книги / Физико-химические основы технологических процессов

4)металлургию;

5)силикатные производства.

II. Технологию органических веществ, включающую в себя:

1)переработку нефти и газа;

2)нефтехимический синтез;

3)основной органический синтез - производство органических веществ на основе углеводородного сырья;

4)биотехнологию - производство дрожжей, ферментов, амино­ кислот, антибиотиков;

5)тонкий органический синтез - производство органических пре­ паратов, реактивов, лекарственных веществ;

6)технологию высокомолекулярных веществ;

7)технологию переработки растительных и животных жиров.

2.Показатели химико-технологического процесса

ихимического производства

Можно выделить четыре группы показателей химико-технологи­ ческого процесса: технические, экономические, эксплуатационные и социальные.

Технические показатели определяют качество ХТП. Рассмот­ рим основные технические показатели.

Производительность (мощность) производства - количество по­ лучаемого продукта или количество перерабатываемого сырья в едини­ цу времени:

где П - производительность (кг/ч, т/ч, м3/ч, т/сут); G - количество получаемого продукта или перерабатываемого сырья за время /.

При расчете производительности производства за 1 год учиты­ ваются плановые остановки оборудования и принимается, что произ­ водство работает 8000 ч или 330 суток в году.

Расходный коэффициент РК показывает количество затраченно­ го сырья, материалов или энергии на производство единицы продук­ та (кг сырья/т продукта, м3 сырья/кг продукта, кВтч/кг продукта, Гкал/т продукта и т. д.). Расходный коэффициент не отражает эффек­ тивности использования расходуемых компонентов.

Выход продукта (степень исполъзованш сырья) - отношение ре­ ально получаемого количества продукта из сырья к максимальному количеству, которое теоретически можно получить из того же сырья.

Интенсивность процесса - количество перерабатываемого сырья или образующегося продукта в единице объема аппарата. Этот пока­ затель характеризует интенсивность протекания процесса в техноло­ гическом аппарате.

Селективность процесса - отношение выхода основного продук­ та к выходу всех продуктов в процессе:

где G - выход основного продукта; £(Gv) - выход всех продуктов в про­ цессе с учетом побочных реакций.

Качество продукта определяет его потребительские свойства и товарную ценность. Этот показатель может включать в себя содер­ жание (состав и количество) примесей, физические и химические показатели, внешний вид и размеры, цвет, запах и прочее. Качество продукта определяется нормативными документами (ГОСТ - госу­ дарственный отраслевой стандарт, технические условия, сертификат качества).

Экономические показатели определяют экономическую эффек­ тивность производства. К ним можно отнести такие показатели, как себестоимость продукта и производительность труда.

Себестоимость продукта - суммарные затраты на получение единицы продукта. Себестоимость складывается из следующих ста­ тей расхода: затрат на сырье, энергию, вспомогательные материалы; единовременные и амортизационные капитальные затраты - капи­ тальные затраты, распределяемые равномерно на срок эксплуатации оборудования; затраты на оплату труда работников.

Производительность труда - количество продукции, произве­ денной в единицу времени (обычно за год) в пересчете на одного ра­ ботающего; характеризует эффективность производства относитель­ но затрат труда.

Эксплуатационные показатели показывают изменения в хими­ ко-технологическом процессе и производстве при эксплуатации обо­ рудования. К основным эксплуатационным показателям относятся:

• надежность, характеризуется средним временем безаварийной работы либо числом аварийных остановок оборудования или произ­ водства в целом за определенный период времени. Этот показатель зависит от качества используемого оборудования и правильности его эксплуатации;

•безопасность функционирования - вероятность нарушений, приводящих к нанесению вреда или ущерба обслуживающему пер­ соналу, оборудованию, а также окружающей среде, населению;

•чувствительность к нарушениям режима и изменению условий эксплуатации; определяется отношением изменения показателей процесса к этим отклонениям;

•управляемость и регулируемость - возможность поддерживать показатели процесса в допустимых пределах; показатели определяют величину допустимых изменений условий процесса, управляющие параметры и их взаимовлияние (сложность управления).

Социальные показатели определяют уровень безопасности ус­ ловий работы на производстве.

Степень автоматизации и механизации определяет долю ручно­ го и тяжелого труда в эксплуатации производства.

Безвредность обслуживания определяется на основе условий вы­ полнения нормативных требований к охране труда на производстве.

Экологическая безопасность - степень воздействия производства на объекты окружающей среды.

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение основных понятий: технологический про­ цесс, химико-технологический процесс, химическое производство, химическая технология.

2.Рассмотрите классификацию ХТП.

3.В каких аппаратах осуществляются массообменные процессы?

4.В каких аппаратах осуществляются теплообменные процессы?

5.Рассмотрите основные элементы химического производства и определите функциональное назначение каждого элемента ХП.

6.Рассмотрите состав и основные компоненты ХП.

7.Что изучает химическая технология как наука?

8.Рассмотрите основные показатели ХП.

9.Что представляет собой расходный коэффициент сырья?

10.Что понимается под социальными показателями химического производства?

11.Каковы основные источники сырья для химической промышлен­ ности?

12.Что представляет собой энергетическая система ХП?

13.Рассмотрите особенности водоподготовки на химическом про­ изводстве.

14.Что представляет собой система управления ХП?

Модуль 2

ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ.

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ

1. Использование стехиометрии химических реакций в ХТП

Стехиометрические уравнения. Вещества вступают в химиче­ ское взаимодействие в определенных соотношениях, которые выра­ жаются стехиометрическим уравнением реакции.

Общий вид стехиометрического уравнения:

где А, В - исходные вещества; С, D - продукты реакции; vA, vB, vc, vDстехиометрические коэффициенты.

В стехиометрическом уравнении соблюдается баланс по химиче­ ским элементам в соответствии с законом сохранения массы: количе­ ства каждого из них во всех исходных веществах и в продуктах реак­ ции равны между собой. Поэтому стехиометрические уравнения можно рассматривать как алгебраические и представить в виде

где А/ —наименование веществ; V, - стехиометрический коэффициент /-го вещества. В формуле (2.2) v,< 0 для исходных веществ, которые расходуются; v, > 0 для продуктов реакции.

Из стехиометрического уравнения следует:

где N\0, N20, Ni0 - начальные количества исходных веществ (моль); N\, N2, ..., Ni - количество вещества после превращения (моль); vb v2,

..., V/ - соответствующие стехиометрические коэффициенты.

На основе стехиометрических уравнений определяют состав про­ дуктов реакции, рассчитывают материальный баланс процесса.

Простые и сложные реакции.

Простая реакция описывается одним стехиометрическим урав­ нением, слоэюная реакция - несколькими.

Пример простой (одностадийной) реакции: Н2 + С12 <-> 2 НС1.

Примеры сложных реакций:

а) последовательная реакция: А —►В —►С

С -ь 0,5О2 <—►COj СО 0,5О2 +—►С 02; б) параллельная реакция: А—►В

А—►С

СН4 + 1/2 0 2 <-> СНзОН; СН4 + 202 <->С02 + 2Н20.

Базисные стехиометрические уравнения. Число уравнений, ис­ пользуемое при расчетах, должно выражаться числом независимых базисных уравнений - уравнений, которые нельзя получить комби­ нацией других. При этом соблюдается поэлементный баланс.

Для обменных реакций число базисных уравнений можно опре­ делить по формуле

В окислительно-восстановительных реакциях соблюдается не только поэлементный баланс, но и баланс по электронам (как измене­ ние степени окисления элементов, участвующих в реакции). В этом случае к поэлементному балансу надо добавить баланс зарядов.

PNRPUЧисло веществ - 5, число элементов - 3 (N, Н, О), реакция окис­ лительно-восстановительная. Число базисных уравнений рассчитаем по формуле (2.5):

У = В - Э = 5 - 3 = 2.

Процесс окисления аммиака можно представить в алгебраиче­ ском виде:

Умножим уравнение (2.6) на (-0,5) и (2.7) на (+0,5) и после сум­ мирования и преобразований получим

+ 2NH3 + 2,502 - 2NO - ЗН20 = 0 - 2NH3 - 1,502 + N2 + ЗН20 = 0

0 2 - 2NO + N2 =0

или

2NO = N2 + 0 2.

Таким образом, уравнение (2.8) можно получить комбинацией уравнений (2.6) и (2.7).

Вывод: для расчета достаточно двух уравнений.

Степень превращения (х,) характеризует долю прореагировав­ шего исходного вещества:

(2.9)

ЛК

Используя (2.3) и (2.9), можно определить количество любого вещества 7V, в реагирующей смеси:

Если исходная реакционная смесь имеет неэквивалентный со­ став, то состав реакционной смеси необходимо выражать через сте­ пень превращения того вещества, которое находится в недостатке. Его называют ключевым компонентом.

Если компонент А участвует в нескольких реакциях, то уравне­ ние (2.10) примет вид

где - степень превращения компонента А ву-й реакции.

Концентрации компонентов в реакционной смеси. Концентра­ цию компонента в реакционной смеси в технологических расчетах

Общее количество реакционной смеси X/V, найдем суммировани­ ем выражений (2.10):

Величина Av - алгебраическая сумма числа молей в реакции. Используя уравнения (2.12) и (2.14), получим

Примеры расчетов с использованием стехиометрии химических процессов

Пример 1.

Определить теоретический расходный коэффициент для лимони­ та (2Fe20 3-3H20) в процессе выплавки чугуна, содержащего 92 % же­ леза. Считать, что руда не содержит примесей.

Решение. В 1 моль лимонита содержится 4 моль элемента Fe:

Рассчитаем молярную массу Fe20 3-3H20:

М = 2-(2 MFe-+ ЗМ0)+ЗМН0) = 2-(56-2+16*3)+3*18)=358 кг/кмоль.

Находим, сколько тонн лимонита необходимо использовать для получения 1 т железа:

По условию задачи в 1 т чугуна содержится 92 % железа, поэто­ му расходный коэффициент лимонита для выплавки 1 т чугуна со­ ставит:

РКпракт= 1,59-0,92=1,47 т/т.

Пример 2.

Определить расход бурого угля (С), содержащего 70 мае. % С, водяного пара и воздуха для получения 1000 м3 генераторного газа следующего состава (об. %): СО - 40, Н2 - 18, N2 - 42.

Считать, что воздух имеет следующий состав: N2 - 79 %, 0 2 - 21 %, = 29 г/моль.

Решение:

1. Генераторный газ получают воздействием на уголь паровоз­ душной смеси согласно уравнениям:

2. Расход воздуха для протекания реакции (2) рассчитаем, исходя из содержания азота в полученном генераторном газе.

РвозД= 420/0,79= 531,6 м3

Объем кислорода находим по формуле

Го, ^.озд-Фо,; ^ = 531,6-0,21 = 112 м3

Массу кислорода определяем по формуле

«о, =(voJ V n\ M 0^ =(112/22,4)-32 = 160 кг.

Масса воздуха

отвозд = (531,6/22,4)-29=700 кг.

3. Определяем расход водяного пара по реакции (1).

Лн,о ~ пнг ~ Ки I Гт,

£т с = 96,36 + 120 = 216,36 кг.

5.Определяем расход бурого угля:

2 > с/юс = 216,36/0,7 = 310 кг.