Каралин Эрнест Александрович Профессор кафедры общей химической технологии КНИТУ Рабочий телефон: 2 -31 -95 -02 E-mail: karalin@kstu. ru
1 Слово «технология» греческого происхождения и имеет дословный перевод «наука о ремесле» . В широком смысле под технологией подразумевается научное описание методов и средств производства в какой-либо отрасли промышленности. Химическая технология возникла в конце 18 века и на начало 20 века состояла из описания конкретных химических производств, их основного оборудования, материальных и энергетических балансов. По мере развития химической промышленности возникла необходимость выявления общих закономерностей построения химико-технологических процессов, их промышленной реализации и рациональной эксплуатации. Общая химическая технология – наука, изучающая теоретические основы разработки технологий для различных классов химических реакций. Задачи ОХТ 1) отыскание общих закономерностей протекания химико-технологических процессов; 2) определение оптимальных условий проведения химико-технологических процессов; 3) изучение химических превращений с учетом массо- и теплообменных процессов; 4) повышение эффективности использования сырья, энергии, снижение количества отходов и выбросов в окружающую среду; повышение качества выпускаемой продукции.
2 Основные понятия химической технологии Химико-технологический процесс – совокупность взаимосвязанных физических и химических процессов, которые проходит сырье до превращения в целевой продукт. К физическим процессам относятся – 1. Механические процессы (например, измельчение твердых материалов при подготовке сырья, гранулирование порошков при изготовлении катализаторов неподвижного слоя); 2. Гидродинамические процессы (движение жидкостей и газов, перемешивание, получение и разделение суспензий и эмульсий, фильтрование жидкостей и газов, центрифугирование и т. д. ); 3. Тепловые процессы (нагрев и охлаждение без изменения агрегатного состояния, испарение, конденсация, кристаллизация); 4. Массообменные процессы (растворение, адсорбция – концентрирование вещества из газовой или жидкой фазы на поверхности твердого тела, абсорбция – переход вещества из газовой фазы в жидкую, ректификация). Все физические процессы рассматриваются в курсе «Процессов и аппаратов» , в курсе ОХТ изучаются теоретические основы химических процессов, протекающих в аппаратах большого размера (химических реакторах). 5. Химический процесс – как подсистема сложного, многостадийного химико-технологического процесса – это одна или несколько химических реакций, скорость которых определяется законами химической кинетики.
3 В общем случае любой Химико-технологический процесс можно представить тремя последовательными этапами: Первый этап - подготовка сырья Второй – химическое превращение сырья Третий – разделение реакционной смеси сырье (реагенты и примеси) Подготовка сырья исходная смесь Химическое превращение целевой продукт реакционная смесь побочные продукты Разделение реакционной смеси непревращенные реагенты примеси
4 Сырье – это исходный многокомпонентный материал, поступающий на массовую переработку (и обладающий стоимостью). В состав сырья входит реагент – индивидуальное химическое соединение, принимающее участие в основной химической реакции химико-технологического процесса и переходящее в результате в целевой продукт. Остальные компоненты сырья называются примесями. В идеальном случае в химическом превращении должен принимать участие только реагент, на практике встречаются системы, в которых происходит и превращение примесей. Образующиеся в ходе химических реакций вещества называются продуктами, продукт, ради которого организовано производство называется целевым, все остальные продукты называются побочными. Реакция, в которой образуется целевой продукт, называется целевой, все другие реакции - побочными реакциями. Очевидно, что мы должны максимально полно выделить из реакционной смеси все продукты реакции, а также не превращенные реагенты, которые возвращаются на стадию подготовки сырья.
5 В качестве примера: Процесс газофазной каталитической дегидратации этилового спирта до этилена. Сырье – водный раствор этанола (азеотроп) В системе протекают две химических реакции: 1. Внутримолекулярная дегидратация: этанол этилен + вода 2. Межмолекулярная дегидратация: этанол + этанол диэтиловый эфир + вода В самом общем виде схема процесса включает три стадии: Первая стадия - подготовка сырья (испарение воды и этанола, перегрев паров этанола и воды до рабочей температуры), на этой стадии химических превращений не происходит. Вторая стадия - химическое превращение, образуются новые вещества – продукты реакции (этилен, эфир и вода); так как обычно химическая реакция протекает не до конца, отметим, что часть этанола остается без изменения. Третья стадия – разделение реакционной смеси (выделение продуктов реакций и не превращенного этанола, который возвращается в начало процесса. В этом примере: Сырье – смесь этанол + вода, Реагент – этанол; Целевой продукт - этилен, Целевая реакция - мономолекулярная дегидратация; Побочный продукт – диэтиловый эфир; Побочная реакция - межмолекулярная дегидратация; Вода одновременно Примесь и Побочный продукт, выделяющийся как в целевой, так и в побочной реакциях
6 Технологический режим - это совокупность технологических параметров, определяющих работу аппарата или нескольких аппаратов в которых единичный (отдельный) процесс протекает как стадия химико-технологического процесса. Аппаратом является ректификационная колонна на стадии разделения, теплообменник на стадии подогрева или охлаждения, емкость с мешалкой на стадии смешения и т. д. В качестве специфического термина, характеризующего аппарат в котором протекает химическая реакция, используется термин Химический реактор, чаще всего без прилагательного «химический» . Совокупность отдельных аппаратов, связанных между собой материальными, тепловыми и энергетическими потоками, называется Технологической схемой процесса. Технологические параметры – это измеряемые величины, позволяющие по возможности полно охарактеризовать состояние процесса (расход материальных потоков, температура, давление, концентрация компонентов, концентрация катализатора).
Основные показатели эффективности ХТП 7
8 Степень превращения (конверсия) реагента. Характеризует все химические превращения данного вещества, протекающие в системе. Рассчитывается как доля вступившего в химические реакции вещества, от его исходного (начального) количества. Обозначается греческой строчной буквой альфа, в качестве подстрочного индекса может быть указан реагент (брутто формулой, названием). Например, для системы с двумя химическими реакциями: a. А b. В (целевой продукт) a/A d. D (побочный продукт) А рассчитывается как разница между количеством реагента (вещества A) на входе в реактор и количеством реагента на выходе из реактора, отнесенная к количеству реагента на входе в реактор. где: n и m - количество вещества в моль и масса вещества в кг (для периодического реактора); для проточного реактора удобнее использовать мольный поток F (размерность моль/время) или массовый расход (размерность кг/время); С – молярная концентрация (размерность моль/объем), расчеты по молярной концентрации корректно проводит только в том случае, если объем жидкого потока остается постоянной величиной.
9 При известной концентрации реагента на входе в аппарат, концентрация на выходе из аппарата выражается через степень превращения как: Степень превращения может выражаться не только в долях 1, но и в процентах (вышеприведенные выражения умноженные на 100%). Если в реакции участвует несколько веществ, степень превращения может быть рассчитана по любому из реагентов. Для обратимой реакции a. А b. В, предельным состоянием в конкретных условиях проведения является состояние химического равновесия. Для таких реакций дополнительно используется понятие равновесная степень превращения: Здесь САравн или СА, е (индекс «е» от английского слова equilibrium) - концентрация реагента к моменту наступления химического равновесия).
Выберите правильный ответ: Степень превращения (конверсия) реагента при условии, что из 100 кг поданного на вход в реактор реагента, 45 кг превратилось в целевой продукт, а 10 кг осталось не превращенным: 1. 0, 90 2. 45 % 3. 10 % 4. 0, 45
10 Выход продукта – отношение реально (фактически) полученного количества продукта к максимально возможному количеству, которое можно получить в данных условиях осуществления химической реакции. Для простой необратимой реакции a. A b. B Выход продукта на поданное сырье (на поданный реагент) равен степени превращения: Для обратимой реакции a. A b. B Выход продукта на поданное сырье (на поданный реагент) равен отношению фактической степени превращения к равновесной (максимальной в данных условиях):
11 Для сложных реакций (параллельных, последовательных, комбинированных), где помимо целевой реакции протекают побочные реакции, выход по целевому продукту рассчитывается при допущении, что все количество реагента расходуется в целевой реакции. В целом для сложных реакций выход по данному продукту рассчитывается как произведение конверсии реагента на селективность по этому продукту. Селективность – доля превращенного реагента, израсходованная на образование данного продукта (не обязательно целевого), при расчете селективности учитываются только химические реакции - основная и побочные.
12 Полная или интегральная селективность – это отношение количества реагента, израсходованное в данной реакции, к общему количеству превращенного реагента. По другому интегральную селективность можно называть избирательной конверсией так как она отражает долю реагента израсходованного на образование данного продукта в общем количестве реагента, израсходованного на образование всех продуктов. Например, для последовательной реакции a. А (реагент) b. В (целевой продукт) c. С (побочный продукт) селективность целевого продукта B по реагенту А: селективность побочного продукта С по реагенту А
13 Для параллельных реакций дополнительно используется понятие дифференциальной селективности равной отношению скорости целевого превращения к суммарной скорости расходования реагента: А В (целевой продукт) А С (побочный продукт) Производительность: количество продукта произведенного (выработанного) в единицу времени: где В – количество продукта (кг, тонн), - время, для выражения которого может быть использована любая единица – час, сутки, месяц, год)
14 Интенсивность – понятие, которое используют для сравнения эффективности работы аппаратов, используемых для осуществления одной и той же химической реакции. Интенсивность равна производительности, отнесенной например, к единице объема аппарата: Пример размерности для интенсивности - [кг/(м 3 ч)]. Для каталитических реакторов производительность аппарата удобно относить к массе (или объему) загруженного катализатора:
15 Расходные коэффициенты по сырью (по реагенту): Теоретический расходный коэффициент рассчитывается по стехиометрии химической реакции. Например для реакции a. А b. В (целевой продукт) + c. С (побочный продукт) где Мi – молекулярная масса Практический или фактический расходный коэффициент – отношение массы реагента, поданного в систему за данный временной интервал, к массе продукта, произведенного в течение этого временного интервала.
16 Себестоимость продукции. Разделяется на фабрично-заводскую себестоимость, а именно денежное выражение затрат данного предприятия на изготовление единицы продукта и полную себестоимость, которая включает еще и затраты предприятия на сбыт готового продукта. Фабрично-заводская себестоимость складывается из следующих статей расхода: 1. Сырье, доля затрат на сырье составляет основную долю расходов (60 – 70 и более %); 2. Затраты на топливо и энергию; 3. Амортизационные отчисления, идущие на возмещение износа основного оборудования, коммуникаций, зданий; 4. Зарплата основных рабочих; 5. Цеховые расходы – зарплата вспомогательных рабочих, администрации цеха, вспомогательных служб, текущий ремонт оборудования; 6. Общезаводские расходы – расходы на администрацию завода, охрану, пожарную службу, очистные сооружения). Если из сырья помимо основного продукта получают побочные продукты, их стоимость вычитается из себестоимости основного продукта. Прибыль - в бухгалтерском учете - превышение доходов от продажи товаров и услуг над затратами на производство и продажу этих товаров.
Скачать презентацию Каралин Эрнест Александрович Профессор кафедры общей химической технологии
Презентация лекция 1.ppt