Химико-технологический процесс
Лекция 1. Химическая технология и химическое производство
1. Химическая технология как наука
2. Химическое сырье
3. Химическое производство
4. Химико-технологический процесс
5. Основные направления развития химической техники и технологии
Химическая технология как наука
Взаимодействие человека с окружающей средой или антропогенная деятельность реализуется в форме крупномасштабного материального производства. Материальным производством называется процесс создания материальных благ. Оно является основой всех других видов деятельности человека и включает три обязательных компонента:
1. Предметы труда - все то, что подвергается обработке, на что направлен труд человека. Они либо даны природой (нефть, уголь, руда), либо являются продуктами труда - сырым материалом (металл, древесина, хлопок). Предметы труда подразделяются на основные материалы, образующие материальную основу производимого продукта, и вспомогательные материалы, способствующие процессу труда или придающие основному материалу новые качества.
2. Средства труда - машины, аппараты или приспособления, с помощью которых человек воздействует на предметы труда.
3. Живой труд - сознательная целенаправленная деятельность человека, в процессе которой он придает предметам труда форму, пригодную для удовлетворения своих потребностей.
Процесс материального производства организационно реализуется в форме промышленности, представляющей одну из составных частей хозяйства страны. Промышленность подразделяется на отрасли. Отраслью промышленности называется совокупность предприятий и производств, обособившихся в процессе разделения труда и характеризующихся общностью производимой продукции, спецификой сырья, средств труда и технологических процессов, составом работников, формой организации их труда и условиями производственной деятельности. Всю промышленность принято делить на добывающую и обрабатывающую, а по назначению производимой продукции - на отрасли, производящие средства производства, и отрасли, производящие предметы потребления. Главным при отнесении производства к той или иной отрасли является общность технологической базы и технологии производственного процесса.
|
|
|
Под технологией в широком значении этого слова понимают научное описание методов и средств производства в определенной отрасли промышленности. Технологию делят на механическую и химическую. В механической технологии рассматривают процессы, в которых изменяется форма, внешний вид и физические свойства материалов, а в химической - процессы коренного преобразования состава, свойств и внутреннего строения вещества.
|
|
|
Химическая технология – прикладная наука об экономически, экологически и социально обоснованных способах и процессах переработки сырья с коренным изменением его состава и свойств путем проведения химических и физико-механических превращений в продукты потребления и средства производства.
Химическая технология относится к естественным наукам, изучает определенную область явлений природы, следовательно, имеет дело с объектом и процессом. Объекты химической технологии - вещества и системы веществ, участвующие в химическом производстве. Процессы химической технологии - совокупность разнообразных операций, осуществляемых в ходе производства с целью превращения одних веществ в другие. Таким образом, химическая технология - это отрасль химической науки, изучающая вещества и процессы их превращения в ходе химического производства.
Как наука химическая технология имеет: 1) предмет изучения – химическое производство; 2) цель изучения – создание целесообразного способа производства необходимых человеку продуктов; 3) методы исследования – экспериментальные, моделирование, системный анализ.
Химическое сырье
|
|
|
Сырьем называются природные материалы, используемые в производстве промышленной продукции. Сырье – это основной элемент производства, от которого в значительной степени зависят экономичность производства, выбор технологии и аппаратуры, качество производимой продукции. В себестоимости химической промышленности доля сырья достигает 70%. Поэтому проблема ресурсов и рационального использования сырья весьма актуальна.
Химическая промышленность использует в качестве сырьевых источников соединения более 80 элементов. Эти элементы, главным образом, входят в состав земной коры и распределены в ней крайне неравномерно и по природе, и по концентрации, и по географическому положению. Доля, приходящаяся на тот или иной элемент, содержащийся в земной коре, называется кларком. Кларки наиболее распространенных элементов приведены в таблице 1.
Таблица 1
| Элемент | О2 | Si | Al | Fe | Ca | Na | Mg | О2 | К | Н2 |
| Кларк | 49,13 | 26,00 | 7,45 | 4,20 | 3,25 | 2,40 | 2,35 | 49,13 | 2,35 | 1,00 |
Как видно из таблицы, на девять элементов приходится 98 % массы земной коры. Доля всех остальных элементов составляет всего 1,87 %. Из них кларк углерода, составляющего основу жизни, равен 0,35 %.
|
|
|
В химическом производстве на различных стадиях переработки можно выделить следующие материальные объекты: исходные вещества (собственно сырье), промежуточные продукты (полупродукты), побочные продукты, конечный целевой продукт и отходы.
Сырье – исходные вещества, подвергаемые в химическом производстве обогащению, очистке и из которых получают необходимые химические продукты.
Полупродуктом называется сырье, подвергшееся обработке на одной или нескольких стадиях производства, но не потребляемое в качестве готового целевого продукта. Полупродукт, полученный на предыдущей стадии производства, может быть сырьем для последующей стадии. Пример:
нефть → прямогонный бензин → этилен → полиэтилен.
Побочным продуктом называется вещество, образующееся в процессе переработки сырья наряду с целевым продуктом, но не являющееся целью данного производства (пример – смола пиролиза). Побочные продукты, образующиеся при добыче или обогащении сырья, называются попутными продуктами.
Отходами производства называются остатки сырья, материалов и полупродуктов, образующиеся в производстве и частично или полностью утратившие свои качества.
Полупродукты, побочные продукты и отходы производства после предварительной обработки или без нее могут использоваться в качестве сырья в других производствах. Все химическое сырье подразделяется на группы:
1) по происхождению – минеральное (рудное, нерудное, горючее), растительное и животное, вода, воздух;
2) по запасам – возобновляемое, невозобновляемое;
3) по химическому составу – неорганическое, органическое;
4) по агрегатному состоянию – твердое, жидкое, газообразное.
Химическое сырье должно обеспечивать:
- малостадийность производственного процесса;
- агрегатное состояние системы, требующее минимальных затрат энергии для создания оптимальных условий протекания процесса;
- возможно более низкие параметры процесса (температура, давление);
- максимальное содержание целевого продукта в реакционной смеси.
Основными направлениями рационального использования химического сырья являются:
- применение более дешевого сырья (с минимальными затратами на добычу и транспортировку, местного);
- использование вторичных материальных ресурсов (отходов производства и потребления, побочных продуктов других производств);
- использование менее концентрированного и качественного сырья (бедных руд, сернистых нефтей);
- комплексная переработка сырья, при которой в максимальной степени извлекаются и используются все ценные компоненты.
Принципы обогащения сырья
Обогащение сырья – совокупность физических и физико-химических методов обработки минерального сырья (руды, угля и др. ) для удаления пустой породы и повышения содержания основного компонента в концентрате.
Если в сырье содержится несколько полезных ископаемых, его делят на составные части (фракции), обогащённые тем или иным компонентом и являющиеся сырьём для различных производств.
Методы обогащения сырья зависят от его фазового состояния. Большая группа методов предназначена для обогащения твёрдых материалов.
Гравитационный метод – разделение, основанное на разной скорости выпадения частиц разной плотности и крупности в потоке жидкости или газа или на действии центробежных сил (этод метод широко применяется для обогащения сырья в производстве силикатных материалов, минеральных солей и в металлургии).
Электромагнитный – разделение по магнитной проницаемости, например отделение магнитного железняка, хромистого железняка, рутила и других магнитно-восприимчивых материалов от пустой породы.
Электростатический – разделение по электрической проводимости (отделение проводящих руд от диэлектрических пород, например гипса, известняка, силикатов и др.)
Флотационный – разделение взвешенных в жидкости относительно мелких частиц друг от друга (или выделение твёрдых частиц из жидкости ) по их способности прилипать к вводимым в суспензию газовым пузырькам с последующим всплыванием их на поверхность жидкости и образованием пены. Для обеспечения эффективности флотации в суспензию вводят различные флотационные реагенты, усиливающие избирательность и прочность прилипания минеральных частиц к пузырькам воздуха. Флотация является наиболее универсальным и совершенным способом обогащения. Методом флотации извлекаются из минерального сырья практически все минералы. Это один из наиболее распространённых способов обогащения, применяемый в крупнейших масштабах.
Жидкие растворы различных веществ концентрируют упариванием растворителя, вымораживанием, выделением примесей в осадок или в газовую фазу.
Газовые смеси разделяют на компоненты последовательной конденсацией газов при их сжатии (компрессии) и понижении температуры.
Дальнейшее совершенствование процессов обогащения сырья связано с решением ряда теоретических вопросов, к числу которых относятся: изучение изменения физических и физико-химических свойств минералов, воды и различных реагентов, а также поверхности раздела воздух – жидкость в результате воздействия на них различных силовых полей и излучений (ядерные и фотонные излучения, магнитные и электрические поля, ультразвук); установление физических характеристик поверхностных слоёв минералов.
Обогащение сырья является одним из важнейших элементов энергосберегающей технологии. Так, например, подготовка сырья для получения ароматических углеводородов (гидроочистка, чёткое фракционирование) обеспечивает снижение энергозатрат на 23%. Существенно снижает энергозатраты подготовка сырья для пиролиза (гидрирование бензинов или газойлей и очистка их от серы и азота).
Химическое производство
Химическое производство - это совокупность процессов и операций, осуществляемых в машинах и аппаратах и предназначенных для переработки сырья путем химических превращений в необходимые продукты.
Общие требования к химическому производству:
- получение в производстве качественного продукта в заданном количестве;
- экологическая чистота;
- безопасность и надежность эксплуатации;
- максимальное использование сырья и энергии;
- максимальная производительность труда.
Химическое производство является многофункциональным. Общая структура химического производства включает в себя следующие функциональные элементы:
1) подготовка сырья;
2) переработка сырья;
3) выделение основного продукта;
4) санитарная очистка и утилизация отходов;
5) энергетическая система;
6) подготовка вспомогательных материалов и водоподготовка;
7) система управления.
Позиции 1-3 – это собственно химическое производство, в котором сырье перерабатывается в продукт.
Подготовка сырья включает в себя его предварительную обработку - измельчение, очистку от примесей, смешивание компонентов и т.д.
Подготовленное сырье проходит ряд превращений, в результате чего образуется необходимый продукт производства.
Выделение основного продукта – это главное направление переработки сырья, так как превращение может быть неполным, могут образовываться другие вещества, поэтому приходится выделять основной продукт из образовавшейся смеси, очищать его от примесей (экстракция, адсорбция, фильтрация).
Отходы производства или невостребованные продукты переработки сырья могут содержать как вредные компоненты, которые опасно выбрасывать в окружающую среду, так и полезные, которые выбрасывать нецелесообразно. Поэтому санитарная очистка и утилизация отходов является существенным элементом химического производства. Санитарная очистка или обезвреживание отходов - перевод токсичных составляющих в безвредные, с тем чтобы их можно было удалить из производства, не опасаясь загрязнения окружающей среды. Безусловно, наиболее рационально превращать отходы в дополнительный полезный продукт, что существенно уменьшает количество выбросов.
Химическая промышленность потребляет довольно много энергии - около 15% всех энергоресурсов страны. Энергия не столько потребляется непосредственно для получения продукта, сколько обеспечивает условия его производства. Кроме того, часто химические превращения сопровождаются выделением энергии, которую необходимо полезно использовать. Поэтому энергетическая составляющая - важный и сложный элемент химического производства.
В химическом производстве широко используются вспомогательные материалы. К ним относятся, например, сорбенты для очистки и выделения продуктов, вещества, с помощью которых создается среда, необходимая для протекания процессов, и т.п. Особое место занимает вода. Она используется для охлаждения технологических потоков, выработки пара, растворения, разбавления. Потребление воды может быть значительным, поэтому водоподготовка - важная и сложная часть химического производства. Поскольку вспомогательные материалы и вода обеспечивают технологический процесс, но, как правило, не входят в конечные продукты, система их подготовки должна обеспечивать восстановление свойств после проведения цикла операций и возврат их в производство.
Сложное химическое производство невозможно эксплуатировать без системы управления, обеспечивающей контроль за состоянием производства, проведение процессов в оптимальных условиях, защиту от аварийных ситуаций, пуск и остановку сложной системы. Этот элемент в основном представлен автоматизированными системами управления технологическими процессами (АСУТП).
Кроме функциональных элементов принято выделять компоненты химического производства.
Переменные компоненты непрерывно потребляются или образуются в производстве. К ним относятся:
1) сырье;
2) вспомогательные материалы;
3) продукты (основной и дополнительные), образующиеся при переработке сырья;
4) отходы производства;
5) энергия.
Постоянные компоненты закладываются в производство (оборудование, конструкции) или участвуют в нем (персонал) в течение всего или почти всего срока его существования. Это:
1) аппаратура - машины, аппараты, емкости, трубопроводы, арматура;
2) устройства контроля и управления;
3) строительные конструкции - здания, сооружения;
4) обслуживающий персонал - рабочие, аппаратчики, операторы, инженеры и др.
В состав химического производства включают следующие крупные подсистемы, обеспечивающие его функционирование:
- собственно химическое производство;
- хранилища сырья, продуктов, других материалов;
- систему транспортировки сырья, продуктов, промежуточных веществ, отходов;
- обслуживающий персонал производственного подразделения;
- систему управления, обеспечения и безопасности.
Сложность такой системы, как химическое производство, сделало целесообразным применение для ее исследования системного подхода.
Химико-технологический процесс
Химико-технологический процесс - последовательность элементарных процессов целенаправленной переработки исходных веществ в необходимый продукт. Как правило, это сочетание химических и физико-химических процессов. Из функциональных элементов химического производства к химико-технологическому процессу можно отнести позиции 1-4.
ХТП состоят из совокупности физических и химических явлений, которые представляют собой взаимосвязанные элементарные стадии, от совершенства которых зависят как технологические, так и технико-экономические показатели:
1) Подвод реагирующих компонентов в зону реакции – совершается конвекцией или диффузией, при сильном перемешивании веществ происходит объективный перенос. В двух- или многофункциональных системах подвод реагирующих компонентов происходит адсорбцией или десорбцией, растворение в жидкости твердых веществ;
2) Непосредственно химические превращения – несколько химических реакций, приводящих к образованию основного продукта, а также ряд побочных реакций между основными исходными веществами и примесями, образующими побочные продукты или отходы производства. При анализе учитывают не все происходящие реакции, а только те из них, которые имеют определенное влияние на количество и качество получаемого целевого продукта;
3) Отвод из зоны реакции полученных продуктов – процессы диффузии, конвекции и перехода веществ из одной фазы в другую. Суммарная скорость процесса определяется лимитирующей скоростью одной из элементарных стадий
В совокупном ХТП выделяются следующие виды отдельных процессов и операций, классифицированных по их основному назначению:
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, компрессоры, насосы, смесители, фильтры;
2) теплообменные процессы - нагрев, охлаждение, изменение фазового состояния. Химический состав в них не меняется. Они протекают в теплообменниках, кипятильниках, конденсаторах, сублиматорах;
3) массообменные процессы - межфазный обмен, в результате которого меняется компонентный состав контактирующих фаз без коренного изменения химического состава. К ним относятся растворение, кристаллизация, сушка, дистилляция, ректификация, абсорбция, экстракция, десорбция, осуществляемые в соответствующих аппаратах - сушилках, дистилляторах, абсорберах, экстракторах и т.п.;
4) химические процессы - коренное изменение химического состава материала в химических реакторах.
Кроме перечисленных основных процессов в химическом производстве осуществляются также:
- 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 посредством датчиков, сигнальных и информационных систем, клапанов, задвижек, вентилей, систем автоматического регулирования и т.д.
Часто в каком-либо процессе имеют место одновременно два явления и более. В таком случае процесс следует классифицировать по его основному назначению. Пример: сжатие газа в компрессоре сопровождается его нагревом, но по основному назначению это процесс механический.
Дата добавления: 2019-11-25; просмотров: 1698; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!