для повышения давления, а также для циркуляции газов необходимо их сжатие, являющееся механическим процессом. Нагрев и охлаждение потоков, осуществляемые при этом - теплообменные процессы. Совокупность указанных операций в их последовательности есть ХТП синтеза аммиака.

По основному назначению отдельных процессов и операций выделяют:

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. Для проведения этих процессов предназначены транспортеры, питатели, дробилки, компрессоры, насосы, смесители, фильтры.

Теплообменные процессы - нагрев, охлаждение, изменение фазового состояния, без изменения химического и фазового состава. Теплообменники, кипятильники, конденсаторы, плавилки, сублиматоры.

Массообменные процессы - межфазный обмен, в результате которого меняется компонентный состав контактирующих фаз без коренного изменения, химического состава (растворение, кристаллизация, сушка, дистилляция, ректификация, абсорбция, экстракция, десорбция, осуществляемые в соответствующих аппаратах - сушилках, дистилляторах).

Химические процессы - коренное изменение химического состава в химических реакторах.

Энергетические процессы - взаимное преобразование различных видов энергии (тепловой, механической, электрической) в турбинах, генераторах, моторах.

Процессы управления - получение и передача информации о состоянии потоков и веществ (датчики, сигнальные и информационные системы, клапаны, задвижки, вентили, системы автоматического регулирования).

Полезность и эффективность ХП определяется соответствующими показателями.

Качество ХТП определяют технические показатели.

1. Производительность производства (мощность) (77) - количество перерабатываемого сырья или количество получаемого продукта в единицу времени:

П = - (2)

t

где 77- производительность;

G - количество получаемого продукта или перерабатываемого сырья за время t.

Обычно производительность выражают в количестве продукта за 1 час или 1 сут., показывая максимальную возможность в непрерывном режиме. Учитывая плановые остановки, для связи часовой или суточной производительности с годовой, принимают, что производство работает 8000 часов или 330 сут. в году.

Значение П зависит от конкретного производства. Крупнотоннажные производства серной кислоты - 360 - 500 тыс. т в год (1090 - 1500 т/сут), аммиака - до 450 тыс. т в год (1360 т/сут). Установки первичной переработки нефти потребляют до 2 млн. т сырья в год. В малотоннажных производствах (реактивы, редкие металлы, продукты тонкого органического синтеза) производительность составляет кг и даже г продукта в год.

2. Степень превращения 1X1 - отношение количества исходного вещества, превратившегося в продукт, к его введённому количеству:

_ G0-GK

(3)

А —------

Go

где Go - количество исходного вещества в начальный момент процесса,

Gk - количество исходного вещества в конечный момент процесса.

  • 3. Расходный коэффициент (/С„) показывает количество затраченного сырья, материалов или энергии на производство единицы продукта. Его размерность очевидна: [кг сырья / т продукта], [м3 сырья / кг продукта], [кВт-ч / кг продукта]. Расходный коэффициент показывает затраты на производство но не отражает эффективности использования расходуемых компонентов. Эффективность определяется выходом продукта.
  • 4. Выход продукта (а/) - отношение количества полученного продукта к теоретически возможному (стехиометрическому, или равновесному, в случае обратимого процесса):

, = (4)

Сг стех

Выход может также определяться относительно количества исходного сырья >?=?• (5)

5. Селективность (избирательность) процесса (S) - отношение количества вещества, превратившегося в целевой продукт (Gp), к общему количеству превращенного исходного вещества (Gn)'

Эта величина, характеризующая сложные процессы, показывает, насколько эффективно протекает процесс в нужном направлении:

Экономические показатели определяют экономическую эффективность производства.

1. Себестоимость продукции (Q - суммарные затраты на получение единицы продукта, складывающаяся из следующих расходов: затраты на сырье, энергию, вспомогательные материалы, единовременные, капитальные затраты, затраты на оплату труда работников. Себестоимость имеет денежное выражение. Общая структура себестоимости С:

Ж+Ц.+1

С = — ‘-р. ---- (7)

Gn

где Ци G- цена и количество израсходованных сырья, энергии, материалов на производство продукта;

Gn - количество произведенного продукта,

Зк капитальные затраты,

к - коэффициент окупаемости капитальных затрат (в среднем для химических производств к = 0,15 в расчете на годовую производительность G„),

Зт - оплата труда.

2. Производительность труда - количество продукции, произведенной в единицу времени (обычно за год) в пересчете на одного работающего.

Эксплуатационные показатели характеризуют изменения, возникающие в химико-технологическом процессе и производстве во время их эксплуатации:

  • 1) надежность (зависит от качества используемого оборудования и правильности его эксплуатации (среднее время функционирования между отказами или общее время простоя);
  • 2) безопасность функционирования;
  • 3) управляемость и регулируемость.

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

  • 1) безвредность обслуживания;
  • 2) степень автоматизации и механизации;
  • 3) экологическая безопасность.

Материальный и тепловой балансы

Основой для расчета количественных показателей эффективности функционирования любого химического производства служат данные, получаемые из уравнений материального и энергетического балансов [3,7].

Материальный баланс можно представить в виде уравнения, в левой части которого суммируются массы всех участвующих в процессе производства видов сырья и вспомогательных материалов, в правой - массы получаемых продуктов и производственных потерь. Материальный баланс основан на законе сохранения материи, его можно представить также в форме таблицы. В таблице 1 приведен материальный баланс производства фосфора электротермическим восстановлением фосфата кальция коксом (8):

Са3(РО4)2 + 5С + SiO2 = Р2 + 5СО + 3CaOSiO2 (8)

Таблица 1 - Материальный баланс производства фосфора

Приход

кг

%

Расход

кг

%

Апатит (в т.ч. 28 % р2о5)

10250

73,5

Фосфор

1000

7,2

Кокс (80 % С)

1330

9,5

Феррофосфор

282

2,0

Песок (95 % SiO2)

2370

17,0

СО и газы

3668

26,3

Шлак

9000

64,5

Итого

13950

100

Итого

13950

100

Эффективность энергоиспользования можно оценить с помощью энергетического баланса. Основой для его расчета служит закон сохранения энергии. Частным случаем энергетического баланса является тепловой баланс.

Тепловой баланс может быть представлен в форме таблицы (таблица 2).

Таблица 2 - Тепловой баланс производства фосфора

Приход

кВт • ч

%

Расход

кВт • ч

%

Электроэнергия

18200

100

Тепло на проведение реакции

8450

46,43

Потери со шлаком

5820

31,98

Потери с газами

540

2,96

Потери в атмосферу

3390

18,63

Итого

18200

100

Итого

18200

100

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >