Лекция № 1. Предмет и содержание курса ОХТ

Слово «технология» греческого происхождения и имеет дословный перевод «наука о ремесле». С современной точки зрения мы можем определить технологию как науку о способах массового производства продукта.

Технологии бывают механические и химические. Механическая технология изучает процессы, связанные с изменением формы и физических свойств перерабатываемого сырья главным образом, путем механических операций. Например, изготовление изделий из древесины – деревообрабатывающие технологии, изготовление изделий из металла – машиностроение и т.д. Химическая технология изучает процессы, связанные с изменением состава и химических свойств перерабатываемого сырья за счет протекания химических реакций.

Существует великое множество частных химических технологий, которые можно объединить в две большие группы:

химические технологии

неорганические

органические

1) основной неорганический синтез – производство кислот щелочей, солей и минеральных удобрений;

2) тонкий неорганический синтез – производство препаратов, реактивов, лекарственных препаратов, редких металлов и т.д.;

3) металлургия –

производство черных и цветных металлов;

4) силикатные производства –

производство вяжущих веществ, керамики и стекла;

5)ядерно-химическая технология.

1) основной органический синтез –

крупнотоннажное производство органичес-ких продуктов;

2) тонкий органический синтез –

производство реактивов, лекарств, средств защиты растений и т.д.;

3) переработка нефти и газов;

4) нефтехимический синтез –

производство органических продуктов на основе углеводородного сырья;

5) переработка растительного и животного сырья;

6) высокомолекулярные технологии –

производство синтетического каучука, пластмасс, химических волокон и других высокомолекулярных соединений;

7) биотехнологии –

производство кормовых дрожжей, ами-нокислот, ферментов, антибиотиков и т.д.

   

При разработке любой частной технологии нужно знать три общеинженерные дисциплины: общую химическую технологию (ОХТ), процессы и аппараты химической технологии (ПАХТ) и промышленную теплотехнику (ПТ), которые вместе составляют основу промышленной химии.
 

частные химические технологии

Промышленная химия

ОХТ

ПАХТ

ПТ

     

Общая химическая технология – наука, изучающая теоретические основы разработки технологий для различных классов химических реакций.

Предмет изучения ОХТ – закономерности, лежащие в основе функционирования химического производства.

Задачи ОХТ как науки:

1) отыскание общих закономерностей протекания химико-технологических процессов;

2) на основе знания общих закономерностей нахождение оптимальных условий ведения 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.

Методы ОХТ:

- экспериментальный;

- моделирование.

Основные понятия химической технологии

Химическое производство – совокупность процессов и операций, осуществляемых в машинах и аппаратах и предназначенных для переработки сырья путем химических превращений в необходимый продукт.

Химико-технологический процесс (ХТП) – часть химического производства, состоящая из трех основных стадий:

Целевой продукт – продукт, ради которого организован данный ХТП. Все остальные продукты называют побочными. Побочные продукты могут получаться как в целевой, так и в побочных реакциях. Если побочный продукт не находит применения, его называют отбросом; если он используется, то его называют отходом или вторичным сырьем. Если целевой продукт используется в качестве исходного материала в другом производстве, то он называется полупродуктом.

Исходный материал, поступающий на переработку и обладающий стоимостью, называют сырьем. Вещество, принимающее непосредственное участие в целевой химической реакции, называется реагентом. Реагент – это главный, но не единственный компонент сырья. Все компоненты сырья, которые не участвуют в целевой реакции, называют, обычно, примесями.

В технологии часто пользуются понятиями «превращенный» и «непревращенный» реагент. Превращенный реагент – это то количество реагента, которое вступило в реакции (как целевые, так и побочные). Непревращенный реагент – это то количество реагента, которое выходит из реактора в непревращенном, первоначальном состоянии. Сумма масс превращенного и непревращенного реагента равна массе поданного в реактор реагента.

Вспомогательные материалы – химические вещества, которые обеспечивают нормальное протекание ХТП (катализаторы, растворители и др.).

Исходная смесь – смесь веществ, поступающих в реактор, на стадию химического превращения. Реакционная смесь – смесь веществ, находящихся в реакторе или выгружаемых из него. Ее состав меняется в процессе реакции. Мы можем говорить о составе реакционной смеси в определенный момент времени от начала реакции.

Пример:

4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O

4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O

4NH3 + 4O2 → 2N2O + 6H2O

Первая реакция является целевой, две другие – побочные. Оксид азота (II) NOцелевой продукт на стадии окисления аммиака и полупродукт в производстве азотной кислоты. Вода, азот и оксид азота (I) – побочные продукты. Реагентами в этом процессе являются аммиак и кислород; сырьем – аммиак, содержащий некоторое количество примесей, и воздух, в котором примесями являются азот и другие газы. Вспомогательным материалом является платина,  используемая в процессе в качестве селективного катализатора, ускоряющего только первую реакцию. Исходная смесь представляет собой аммиачно-воздушную смесь с содержанием аммиака 9,5 – 11,5 % об. Реакционная смесь – нитрозные газы, содержащие NO, N2O, N2, пары H2O, а также непревращенные О2 и NН3.

 

Анализ эффективности проведения ХТП

Для оценки эффективности проведения ХТП служат ряд показателей, которые можно объединить в четыре группы.

 

 

Об эффективности химического производства в целом судят, прежде всего, по экономическим показателям. Одним из самых значимых экономических показателей является себестоимость, то есть затраты предприятия в денежном выражении, связанные с производством единицы химического продукта. Разница между ценой и себестоимостью продукта, умноженная на объем производства составляет прибыль производителя. Снижение себестоимости продукции является чрезвычайно важной задачей для химика-технолога как производителя химического продукта. Для оценки целесообразности и эффективности различных путей снижения себестоимости продукта оценим вклад затрат различного вида в общую сумму затрат на его производство.
 

Вид затрат

% от себестоимости

1

Сырье и материалы

70

2

Энергия

10 - 20

3

Амортизационные отчисления

3 - 4

4

Заплата основных и вспомогательных рабочих

3 - 4

5

Цеховые расходы

1

6

Общезаводские расходы

1

7

Транспортные расходы

1

 

Из проведенного сравнения можно сделать вывод, что наиболее эффективными путями снижения себестоимости является рациональное использование сырья и уменьшение энергоемкости производства.

При оценке эффективности химического производства большое значение имеют также социальные критерии, показывающие степень безопасности производства для людей и окружающей природы.

При определении эффективности отдельных этапов процесса производства химического продукта пользуются технологическими и технико-экономическими показателями.

Конверсия, выход целевого продукта и селективность с разных сторон характеризуют эффективность проведения конкретной химической реакции:

  • величина « α » показывает полноту использования сырья;
  • величина « β » характеризует полученное количество целевого продукта, как долю от максимально возможного в этих условиях проведения реакции;
  • величина « S » оценивает долю реагента, пошедшего на целевую реакцию.

Наиболее обобщенным показателем является выход целевого продукта. Его величина зависит от «α» и «S».

Для простых реакций S = 100% и α = β.

Для сложных реакций, когда наряду с целевой реакцией протекают побочные реакции, S < 100% и α ≠ β.

Производительность и интенсивность характеризуют эффективность работы отдельных аппаратов. Величина этих показателей определяется эффективностью использования возможностей, как самой химической реакции, так и реактора, в котором она проводится. Производительность и интенсивность в обобщенном виде содержат величины выхода целевого продукта и средней скорости процесса.

Конверсия (степень превращения) реагента рассчитывается по формуле:

,       (1)

где Nпод., Nпрев., Nнепревр. – соответственно количество поданного, превращенного и непревращенного  реагента. Эти величины можно задавать в единицах количества вещества (моль, кмоль) или в единицах массы (г, кг и др.). Степень превращения выражают в долях или в процентах; в последнем случае выражение (1) для расчета α умножают на 100.

Часто, особенно в непрерывных процессах, конверсию рассчитывают через концентрацию реагента в исходной и реакционной смеси:

                                      ,                   (2)

где С0 –концентрация реагента в исходной смеси, С – концентрация реагента в реакционной смеси. Выражение (2) справедливо лишь в том случае, когда реакция протекает без изменения объема реакционной смеси.

Изменение объема реакционной смеси в процессе реакции можно учесть с помощью коэффициента изменения объема ε.

                                     ,                              (3)

где V0 – начальный объем, V- объем реакционной смеси к определенному моменту времени. Величина ε является положительной при увеличении объема смеси во время реакции и отрицательной при его уменьшении.

Изменение объема при жидкофазных процессах происходит, например, при поглощении какого-либо газа жидкостью или при разложении жидкого вещества с образованием летучих продуктов. Для газофазных процессов изменение объема обычно происходит из-за изменения числа молей веществ во время реакции. В последнем случае ε зависит от начального и конечного числа молей смеси.

                                                    .                      (4)

Если реагенты взяты в стехиометрическом соотношении и в реакционной смеси отсутствует разбавитель, то для реакции aA + bBrR +sS   коэффициент изменения объема «ε» равен

                              .                (5)

При избытке одного из реагентов или при наличии в реакционной смеси разбавителя (инертного газа) «ε» рассчитывается по формуле:

                                ,                                 (6)

где k – доля стехиометрической смеси исходных реагентов в реакционной смеси. Для стехиометрической смеси k = 1.

С учетом коэффициента изменения объема реакционной смеси конверсия реагентов рассчитывается по формуле (7).

                                                                 (7)

Степень превращения реагентов в реакторе изменяется во времени от нуля до некоторой максимальной величины. В необратимых процессах максимальное значение конверсии равно 100%, т.е. все количество реагентов может превратиться  в продукты. Пределом протекания обратимой реакции является достижение равновесного состояния системы, при котором скорость прямой и обратной реакции равны, а состав реакционной смеси остается постоянным во времени. Степень превращения реагентов, достигаемая к этому моменту, называется равновесной конверсией  (*) и является максимальной для данного процесса при определенных условиях его проведения.

Селективность (избирательность, избирательная конверсия) используется для характеристики сложных процессов, в которых наряду с целевой реакцией  протекают побочные реакции.

Полная (интегральная) селективность         ,    (8)

где - количество реагента, пошедшее на образование целевого продукта;  N общ. прев. – общее количество превращенного реагента.

Эти величины можно задавать в единицах количества вещества (моль, кмоль) или в единицах массы (г, кг и др.). Полную селективность выражают в долях или процентах; в последнем случае выражение (8) умножают на 100.

Мгновенная (дифференциальная) селективность     ,    (4)

где rцел.р. – скорость расходования  реагента по целевой реакции;  rобщ. – суммарная скорость расходования реагента. Понятие мгновенной селективности имеет смысл только для сложных параллельных реакций.

Если в процессе химической реакции объем реакционной смеси не изменяется (V=const), то селективность можно рассчитывать, используя концентрацию реагента и целевого продукта в реакционной смеси. Например, для реакции  aA + bBrR +sS   , где R -  целевой продукт  

                                               ,         (9)

где М(А), М(R) – молярные массы, и СА – начальная и текущая концентрация реагента, СR – концентрация целевого продукта.

Выход целевого продукта – это отношение реально полученного количества продукта (Nфакт.) к максимально возможному его количеству (Nmax), которое могло быть получено при данных условиях осуществления химической реакции.

        (10)

Nфакт. и Nmax можно задавать в единицах количества вещества (моль, кмоль) или в единицах массы (г, кг и др.). Выход выражают в долях или процентах; в последнем случае выражение (10) умножают на 100. Расчет величины β зависит от типа химической реакции.

В случае необратимой реакции величину Nmax (в молях)  рассчитывают по уравнению реакции:     aA + bBrR +sS   , где R – целевой продукт

           (11)

Если NА – количество подаваемого  в реактор реагента, полученное значение Nmax  является максимально возможным для этой реакции, а рассчитанный по уравнению (10) выход называют выходом на поданный реагент А. Если NА – количество превращенного реагента, то рассчитанная по уравнению (10) величина называется выходом на превращенный реагент А.

В  случае обратимой химической реакции  пользуются понятием «равновесный выход» - β*.  

,       (12)

где N* - количество продукта, образовавшегося к моменту достижения химического равновесия; Nmax – максимальное количество продукта, которое может образоваться по данной реакции при условии, что поданный реагент полностью превращается в целевой продукт.  Равновесный выход характеризует степень смещения равновесия в сторону образования целевого продукта.

Отношение     (13), где Nфакт. – фактически полученное количество продукта, показывает степень достижения равновесия.

Расчет селективности и выхода продукта можно проводить по любому из реагентов; обычно выбирают тот реагент, который взят в недостатке, или наиболее дорогостоящий реагент.

Производительность – количество целевого продукта, производимое в единицу времени.

Интенсивность – количество целевого продукта, производимое в единицу времени с единицы объема реактора или с единицы поверхности катализатора.

Пропускная способность установки – количество сырья, пропускаемое через установку в единицу времени.

Расходный коэффициент по сырью - это масса сырья, которая расходуется на получение единицы массы целевого продукта.

  (г/г, кг/кг, т/т и др.)   (14)

Расходный коэффициент рассчитывается по таблице материального баланса; он всегда больше теоретического расходного коэффициента, который рассчитывают по уравнению реакции:

                  (15)

Качество продукции – совокупность свойств целевого продукта, обуславливающих его пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с его назначением.

Качество химического продукта зависит от качества исходного сырья и материалов, уровня развития науки и техники, прогрессивности применяемой технологии, организации труда и производства, квалификации кадров и регулируется различными нормативными документами:

            ГОСТ – государственный стандарт,

            ОСТ – отраслевой стандарт,

            РСТ – республиканский стандарт,

            СТП – стандарт предприятия,

            ТУ – технические условия.