Основные понятия химической технологии. Предмет и задачи химической технологии
Лекция 12. Химический комплекс.
План лекции:
1. Химические процессы. Виды технологических процессов
2. Основные понятия химической технологии. Предмет и задачи химической технологии
3. Производство серной кислоты
4.Производство химических удобрений
5. Промышленность органического синтеза и полимеров.
6. Химический комплекс России
Химические процессы. Виды технологических процессов
Классификация химических процессов:
По параметрам производства (высокотемпературные, низкотемпературные, некаталитические, каталитические, проходящие под повышенным или пониженным давление, электрохимические, биохимические, радиационно-химические, плазмохимические, фотохимические и т.д.)
По направлению движения тепловых и материальных потоков (прямоточные, противоточные, процессы с перекрестным и смешенным ходом)
По агрегатному состоянию (гомогенные и гетерогенные)
По тепловому эффекту (экзотермические, эндотермические)
Процесс химического превращения:
1.Подвод реагирующих компонентов в зону реакции
2. Химическая реакция
3. Отвод полученных продуктов из зоны реакции
Характер химического процесса:
1.Диффузионный
2. Кинетический
3. переходный
Выход продукта:
Х=Мф/Мт – выход продукта
Хр=Мр/Мт – равновесный выход продукта
Хф=(Мф/МтМр)100% - фактический выход продукта
Виды технологических процессов
1. Высокотемпературные процессы - «Металлургия – высотемпературная химия»ипирогенная переработка топлива, например, фракционная перегонка нефти.
|
|
2. Электрохимические процессы – процессы, основанные на непосредственном переходе электрической энергии в химическую без промежуточного этапа превращения энергии в теплоту. В качестве примера рассмотрим электрохимическое производство хлора. Основным промышленным методом получения хлора является электролиз концентрированного раствора NаС1. Принципиальная схема электролизера показана на рис.1 (А - аноды, Б - диафрагма, В - катод). При электролизе на аноде выделяется хлор, а в при катодном пространстве выделяется водород образуется NаОН. При практическом осуществлении электролиза раствора NaCl расход электроэнергии на получение 1 т хлора составляет около 2700 кВт·ч. Полученный хлор под давлением сгущается в желтую жидкость уже при обычных температурах. Хранят и перевозят его в стальных баллонах, где он заключен под давлением около 6 атм. Баллоны эти должны иметь окраску защитного цвета с зеленой поперечной полосой в верхней части.
Рис. 1. Электрохимическое производство хлора
3. Биохимические процессы основаны натехническом использовании биохимических процессов, протекающих в живой клетке. Микробиологическая промышленность - отрасль промышленности, в которой производственные процессы базируются на микробиологическом синтезе ценных продуктов из различных видов непищевого сырья (углеводородов нефти и газа, гидролизатов древесины), а также отходов промышленной переработки сахарной свёклы, кукурузы, масличных и крупяных культур и т. д. Выпускает белково-витаминные концентраты, аминокислоты, витамины, ферментные препараты, антибиотики, бактериальные и вирусные препараты для защиты растений от вредителей и болезней, бактериальные удобрения, а также продукты комплексной переработки растит, сырья - фурфурол, ксилит и др. . Микробиологическая промышленность возникла в ходе НТР и основана на новейших достижениях микробиологии, химии, физики, химических технологий и кибернетики. На научной основе создаются всё более совершенные инженерно-биологические системы, в которых свойственная микроорганизмам огромная энергия ферментативного превращения веществ используется для направленного синтеза продуктов, необходимых сельскому хозяйству и промышленности. Значительная часть продукции микробиологической промышленности употребляется для получения биологически полноценных комбикормов. В расчёте на 1 m дрожжей, добавленных в корма, на фермах дополнительно производится до 800-1200 кг свинины, или 1500-2000 кг мяса птицы (в живом весе), или 15-25 тыс. яиц, сберегается 3,5-5 т зерна. Экономическая эффективность животноводства ещё более возрастает, когда вместе с кормовыми дрожжами в состав рационов вводятся недостающие витамины и аминокислоты, кормовые антибиотики, ферментные препараты.
|
|
|
|
Повышению урожайности полей, огородов, садов и виноградников способствуют микробиологические средства для борьбы с вредителями и возбудителями болезней растений, а также бактериальные удобрения. Микробные и вирусные инсектициды безопасны для человека, полезных животных и насекомых, помогают охране природы и улучшают условия воспроизводства в растительном и животном мире.
Ферментные препараты намного ускоряют ряд технологических процессов обработки с.-х. сырья, повышают выход и улучшают качество продукции в пищевой, мясной, молочной и лёгкой промышленности, значительно увеличивают производительность труда. Ферментные препараты применяются также в химической промышленности (выпуск моющих средств высокого качества), перспективно использование их в чёрной металлургии (удаление жира с тонкокатаного стального листа), в системах очистки промышленных и бытовых сточных вод.
|
|
4. Фотохимические процессы. Фотохимия изучает химические реакции, протекающие под действием света или вызываемые им. Механизм основан на активации молекул реагирующих веществ при поглощении света. Стадии фотохимической реакции: поглощение света и переход молекулы в возбужденное состояние, первичные химические процессы, вторичные реакции веществ, образовавшихся в первичном процессе
5.Радиационно-химические процессы. Стадии: физическая, физико-химическая и химическая. Направления применения РХП в промышленности: радиационная полимеризация, радиационное сращивание полимеров, радиационно-химический синтез, радиационное модифицирование неорганических материалов, радиационная очистка.
Основные понятия химической технологии. Предмет и задачи химической технологии
Химическая технология - наука о методах и процессах массовой переработки сырья в продукты потребления и средства массового производства. Химическая технология изучает процессы, связанные с коренным изменением состава и структуры вещества, осуществляемые путем химических реакций. Первой основной задачей химической технологии является исследование и установление оптимальных условий осуществления химических реакций на производстве, т.е. условий при которых химические реакции протекают с максимальным экономическим эффектом, с наилучшими технико-экономическими показателями. В химической технологии подбираются оптимальные концентрации реагирующих веществ, температура, давление, катализаторы, скорость протока и т.д. Производство любого химического продукта состоит из ряда механических, химических, физико-химических процессов, совокупность которых составляет технологическим процесс, который складывается из связанных между собой элементарных процессов:
1)подвод реагентов в зону реакции (совершается молекулярной диффузией или конвекцией. При сильном перемешивании реагирующих веществ конвективный перенос называют турбулентной диффузией. В двух или многофазных системах подвод реагирующих компонентов может совершаться абсорбцией, адсорбцией или десорбцией газов, конденсацией паров, плавлением твердых веществ, растворением твердых веществ);
2)химическое взаимодействие реагирующих веществ (в реагирующей системе обычно происходит несколько последовательных или параллельных химических реакций, приводящих к образованию основного продукта, а так же ряд побочных химических реакций между основными веществами и примесями, встречающимися в исходном сырье. Обычно при анализе производственных процессов учитываются не все реакции, а только те из них, которые имеют определяющее влияние на качество и количество получаемых целевых продуктов);
3) отвод продуктов из зоны реакции (Процесс может осуществляться также как и подвод реагирующих компонентов диффузией, конвекцией, переходом вещества из одной фазы в другую).
Технологический процесс химического производства делится на основные стадии. За основу стадии производства принмается определенная химическая реакция или физико-химический процесс, для протекания которых подбираются оптимальные условия. Выделение и установление стадий технологического процесса является второй основной задачей химической технологии. Последовательное графическое изображение процесса переработки исходных веществ в продукты производства и используемых в процессе аппаратов и машин, называется технологической схемой производства. В химической промышленности используют различные виды технологических схем, которые можно классифицировать по трем принципам:
1. По принципу осуществления производственного процесса во времени технологические процессы делятся на
а)периодические (весь процесс и каждая стадия производства осуществляются с перерывами - загрузка сырья в
аппарат, проведение процесса переработки сырья, выгрузка
готового продукта; затем цикл повторяется);
б) непрерывные (подача сырья, отбор продуктов и
весь процесс производства проводится непрерывно);
в) комбинированные (представляют собой сочетание
непрерывного и периодического процессов).
Непрерывные процессы имеют ряд преимуществ, поэтому в химической промышленности сложилась тенденция перехода от периодических и комбинированных процессов к непрерывным.
2. По принципу взаимного перемещения реагирующих веществ или тепловых потоков процессы делятся на:
а) прямоточные или параллельноточные (с движением реагирующих веществ или тепловых потоков в одно направлении);
б) противоточные (с движением реагирующих веществ или тепловых потоков навстречу друг другу);
в) перекрестные (с движением потоков под тем или иным углом друг к другу)
Противоточные процессы имеют ряд преимуществ.
3. По принципу достижения полноты протекания обратимых реакций схемы делятся на:
а) схемы с открытой цепью (полнота протекания обратимой реакции достигается многократным пропусканием не прореагировавших веществ черезпоследовательно установленные однотипные аппараты);
б) циклически, или круговые (не прореагировавшие вещества возвращаются в реакционный аппарат, предварительно смешиваясь со свежими порциями исходных веществ);
4. По агрегатному состоянию взаимодействующих веществ соответствующие им процессы делятся на:
а) однородные (гомогенные) (все реагирующие вещества находятся в одной какой-либо фазе);
б) неоднородные (гетерогенные) (системы включают
две или большее количество фаз)
5. По гидродинамическому режиму различают
два предельных случая перемешивания реагирующих компонентов с продуктами реакции:
а) полное смешение (турбулизация настолько сильна, что концентрация реагентов в проточном реакторе одинакова во всем объеме аппарата от точки ввода исходной смеси до вывода продукционной смеси);
б) идеальное вытеснение (исходная смесь не перемешивается с продуктами реакции, а проходит ламинарным потоком по всей длине или высоте аппарата)
6. По температурному режиму проточные реакторы и процессы, происходящие в них, делят на:
а) изотермические (температура постоянна во всем
реакционном объеме);
б) адиабатические (отсутствует отвод или подвод тепла, вся теплота реакции аккумулируется потоком реагирующих веществ);
в) политермические (программно-регулируемые) (в таких реакторах тепло реакции частично отводится из зоны реакции или компенсируется подводом для эндотермических процессов в соответствии с расчетом аппарата.
Исходя из классификации процессов, вытекает третья задача химической технологии – обоснованный выбор технологической схемы производства, дающий наибольший экономический эффект. На основе выбранной технологической схемы проектируется и рассчитывается аппаратура, обеспечивающая непрерывность процесса и получение целевого продукта в необходимом количестве и высокого качества. Это - четвертая задача химической технологии.
Все процессы, протекающие при производстве химической продукции, подчиняются общим законам материального мира, характеризуются общностью явлений, лежащих в их основе. Поэтому химическая технология использует материалы ряда других наук: математики, механики, физики, комплекса инженерных наук, химических наук, минералогии и др. Эти науки можно считать дисциплинами, обеспечивающими химическую технологию. В тоже время сама химическая технология составляет основу экономических наук, изучающих химическое производство. Ее материалы используются при изученииэкологических проблем. Эти дисциплины относятся к обеспечиваемым химической технологией.
Основываясь на базе различных наук, химическая технология широко использует соответствующие закономерности и терминологию. Основные принципы и обобщения физической химии в химической технологии используют для определения направления технологических процессов, выбора оптимальных условий, технологической схемы, аппаратного оформления производства. Физико-химические константы рассматриваются как предельные закономерности, к достижению которых стремится химическая технология. В химической технологии большая часть материальных и тепловых расчетов основана на стехиометрических уравнениях реакций. Однако производственные технологические расчеты значительно сложнее, т.к. приходится учитывать не только количественные соотношения реагирующих масс, но состав сырья, готовой продукции и выход продукта.
Химическая промышленность строится и развивается на глубоко научной основе, широко использует все новейшие достижения науки и техники. Под научными основами химической технологии следует понимать общие законы физики, химии и технических наук, лежащие в основе химических производств.
Из законов физики и химии выделяются два закона: закон сохранения массы вещества и закон сохранения энергии, на основе которых в химической технологии производят расчеты технологических процессов. Например, вычисляют тепловой и материальный балансы производства, выход готовой продукции, количество необходимого сырья и т.д.
В основе множества химико-технологических процессов лежат обратимые реакции. Протекание обратимых реакций определяется законом действующих масс, законом Ван-Гоффа и принципом Ле-Шателье.
Закон действующих масс устанавливает взаимосвязь между скоростью химической реакции и концентрацией реагирующих веществ. Как следствие из закона действия масс вытекает ряд технологических приемов. Например, для повышения скорости реакции и смещения равновесия обратимых реакций в сторону образования готовых продуктов используют концентрированные растворы и систематически досыщают их в процессе производства, а так же применяют повышенные и высоким давления ( при протекании обратимых реакций в газовой фазе); отводят продукты реакции из гетерогенной системы реагирующих веществ и т.д.
Закон Ван-Гоффа устанавливает взаимосвязь между температурой и направлением течения обратимых реакций. Он формулируется следующимобразом: если температура системы, находящейся в равновесии, изменяется, то при повышении температуры равновесие смещается в сторону процессов идущих с поглощением тепла, а при понижении температуры - в сторону процессов, идущих с выделением тепла. В зависимости от того, как протекает процесс, производят охлаждение или нагревание реагирующей системы.
Названные два закона представляют собой частные случаи общего закона, известного под названием принципа Ле-Шателье. Применительно к химическому равновесию этот принцип можно сформулировать так: если в равновесной системе изменить одно из условий равновесия температуру, давление, концентрацию реагирующих веществ), то равновесие смещается в направлении той реакции, которая ведет к ослаблению влияния произведенного изменения. Принцип Ле-Шателье является теоретической основой для выбора оптимальных условий, позволяющих наиболее экономично использовать сырье и обеспечивать максимальный выход готовой продукции заданного качества.
В химической технологии используют и другие законы физики и химии:
- газовые законы – для приведения объемов реагирующих газов к нормальным условиям и расчета технологических процессов, протекающих в газовой фазе либо с образованием газа;
- для расчета протекания электрохимических процессов используют законы электролиза;
-для расчетов экзо- и эндотермический процессов используют термохимические законы.
Наряду с законами природы химическая технология использует закономерности инженерных и экономических наук, которые можно назвать политехническими принципами. К числу таких научных принципов химической технологии относятся:
1. принцип непрерывности технологических процессов
2. принцип комплексной механизации и автоматизации
3. принцип комплексного использования сырья
4. принцип специализации, кооперирования, комбинирования производства
5. принцип соответствия аппаратуры протекающим в ней процессам
6. принцип противотока в технологических процессах
7. принцип цикличности технологических процессов
8. принцип регенерации веществ и энергии в технологических процессах.
Обобщенный образ технологической системы
Для оценки эффективности функционирования конкретной технологической системы независимо от уровня ее сложности (отдельный аппарат, установка, агрегат в составе производства или производство в целом) целесообразно воспользоваться моделью «черного ящика» с сосредоточенными входами и выходами потоков вещества и энергии. Пусть в системе за каждый технологический цикл – при периодическом режиме работы установки, либо в течение произвольного конечного временного интервала – в стационарном режиме, происходит преобразование массы m исходных веществ, взятых в определенной пропорции, в известные конечные продукты и отходы технологического процесса, масса которых сохраняется равной массе исходных веществ. В ходе процесса выделенная порция исходных веществ переводится из некоторого начального термодинамического состояния „1” в конечное термодинамическое состояние „ 2 ”. Здесь подразумевается, что как начальное, так и конечное состояния вещества характеризуются достаточно полной совокупностью физико-химических параметров каждого из отдельных материальных потоков, соответственно поступающих и выходящих из системы (химический состав, давление, температура и т.д.).
Так, современный агрегат производства азотной кислоты преобразует суммарный поток исходных веществ – жидкого аммиака, воздуха, питающей воды и природного газа (последний используется в качестве реагента для нейтрализации остаточных количеств оксидов азота на выхлопе установки) суммарный поток конечных продуктов – концентрированной азотной кислоты (целевой продукт), водяного пара (сопродукт) и сбросовых газов (отходы производства) – см. рис. 2. Химическое преобразование материальных потоков в установке получения азотной кислоты из аммиака сопровождается значительным по величине переходом энергии из одной формы в другую: высокопотенциальная химическая энергия аммиака и природного газа превращается в тепловую энергию водяного пара и в теплоту, рассеиваемую в окружающую среду.
Тепловая электростанция, работающая на природном газе, преобразует потоки газа, воздуха и питающей воды в материальные потоки водяного пара и дымовых газов и в поток электрической энергии(рис. 3).
Рис. 2. Входящие и выходящие потоки в установке для получения азотной кислоты из аммиака; 1 и 2 обозначают начальное и конечное состояния совокупного материального потока через установку.
Рис. 3. Входящие и выходящие потоки на тепловой электростанции
Информация о химическом составе и термодинамических параметрах материальных потоков на входе и выходе системы плюс информация о суммарных потоках энергии в виде теплоты или работы, потребляемых (или генерируемых) системой, вполне достаточна, чтобы интегральным образом охарактеризовать эффективность ее функционирования как в отношении полноты использования сырьевых материалов (степени их превращения в целевые продукты), так и в отношении рационального потребления энергоресурсов. Интегральные, основанные на параметрах входов и выходов, характеристики систем играют в технологии двоякую роль. Во-первых, они позволяют ранжировать разнообразные варианты решений одной и той же технологической задачи по эффективности использования материальных и энергетических ресурсов. Во-вторых, поскольку фундаментальные законы природы накладывают строго определенные ограничения на полноту протекания взаимных превращений веществ и форм энергии, интегральные характеристики технологической системы достаточны для того, чтобы, отвлекаясь от всех деталей ее внутренней структуры и механизмов функционирования, оценить степень приближения реальной системы к гипотетическому, но разрешенному законами природы пределу. Такого рода оценки позволяют установить имеющиеся резервы для дальнейшего совершенствования технологических систем различного назначения с целью сбережения природных ресурсов.
Для теории энергосберегающих технологий основополагающее значение имеет следующая постановка вопроса. Пусть некоторая совокупность исходных веществ, природного происхождения или промышленных полупродуктов, перерабатывается в определенные целевые химические продукты и неизбежные производственные отходы. Другими словами, пусть некоторый совокупный материальный поток из исходного состояния „1” преобразуется в известное конечное состояние „ 2 ” (как это схематически показано на рис.2 и 3). Можно ли указать такие траектории проведения процесса 1→2, т.е. такие последовательности промежуточных состояний перерабатываемого вещества при его переходе из состояния 1 в состояние 2 , которым отвечает наиболее эффективное использование как энергии от внешних источников, так и собственной внутренней энергии исходных реагентов? Термодинамика положительно отвечает на этот вопрос, одновременно предлагая и универсальный критерий эффективности использования энергоресурсов различной природы. Можно сказать, что, в свою очередь, задачей технологии как самостоятельной науки является разработка способов реализации траекторий, близких к оптимальным в указанном смысле.
Производство серной кислоты.
Серная кислота — один из важнейших и наиболее широко применяемых химических продуктов. Ее используют почти. во всех отраслях химической промышленности. Без серной кислоты невозможно производство некоторых-видов минеральных удобрений. При ее помощи получают другие кислоты из их солей. Серную кислоту применяют для очистки нефтепродуктов и для заполнения аккумуляторов; ее употребляют в цветной металлургии и в металлообработке, в производстве вискозного шелка и в текстильной промышленности; она находит применение даже в пищевой промышленности. Однако основным потребителем серной кислоты является производство минеральных удобрений, потребляющее примерно 40% всей серной кислоты в стране.
Такое многообразное использование серной кислоты объясняется ее высокой химической активностью и сравнительной дешевизной.
Серная кислота — это соединение серного ангидрида с водой (SОз + Н2О=Н2SO4). Главной трудностью сернокислотного производства является получение серного ангидрида. При сжигании серы или обжиге сернистых минералов образуется сернистый газ, содержащий сернистый ангидрид SО2. Дальнейшее окисление сернистого газа до SО3 кислородом воздуха происходит настолько медленно, что пользоваться таким способом получения серного ангидрида в промышленных целях невозможно. Для быстрого проведения реакции требуется участие в процессе других веществ, ускоряющих окисление сернистого газа. Применяют два способа получения серной кислоты – нитрозный и контактный. При нитрозном способе (его иначе называют башенным) в процессе окисления сернистого газа принимают участие окислы азота. Производство серной кислоты этим способом осуществляют следующим образом. Сернистый газ, воду и воздух вместе с окислами азота вводят в стальные башни, футерованные изнутри кислотоупорным кирпичом. В башне окислы азота (например, двуокись SО2) отдают часть своего кислорода сернистому газу, который при этом окисляется и превращается в серный ангидрид: SO2+NO2=SO3+NO В результате реакции двуокись азота превращается в окись. Последняя окисляется кислородом воздуха и вновь превращается в двуокись азота, которая опять отдает часть кислорода сернистому газу, окисляя его в серный ангидрид. Окислы азота в этом непрерывном процессе являются передатчиками кислорода воздуха, сернистому газу.
Таким образом, в башне образуется серный ангидрид, который, реагируя с распыленной водой, образует серную кислоту. Последнюю выводят из башни в виде 75—78 %-ного водного раствора (башенная кислота). Повышение концентрации башенной кислоты достигается выпариванием из нее воды. Так получают серную кислоту с концентрацией до 98,5% (концентрированная кислота). Производство серной кислоты контактным способом основано на применении катализатора, которым служит мелкораздробленная платина или пятиокись ванадия VО5. В присутствии катализатора сернистый газ окисляется кислородом воздуха в серный ангидрид, который пропускают через концентрированную серную кислоту, поглощающую его. В результате получается дымящая серная кислота, или олеум,— раствор серного ангидрида в серной кислоте (100%-ная кислота).Контактный способ является более прогрессивным, и удельный, вес его в общем производстве серной кислоты непрерывно возрастает.
Сырьем для производства серной кислоты (сернистого газа) служат сера и другие вещества, содержащие достаточное количество серы, например серный колчедан (пирит FеS2), гипс СаSО4*2Н2О. Таким сырьем служат также газы, получаемые при сжигании угля, содержащего серу. В ближайшее время резко возрастет использование для производства серной кислоты сероводорода Н2S, являющегося побочным продуктом очистки сернистых нефти и газа.
Лучшим в технологическом смысле сырьем для сернокислотной промышленности является элементарная сера, которую получают выплавкой из серных руд (содержащих самородную серу) или в результате медно-серной плавки сульфидных медных руд, а также из сернистых газов. Основным сырьем для производства серной кислоты в нашей стране служит серный колчедан, содержащий до 50% серы и около 45% железа. На основе этого сырья в стране вырабатывается более 40% серной кислоты. На 1 т серной кислоты расходуется в среднем 0,82 т серного колчедана.
Получение сернистого газа. Получение сернистого газа для сернокислотного производства не представляет большой сложности. Он образуется в результате обжига серного колчедана или другого серосодержащего сырья в печах, подобных применяемым в цветной металлургии для обжига концентратов.
Серный колчедан, если он поступает на завод в виде крупных кусков, перед обжигом дробят. В процессе обжига серного колчедана содержащаяся в нем сера почти полностью выгорает и в печи образуется сернистый газ, выводимый через газоотвод. Продуктом обжига серного колчедана является также, пиритный огарок, в основном содержащий окислы железа Fе2О3, 1,5—2% серы и некоторые очень ценные редкие металлы. Огарок представляет собой рыхлую бурую массу; после агломерации его можно использовать в качестве доменного сырья. Для получения сернистого газа из элементарной серы ее сжигают в печах, имеющих вид стального горизонтального цилиндра, куда расплавленную серу подают через форсунку. Из сероводорода сернистый газ получают путем его сжигания. При этом образуется двуокись серы и пары воды. Дальнейшее окисление двуокиси серы (сернистого ангидрида) в серный ангидрид производится контактным способом. Благодаря наличию в сернистом газе паров воды процесс контактного окисления двуокиси получил название мокрого катализа.
Дата добавления: 2021-11-30; просмотров: 60; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!