Теоретичні основи хімічної технології

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ХІМІЧНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ
Технологія - наука про найбільш економічних способи і процеси виробництва промислових продуктів з природної сировини.
Спосіб виробництва - це сукупність всіх операцій, які проходить сировину до отримання з нього продукту. Спосіб виробництва складається з послідовних операцій, що протікають у відповідних машинах і апаратах. Сукупність операцій являє собою хіміко-технологічну систему (ХТС). Опис ХТМ називають технологічною схемою. Операція відбувається в одному або декількох апаратах (машинах); вона являє собою поєднання різних технологічних процесів. У хімічних апаратах-реакторах, як правило, одночасно протікають гідравлічні, теплові, дифузійні та чисто хімічні (реакційні) процеси.
Технологію ділять на механічну і хімічну. У механічної технології розглядають процеси, в яких змінюються форма або зовнішній вигляд і фізичні властивості матеріалу, а в хімічній - процеси корінного перетворення складу, властивостей і внутрішньої будови речовини. Це розподіл значною мірою умовно, тому що при зміні виду матеріалу часто змінюються його склад і хімічні властивості. Так, наприклад, ливарне виробництво відноситься до механічної технології, але при литті металів відбуваються і хімічні реакції. Хімічні процеси, у свою чергу, у всіх виробництвах супроводжуються механічними.
Історично хімічну технологію умовно поділяють на технологію неорганічних і органічних речовин, хоча обидва розділи технології об'єднуються загальними принципами і закономірностями.

ЗНАЧЕННЯ ХІМІЧНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ ДЛЯ ТЕХНІЧНОГО ПРОГРЕСУ І ЗАДОВОЛЕННЯ ПОТРЕБ НАСЕЛЕННЯ
Хімічна промисловість забезпечує народне господарство величезною кількістю всіляких продуктів, без яких було б неможливе життя сучасного суспільства.
В результаті хімічної переробки викопного палива (кам'яного вугілля, нафти, сланцю і торфу) народне господарство отримує такі найважливіші продукти, як кокс, моторні палива, мастила, горючі гази і велику кількість органічних речовин. Хімія і хімічна промисловість дають країні аміак, азотну, сірчану і фосфорну кислоти, з яких отримують мінеральні добрива. З широко поширеною в у природі кухонної солі одержують їдкий натр (гідроксид натрію), хлор, соляну кислоту, соду, які, у свою чергу, застосовуються у виробництві алюмінію, скла, паперу, мила, бавовняних і вовняних тканин, пластичних мас, штучного волокна і т.п. Пластичні маси, активоване вугілля, бездимний порох, оцтову кислоту, етиловий та метиловий спирти, ацетон, каніфоль, сполуки ароматичного ряду отримують при хімічній переробці деревини.
Сучасна металургійна промисловість і машинобудування, космонавтика, авіаційний і автомобільний транспорт, виробництво будівельних матеріалів і більшості товарів народного споживання отримали потужний розвиток завдяки хімії.
Одним з основних шляхів технічного прогресу є хімізація народного господарства. Хімізацією називається впровадження хімічних методів, процесів і матеріалів в народне господарство. Це дозволяє вести виробництво більш раціонально, комплексно використовувати сировину, працювати без відходів.
Без сучасних високоефективних і високоякісних мінеральних добрив, отрутохімікатів (засобів боротьби з шкідниками та бур'янами), консервантів і штучних кормів інтенсивне сільськогосподарське виробництво неможливе.
З метою охорони біосфери широко застосовують хімічні способи очищення газів і стічних вод різних підприємств (наприклад, енергетичних, целюлозно-паперових, металургійних).
У побуті і комунальному господарстві використовують багато продуктів хімічної промисловості.
РОЗВИТОК ХІМІЧНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ
Потужна хімічна промисловість, була створена в основному за роки Радянської влади.
Всебічний розвиток хімічної промисловості триває і в даний час.
Для вирішення поставлених завдань необхідно всіляко розширювати і поглиблювати постановку науково-дослідних і дослідних робіт в області хімії та хімічної технології, апарату-і приладобудування, удосконалювати хімічну техніку.
ОСНОВНІ НАПРЯМКИ РОЗВИТКУ ХІМІЧНОЇ ТЕХНІКИ І ТЕХНОЛОГІЇ
Удосконалення хімічної техніки спрямовано на підвищення продуктивності праці, поліпшення якості готової продукції та зниження її собівартості. Головні взаємопов'язані напрями в розвитку хімічної техніки:
1) збільшення потужностей хіміко-технологічних систем (ХТС) і окремих апаратів шляхом підвищення їх розмірів;
2) інтенсифікація роботи апаратів;
3) механізація трудомістких процесів;
4) комплексна автоматизація хіміко-технологічних систем і окремих апаратів із застосуванням керуючих електронно-обчислювальних машин;
5) заміна періодичних процесів безперервними;
6) зниження енерговитрат і максимальне використання теплоти хімічних реакцій;
7) зменшення числа стадій виробництва і перехід до замкнутих (циклічним) систем;
8) створення безвідходних виробництв.
Збільшення потужностей ХТМ та окремих апаратів призводить до відповідного підвищення їх продуктивності і поліпшенню умов роботи, як правило, без зростання штату робітників, які обслуговують даний апарат. Продуктивність П вимірюється кількістю виробленого продукту або переробленої сировини G за одиницю часу t:
П = G / t.
Збільшення розмірів і продуктивності апаратів знижує капіталовкладення і полегшує можливість автоматизації виробництва. Виходячи з економічної ефективності безперервно збільшують потужність знову встановлюваних машин та апаратів. Однак при надмірному зростанні масштабів окремих установок і цілих ХТМ різко збільшуються фінансові втрати підприємства при аварійних зупинках і планових ремонтах. Тому в багатьох галузях подальше підвищення одиничної потужності не раціонально.
Інтенсифікація роботи апаратів - підвищення їх продуктивності без збільшення розмірів за рахунок поліпшення режиму роботи. Інтенсивністю роботи апарату називають його продуктивність П, віднесену до обсягу апарату v або до площі його перерізу S:
I = П / v = G / (ЕV)
Інтенсифікація досягається двома шляхами:
1) поліпшенням конструкції апаратів;
2) вдосконаленням технологічних процесів в апаратах даного виду. Ці два шляхи тісно пов'язані між собою. З поліпшенням конструкції апарату інтенсивність хімічного процесу підвищується. Збільшенню інтенсивності сприяють підвищення температури, тиску та концентрації реагуючих мас, посилення перемішування компонентів, збільшення поверхні дотику між взаємодіючими речовинами, застосування каталізаторів, а також механізація та автоматизація процесів.
Механізація - заміна фізичної праці людини машинним. Механізація закономірно підвищує продуктивність праці за рахунок інтенсифікації роботи "апаратури і скорочення штату обслуговуючого персоналу. У більшості хімічних виробництв основні операції вже механізовані. Однак завантаження сировини, вивантаження і транспортування матеріалів ще не завжди виконуються машинами; саме механізація цих стадій виробництва і становить головну проблему сьогодення часу.
Комплексна автоматизація - застосування приладів, що дозволяють здійснювати виробничий процес без безпосередньої участі людини, а лише під його контролем. Автоматизація - вища ступінь механізації, що дозволяє різко збільшити продуктивність праці і поліпшити якість продукції.
Для комплексної автоматизації виробництва можна застосовувати найрізноманітніші пристрої. В особливо складних виробництвах використовують електронно-обчислювальні машини. Вони отримують інформацію про хід процесу від різних приладів-вимірників, обчислюють оптимальні умови процесу за заданою програмою і посилають команду приладів-виконавцям. Найбільш ефективно в хімічній промисловості застосування автоматизованих систем управління технологічним процесом цілих виробництв із застосуванням керуючих ЕОМ.
Проте в деяких випадках ще важко або нераціонально застосовувати повну автоматизацію. Тоді використовують дистанційне управління. Дистанційне керування - це неповна автоматизація, при якій регулювання режиму процесу здійснюється людиною на відстані (наприклад, з пульта управління).
Заміна періодичних процесів безперервними - характерне для хімічної промисловості напрямок технічного прогресу, тісно пов'язане з інтенсифікацією процесів, поліпшенням якості продукції та умов праці. Перехід до безперервним процесам, так само як застосування конвеєрів у механічній технології, підвищує продуктивність праці.
Періодичним називається процес, в якому порція сировини завантажується в апарат, проходить в ньому ряд стадій обробки і потім з апарату вивантажуються всі утворилися речовини. Таким чином, від завантаження сировини до вивантаження продукту проходить певний час, протягом якого апарат працює. У період же завантаження і вивантаження апарат простоює. Механізація і особливо автоматизація цих операцій утруднена, тому що вимагає періодично діючих механізмів. Ще важче автоматизувати періодичні процеси, так як показники режиму, за якими проводиться автоматизація (температура, тиск, концентрація речовин), змінюються протягом всього періоду реакції. Періодичні процеси складні в обслуговуванні. Тривалість циклу періодичного виробничого процесу завжди більше, ніж безперервного; енергетичні витрати вище. Всі ці причини і спонукають замінювати періодичні процеси безперервними.
Безперервними називаються процеси, в яких надходження сировини і випуск продукції відбуваються безперервно (або систематичними порціями) протягом тривалого часу. При цьому немає простоїв обладнання, продуктивність апаратів вище. У всіх точках апарату дотримуються постійні температури, концентрація речовин, тиск і т. п., тому легко вести спостереження за роботою апарату, механізувати завантаження сировини і вивантаження продукту, автоматизувати процес. При цьому, як правило, покращується і якість продукції. Більшість хімічних виробництв вже працює безперервно, що залишилися періодичні процеси поступово замінюються безперервними.
Проте в даний час ще не можна відразу всі виробництва перевести на безперервні, в одних випадках це погіршує якість продукції, в інших - ще не знайдені кошти раціональної автоматизації і механізації процесів, особливо на малопотужних і малогабаритних установках.
Зниження енерговитрат і максимальне використання теплоти хімічних реакцій - важливий напрям хімічної техніки. В даний час хімічні реактори в більшості великотоннажних виробництв поєднуються з теплообмінними елементами, які служать для нагріву вихідних речовин до температури реакції з одночасним охолодженням продуктів перетворення або ж для отримання товарного водяної пари в котлах-утилізаторах за рахунок теплоти сильно екзотермічних процесів. При цьому теплообмінники нерідко мають більш складний пристрій, ніж власне хімічні реактори, і утворюють разом з реакторами енергохімічний агрегат. Відповідно відбувається перетворення хімічної технології в енерготехнології. Це тим більше важливо, що в даний час все гостріше і гостріше постає проблема забезпечення людства дешевої, доступної та ефективно використовуваної енергією, оскільки традиційні її джерела (нафта, природний газ, вугілля, деревина, торф тощо) витрачаються швидкими темпами і запаси цих джерел зменшуються набагато швидше, ніж відбувається природне їх заповнення. У зв'язку з цим в хімічній технології все більше посилюється зв'язок між енергетичним і технологічним обладнанням. Енерготехнологічні схеми зараз займають чільну роль у виробництвах аміаку, сірчаної та азотної кислот, метанолу, кольорових металів, продуктів важкого органічного синтезу та ін
Зменшення числа стадій виробництва і перехід до замкнутих (циклічним) систем призводить до зниження витрат на капітальне будівництво і зменшенню собівартості продукції. Так, пряме окислення метану до формальдегіду дозволить трьохстадійний процес замінити одностадійним. Перехід до циклічних систем, наприклад, у виробництві сірчаної кислоти з застосуванням кисню і підвищеного тиску дозволить в 3 рази знизити число апаратів у технологічній схемі. При цьому різко знизиться кількість діоксиду сірки у відхідних газах, тобто одночасно вирішується й екологічна проблема. Сьогодні поки ще не всі багатостадійні процеси можуть бути переведені на одностадійні або циклічні. Пошуки в цьому напрямку становлять важлива умова розвитку хімічної технології.
Створення безвідходних виробництв вирішує комплексно екологічну проблему і зниження собівартості продукції завдяки повному використанню всіх компонентів сировини. Одним з найбільш раціональних шляхів організації виробництв, що наближаються до безвідходним, служить циркуляція реакційної суміші і теплоносіїв (повітря, води) в окремих процесах і реакторах, а особливо створення циркуляційних хіміко-технологічних систем (ХТС) цілого виробництва. Цій же меті служить кооперація суто хімічних виробництв з іншими (наприклад, металургійними), що дозволяє переробляти не використовувані раніше компоненти сировини в продукти, цінні для народного господарства. До безвідходної технології можна наближатися, вводячи в технологічні схеми спеціальні апарати для очищення відхідних газів і стічних вод. Цей шлях поки що найбільш поширений, але він, частково вирішуючи проблему захисту навколишнього середовища, в більшості виробництв призводить до підвищення собівартості цільового продукту.
Оцінюючи кожне з зазначених напрямків у розвитку хімічної техніки, необхідно відзначити, що у багатьох випадках слід комплексно використовувати їх, доповнюючи вдосконаленням організації та управління виробництвом, розширенням і поглибленням наукових досліджень у галузі хімічної технології, а також поліпшенням проектної діяльності відповідних організацій.
Новим потужним засобом підвищення ефективності ряду виробництв слід вважати впровадження атомної техніки, плазмової і лазерної технології, використання фотохімічних, радіаційно-хімічних і біохімічних процесів.
Застосування атомної енергії дозволить доручити недосяжні раніше температури в сотні тисяч градусів і перш за все низькотемпературну плазму (1000-10000 К).
Використання плазмохімічних процесів дає можливість здійснити ендотермічні перетворення, рівновага яких сильно зміщена в бік заданих цільових продуктів лише при дуже високій температурі (103-104 К). До таких процесів належать: прямий синтез NO; отримання ацетилену з метану і бензину; прямий синтез діціана; отримання ціаністого водню з азоту та вуглеводнів; синтези різноманітних сполук фтору і т. п.
Лазерна техніка дозволить синтезувати тверді тіла з тонко спрямованої кристалічною структурою і заданими властивостями, у тому числі каталізатори, напівпровідники, молекулярні сита, адсорбенти і т. п.
Фотохімічні реакції, викликані або прискорює дію світлової енергії, відбуваються як у природі, так і в промисловості. Хлорування та бромування вуглеводнів, синтез полістиролу, сульфохлорірованіе парафінів, а також фотосинтез полістиролу, сульфохлорірованіе парафінів, а також фотосинтез за допомогою хлорофілу відносяться до розряду таких процесів.
Радіаційно-хімічні реакції, що відбуваються при дії іонізуючих випромінювань високої енергії, дозволять інтенсифікувати хіміко-технологічний процес, проводити синтез органічних сполук, здійснюваних поки тільки в природі (різні білкові препарати, ферментативні речовини та ін), або суттєво поліпшити структуру промислових матеріалів (наприклад , шип, пластичних мас, біополімерний структур і т. п.).
Біохімічна технологія займає особливе місце, бо жива клітина володіє високоактивними, топкоселектівнимі біологічними каталізаторами, за своєю ефективністю при низьких (нормальних природних) температурах, незрівнянно перевищують каталізатори, використовувані в хімічних виробництвах. Біологічними каталізаторами є синтезовані в організмах ферменти (або ензими) і гормони, а також надходять у клітини ззовні вітаміни.
В даний час з біологічних процесів промисловість використовує у виробництві лише різні форми бродіння з отриманням спиртів, ацетону, органічних кислот, біологічний синтез білкових кормових дріжджів, біологічну очистку стічних вод, бактеріальне купчасто вилуговування позабалансових руд ряду кольорових металів і т. п. Всі ці процеси йдуть за участю різних мікроорганізмів і, як правило, з низькою швидкістю і тому не є достатньою мірою ефективними. Проте вміле виробниче застосування каталізу, здійснюваного в живій природі, дозволило б перебудувати по-новому цілі галузі хімічної промисловості та розширити харчові ресурси. У перспективі використання біохімічних процесів перебувають проблеми фіксації атмосферного азоту, синтезу білків і жирів, використання діоксиду вуглецю для органічного синтезу. Раціональне здійснення цих процесів дозволило б вирішити найважливішу проблему життєзабезпечення людства шляхом отримання висококалорійних продуктів харчування, створення кормової бази на промисловій основі, отримання відповідних високоефективних лікарських препаратів і засобів боротьби з шкідниками сільського господарства.
ПРОБЛЕМИ ЖИТТЄЗАБЕЗПЕЧЕННЯ І ХІМІЧНА ПРОМИСЛОВІСТЬ
Бурхливий розвиток промислового виробництва та зростання народонаселення в значній мірі змінюють характер взаємодії людини з навколишнім середовищем. В основі життя лежить кругообіг елементів, який для людини виражається в обміні речовин з природою. Земля, вода, повітря забруднюються промисловими і побутовими відходами, скорочуються лісу і запаси придатних для сільського господарства земель, зникають багато видів тварин і рослин. Під впливом людини середовище змінюється настільки швидко, що століттями складалися у природі рівноваги не встигають відновлюватися, і вона неконтрольовано починає відгукуватися на ці дії. У результаті всього цього серйозно посилюють умови життя людей. Життєзабезпечення людства, тобто задоволення запитів населення в їжі, прісній воді, досить чистому для дихання повітрі і в різних видах енергії, все більшою мірою вирішується методами хімічної технології. Забезпечення населення харчовими продуктами здійснюється за двома основними напрямками; застосуванням продуктів хімічної промисловості для збільшення продуктивності сільського господарства і виробництвом штучної та синтетичної їжі.
Збільшення продуктивності сільськогосподарського виробництва стає можливим при відповідному розвитку промисловості високоефективних мінеральних добрив, засобів боротьби з шкідниками сільського господарства і створення виробництва стимуляторів росту рослин.
Мінеральні добрива повинні бути по можливості безбаластним; мати широкий спектр дії, тобто містити найважливіші живильні речовини, в тому числі і мікроелементи, мати гарну структуру, що полегшує їх зберігання і використання; повинні легко засвоюватися рослинами; а також покращувати структуру грунтів, в яку вони вносяться.
Засоби захисту рослин - пестициди - повинні мати високу вибірковість дії; досить швидко руйнуватися; бути неотруйними для всіх тварин і птахів. Як правило, всі пестициди - органічні сполуки, і успіхи в їх синтезі і виробництві цілком визначаються розвитком органічної "хімії і промисловістю органічного синтезу.
Регулятори росту рослин - фізіологічно активні / по відношенню до рослин речовини, які здатні викликати ті чи інші зміни в рості і розвитку рослин. Деякі гербіциди-засоби боротьби з бур'янами, будучи взятими в) незначній кількості, способи прискорювати ріст рослин. Найбільш активні стимулятори росту рослин - гіберелінів - виділяються мікробіологічними шляхом з продуктів життєдіяльності деяких грибів і вищих рослин. Інші регулятори - десиканти та дефоліанти, використовувані відповідно для зневоднення (підсушування) рослин і видалення листя перед збиранням урожаю, - також є продуктами органічного синтезу.
Стимулятори росту тварин - це, як правило, речовини, які пригнічують розвиток інфекційних захворювань у тварин. Одночасно поліпшується засвоєння кормів, що дозволяє знизити раціон тварин. В даний час хімічна промисловість приступає до освоєння нових біостимуляторів, підвищують плодючість домашніх тварин, риб, комах (наприклад, шовковичного шовкопряда).
Отримання штучної їжі являє собою важливий напрям розвитку хімічної технології.
Обмеженість площі земель, придатних для сільського господарства, і не безмежні інтенсифікації сільськогосподарського виробництва надають проблемі отримання штучної їжі все більшого значення. У першу чергу це стосується синтезу різних білкових матеріалів. В даний час у промислових масштабах синтез білків здійснюється в основному мікробіологічними шляхом.
Мікробіологічними називається синтез, здійснюваний ферментними системами мікроорганізмів. Вже зараз почалося промислове освоєння мікробіологічного синтезу білків з легких масел, нормальних парафінів, метанолу, етанолу, оцтової кислоти та інших органічних сполук, одержуваних переважно з нафти. Використовуючи для мікробіологічного синтезу всього 5% нинішньої світового видобутку нафти, можна забезпечити білковий раціон 5 млрд. людей, тобто все населення земної кулі.
За допомогою деяких бактерій, що засвоюють водень, вдається залучити в реакцію кисень і атмосферне діоксид вуглецю, при атом виходять вода і формальдегід. Крім того, що ці бактерії синтезують дуже потрібний хімічної промисловості формальдегід і очищають повітря від діоксиду вуглецю, вони самі наполовину складаються з повноцінного білка і можуть бути іспользованьг в кормових цілях. Мікробіологічні процеси широко застосовуються в гідролізній промисловості при зброджуванні цукристих речовин в отриманні спиртів, виноробстві, виготовленні кормових дріжджів, у сироварінні, при обробці шкір і т. п.
В індустріально розвинених країнах широке поширення набула хімічна промисловість основного органічного синтезу \ на базі рослинної сировини, так звана сахарохімія. Її перевагою є набагато більша доступність і щорічна возобновляемость сировини. Крім того, у завдання хімічної промисловості входить витяг білків і вуглеводів з трави, деревних і сільськогосподарських відходів, виготовлення штучної їжі з водоростей (таких, як хлорела), синтез харчових масел, Сахаров, жирів. У значній мірі ці процеси вже здійснюються в широкому промисловому масштабі. Однак основне завдання - це екологічно чистий синтез білкових препаратів. Харчова цінність білків залежить від їх амінокислотного складу, оскільки амінокислоти не синтезуються в організмі.
В даний час за допомогою тонкого органічного синтезу вдається отримувати цілий ряд амінокислот, а також деяких поліпептидів - нонапептіда, брадикініну, інсуліну.
Синтезовані органічні харчові речовини потребують спеціального поділі фракцій і очищенні. Найкраще цей процес здійснюють живі організми, з яких отримують спеціальні напівпроникні плівки-мембрани. Процес поділу на них протікає при низьких витратах енергії. Тому зараз розробляються синтетичні і напівсинтетичні мембрани, які будуть застосовувати не тільки для очищення штучних харчових речовин, але і для поділу повітря, сепарації молока, знесолення води та ін
Отримання лікарських препаратів так само є важливим завданням життєзабезпечення і в значній мірі визначається успіхами органічної хімії та технології органічного синтезу. Хімічна (фармацевтична) промисловість випускає величезні кількості самих різноманітних лікарських препаратів - алкалоїдів, глікозидів, протипухлинних засобів, вітамінів, гормонів, антисептиків, антибіотиків і т. п.
Охорона навколишнього середовища і здоров'я обслуговуючого персоналу багатьох хімічних (і нехімічних) виробництв досягається хімічними методами. Гази очищають абсорбцією шкідливих домішок рідинами, адсорбцією на твердих сорбентах і каталітичним перетворенням їх в нешкідливі з'єднання. Очищення стічних вод від шкідливих домішок також може здійснюватися адсорбційними методами, фільтруванням через спеціальні фільтри, обробкою сильними окислювачами (фтором, хлором, озоном та ін), ультрафіолетовим опроміненням, застосуванням біологічних методів. Особливе значення у зниженні забруднення Світового океану має перехід на замкнений водооборот в різних технологічних процесах. Захист грунту і земних надр здійснюється утилізацією твердих відходів виробництва - шлаків, шламів, пісків, недогарків, порожньої породи, тобто реалізацією комплексного використання сировини.
Охороні навколишнього середовища приділяється в усьому світі безупинно зростаючу увагу з огляду на різке зростання забруднення навколишнього середовища зі зростанням виробництва.
При зростанні виробництва буде зростати кількість шкідливих відходів
Звідси необхідність переходу до нових способів виробництва, що дає менше шкідливих відходів, і як тимчасове паліативне захід - пристрій очисних споруд. При цьому слід враховувати, що збільшення промислового виробництва, наприклад, в 2 рази неминуче зажадає зниження гранично допустимих концентрацій (ГДК) забруднюючих домішок у відхідних газах і водах теж в 2 рази для збереження існуючого рівня шкідливості. Виходячи з цього, необхідно розробляти нові, більш ефективні способи очищення або ж здійснювати перехід до нових способів виробництва.
Питанням екологічної обстановки на планеті приділяється тепер все більша увага з боку політичних та державних діячів. Вся виробнича діяльність повинна будуватися на застосуванні високоефективних засобів і технологій для забезпечення гармонійної взаємодії людини і природи.
ЯКІСТЬ І СОБІВАРТІСТЬ ХІМІЧНОЇ ПРОДУКЦІЇ
Підприємства приділяють велику увагу якості продукції, що випускається.
Якість хімічних продуктів у більшості випадків визначається концентрацією в них основної речовини. Продукцією вищого і першого сорту вважаються матеріали, що містять максимальну кількість основних речовин і мінімум домішок. Якість кожного хімічного продукту, тобто склад і властивості його, повинні задовольняти вимогам, викладеним у державних або загальносоюзних стандартах (ГОСТ, ОСТ). При встановленні стандартів враховуються вимоги споживача та можливості виробництва. У залежності від вимог на продукцію будь-якого виробництва може бути декілька стандартів, але вимоги їх повинні бути такими, щоб їх було можливо здійснити в даному виробництві. Вимоги до нових видів продуктів, на які ще не встановлені стандарти, визначаються відомчими технічними умовами.
Собівартість продукції - це грошове вираження витрат даного підприємства на виготовлення і збут продукції.
Витрати підприємства, безпосередньо пов'язані з виробництвом продукції, називаються собівартістю. Ці витрати враховуються двома способами: за статтями калькуляції і первинним елементами витрат. За статтями калькуляції собівартість продукції складається з прямих витрат і накладних витрат, а прямі витрати - з основних статей, які враховують вартості:
1) сировини, напівфабрикатів і основних матеріалів, що безпосередньо беруть участь у хімічних реакціях;
2) палива та енергії на технологічні цілі;
3) заробітної плати основних виробничих робітників;
4) амортизації, тобто відрахування на відшкодування зносу основних виробничих фондів: будівель, споруд, обладнання та ін;
5) цехових витрат, що включають витрати па утримання та поточний ремонт основних порізводствепних фондів (у тому числі і зарплату допоміжних та ремонтних робітників).
Накладні витрати пов'язані з обслуговуванням виробництва (утримання адміністративно-управлінського персоналу, (охорона праці і техніка безпеки та ін) і визначаються у відсотках від прямих витрат.
Для розрахунку витрат на одиницю продукції визначають витратні коефіцієнти по сировині, матеріалам, паливу і енергії в натуральних одиницях (наприклад, в тоннах сировини на тонну продукції), а потім, враховуючи ціни на сировину, матеріали та інші статті витрат, що складають калькуляцію. Співвідношення окремих статей витрат у собівартості продукції сильно коливається по різним хімічним виробництвам. Найбільше значення, як правило, має сировину. У середньому по хімічній промисловості вона становить 60-70% собівартості. Паливо і енергія зазвичай складають близько 15% собівартості, але в електротермічних та електрохімічних виробництвах електроенергія - основна стаття витрати.
Заробітна плата основних робітників становить в середньому близько 4% собівартості, так як великомасштабні хімічні виробництва здійснюються безперервним способом з високим ступенем механізації. Однак є виробництва, у яких зарплата основних виробничих робітників перевищує 20% собівартості продукції. Амортизаційні відрахування становлять в середньому 3-4% собівартості. Решта витрат падають на цехові витрати, що представляють значну статтю собівартості.
Ефективність використання виділених капітальних вкладень на будівництво нового хімічного підприємства або реконструкцію діючого повинна оцінюватися на стадії проектування та будівництва цього підприємства. Економічна ефективність виражається у зростанні продуктивності праці, зниження витрат виробництва, підвищення коефіцієнта змінності! обладнання, збільшення прибутку, прискорення введення в дію підприємств, що будуються, підвищення якості продукції.
При проектуванні нового підприємства хімічної промисловості з декількох розглянутих варіантів економічно вигідним буде тільки той, при якому ефективність капітальних вкладень буде більше мінімального прибутку, отриманої на кожен рубль вкладень.
Шляхів підвищення ефективності капітальних вкладень у хімічне виробництво багато. Одним з найбільш важливих є комплексне використання сировини з переробкою всіх його компонентів у ланцюгові для народного господарства продукти. Важливим фактором поліпшення економічних показників виробництва слід вважати інтенсифікацію роботи устаткування, зниження транспортних витрат, вдосконалення управління виробництвом, поліпшення умов праці робітників і службовців.
Працівники хімічної промисловості мають справу з шкідливими і отруйними речовинами - газами і рідинами, які пилять сипучими матеріалами, а також з високими температурами. Спеціальними законами і правилами з техніки безпеки і охорони праці передбачено безпечні для трудящих умови роботи: герметична апаратура, вентиляція, ізоляція гарячих поверхонь, створення системи огорож і т. п.
На різних виробництвах існують небезпеки вибухів, механічних травм, опіків, швидких отруєнь, уражень електричним струмом. Для запобігання їх передбачені відповідні запобіжні заходи, що розглядаються в курсі техніки безпеки.
Основні закономірності хімічної технології
У хімічній технології власне хіміко-технологічний процес складається з ряду операцій: підготовки сировини, його хімічної або частіше фізико-хімічної переробки, відповідної обробки готової хімічної продукції. Від досконалості кожної з цих операцій залежать як технологічні, так і техніко-економічні показники виробництва. Не применшуючи значення стадій підготовки сировини та обробки готової продукції, відзначимо, що з позицій вивчення основ хімічної технології найбільше значення має процес власне фізико-хімічного переділу сировинного матеріалу в продукт виробництва.
ПОНЯТТЯ Про хіміко-технологічні процеси
Хіміко-технологічний процес складається з сукупності фізичних і хімічних явищ. Він складається, як правило, з таких взаємопов'язаних елементарних стадій:
1) підведення реагуючих компонентів у зону реакції;
2) хімічних реакцій;
3) відведення із зони реакції отриманих продуктів.
Підведення реагуючих компонентів в зону реакції відбувається молекулярної дифузією або конвекцією. При сильному перемішуванні реагуючих речовин конвективний перенос називають також турбулентної дифузією. У двох-або багатофазних системах підведення реагуючих компонентів може відбуватися абсорбцією або десорбцією газів, конденсацією парів, плавленням твердих речовин або розчиненням їх в рідині, випаровуванням рідин або сублімацією твердих речовин. Міжфазний перехід - це складний дифузійний процес.
Хімічні реакції - це другий етап хіміко-технологічного процесу. У реагує системі зазвичай відбувається кілька послідовних (а іноді і паралельних) хімічних реакцій, що призводять до утворення основного продукту, а також ряд побічних реакцій між основними вихідними речовинами і домішками, наявність яких у вихідній сировині неминуче. У результаті окрім основного утворюються побічні продукти (матеріали, що мають народногосподарське значення) або ж відходи і покидьки виробництва, тобто продукти реакцій, що не мають значної цінності і не знаходять достатнього застосування в народному господарстві. Побічні продукти і відходи виробництва можуть утворитися при основній реакції поряд з цільовим продуктом, а також внаслідок побічних реакцій між основними вихідними речовинами і домішками. Зазвичай при аналізі виробничих процесів враховуються не всі реакції, а лише ті з них, які мають визначальний вплив на кількість і якість одержуваних цільових продуктів.
Відведення продуктів із зони реакції може відбуватися так само, як і підведення реагуючих компонентів дифузією, конвекцією та переходом речовини з однієї фази (газової, рідкої, твердої) в іншу.
Сумарна швидкість процесу визначається швидкістю перерахованих елементарних стадій. Як правило, ці елементарні процеси протікають з різною швидкістю і послідовно. Тому загальна (сумарна) швидкість процесу лімітується швидкістю найбільш повільної стадії. Якщо найбільш повільно відбувається сама хімічна реакція, і вона лімітує сумарну швидкість, то процес протікає в кінетичній області. Для прискорення таких процесів технології змінюють ті чинники, які найбільше впливають на швидкість хімічної реакції, збільшуючи, наприклад, концентрацію вихідних компонентів, температуру, тиск, застосовуючи каталізатори. Якщо загальну швидкість процесу лімітує підведення реагуючих компонентів або відведення продуктів реакції, то процес протікає в дифузійній області. Для прискорення таких процесів прагнуть збільшити швидкість дифузії посиленням перемішування (турбулізацією реагує системи), диспергированием фаз, підвищенням температури і концентрації, гомогенізацією системи, тобто перекладом багатофазної системи в однофазну і т.п. Якщо швидкості всіх стадій технологічного процесу сумірні - процес протікає в так званої перехідної області, то для збільшення швидкості такого процесу необхідно, перш за все, впливати па систему тими чинниками, які збільшують як дифузію, так і швидкість хімічної реакції, наприклад підвищенням концентрації реагуючих речовин і температури.
Знання основних закономірностей хімічної технології дає можливість встановити оптимальні умови процесу, проводити його найбільш ефективно з максимальним виходом, забезпечити одержання продуктів високої якості. Технолог користується основними закономірностями при аналізі існуючого виробництва для його поліпшення і особливо при організації нового процесу.
КЛАСИФІКАЦІЯ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ
Всі процеси хімічної технології ділять, перш за все, на хімічні, включають хімічну реакцію, і фізичні. У даному курсі розглядається класифікація хіміко-технологічних процесів. Хімічні реакції є найважливішим етапом хіміко-технологічного процесу.
При класифікації хіміко-технологічних процесів враховують розподіл хімічних реакцій на прості, сложнопараллельние і сложнопоследовательние. При описі окремих класів хіміко-технологічних процесів реакції поділяють за типом взаємодії реагентів на окислювально-відновні (гомолитического) та кислотно-основні (гетеролітичних). Хімічні реакції та процеси массопередачи можуть бути оборотними чи необоротними, відповідно розрізняють і технологічні процеси в цілому.
Необхідно розмежовувати процеси, що протікають в кінетичної і дифузійної області. Цей вид класифікації процесів сильно ускладнюється у гетерогенних системах, особливо при взаємодії компонента газової або рідкої суміші з поверхнею твердого пористого матеріалу. У таких процесах в залежності від лімітує етапу можна спостерігати області: віешнедіффузіонную, перехідну від зовні-к внутрідіффузіонной, внутрідіффузіонную (в порах твердого матеріалу), внутрішню - перехідну і кінетичну. Такі області мають найбільше значення для гетерогенно-каталітичних процесів.
Якщо механізм процесу складний, приналежність його до того чи іншого класу визначається цілеспрямованістю. У класифікації технологічних процесів велике значення має необхідний для їх оптимізації технологічний режим.
Технологічним режимом називається сукупність основних факторів (параметрів), що впливають на швидкість процесу, вихід і якість продукту.
Для більшості хіміко-технологічних процесів основними параметрами режиму є температура, тиск, застосування каталізатора і активність його, концентрації взаємодіючих речовин, спосіб і ступінь перемішування реагентів.
Параметри технологічного режиму визначають принципи конструювання відповідних реакторів. Оптимального значення параметрів технологічного режиму відповідають максимальна продуктивність апаратів і продуктивність праці персоналу, що обслуговує процес. Тому характер і значення параметрів технологічного режиму покладені в основу класифікації хіміко-технологічних процесів. Проте всі параметри технологічного режиму взаємопов'язані і зумовлюють один одного. Зміна одного з параметрів тягне за собою різку зміну оптимальних величин інших параметрів режиму. Тому чітка класифікація технологічних процесів за всіма без винятку параметрами режиму була б дуже складна і недоцільна в загальному курсі хімічної технології. Необхідно вибрати параметри, які надають вирішальний вплив.
На конструкцію реакторів і швидкість процесів сильно впливають спосіб і ступінь перемішування реагентів. У свою чергу, спосіб і інтенсивність перемішування реагують мас залежать від агрегатного стану останніх. Саме агрегатний стан перероблюваних речовин визначає способи їх технологічної переробки та принципи конструювання апаратів. Тому при вивченні загальних закономірностей хімічної технології прийнято ділити процеси і відповідні їм реактори насамперед по агрегатному (фазовому) станом взаємодіючих речовин. За цією ознакою всі системи взаємодіючих речовин і відповідні їм технологічні процеси поділяють на однорідні, або гомогенні, і неоднорідні, або гетерогенні.
Гомогенними називаються такі процеси, в яких все реагують речовини знаходяться в одній якій-небудь фазі: газової (Г) або рідкої (Ж). У гомогенних системах взаємодіючих речовин реакції відбуваються зазвичай швидше, ніж у гетерогенних, механізм усього технологічного процесу простіше і відповідно управління процесом легше, тому технологи на практиці часто прагнуть до гомогенним процесам, тобто переводять тверді реагують речовини або принаймні одне з них у рідкий стан плавленням або розчиненням; з тією ж метою виробляють абсорбцію газів або конденсацію їх.
Гетерогенні системи включають дві або більше число фаз. Існують наступні двофазні системи: газ - рідина, газ - тверде тіло; рідина - рідина (змішуються); рідина - тверде тіло і тверде тіло - тверде тіло. У виробничій практиці найбільш часто зустрічаються системи Г-Ж, Г-Т, Ж-Т. Нерідко виробничі процеси протікають у багатофазних гетерогенних системах, наприклад Г-Ж-Т, Г-Т-Т, Ж-Т-Т, Г-Ж-Т-Т і т.п. Гетерогенні процеси більш поширені в промисловій практиці, ніж гомогенні. При цьому, як правило, гетерогенний етап процесу (массопередачи) має дифузійний характер, а хімічна реакція відбувається гомогенно в газовій або рідкому середовищі. Проте у ряді виробництв протікають гетерогенні реакції на кордоні Г-Т, Г-Ж, Ж-Т, які зазвичай і визначають загальну швидкість процесу. Гетерогенні реакції відбуваються, зокрема, при горінні (окисленні) твердих речовин і рідин, при розчиненні металів і мінералів у кислотах і лугах.
Хімічні процеси ділять на каталітичні та некаталітіческіс. За значеннями параметрів технологічного режиму процеси можна розділити на низько-та високотемпературні, що відбуваються під вакуумом, при нормальному та високому тиску, з високою і низькою концентрацією вихідних речовин і т.п. Однак така докладна класифікація, вживана в деяких інструкціях по окремим хімічним виробництвам, зайво складна для загального курсу хімічної технології.
За характером протікання процесу в часі відповідні апарати і здійснювані в них процеси ділять на періодичні і безперервні. Безперервно діючі реактори називають проточними, так як через них постійно протікають потоки реагують мас.
За гідродинамічного режиму розрізняють два граничних випадку перемішування реагуючих компонентів з продуктами реакції. Повне змішення є режим, при якому турбулізація настільки сильна, що концентрація реагентів у проточному реакторі однакова у всьому обсязі апарата від введення вихідної суміші до місця виведення продукційної суміші.
Ідеальне витіснення спостерігається тоді, коли вихідна суміш не перемішується з продуктами реакції, а проходить ламінарним потоком по всій довжині або висоті апарату. Відбувається плавну зміну концентрацій у напрямку потоку реагентів, тоді як в реакційному об'ємі повного змішання немає градієнта концентрацій. У промислових проточних реакторах ступінь перемішування завжди менше, ніж в апаратах повного змішання, і більше, ніж в апаратах ідеального витіснення. У деяких типах реакторів режим перемішування близький до одного з граничних випадків.
За температурним режимом проточні реактори і які у них процеси ділять на ізотермічні, адіабатичні і політермічні. При ізотермічних процесах температура стала по всьому реакційному об'ємі. Ідеально-ізотермічний режим можливий лише в реакторах з досить сильним перемішуванням, що наближається до повного змішання. Близькі до ізотермічних процеси, в яких відбуваються реакції з малим тепловим ефектом (наприклад, ізомеризація) або при малій концентрації реагуючих речовин. Останнє характерно для процесів очищення газів від шкідливих домішок.
При адіабатичних процесах немає відводу чи підведення теплоти, вся теплота реакції акумулюється потоком реагуючих речовин. Ідеально-адіабатичний режим можливий лише в реакторах ідеального витіснення при повній ізоляції від зовнішнього середовища. У таких реакторах температура потоку уздовж осі реактора прямо або обернено пропорційна ступеню перетворення вихідної речовини в продукт.
У политермическая реакторах теплота реакції лише частково відводиться з зони реакції або компенсується підводом для ендотермічних процесів. У результаті температура по довжині (або висоті) реакційного об'єму змінюється нерівномірно, і температурний режим виражається різними кривими.
Хімічні перетворення речовин супроводжуються в тій чи іншій мірі тепловими процесами. За тепловим ефектом процесів їх ділять на екзо-і ендотермічні. Такий поділ має особливо важливе значення при визначенні впливу теплового ефекту на рівновагу і швидкість оборотних реакцій. Тепловий ефект реакцій у ряді виробництв визначає технологічну схему виробництва і конструкцію реактора.
У гетерогенних системах розрізняють прямоточні, протиточні і перехресні процеси. Такий вид класифікації необхідний для визначення характеру зміни рушійної сили процесу по висоті (довжині) реактора. Таким чином, навіть спрощена класифікація процесів, прийнята в загальному курсі хімічної технології, досить складна, оскільки вона відображає всебічний підхід до вивчення різноманітних хіміко-технологічних процесів, існуючих у промисловості.
Основні об'єкти, що вивчаються в хімічній технології - рівновага і швидкість хіміко-технологічних процесів.
РІВНОВАГА В ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСАХ
Технологічні процеси ділять на оборотні і необоротні. Необоротні процеси протікають лише в одному напрямку.
Всі зворотні процеси прагнуть до рівноваги, при якому швидкості прямого і зворотного процесів зрівнюються, в результаті чого співвідношення компонентів у взаємодіючих системах залишається незмінним до тих пір, поки не зміняться умови протікання процесу. При зміні таких технологічних параметрів, як температура, тиск, концентрація реагуючих речовин, рівновага порушується, і процес може протікати в тому чи іншому напрямку до настання нової рівноваги. Кількісно стан рівноваги в хімічній реакції описується законом діючих мас (ЗДМ):
при постійній температурі і наявності рівноваги відношення твори діючих мас продуктів реакції до твору діючих мас вихідних речовин є величина постійна.
Ця постійна величина називається константою рівноваги К.
У гетерогенних системах оборотними називають
такі процеси, в яких можливий мимовільний перехід речовини чи енергії з однієї фази в іншу в обох напрямках.
Міжфазну рівновагу визначають на основі закону розподілу речовини і правила фаз.
Розрахунок константи рівноваги здійснюють або за експериментальними даними або ж через нормальне хімічна спорідненість.
Для великого числа хімічних перетворень константи рівноваги при стандартних умовах наведені в довідниках фізико-хімічних величин у вигляді таблиць або номограм.
Вплив основних параметрів технологічного режиму на рівновагу визначається принципом Ле Шательє,
в системі, виведеної зовнішніми впливами зі стану рівноваги, мимовільно відбуваються зміни, які прагнуть зменшити цей вплив і привести систему до нового стану рівноваги.
ШВИДКІСТЬ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ
Швидкість технологічного процесу за цільовим продукту є результуюча швидкостей прямої, зворотної та побічних реакцій, а також турбулентної і молекулярної дифузії вихідних речовин у зону реакції та продуктів з цієї зони.
Зміна концентрації основного вихідної речовини і продукту реакції протягом процесу характеризується кривими, які різні для простих і складних реакцій, а також для процесів, що протікають по типу ідеального витіснення і повного змішання. Для простих процесів, що протікають по типу ідеального витіснення без зміни обсягу за схемою A-^ D, концентрація основного вихідного речовини сА зменшується в часі від початкової <? Ан до нульової для незворотних процесів і до рівноважної сд для оборотних. Відповідно концентрація продукту cD збільшується для оборотних процесів від нуля до концентрації cD *, відповідної рівноважної ступеня перетворення, тобто хр, а для незворотних до х = 1.
Більшість хімічних реакцій відноситься до складних, тобто, складається з декількох елементарних, тому характер зміни концентрацій реагентів носить більш складний характер.
Швидкість виробничого процесу визначає продуктивність відповідних апаратів або розміри і кількість їх.
Швидкість процесу розраховують за ступенем перетворення вихідної речовини, щодо виходу продукту за певний проміжок часу або через константу швидкості процесу.
Ступінь перетворення визначають за основним вихідного речовини. Основним вихідним речовиною називається речовина, за яким ведеться розрахунок. Це, як правило, найбільш дороге з речовин, присутніх у вихідній суміші.
Багато процесів є многомаршрутнимі, тобто протікають по декількох паралельних або послідовним реакцій з отримання побічних продуктів. Для таких процесів велике значення має вибірковість процесу.
Вибірковістю (селективністю) процесу називають відношення кількості основного вихідної речовини, що перетворився в цільовий продукт, до загальної кількості перетворився речовини.
Вибірковість у різних многомаршрутних процесах коливається дуже сильно. Так, у старому способі виробництва бутадієну з етилового спирту вона становила лише 0,25-0,3 і виходило до 30 інших речовин, як корисних, так і відходів виробництва. Селективність окислення аміаку до оксиду азоту NО коливається на різних каталізаторах від 0,85 до 0,97, тобто від 3 до 15% NH 3 перетворюється в N 2 та N 2 O.
На вибірковість можуть впливати багато параметрів технологічного режиму: час перебування в реакторі, температура, тиск, концентрація реагентів, ступінь перемішування реакційної суміші й особливо виборчі каталізатори, що прискорюють тільки реакцію отримання цільового продукту на шкоду побічним.
Виходом продукту називають відношення кількості отриманого продукту до того, яке вийшло б при повному протікання реакції. Застосовують у розрахунках три види виходу продукту: загальний, рівноважний і вихід від теоретичного.
Загальний вихід продукту обчислюють як відношення кількості отриманого цільового продукту до максимально можливого при повному перетворенні вихідного.
Стосовно до гетерогенним процесам виходом продукту називають ступінь вилучення компонента з однієї фази в іншу, наприклад ступінь абсорбції компонента з газової фази, ступінь десорбції з рідкої або твердої фази в газову.
У дослідах рівноважний вихід продукту визначити точно досить важко, так як рівновага практично досягається зазвичай лише після закінчення великого часу реакції.
Зазвичай рівноважний вихід визначають за відомою константі рівноваги, з якою він пов'язаний в кожному конкретному випадку певним співвідношенням.
Вихід продукту можна змінити, змістивши рівновагу реакції в оборотних процесах, впливом таких факторів, як температура, тиск, концентрація.
Відповідно до принципу Ле Шательє рівноважна ступінь перетворення збільшується з підвищенням тиску в ході простих реакцій, а ін випадку обсяг реакційної суміші не змінюється і вихід продукту не залежить від тиску.
Вплив температури на рівноважний вихід, так само як і на константу рівноваги, визначається знаком теплового ефекту реакції.
Для більш повної оцінки оборотних процесів використовують так званий вихід від теоретичного (вихід від рівноважного), рівний відношенню дійсно отриманого продукту з до кількості, яке вийшло б у стані рівноваги.
Ступінь перетворення і вихід продукту залежать від багатьох параметрів, тобто є нелінійною функцією ряду змінних x = f (T, P, т, з а, Св, Сі ,...). Тому їх застосовують зазвичай лише для порівняльної оцінки декількох аналогічних виробництв, що здійснюються, наприклад, за різними технологічними схемами або з застосуванням каталізаторів різної активності. Вплив однієї змінної, наприклад Т, експериментально визначають при сталості інших діючих параметрів.
Для кількісної оцінки інтенсивності роботи різних апаратів і для технологічного розрахунку виробничих процесів краще користуватися константою швидкості процесу k, яка в гетерогенних процесах називається також коефіцієнтом массопередачи. Константа швидкості процесу на відміну від ступеня перетворення не залежать від часу і від концентрації реагуючих речовин, і її залежність від температури визначається за рівнянням Арреніуса.
СПОСОБИ ЗБІЛЬШЕННЯ ШВИДКОСТІ ПРОЦЕСУ
Однією з основних задач технології є використання всіх шляхів для збільшення швидкості технологічного процесу і відповідного підвищення продуктивності апаратури. Аналіз напрямків інтенсифікації хіміко-технологічних процесів проводиться за допомогою основних формул швидкості процесу, згідно з якими для підвищення швидкості процесу слід знайти способи збільшення визначальних величин Ac, k і F (v). Збільшення рушійної сили процесу Дс може бути досягнуто: а) зростанням концентрацій взаємодіючих компонентів у вихідних матеріалах (сировина), б) підвищенням тиску; в) регулюванням температури процесу; г) відведенням продуктів реакції з реакційного об'єму з метою зрушення рівноваги в сторону продукту. Рушійна сила хімічних реакцій, процесів абсорбції, адсорбції і конденсації виражається через різниці дійсних с і рівноважних з * концентрацій реагуючих речовин (с-с *). Тому збільшення рушійної сили процесу може здійснюватися або збільшенням с, або зменшенням з *, або одночасним відповідною зміною обох величин.
1. Збільшення концентрації взаємодіючих компонентів у вихідній сировині підвищує с і пропорційно збільшує швидкість процесу. Спосіб збільшення концентрації взаємодіючих компонентів у вихідній сировині залежить від агрегатного стану матеріалу. Збільшення вмісту корисного становить в твердому сировину називається збагаченням, а в рідкому і газоподібному - концентруванням. Збільшення концентрації взаємодіючих речовин - це один з найпоширеніших прийомів для інтенсифікації процесів.
Підвищення тиску впливає на швидкість процесу (швидкість досягнення рівноважного стану оборотних процесів) і стан рівноваги. Тиск сильно впливає на швидкість процесів, що йдуть в газовій фазі або ж при взаємодії газів з рідинами і твердими тілами. В гомогенних процесах, що протікають у газовій фазі або в гетерогенних за участю газоподібних компонентів, підвищення тиску зменшує обсяг газової фази і відповідно збільшує концентрації взаємодіючих речовин. Таким чином, підвищення тиску рівносильне зростанню концентрації реагентів. Вплив тиску визначається кінетичними рівняннями.
Таким чином, швидкість реакції взаємодії газових компонентів пропорційна тиску в ступені, що дорівнює порядку реакції. Тиск найбільш сильно інтенсифікує реакції вищого порядку. Однак зростання тиску може призвести до зміни порядку реакції та зменшення константи швидкості процесу k.
У промисловості широко застосовують підвищений тиск для прискорення абсорбції. Для процесів десорбції газів та випаровування рідин прискорення процесу і підвищення виходу досягається зниженням тиску, тобто застосуванням вакууму.
Значення рівноважних парціальних тисків (концентрацій) компонентів РА * і рв * розраховуються для заданого складу газової суміші за відомим константам рівноваги.
Для оборотних газових реакцій, що протікають із зменшенням об'єму, швидкість реакції і вихід, продукту будуть зростати з підвищенням тиску за рахунок збільшення дійсних концентрацій (парціальних тисків) компонентів р \ і рв і зниження рівноважних парціальних тисків /? Л * і рв *, т. е. зсуву рівноваги в сторону продукту. Вихід продукту за такої реакції безперервно збільшується при підвищенні тиску. Однак градієнт збільшення виходу з підвищенням тиску безперервно знижується, тому, занадто високі тиски застосовувати невигідно, особливо в тих випадках, коли газова суміш містить значні кількості інертних домішок.
Раціональне тиск коливається для різних процесів від однієї десятої до декількох десятків мегапаскалей (від однієї до кількох сотень атмосфер). Багато важливих виробничі процеси, такі, як синтез аміаку, метанолу, виробництво бензину гідруванням важкого палива та ряд інших реакцій газових компонентів, які проходять з зменшенням обсягу, здійснені в промисловості тільки завдяки примі-Співу високих тисків (понад 10 МПа).
Для оборотних газових реакцій, що йдуть із збільшенням об'єму, тиск позначається позитивно далеко від стану рівноваги за рахунок зростання дійсних парціальних тисків вихідних компонентів РА і рв. Однак при наближенні до рівноваги вихід продукту проходить через максимум і потім знижується.
У промисловості застосування підвищеного тиску при проведенні газових реакцій, що йдуть зі збільшенням обсягу, як правило, пов'язане з тими вигодами, які отримують від використання тиску в попередніх чи подальших операціях виробництва. Наприклад, конверсію метану з водяною парою або окислення аміаку економічно проводити під тиском, тому що воно сприятливо впливає на подальші процеси технологічної системи.
Для процесів за участю газової фази застосовуються тиску порядку однієї та кількох десятків мегапаскалей (десятків і сотень атмосфер). Для процесів полімеризації та інших синтезів в рідкій фазі ефективні тиску в сотні МПа.
У твердофазних процесах через незначну стисливості твердих тіл ефективними є лише надвисокі тиски, що викликають перебудову електронних оболонок, деформацію кристалів і зрушення фазового рівноваги. Так, з вуглецю, розчиненого в металевих розплавах при надвисоких тисках до 10 тис. МПа і температурах до 2400 ° С, виробляють штучні алмази.
3. Регулювання температури процесу як засіб підвищення рушійної сили застосовується головним чином в сорбційних та десорбціонную процесах. Знижуючи температуру рідкої фази, зменшують парціальний тиск парів газового (парового) компонента над нею, і відповідно збільшують рушійну силу Дс і загальну швидкість процесу.
4. Відведення продуктів реакції з реакційної зони збільшує сумарну швидкість оборотної реакції за рахунок зменшення або збільшує рушійну силу гетерогенного процесів.
У хімічних реакціях підвищення температури збільшує швидкість завдяки зростанню константи швидкості к.
З газової суміші продукт реакції може відводитися конденсацією, виборчої абсорбцією або адсорбцією. У багатьох виробництвах для цього газову суміш виводять з реакційного апарату, а потім після відділення продукту (конденсації, абсорбції) знову вводять в апарат - виходять замкнуті (циклічні, кругові) процеси, наприклад синтез аміаку, синтези спиртів і т.п. У цих випадках реакція в газовій фазі відбувається стадіями. У кожній стадії концентрація продукту з * зростає до максимально допустимої величини, а потім знижується до величини, близької до нуля при абсорбції (меншою мірою при конденсації), потім цикл може повторюватися багато разів. З рідкий суміші продукт реакції відводиться в залежності від його властивостей осадженням у вигляді кристалів, десорбцією (випаровуванням) у вигляді пари або адсорбцією на твердому поглиначі. Осадження кристалів з подальшим поверненням маточного розчину в процес часто застосовується в технології мінеральних солей, наприклад у виробництві хлориду калію, сульфату амонію та в інших виробництвах. Десорбція парів розчиненого речовини використовується для підвищення ємності (Ас) розчинника при очищенні газів.
Збільшення константи швидкості процесу може досягатися підвищенням температури взаємодіючої системи; застосуванням каталізаторів; посиленням перемішування реагують мас (турбулізацією системи).
1. Підвищення температури призводить до сильного збільшення констант швидкостей реакцій і в меншій мірі до збільшення коефіцієнтів дифузії. У результаті сумарна швидкість процесу збільшується при підвищенні температури до певної межі, при якому велике значення набувають швидкості зворотної чи побічних реакцій, точніше збільшуються константи швидкості. Вплив температури реагують мас на константу швидкості реакції для більшості процесів, що йдуть у кінетичній області, визначається формулою Арреніуса.
Згідно з правилом Вант-Гоффа, температурний коефіцієнт звичайно дорівнює 2-4, тобто при підвищенні температури на 10 ° швидкість реакції збільшується у 2-4 рази. Однак це правило наближено застосовно лише в області середніх температур (10-200 ° С) при енергіях активації порядку 60000-120000 Дж / моль. Температурний коефіцієнт у зменшується з пониженням енергії активації і підвищенням температури, наближаючись до одиниці в області високих температур.
Вплив температури на швидкість процесів в дифузійній області менше, ніж у кінетичної.
Дифузія в рідинах протікає ще повільніше, ніж в газах, внаслідок високої в'язкості рідин. Значення коефіцієнта дифузії в розчинах в 104-105 разів менше, ніж в газах ..
Найбільш повільна дифузія в твердому середовищі. При звичайній температурі коефіцієнт дифузії для твердих речовин має порядок см 2 / рік - см 2 / століття. Підвищення температури, збільшуючи швидкість і амплітуду коливання атомів у кристалах, різко підвищує швидкість дифузії. Так, при 900-1000 ° С дифузія вуглецю в залізо при термічній обробці металів відбувається за кілька годин.
Внаслідок більшого температурного коефіцієнта швидкості реакції, ніж дифузії, деякі хіміко-технологічні процеси (наприклад, газифікація палива, випал сульфідних руд) при підвищенні температури переходять з кінетичної області в дифузійну. Однак дифузія не впливає на рівновагу хімічних процесів.
Як відомо, швидкість прямої реакції повинна весь час збільшуватися при підвищенні температури. Однак у виробничій практиці є багато причин, які обмежують можливість інтенсифікації процесу підвищенням температури. Для всіх оборотних екзотермічних процесів, що протікають з виділенням теплоти, з підвищенням температури зменшується константа рівноваги, відповідно знижується рівноважний вихід продукту і при деякому підвищенні температури кінетика процесу вступає в протиріччя з термодинамікою його; незважаючи на підвищення швидкості прямого процесу, вихід обмежується рівновагою. При низьких температурах дійсний вихід визначається швидкістю прямого процесу і тому зростає з підвищенням температури; при високих температурах швидкість зворотного процесу збільшується сильніше, ніж прямого процесу; вихід, обмежений рівновагою, знижується зі зростанням температури. Отже, безмежне підвищення температури недоцільно.
У ряді процесів, особливо в технології органічних речовин, підвищення температури обмежується виникненням побічних реакцій з великим температурним коефіцієнтом, ніж в основній реакції. При цьому вихід продукту може сильно знижуватися ще до наближення до стану рівноваги. Такий характер мають криві синтезу метанолу, вищих спиртів і багатьох інших продуктів органічного синтезу.
Сильне підвищення температури в багатьох виробничих процесах виявляється шкідливим, оскільки призводить до видалення реагуючих речовин із зони реакції, наприклад за рахунок десорбції компонентів, з рідкої реакційного середовища, або до зменшення поверхні зіткнення газів з твердими речовинами внаслідок спікання в агломерати твердих зернистих матеріалів. Підвищення температури часто обмежується термостійкістю конструктивних матеріалів, з яких виготовлені реакційні апарати, а також витратами енергії на підвищення температури, особливо в ендотермічних процесах. Таким чином, регулювання температури необхідно для збільшення константи швидкості до і підвищення рушійної сили процесу Дс. Оптимальні температури процесів залежать від природи реагентів і концентрації їх, ступеня перетворення вихідних речовин у продукти реакції, тиску, поверхні зіткнення реагуючих фаз і інтенсивності їх перемішування, нарешті, для багатьох процесів від активності застосовуваних каталізаторів.
2. Застосування каталізаторів сильно підвищує константу швидкості реакції, не викликаючи зміни рушійної сили процесу Ас.
Каталізатори прискорюють хімічні реакції внаслідок заміни одностадійного процесу, що вимагає великої енергії активації Е, двох-або більш стадійним процесом, в кожній послідовної стадії якого потрібна енергія активації, значно менша, ніж енергія активації процесу одностадійного.
Енергію активації каталітичних реакцій можна обчислити з рівняння Арреніуса. Однак для твердих каталізаторів виходить не справжня, а уявна енергія активації, яка більше істинної на величину теплоти адсорбції реагуючих речовин (речовини А) на каталізаторі. Каталізатори не прискорюють дифузійні процеси, тому їх застосування доцільно тільки для процесів, що йдуть в кінетичній області. Застосування каталізаторів у багатьох виробництвах обмежується їх нестійкістю в умовах необхідного технологічного режиму, тобто втратою активності при підвищених або знижених температурах, а також внаслідок дії домішок, що містяться у вихідних матеріалах.
3. Перемішування збільшує коефіцієнт массопередачи або константу швидкості процесу внаслідок заміни молекулярної дифузії конвективної, тобто зниження дифузійних опорів, що перешкоджають взаємодії компонентів. Отже, посилення перемішування взаємодіючих речовин. Доцільно застосовувати для процесів, що йдуть в дифузійній області до тих пір, поки загальна константа швидкості процесу k не перестане залежати від коефіцієнтів переносу D, тобто аж до переходу процесу з діффузнойной області у кінетичну.
Подальше посилення перемішування в проточних апаратах знижує рушійну силу процесу та швидкість реакції.
З трьох розглянутих напрямів збільшення константи швидкості процесу використовують, перш за все, те, що пришвидшує найбільш повільну стадію процесу.
Збільшення поверхні зіткнення фаз у гетерогенних системах виробляється різна залежно від виду системи: Г-Ж, Г-Т, Ж-Т, Ж-Ж (змішуються) і Т-Т, а також від необхідного режиму процесу, тобто застосовуваних тисків, температур, концентрацій реагентів, каталізаторів і т.п. Спосіб створення поверхні зіткнення визначає конструкцію апарату для даної агрегатної системи.
У всіх випадках прагнуть збільшити поверхню більш важкої (щільною) фази - твердою в системах Г-Т, Ж-Т і рідкої в системі Г-Ж; більш ж легка фаза у всіх типах апаратів омиває поверхню важкої фази.
ТЕХНОЛОГІЧНІ РОЗРАХУНКИ
Регулюючи параметри технологічного режиму, інженер-технолог управляє діючим виробництвом, домагаючись найбільш раціонального використання сировини, максимального виходу готового продукту і найбільшої продуктивності реакційної апаратури.
У ще більшою мірою ці знання необхідні при організації нових хімічних виробництв, які розробляються або з використанням досвіду діючих виробництв, або ж в результаті наукових досліджень. При організації нового виробництва необхідно зробити розрахунки, які в основному можна підрозділити на технологічні, виконувані інженерами-технологами, конструктивні, які виконують інженери-конструктори, та техніко-економічні, розроблювані інженерами-економістами. Але так як будь-який хіміко-технологічний процес пов'язаний з споживанням електричної енергії, води, пари, повітря на сантехнічні потреби (наприклад, загальнообмінна вентиляція) і, крім того, будь-яке виробництво розміщується у відповідних будівлях і спорудах, то поряд з перерахованими спеціальностями у проектуванні виробництв беруть участь інженери-електрики, сантехніки, будівельники та ін Всі ці розрахунки з відповідними кресленнями та схемами складають проект нового технологічного виробництва.
Проектування будь-якого виробництва, як правило, здійснюється у дві стадії. На першій стадії виконується техніко-економічний розрахунок - ТЕР або, у більш складних проектах, техніко-економічне обгрунтування - ТЕО. При цьому вибираються та обгрунтовуються місце будівництва і метод виробництва, джерела і витрати сировини та енергоресурсів, розробляється принципова технологічна схема, проводиться розрахунок основних процесів і апаратів, визначаються виробничі штати, будівельні обсяги та собівартість готової продукції. На цій стадії проектування основу складають технологічні і техніко-економічні розрахунки. Завершальним етапом першої стадії проектування є розрахунок економіки процесу. Якщо в результаті розрахунку з'ясується, що процес виявився неекономічним, проектування починають, спочатку відшукуючи способи поліпшення економічних показників.
Після всебічного розгляду та затвердження у відповідних інстанціях приступають до другої, завершальній стадії проектування. Друга стадія - робочі креслення і - виконується детально по всіх розділах, і проектна документація надходить безпосередньо на будівельний майданчик, де здійснюється будівництво будівель і споруд, а також монтаж технологічного обладнання, комунікаційних ліній і засобів автоматизації.
Технологічні розрахунки, як правило, починаються з вибору методу виробництва, оскільки в завданні на проектування зазвичай вказується загальна потужність майбутнього заводу або цеху. При виборі методу виробництва проводиться порівняльна оцінка існуючих методів з точки зору якості одержуваної продукції, витрат сировини і енергії, рівня механізації і автоматизації процесу, санітарно-технічних умов праці, наявності побічних продуктів і відходів виробництва. Вирішальну роль в остаточному виборі того чи іншого методу грає економіка процесу. Якщо технологічний процес організований за безперервною схемою так, що сировина витрачається досить повно, пет відходів виробництва, готовий продукт виходить з великим виходом, всі операції механізовані, а заданий режим підтримується автоматично, то й економічні показники цього процесу виявляються високими. Тому технологи завжди прагнуть до вибору саме такого досконалого методу виробництва. При цьому широко використовуються новітні досягнення науки і техніки. Вибір методу виробництва передбачає також і вибір основних параметрів технологічного режиму.
Після вибору методу виробництва технолог приступає до складання технологічної схеми, яка включає в себе всі основні апарати та комунікації між ними, а також транспортні лінії подачі сировини і готової продукції. Технологічна схема складається з урахуванням досвіду роботи аналогічних апаратів на інших виробництвах і останніх досягнень в області машино-та приладобудування. В основу нового виробництва завжди закладаються самі прогресивні, інтенсивні, високопродуктивні апарати, що мають до того ж великий термін служби, прості в обслуговуванні і виконані по можливості з легкодоступних, дешевих конструкційних матеріалів.
Склавши технологічну схему виробництва та визначивши основні напрямки потоків сировини, напівпродуктів або напівфабрикатів, а також готової продукції, приступають до складання матеріального та енергетичного балансів.
Матеріальний і енергетичний баланси. Складання матеріального і енергетичного балансів роблять при проектуванні нових виробництв, а також для аналізу роботи існуючих.
Матеріальний баланс - відображає закон збереження маси речовини:
у всякій замкнутій системі маса речовин, що вступили в реакцію, дорівнює масі речовин, що вийшли в результаті реакції.
Стосовно до матеріального балансу будь-якого технологічного процесу це означає, що маса речовин, що надійшли на технологічну операцію - прихід, дорівнює масі всіх речовин, що вийшли в результаті її, - витраті.
Матеріальний баланс - дзеркало технологічного процесу. Чим докладніше вивчений процес, тим більш повно можна скласти матеріальний баланс. Матеріальний баланс складають за рівнянням основний сумарної реакції з урахуванням паралельних і побічних реакцій. Оскільки на практиці доводиться мати справу не з чистими речовинами, а з сировиною складного хімічного і механічного складу, для складання матеріального балансу доводиться враховувати масу всіх компонентів. Для цього користуються даними аналізів.
Енергетичний баланс складають па основі закону збереження енергії:
в замкнутій системі сума всіх видів енергії постійна.
Зазвичай у хіміко-технологічних процесах складається тепловий баланс. Стосовно до теплового балансу закон збереження енергії може бути сформульовано таким чином:
прихід теплоти в даному циклі виробництва повинен бути точно дорівнює витраті її в цьому ж циклі.
При цьому повинна бути врахована вся теплота, що підводиться в апарат і виділяється (поглинається) в результаті хімічної реакції або фізичного перетворення; теплота, що вноситься кожним компонентом, як входять у процес або апарат, так і виходять з нього, а також теплообмін з навколишнім середовищем.
Тепловий баланс, як і матеріал, виражають у вигляді формул, таблиць і діаграм.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Хімія | Лекція
143.1кб. | скачати


Схожі роботи:
Теоретичні основи і технології початкової освіти з природознавства
Технології хімічної промисловості
Гідромеханічні процеси хімічної та харчової технології
Методика розв`язування задач з теоретичних основ хімічної технології
Удосконалення технології хімічної водоочищення на Балаковської атомної електростанції з використанням
Теоретичні основи електротехніки
Теоретичні основи психотерапії
Теоретичні основи маркетингу
Теоретичні основи інформатики 2
© Усі права захищені
написати до нас