- •3. Показатели химического производства и химико-технологического процесса
- •Формулировка проблемы
- •Научные исследования
- •Задания на разработку
- •Идеи, концепции
- •Анализ предложений
- •Исследования, эксперимент
- •Решение, анализ
- •Задание на проектирование
- •Экспертиза
- •Производство
- •3.2. Термодинамические расчеты химико-технологических процессов
- •3. Основные закономерности химической технологии
- •4) Химические – процессы, связанные с изменением химического состава веществ; данные процессы проводятся в химических реакторах.
- •1.2. Структура и состав химического производства
- •3. Основные закономерности химической технологии
- •3. Оптимальный температурный режим и способы его осуществления в реакторах для эндо- и экзотермических, обратимых и необратимых химических процессов.
- •Гетерогенно-каталитические процессы
Лекция №1
Вопросы:
1. Предмет ОХТ. Цели и задачи курса. Основные термины и определения.
2. История развития химической промышленности.
3. Современные тенденции развития химической промышленности.
4. Химическая промышленность РБ.
Происхождение слова «технология»(от греческих«technos»- искусство, ремесло и «logos» - учение, наука) вполне отвечает его содержанию: учение об умении, искусстве перерабатывать исходные вещества в полезные продукты.
Химическая технология – естественная, прикладная наука о способах и процессах производства продуктов(предметов потребления и средств производства), осуществляемых с участием химических превращений технически, экономически и социально целесообразным путем.
Химическая технология как наука имеет:
Предмет изучения – химическое производство;
Цель изучения – создание целесообразных способов производства необходимых человеку продуктов;
Методы исследования – экспериментальный, моделирования и системный анализ.
Химическое производство – совокупность машин, аппаратов и других устройств, связанных между собой материальными Из бескова надо подумать.
Все они взаимосвязаны и функционируют вместе, обеспечивая получение продукции и выполняя другие функции производства. Такой объект называется системой.
Система – совокупность элементов и связей между ними, функционирующая как единое целое.
Химическое производство должно быть организовано таким образом, чтобы соблюдались следующие требования:
получение продукта, отвечающего требованиям ТУ, ГОСТ, СТБ, ISO;
максимальное использование сырья и энергии;
максимальная экономическая эффективность;
экологическая безопасность;
безопасность и надежность эксплуатации оборудования.
ХТП характеризуется технологическим режимом. Технологический режим – это совокупность параметров, определяющих условия работы аппарата, реактора или их систем и переработки сырья в продукты.
Оптимальный технологический режим – это совокупность значений параметров, позволяющих получить наибольший выход продукта при максимальной интенсивности процесса, производительности труда и низкой себестоимости.
Параметрами химико-технологического процесса, обеспечивающими его функционирование, являются измеримые величины, определяющие состояние реагентов и их реакционную способность, – температура, концентрация реагентов и их соотношение, давление, дисперсность и состав твердых реагентов, состав жидких и газообразных реагентов, способ и интенсивность перемешивания реагентов, линейная и объемная скорости реагентов, поступающих в систему.
Конечные продукты ХТП классифицируют следующим образом: целевые продукты, побочные продукты, отходы. Целевые продукты – это продукты целевого или многоцелевого назначения, получаемые при переработке сырья при заданных оптимальных условиях и соответствующие требованиям технических условий. Побочные продукты образуются параллельно с целевым продуктом в результате переработки сырья. Отходы – это побочные продукты, которые в настоящее время по техническим или экономическим причинам не находят применения и выводятся из ХТП в окружающую среду.
Лекция №2
Химическое производство как многофункциональная химико-технологическая система.
1. Химико-технологический процесс
2. Структура и состав химического производства
3. Показатели химического производства и химико-технологического процесса
4. Сырьевая и энергетическая подсистемы химико-технологической системы
(тема для самостоятельного изучения)
5. Общие принципы разработки и создания химико-технологических систем
(Основные этапы создания химико-технологических процессов. Классификация моделей химико-технологических систем. Функциональная, структурная, операторная, технологическая схемы. Типы технологических связей.).
Химическое производство – это совокупность функциональных подсистем, связанных между собой технологическими, электрическими, транспортными и телекоммуникационными (для информации и управления) линиями связи для совместного функционирования и обеспечивающих эффективное использование материальных, энергетических ресурсов при химическом превращении реагентов в целевой продукт заданного качества, высокую производительность, управление процессами, охрану труда и окружающей среды.
Все они взаимосвязаны и функционируют вместе, обеспечивая получение продукции и выполняя другие функции производства. Такой объект называется системой.
Система – совокупность элементов и связей между ними, функционирующая как единое целое.
Химико-технологический процесс – последовательность химических и физико-химических процессов целенаправленной переработки исходных веществ в продукт.
В совокупном химико-технологическом процессе выделяются следующие отдельных процессов и операций, классифицированных по их основному назначению, и соответствующие аппараты и машины в которых они осуществляются.
1. Механические и гидромеханические процессы – перемещение материалов, изменение их формы и размеров, сжатие и расширение, смешение и разделение потоков. Все они протекают без изменения химического и фазового состава обрабатываемого материала. Для проведения этих процессов предназначены транспортеры, питатели, дробилки, диспергаторы,формователи, компрессоры, насосы, смесители, фильтры и т.д.
2. Теплообменные процессы – нагрев, охлаждение, изменение фазового состояния. Химический и фазовый состав в них не меняется. Они протекают в теплообменниках, кондансаторах, кипятильниках, плавислках, сублиматорах.
3. Массообменные процессы – межфазный обмен, в результате которого меняется компонентный состав контактирующих фаз без коренного изменения химического состава, т.е. химических превращений. К ним относятся растворение, кристаллизация, сушка, дистилляция, ректификация, абсорбция, экстракция, десорбция, осуществляемые в соответствующих аппаратах – сушилках, дистилляторах, ректификаторах, абсорберах, экстракторах, десорберах.
4. Химические процессы – процессы, связанные с изменением химического состава веществ; данные процессы проводятся в химических реакторах.
2. Структура и состав химического производства
Химическое производство можно представить как систему. Система – совокупность элементов и связей между ними, функционирующих как единое целое. Элемент системы изменяет свойства и состояние входящих в него потоков. Выходящие потоки передаются по связям в другие элементы, в которых происходят их последующие изменения. Система элементов, перерабатывая входящие и выходящие из нее потоки, функционирует взаимосвязано. Для исследования таких объектов, их свойств и особенностей функционирования используется теория систем [1, 2].
В химическом производстве элементы – это машины, аппараты, реакторы; связями являются трубо-, газо- и паропроводы. В элементах происходит превращение потоков – изменение их состояния – разделение, смешение, сжатие, нагрев, химическое превращение и прочее, а по связям материальные, тепловые, энергетические потоки передаются из одного элемента в другой. Это позволяет представлять химическое производство как химико-технологическую систему.
Химико-технологическая система (ХТС) – совокупность аппаратов, машин, реакторов, других устройств (элементов), а также материальных, тепловых, энергетических и других потоков (связей) между ними, функционирующая как единое целое и предназначенная для переработки исходных веществ (сырья) в продукты.
Элемент ХТС может быть представлен отдельным аппаратом (реактором, смесителем, абсорбером, теплообменником, турбиной и т. д.) или их совокупностью. Например, каскад реакторов с теплообменниками и смесителями потоков, расположенных между ними, изменяет химический состав, и эту совокупность аппаратов можно представить как элемент ХТС. Степень детализации элемента (один аппарат или совокупность нескольких) зависит от задачи исследований (установить те или иные показатели химико-технологического процесса, определить особенности функционирования и т. д.).
Совокупность элементов можно представить как химико-техноло-гическую систему. Например, реакционный узел, состоящий из нескольких реакторов, теплообменников, смесителей (элементов) и потоков между ними (связей) и функционирующих как единое целое, является системой. В то же время его можно рассматривать как подсистему, входящую в большую систему.
Подсистемы могут быть выделены как по масштабу, так и функционально. Реакционный узел – малая по масштабу, но значимая во всем технологическом процессе переработки сырья в продукт подсистема. В этом случае рассматривается технологическая подсистема производства. Энергетическая подсистема включает энергетическое оборудование как ее элемент, по масштабу охватывает все производство, но ее роль сводится к выполнению определенной функции – обеспечению производства энергией.
Таким образом, химико-технологическая система представляет собой модель химического производства или химико-технологического процесса, отображающую его структуру и позволяющую прогнозировать те или иные свойства и показатели 1.
Общая структура химического производства или ХТС включает в себя функциональные элементы подсистем, представленные на рис. 1, согласно которому 1–3 – технологическая подсистема или собственно химико-технологический процесс, в котором сырье перерабатывается в продукт. ХТП включает подготовку сырья 1, т. е. его предварительную обработку: измельчение, очистку от примесей, смешение компонентов, нагревание и т. д. Подготовленное сырье проходит ряд физико-химических и химических превращений – его переработку 2, в результате чего образуются целевой и, как правило, побочный продукты. Образование побочных продуктов может осуществляться как при протекании целевой, так и побочных реакций. Кроме того, побочные продукты могут образовываться и за счет наличия в сырье примесей. Поскольку степень превращения исходных реагентов в промышленном ХТП меньше 1, то после химического превращения 2 в образовавшейся смеси продуктов присутствуют и компоненты сырья. выделение целевого продукта из образовавшейся смеси, а иногда и его очистка от примесей, осуществляются на стадии 3.
Продукт целевой
Сырье 1 2 3
Побочные
продукты
Материалы
4 Продукт
дополни-
тельный
Отходы
5 6 7
Энергия Вода Управление
Рис. 1. Структура и функциональные элементы химического производства 1:
1 – подготовка сырья; 2 – химическая переработка сырья; 3 – выделение целевого продукта;
4 – обезвреживание и переработка побочных продуктов; 5 – энергетическая подсистема;
6 – подготовка вспомогательных материалов и водоподготовка; 7 – подсистема управления
После выделения целевого продукта оставшиеся побочные продукты направляют на очистку и обезвреживание, либо на переработку в продукт, используемый в химической или других отраслях промышленности 4. Переработка и обезвреживание побочных продуктов необходимы для снижения вредного воздействия производства на окружающую среду и человека.
Отходы производства, или невостребованные продукты переработки сырья, могут содержать как вредные вещества, которые могут загрязнять окружающую среду, так и полезные, которые целесообразно использовать. Поэтому особое внимание необходимо уделять переработке отходов (рис. 1, поз. 4). Наиболее рациональным является превращение отходов основного производства в технические материалы, которые можно использовать в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве. В частности, пигменты, получаемые переработкой железосодержащих отходов (шламов), которые образуются при обезвреживании травильных растворов, могут быть применены для окрашивания строительных, резинотехнических, лакокрасочных и других материалов. В случае, когда невозможна переработка отходов в технические продукты, производится их очистка или обезвреживание. После проведения данных процессов при соблюдении санитарно-гигиенических нормативов твердые отходы складируются на специально подготовленных полигонах, жидкие (сточные воды) сбрасываются в природные водоемы, газообразные выбрасываются в атмосферу.
Предприятия химической промышленности достаточно энергоемки: для обеспечения переработки сырья в конечные продукты расходуется около 15% всех вырабатываемых энергоресурсов. Энергетическая подсистема – важный и сложный элемент химического производства (рис. 1, поз. 5). Расход энергии осуществляется на всех стадиях получения целевого продукта, а также очистки, обезвреживания и переработки побочных продуктов. Основная доля расходуемой энергии приходится на тепловую. Нередко химические превращения сопровождаются выделением энергии (экзотермические реакции), и в энергетической системе, кроме обеспечения распределения энергии по стадиям переработки, должна быть предусмотрена возможность вторичного использования выделяемой энергии для нужд производства.
Кроме энергии в химическом производстве применяются вспомогательные материалы, имеющие различное целевое назначение. К ним относятся, например, сорбенты для очистки и выделения продуктов, катализаторы, ускоряющие химическое превращение реагентов, коагулянты для осветления природной и оборотной воды, рассолов, флокулянты для укрупнения взвешенных частиц и др.
Особое место в химическом производстве занимает вода. Она используется для охлаждения технологических потоков, выработки пара, растворения, разбавления веществ и отмывки осадков как реагент, и ее потребление может быть значительным. Подготовка вспомогательных материалов и особенно водоподготовка (рис. 1, поз. 6) – очень важная и сложная часть химического производства. Поскольку вспомогательные материалы и вода обеспечивают технологический процесс, но, как правило, не входят в конечные продукты производства, система подготовки должна предусмотреть восстановление их свойств после проведения цикла операций с их участием с последующим возвращением в производство.
Сложное химическое производство невозможно эксплуатировать без системы управления (рис. 1, поз. 7). Она обеспечивает контроль технологического режима, проведение процессов при оптимальных условиях, защиту от нежелательных или аварийных ситуаций, пуск и остановку сложной системы. Эта подсистема представляет собой автоматизированную систему управления технологическим процессом (АСУТП).
Компоненты химического производства. Переменные компоненты постоянно потребляются или образуются в производстве. К ним относятся [1, 2]:
сырье, поступающее на переработку;
вспомогательные материалы, обеспечивающие технологический процесс;
продукты (основные и побочные) как результат переработки сырья; продукты производства далее могут быть использованы как целевые продукты потребления и как полупродукты для их дальнейшей переработки в другие продукты;
отходы производства – не подлежащие дальнейшей переработке вещества и материалы, удаляемые затем в окружающую среду;
энергия, обеспечивающая функционирование производства.
Постоянные компоненты закладываются в производство (оборудование, конструкции) или участвуют в нем (персонал) на весь или почти весь срок его существования. Они включают:
− аппаратуру (машины, аппараты, реакторы, емкости, трубопроводы, арматуру);
− устройства контроля и управления;
− строительные конструкции (здания, сооружения);
− обслуживающий персонал (рабочие, аппаратчики, инженеры и другие работники производства).
Последний компонент требует особого внимания как социальная составляющая производства.
В компоненты конкретного производства не входят элементы инфраструктуры, как не участвующие непосредственно в производстве продукта, но необходимые для его функционирования.
Состав химического производства, обеспечивающий его функционирование как производственной единицы:
собственно химико-технологический процесс;
хранилища сырья, продуктов и других материалов;
система организации транспортировки сырья, продуктов, вспомогательных материалов, промежуточных веществ, отходов;
дополнительные здания, сооружения;
обслуживающий персонал производственных подразделений;
система управления, обеспечения и безопасности.
3. Показатели химического производства и химико-технологического процесса
Эффективность любого химического производства оценивается рядом технологических, экономических, эксплуатационных и социальных показателей.
Технологические показатели. В качестве технологических показателей, которые отражают физико-химическую сущность явлений, происходящих при том или ином химико-технологическом процессе, принято использовать, прежде всего, следующие:
расходные коэффициенты;
степень превращения исходных реагентов;
селективность;
выход продукта;
производительность (мощность);
интенсивность процесса;
удельные капитальные затраты;
− качество продукта.
Они с различных сторон характеризуют степень использования сырья и энергии для осуществления конкретной химической реакции.
Удельные капитальные затраты – затраты на оборудование, отнесенные к единице его производительности. Для организации производства необходимы единовременные затраты на аппараты, машины, трубопроводы, сооружения и прочее, т. е. капитальные затраты. Этот технический показатель характеризует эффективность организации процесса и производства в целом, совершенство используемых конструкций и выражается в натуральных величинах (например, [тонна металла/1000 тонн продукта в сутки]) или в денежном выражении.
Качество продукта определяет его потребительские свойства и товарную ценность и оценивается разными характеристиками, такими как содержание (состав и количество) примесей, физические и химические показатели, внешний вид и размеры, цвет, запах и т. д. Устанавливается следующими документами: СТБ, ISO 9001, ГОСТ, ТУ, сертификатом качества.
Экономические показатели. Данные показатели определяют экономическую эффективность производства. К ним относятся себестоимость продукции, производительность труда и др.
Себестоимость продукции – суммарные затраты на получение единицы продукта. В себестоимость входят следующие расходы: затраты на сырье, энергию, вспомогательные материалы, капитальные затраты, оплата труда работников и др.
Производительность труда – количество продукции, произведенное в единицу времени в пересчете на одного работающего. Данный показатель характеризует эффективность производства относительно затрат труда.
Экономические показатели рассчитываются на основе технологических показателей. Некоторые из них (производительность, расходные коэффициенты, удельные капитальные затраты) можно представить в денежном выражении. В данном случае такие показатели называют технико-экономическими.
Эксплуатационные показатели. Эти показатели характеризуют изменения, возникающие в химико-технологическом процессе при появлении отклонений от регламентированных условий и состояний. Основными эксплуатационными показателями являются надежность, безопасность функционирования, чувствительность, управляемость и регулируемость.
Надежность характеризуют средним временем безаварийной работы либо числом аварийных остановок оборудования за определенный отрезок времени.
безопасность функционирования – вероятность нарушений, приводящих к нанесению вреда или ущерба обслуживающему персоналу, оборудованию, населению, окружающей среде.
Чувствительность к нарушениям режима и изменению условий эксплуатации определяется отношением изменения показателей процесса к этим изменениям.
Управляемость и регулируемость характеризуют возможность поддерживать показатели процесса в допустимых пределах, определяют величину допустимых изменений условий процесса.
Социальные показатели. Названные показатели определяют комфортность работы на данном производстве и его влияние на окружающую среду.
Безвредность обслуживания следует из сопоставления санитарно-гигиенических условий для обслуживающего персонала с соответствующими нормами по загазованности, запыленности, уровню шума и т. д.
Степень механизации и автоматизации определяет долю ручного и тяжелого труда в эксплуатации производства.
Экологическая безопасность характеризует степень воздействия производства на окружающую среду и экологическую обстановку в регионе.
4. Сырьевая и энергетическая подсистемы химико-технологической системы. (Самостоятельное изучение)
Вопросы:
1) Классификация сырья, запасы сырья и энергии, вторичные материальные и энергетические ресурсы.
2) Рациональное и комплексное использование сырьевых ресурсов.
3) Принципы обогащения сырья.
4) Использование воды и воздуха в промышленности. Промышленная водоподготовка.
5. Общие принципы разработки и создания химико-технологических систем
(Основные этапы создания химико-технологических процессов. Классификация моделей химико-технологических систем. Функциональная, структурная, операторная, технологическая схемы. Типы технологических связей.).
Основные этапы создания химико-технологических процессов.