Химические технологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Что является объектом химической технологии?

Химическая технология (ХТ) - 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. Объектом исследования ХТ является химическое производство.

Методы исследования ХТ- экспериментальный, моделирование и системный анализ.

Конечной целью ХТ как прикладной науки является создание способов производства. Способ производства - это совокупность всех операций, которые проходит сырье до получения из него продукта.

Определение химической технологии. Предмет ее изучения и цель

химический ресурс сырье промышленность

Химическая технология (ХТ) - 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.

Исторически химическую технологию условно подразделяют на технологию неорганических и органических веществ, хотя оба раздела технологии объединяются общими принципами и закономерностями.

3. Химическое производство. Определение, структура и функциональные элементы

Химическое производство является сложной химико-технологической системой, состоящей из большого числа аппаратов и разнообразного оборудования и связей между ними.

Химическое производство - система соединенных потоками машин и аппаратов, в которых осуществляется химико-технологический процесс.

Основное назначение химического производства - получение продукта.

Общая структура химического производства - собственно химическое производство, хранение сырья и продукции, транспорт, системы контроля и безопасности.

Рис. 1. Структура и функциональные элементы химического производства:

1 - подготовка сырья; 2 - переработка сырья; 3 - выделение основного продукта; 4 - санитарная очистка и утилизация отходов; 5 - энергетическая система; 6 - подготовка вспомогательных материалов и водоподготовка; 7 - система управления

Химическое производство является многофункциональным и включает в себя функциональные элементы, представленные на рис. 1.1. Поз. 1 - 3 на рис. 1 - собственно химическое производство, в котором сырье перерабатывается в продукт.

4. Основные подсистемы и основные технологические компоненты химического производства

Основные подсистемы химического производства -

а) подготовки сырья,

б) химических и физико-химических превращений,

в) выделения продуктов,

г) обезвреживания и утилизации отходов,

д) тепло- и энергообеспечения,

е) водоподготовки,

ж) управления производством.

Основные технологические компоненты -

I. Переменные компоненты постоянно потребляются или образуются в производстве:

1. сырье, поступающее на переработку;

2. вспомогательные материалы;

3. продукты - основной и дополнительный - как результат переработки сырья;

4. отходы производства;

5. энергия, обеспечивающая функционирование производства.

II. Постоянные компоненты закладываются в производство (оборудование, конструкции) или участвуют в нем (персонал) на весь или почти весь срок его существования:

1. аппаратура (машины, аппараты, емкости, трубопроводы, арматура);

2. устройства контроля и управления;

3. строительные конструкции (здания, сооружения);

4. обслуживающий персонал (рабочие, аппаратчики, инженеры и другие работники производства).

Состав химического производства, обеспечивающий его функционирование как производственной единицы:

1. собственно химическое производство;

2. хранилища сырья, продуктов и других материалов;

3. транспортировка сырья, продуктов, промежуточных веществ, отходов;

4. обслуживающий персонал производственного подразделения;

5. система управления, обеспечения и безопасности.

5. Совокупный химико-технологический процесс. Определение. Виды отдельных процессов

Совокупный химико-технологический процесс - взаимосвязанные химические превращения и физические процессы переработки сырья в продукты. В нем выделяются следующие виды отдельных процессов и операций, классифицированных по их основному назначению, и соответствующие аппараты или 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;

2. теплообменные процессы - нагрев, охлаждение, изменение фазового состояния. Химический и фазовый состав в них не меняется. Они протекают в теплообменниках, кипятильниках, конденсаторах, плавилках, 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 - коренное изменение химического состава в химических реакторах.

Кроме указанных основных процессов совокупного химико-технологического процесса в химическом производстве осуществляются также:

5. энергетические процессы - взаимное преобразование различных видов энергии (тепловой, механической, электрической) в турбинах, генераторах, моторах,

6. процессы управления - получение и передача информации о состоянии потоков и веществ, изменение их состояния. К устройствам управления относятся датчики, сигнальные и информационные системы, клапаны, задвижки, вентили, системы автоматического регулирования и т. д.

Часто в каком-либо процессе имеют место одновременно два явления и более. В таких случаях процесс следует классифицировать по его основному назначению в общем технологическом процессе. Например, сжатие газа в компрессоре сопровождается его нагревом, но по основному назначению это процесс механический. В детандере сжатый газ совершает механическую работу, сильно при этом охлаждаясь. По назначению это процесс теплообменный, предназначенный для выработки холода.

Исследование, и разработка отдельных процессов, а также обеспечение нормального функционирования их совокупности - химико-технологического процесса - основная профессиональная область деятельности химика-технолога.

6. Структура химического производства

Общая структура химического производства - собственно химическое производство, хранение сырья и продукции, транспорт, системы контроля и безопасности.



Рис. 1. Структура и функциональные элементы химического производства:

1 - подготовка сырья; 2 - переработка сырья; 3 - выделение основного продукта; 4 - санитарная очистка и утилизация отходов; 5 - энергетическая система; 6 - подготовка вспомогательных материалов и водоподготовка; 7 - система управления

Химическое производство является многофункциональным и включает в себя функциональные элементы, представленные на рис. 1.1. Поз. 1 - 3 на рис. 1 - собственно химическое производство, в котором сырье перерабатывается в продукт.

7. Материальный и тепловой балансы. Основа материального и теплового балансов. Методика составления и расчета материальных и тепловых балансов

Материальный баланс ХТС. Химический состав и количество многокомпонентной смеси позволяют определить почти все ее свойства, рассчитать количество каждого компонента и, следовательно, производительность, расход исходной смеси, количество отходов и многое другое. Для расчета тепловых потоков также необходимы состав и количество материальных потоков. Поэтому материальный баланс необходим при любых расчетах ХТС.

Будем оперировать в материальном балансе общим количеством вещества (величиной потока) и количеством компонентов в потоке. Концентрации как доли компонентов в потоке будем использовать реже. Поскольку материальный баланс основан на законе сохранения массы, количества веществ и величины потоков будем определять, как правило, в массовых величинах, обозначаемых буквой G с необходимыми индексами.

Поскольку состояния потоков меняются в элементах, рассмотрим различные типы элементов и составление для них материального баланса между входными и выходными потоками.

Элемент без химических и фазовых превращений (теплообменник, насос, дробилка). Естественно, что ни величина потока, проходящего через такой элемент, ни количество компонентов в потоке меняться не будут. При рассмотрении только материального баланса такие элементы можно не включать в ХТС.

Смеситель объединяет два потока:

G₁,вх + G₂, вх = Gвых (2.8)

G_i,1,вх + G_i,2, вх = G_i,вых

Здесь индексы 1 и 2 относятся к двум входным потокам, индекс i - к i-му компоненту потока. Обозначим g_i, g_i,1 и g_i,2 - массовые концентрации i-го компонента соответственно в смешанном и в двух входящих в смеситель потоках:

g_i,1 = G_i1,вх/G_1,вх; g_i,2 = G_i2,вх/G_2,вх (2.9)

g_i = G_i,вых/G_вых= (G_i1,вх + G_i2,вх)/(G_i,вх + G_2,вх)

Определив соотношение величин смешиваемых потоков =G₁,_вх/G₂,_вх преобразуем последнее равенство из (14):

g_i = ( G_i1,вх/ G_2,вх + G_i2,вх/ G_2,вх)/( + 1)

и получим связь весовых концентраций (i-го вещества в смешиваемых (g_i1 и g_i2) и выходящем (g_i) потоках:

g_i = (G_i1,вх /G_1,вх + G_i2,вх / G_2,вх )/( G₁,_вх/G₂,_вх+ 1) = ( g_i1 + g_i,₂ )/ ( + 1) (2.10)

Из уравнения (2.10) можно получить соотношения, в которые надо смешать два потока, чтобы получить заданную концентрацию g_i:

= (g_i - g _i2)/(g _i1 - g _i). (2.11)

Последние выражения позволяют решать задачи, часто встречающиеся в практике расчета ХТС. Имеется некоторый поток G_iвx с концентрацией i-го компонента g_i1. Необходимо получить поток с концентрацией этого компонента g_i. Сколько надо добавлять другого потока (g_{2 вх} с концентрацией этого же компонента в нем g_i2? Или: с какой концентрацией g_i надо добавлять второй поток, чтобы образующийся поток был определенной величины g_вых .

Делитель простой разделяет поток на два. Полагаем, что один из выходящих из делителя потоков (пусть это будет 1-й) составляет долю входного потока:

G₁,вых = Gвх; G₂,вых = (1 - )Gвх.

Соответственно, разделятся по потокам все компоненты:

G_{i 1},вых = G _iвх;; G_{i 2},вых = (1 - )_iG_bx (2.12)

Реакционный элемент (реактор, реакторный узел), в котором протекает химическое превращение. Изменение химического состава реагирующей смеси описывается стехиометрическими уравнениями. Вспомним правила и приемы их составления: они должны быть стехиометрически независимыми: количество их определяется числом неизвестных переменных; исключить "лишние" можно методами линейной алгебры; целесообразно выбирать такие уравнения, чтобы в левой части их стояло одно и то же исходное вещество, ключевое; изменения количеств всех реагентов в химическом превращении определяют через степени превращения исходного вещества в стехиометрических уравнениях.

Напомним некоторые соотношения, необходимые при расчете ХТС:

количество i-го компонента N_i = N_i,0 + (N_{i ,0 ij}x_j); (2.13)

^j

концентрация i-го компонента C_i = N_i / N_k; (2.14)

парциальное давление компонента р_i = РС_i (2.15)

селективность по i-му продукту _i = N_i,₀x_i / (N_i0 x_j); (2.16)

выход i-го продукта Е_i, = N_i0x_i / n_i0 (2.17)

В этих формулах первое исходное вещество входит во все стехиометрические уравнения и его стехиометрический коэффициент в них _ij = -1. Для этого вещества заданы степени превращения х_j в каждом стехиометрическом уравнении. В уравнениях (2.16) и (2.17) предполагается, что i-й компонент - продукт, для которого определяют селективность и выход, образуется только в i-м стехиометрическом уравнении (тогда Е_i = х_i). Количества компонентов в этих формулах измеряются в молях (обозначение N), как это традиционно принято в химических науках.

При составлении материального баланса обычно задаются степени превращения исходных веществ в стехиометрических уравнениях как результат химического превращения в реакционном элементе. Этим однозначно определяются количества выходящих из элемента всех компонентов и далее можно определить другие показатели процесса (селективность, выход продукта) и параметры потока (его количество, концентрации). Но могут быть заданы и другие показатели химического превращения - количество продуктов, концентрации компонентов или их выход, селективности. По (2.13) - (2.17) их можно пересчитать в степени превращения и затем рассчитывать материальный баланс. Таких данных должно быть столько, сколько есть независимых стехиометрических уравнений.

Стехиометрические уравнения с "массовыми" стехиометрическими коэффициентами. В расчетах материального баланса реакционного элемента используют и другие формы записи химических превращений. Стехиометрические коэффициенты в химических уравнениях показывают количества компонентов, вступающих в химическое взаимодействие. Традиционно эти количества измеряют в молях. Но можно стехиометрические коэффициенты выразить в массовых величинах, умножив "мольные" коэффициенты на мольную массу. Например, при "мольном" выражении стехиометрических коэффициентов окисление диоксида серы выглядит так:

SО₂ + 1/2О₂ = SO₃.

Мольные массы SО₂ - 64, О₂ - 32, SО₃ - 80, и это же уравнение с "массовыми" стехиометрическими коэффициентами будет выглядеть так:

64SО₂ + 16 O₂ = 80 SО₃.

В такой записи очевиден материальный баланс: суммарная масса исходных веществ равна массе продукта. Формулы (2.13), (2.14), (2.16), (2.17) также можно использовать с "массовыми" стехиометрическими коэффициентами. Естественно, что и другие переменные в них также имеют "массовую" размерность (количества веществ G, а не N, концентрации g, а не С и др.) Используя уравнение (2.13) с "массовыми" стехиометрическими коэффициентами i,j, можно сразу получить массовый баланс в реакционном элементе.

Суммарное (брутто-) стехиометрическое уравнение. В ряде случаев необходимо получить материальный баланс подсистемы и даже ХТС в целом, где протекает последовательно ряд превращений. Рассмотрим пример: в производстве азотной кислоты определить количество HNО₃, образующейся из 1 т аммиака. В химико-технологическом процессе протекают следующие реакции:

окисление аммиака

4NH₃ + 50₂ = 4NO + бН₂О (2.18)

(для простоты объяснения полагаем, что NН₃ полностью окисляется до NО);

окисление оксида азота

2NO + O₂ = 2NO₂; (2.19)

хемосорбция диоксида азота

3N0₂ + Н₂О = 2HNO₃ + NО. (2.20)

В абсорбционную колонну подается кислород, и образующийся оксид азота повторно окисляется до NO₂ по реакции (2.19).

Таким образом, образование азотной кислоты представлено стехиометрическими уравнениями (2.18)-(2.20). Умножим первое из них на 1, второе - на 3, третье - на 2 и сложим их. Получим суммарное стехиометрическое уравнение (брутто-уравнение):

4NH₃ + 8O₂ = 4НNОз + 4H₂O. (2.21)

Конечно, такая реакция неизвестна. Но стехиометрическое уравнение показывает, в каких соотношениях реагенты вступают во взаимодействие друг с другом, и этому определению отвечает уравнение (2.21). Умножим стехиометрические коэффициенты в (2.21) на мольные массы соответствующих компонентов (NH₃ 17, О₂ - 32, HN0₃ - 63, Н₂О - 18) и получим:

68NH₃ + 256O₂ = 252HNO₃ + 72Н₂O.

Из этого уравнения видно, что для производства 252 кг НNОз надо затратить 68 кг NНз, а на 1 т (1000 кг) HNO₃ пойдет (g) 1000/252 = 270 кг аммиака. Удобство записи суммарного стехиометрического уравнения очевидно.

Равновесные химические реакции. Для балансовых расчетов может быть принято, что реакция протекает до равновесия. Тогда задается температура для такой равновесной смеси. Следовательно, известна константа равновесия К_р, связанная с концентрациями реагентов уравнением

K_P = ПC_i^I илиK_P = Пp_iⁱ (2.22)

Концентрации компонентов можно записать в виде их зависимости от степени превращения, используя уравнения (2.13), (2.14). Подставив их в (2.22), находим значения равновесной степени превращения и из (2.14) - количества всех компонентов. Для сложной схемы превращения число уравнений вида (2.22) будет равно числу независимых стехиометрических уравнений.

Приведем пример расчета материального баланса в паровой конверсии метана, полагая, что в ней достигается равновесие. Протекают две реакции

СН₄ + Н₂О = СО + ЗН₂; СО + Н₂О = СО₂ + Н₂.

Известны константы равновесия этих реакций - соответственно K_p1 и K_р2. Для материального баланса воспользуемся такими стехиометрическими уравнениями:

СН₄ + Н₂О = СО + ЗН₂; СН₄ + 2Н₂О = СО₂ + 4Н₂.

Второе из них получено сложением уравнений (27). Присвоим индексы компонентам: 1 - СН₄, 2 - Н₂О, 3 - Н₂, 4 - СО, 5 - СО₂. Степени превращения СН₄: по первому уравнению -x₁, по второму - x₂; общая степень превращения метана х = x₁ + x₂- Исходная реакционная смесь состоит из СН₄ и Н₂О в количестве N₁ о и N ₂о. В соответствии с (2.12) получим количества всex компонентов, выраженные через степени превращения метана х₁ и x₂:

N₁ = N_{1 0} - N_{1 0}x₁ - N_{1 0,}х₂ = N₁₀(1 - x₁- x₂);

N₂ = N_{2 0} - N_{1 0}x₁ - 2N_{1 0,}х₂ = N₂₀ - N₁₀ ( x₁+x₂);

N₃ = 3 N_{1 0}x₁ + 4N_{1 0}х₂ = N₁₀ (3x₁+4x₂);

N₄ = N_{1 0} x₁; N₅ = N_{1 0} x₂

Общее число молей N_i= N₁₀ ( 1 +2x₁+2x₂) + N_{2 о}

Парциальные давления получим из (2.14) и (2.15). Например, для метана:

P₁ =P(Ni/N_i) = P{N₁₀(1 - x₁- x₂)/[ N₁₀ (1 +2x₁+2x₂) + N₂]} = P[(1 - x₁- x₂)/ (1 + +2x₁+2x₂)].

Здесь использовано принятое обозначение соотношения "пар : газ" в исходной смеси = N_{2 0} /N_{1 0} . Аналогично находятся все p_i. В равновесии

К_p1 = p₄p³₃/p₁p₂ = P²x₁(3x₁+4x₂)³/[(1 - x₁- x₂)( -x₁-2x₂) (1 + +2x₁+2x₂)²];

К_p1 = p₅p₃/p₄p₂ = x₂(3x₁+4x₂)/ [x₁( -x₁-2x₂)]

Заметим, что константы равновесия заданы для реакций (2.23), а количества компонентов получены из других стехиометрических уравнений - (2.24). Из системы двух уравнений (2.25) определяем х₁ и х₂ . Полученная система уравнений не простая - выразив из второго уравнения системы х₂как функцию x₁ и подставив в первое, получим алгебраическое уравнение третьего порядка относительно х₁. Применение ЭВМ, конечно, облегчает решение. Найдя х₁ и х₂, рассчитываем состав прореагировавшей смеси, потоки всех компонентов N_i.

Элемент с фазовыми превращениями (конденсатор, испаритель) - рис. 12. В него подается поток жидкости или пара. При заданных температуре и давлении происходит образование новой фазы (пара или жидкости). Обе фазы находятся в равновесии.

Рис. 13. Аппарат фазовых превращений

Парциальное давление i-го компонента р, над многокомпонентной жидкостью определяется законом Рауля:

p_i ⁼ p*_in_iж

где p*_i (Т,Р) - парциальное давление компонента над чистой жидкостью, зависящее от температуры Т и давления Р и потому известное для данных условий:

n_iж = N_iж / N_iж = (G_iж/M_i)/ (G_jж/M_j) - мольная доля компонента в жидкости, выраженная через массовое ее количество G_iж и молекулярную массу M_i.

Парциальное давление компонента выразим через его мольную долю n_iп, мольноеи массовое G_iп содержание в паре:

p_i = P n_iп = P N_iп/N_jn = P (G_iп/M_i)/ (G_jж/M_j).

Каждый компонент распределяется между двумя фазами, так что

G_in + G_iж = G_i,вх

Приравняв (2.26) и (2.27), получим:

(p_i*/P) (G_i,вх - G_in)M_i /( G_in /M_i) = [(G_jвх- G_jn )M_j]/ (G_jж/M_j); i=1,..., B

Из системы (2.28) можно найти потоки всех компонентов в паре G_jn и далее - распределение их между двумя выходными потоками. Система (2.28) - нелинейная и решается с помощью ЭВМ.

Если конденсируется один компонент, как при отделении NН₃ от непрореагировавших N₂ и Н₂ в синтезе аммиака, то (2.28) упрощается. Примем i = 1 для конденсирующегося компонента. Для него p_i = p_i*. Другие компоненты(i = 2, ..., В) уходят с газовым потоком, так что G_jn = G_i,_вх, или N_{i п} = N_{i вх}, _вх или V _{i п} = V_{i вх}); i=2,..., B.

Сделаем следующие преобразования

p_i* = p₁ = P N_{1 п}/N_{j п} = P N_{1 п}/(N_{j вх} - N_{1 вх} + N_{1 п})

(здесь использовано условие N_{i п} = N_{i вх} для всех компонентов, кроме первого, и потому под знаком суммы добавлено и вычтено N_{1 вх})- Обозначив мольный поток на входе

Nвх = N_{j вх}, получим: p_i* = P N_{1 п}/[N_вх - (N_{1 вх} - N_{1 п})]

Перейдя к более принятым в технологии объемным расходам по газу V, рассчитываемым при нормальных условиях, и принимая газовую (паровую) фазу идеальной (V= 22,4N), получим из последнего выражения:

V_{1 п} = p_i* = P (V_вх - V _{1 вх}) /(P- p₁)

От объемных расходов можно перейти к массовым. Выход жидкого компонента

G_{1 ж} = (V _1вх - V _{1 п})_1ж,

где _1ж - его плотность.

В более сложных случаях, как отмечено, приходится решать систему нелинейных уравнений (2.28).

Массообменный элемент (абсорбер, адсорбер, десорбер), в котором контактируют два потока и обмениваются компонентами реакционной смеси. В этом случае задается доля каждого компонента а/, переходящая из одного потока в другой. Если компонент не поглощается сорбентом, то для него _i = 0. Если сорбент не проходит через аппарат (например, загружен адсорбент на срок его насыщения), то условно полагают, что поглощаемый компонент выводится из системы при его поглощении или вводится в нее при десорбции, т. е. существует выходящий из ХТС или входящий в нее псевдопоток некоторых компонентов. В самом общем случае полагаем, что i-й компонент содержится в обоих входных потоках (G,_{i1 вх} и G,_{i2 вх}) и переходит (сорбируется, десорбируется) из второго потока в первый:

G,_{i1 вых} = G,_{i1 вх} + _i G,_{i 2 вх} ; G,_{i 2 вых} = (1-_i ) G,_{i 2 вх}

При таком описании процесса массообменный элемент, в котором происходит покомпонентное разделение потока в заданном для каждого вещества соотношении, представляет собой пропорциональный делитель. Задаваясь из каких-либо соображений степенью разделения компонентов в любом массообменном аппарате (конденсаторе, ректификационной колонне, абсорбере), можно представить процесс в нем как в пропорциональном делителе. Подход - формальный, но иногда он облегчает балансовые расчеты, особенно на первых этапах разработки ХТС, однако требует от исследователя опыта расчета балансов для химико-технологических процессов.

Такие подходы к описанию элементов ХТС различного назначения на основе материального баланса особенно удобны при разработке системы, когда данные об аппаратурном оформлении не полны или отсутствуют. Даже если такие данные есть, то, задаваясь режимом работы аппарата или агрегата, можно использовать материальный баланс для описания изменения потоков в элементах, что значительно упрощает расчет всей ХТС и ее анализ.

Тепловой баланс ХТС

Разница тепловых энергий потоков, выходящих из элемента XTC и входящих в него, обусловлена подводимым теплом, теплотой реакций и фазовых превращений, а также другими воздействиями на потоки. Из закона сохранения энергии подводимое тепло Q расходуется на изменение внутренней энергии U и работу против внешних сил А:

Q = U + A,

где U = U₂ - U₁ - изменение энергии поступательного и вращательного движения молекул, колебания атомов, движения электронов и др. между начальным U₁) и конечным (U₂) состояниями; А - работа против внешнего давления и прочих внешних воздействий (электрического и др.), которые не учитываются в расчетах ХТС;

А = ?р ^. dV .

Элемент ХТС - система открытая, для которой р = const, и (2.31) интегрируется: А = p(V₂ - V₁) = pV₂ - pV₁ . Теперь (2.30) примет вид:

q = (U₂ - U₁) + (pV₂ - pV₁) = (U₂ - U₁) - ((U₁ + pV₁)

Энтальпия системы Н = U + pV, и

Q = H₂ - H₁ = H = H_вых - H _вх.

Энтальпии на входе H _вх и выходе H_вых рассчитывают суммированием Н_ij всех компонентов по j потокам: H = ??H_ij.

j i

Изменение энтальпии в элементе ХТС учитывает все превращения потоков и воздействия на них. Такие расчеты успешно используют для определения состояния потоков ХТС.

Практически тепловое состояние потока контролируют температурой, и потому перейдем к "температурной" записи теплового баланса.

Теплоту Q_нагр, требуемую для изменения температуры среды от T₁ до T₂ и равную соответствующему изменению ее энтальпии, найдем из термодинамического определения теплоемкости c_p = (dH/dT):

Q_нагр = H_T2 - H_T1 = ?c_p.dT

Теплоемкость зависит от температуры (например, c_р = а + bТ) и называется дифференциальной. Интегральная форма расчета разогрева не проста, поэтому используют среднеинтегральную теплоемкость

c_р = [?(c_p.dT)]/(T₂-T₁)

и вместо уравнения (2.35) - более простое:

Q_нагр = c_p(T₂-T₁).

Температура потоков в элементах ХТС изменяется за счет внутренних источников (Q_ист), один из которых - химические превращения. Теплота реакции Q_p равна изменению энтальпии вследствие изменения химического состава реакционной среды (q_p = H_вых - H_вх) и приведена в справочниках. Если эта теплота пошла на нагрев реакционной среды, то, казалось бы, легко рассчитать ее нагрев из условия q_p = Q _нагр и уравнения (2.34). Но посколькуH зависит от температуры, то и тепловой эффект зависит от T, и такие данные приведены в справочниках. При какой температуре следует брать Q_P? Ведь T сложным образом меняется в процессе. Зависимость Q_p(T) есть изменение H как в зависимости от химического состава, так и от температуры. Если учесть изменение q_p(Т) в процессе, а затем использовать его в расчете разогрева по уравнению (2.34), это приведет к вторичному его учету. Избежать этого можно, если использовать правило: "эффект не зависит от пути". Воспользуемся следующей схемой процесса (рис. 14). Кривая линия изображает путь процесса, в котором протекает химическое превращение и меняется температура от Т₁ до Т₂ . Проведем процесс по другому, гипотетическому пути в три этапа:

охладим исходную смесь до температуры Т*, забрав у нее теплоту q₁= c_p1(T₁-T*); проведем при этой температуре реакцию, теплота которой q_p(Т); нагреем образовавшуюся смесь теплом Q q₂ = q₁ + q_p. Результат должен быть такой же - конечная температура будет равна T₂ и q₂ = c_p2(T₁ -Т*). Интегральные теплоемкости исходной c_p1 и конечной c_p2 смесей в общем случае различны.

Теплота реакции рассчитывается из термохимического уравнения

A + _BB + ... = _RR + _SS + ... + Q_P (-H_P),

представляющего собой стехиометрическое уравнение, в правую часть которого добавлено слагаемое - тепловой эффект реакции Q_P (изменение энтальпии - H_P). Теплота, выделившаяся в реакции, зависит от Q_P и глубины протекания реакции - степени превращения х исходного компонента. В уравнении стехиометрический коэффициент перед A _A =1 и q_p = Q_Px_A.

Для сложной реакции q_p = ?Q_{P j}x_{A j} (индекс j относится к j-му стехиометрическому уравнению).

Используемые в справочниках значения c_p и Q_P - удельные, относящиеся к единице количества вещества. Теплоемкость смеси c_p - аддитивное свойство теплоемкостей составляющих ее компонентов c_{p i},:

c_p = ?C_i c_{p i} ), где С _i - концентрации компонентов.

Рис 14. Путь превращения в процессе (1) и гипотетический (2)

С учетом приведенных рассуждений и сделанных замечаний уравнение теплового баланса будет иметь следующие составляющие:

Q _вх,i = G _вх c_{p, вх}(T₁ -Т*) ;

Q _ист = G_{A вх}?[Q_{P j}(Т*)x_{A j}], ;

Q _вых,i = G _вых c_{p, вых}(T₂ -Т*)

Наибольшие погрешности в расчет вносят следующие упрощения. Можно принять, что изменение Т мало отражается на величине H_P (и Q_P соответственно). Это обусловлено возрастанием энтальпии всех реагентов с нагреванием. Допущение H_P const означает также малое влияние температуры на разность теплоемкостей исходной и прореагировавшей реакционных смеcей. Можно принять средние значения H_P (Q_P) и c_p (удельной теплоемкости) в рабочем температурном интервале. Теплоемкость всей смеси - произведение Gc_p - также мало различается для входного и выходного потоков. Поэтому если пользоваться весовыми величинами потоков, как в (2.38), то и удельные теплоемкости можно принять мало меняющимися в процессе. В синтезе аммиака, в котором c_p компонентов (Н₂, N₂, NH₂) различаются в несколько раз и в процессе значительно изменяется теплосодержание, теплоемкость смеси меняется менее чем на 10%.

Сделанные допущения тем справедливее, чем меньше изменения объема (в газофазной реакции) и температуры в процессе. В первом приближении можно принять:

Q _вх = G_вх c_pT₁;Q _ист = G_{A вх}?[Q_{P j}x_{A j}];Q _вых = G _вых c_pT₂

Здесь опущено T*, поскольку при неизменности c_p члены уравнений с ним все равно сокращаются.

Приведем пример приближенного расчета температуры на выходе из сложного по схеме реакторного узла окисления диоксида серы (рис. 15). Реакционная смесь с начальной концентрацией SO₂ C₀ проходит последовательно ряд теплообменников и ряд слоев катализатора, где происходит окисление. Часть потока байпасом направляется между слоями. Известны температуры и степени превращения в каждом слое. Расчет температурного режима всех потоков - весьма громоздкая задача. Расчет температуры только выходящего потока Т_вых проведем с помощью балансовых уравнений (2.7) и (2.38а). Потоки газофазные, поэтому используем их объемы V:

Vc_PT_вх + Q_PVC₀x_к = Vc_PT_вых,

Рис. 15. Реакторный узел окисления диоксида серы

После очевидного преобразования получим

Т_вых = Т_вх + (Q C₀/c_P) x_к,

или Т_вых = Т_вх + T_ад x_к

Разогрев реакционной смеси, несмотря на сложность структуры реакторного узла, равен адиабатическому разогреву.

Для фазовых превращений (испарение, конденсация, давление, сублимация, растворение):

Q_ист = ?[G_iq_фп] = ?[_iG_iq_фп] ,

где G_i - количество i-го компонента, изменившего свое фазовое состояние; _i - его доля от общего количества G_i; q_фп - удельная теплота фазового превращения.

Общие замечания о выборе условий определения параметров потоков и превращений аналогичны приведенным выше.

Быстрое (адиабатическое) сжатие или расширение газов (в компрессорах, холодильных установках и др.) также приводит к изменению температуры, рассчитываемой из уравнения адиабаты:

T₂/T₁=(P₂/P₁)^(-1)/

где = C_p/C_v - показатель адиабаты.

8. Качественные и количественные показатели химического производства

А. Технические показатели определяют качество химико-технологического процесса.

Производительность (мощность) производства - количество получаемого продукта или количество перерабатываемого сырья в единицу времени:

П =G/t,П =G/, (1.1)

где П - производительность; G - количество получаемого продукта или перерабатываемого сырья за время t (астрономическое) или (исчисленное время контакта).

Расходный коэффициент

G_{(сырья, материалов)} /G_{продукта} или Q_{энергии}/G_{продукта} (1.2)

показывает количество затраченного сырья, материалов или энергии на производство единицы продукта. Его размерность очевидна: (кг сырья/т продукта], [м³ сырья/кг продукта], (кВт-ч/кг продукта], [Гкал/т продукта] и т. д. Расходный коэффициент показывает количественно затраты на производство продукта, но не отражает эффективности использования расходуемых компонентов. Последняя определяется следующим показателем:

Выход продукта

G^р_{продукта}/G^т_{продукта} или х^р/х^т (1.3)

- отношение реально получаемого количества продукта или его выхода из использованного сырья к максимальному количеству или выходу, которые теоретически можно получить из того же сырья.

Неполнота выхода продукта зависит от неполноты превращения, потерь, наличия примесей.

Интенсивность процесса. Интенсивностью работы аппарата (I) называется производительность его, отнесенная к какой-либо величине, характеризующей размеры данного аппарата. Обычно для вычисления интенсивности относят производительность к объему аппарата v (м³) или к площади его сечения S (м²):

I= П / v = G/v, (1.4)

I=V_п /v, (1.4а)

I=П/S=G/S, (1.4б)

I=V_п /S. (1.4в)

Интенсификация достигается двумя путями: 1) улучшением конструкций машин или аппаратов; 2) совершенствованием технологических процессов в аппаратах данного вида. Интенсивность работы аппарата пропорциональна скорости процесса, поэтому, изучая кинетику технологических процессов, стремятся создать такую конструкцию аппарата и технологический режим в нем, которые обеспечили бы максимальную скорость процесса.

Удельные капитальные затраты З_к/П - затраты на оборудование, отнесенные к единице его производительности. Для начала производства необходимы единовременные затраты на аппараты, машины, трубопроводы, сооружения и прочее, т. е. капитальные затраты. Отнесенные к единице производительности, удельные капитальные затраты характеризуют эффективность организации процесса в отдельных аппаратах и в производстве в целом, совершенство используемых конструкций. Этот показатель выражается в натуральных величинах, например [т металла/1000 т продукта в сутки], или в денежном выражении.

Качество продукта определяет его потребительские свойства и товарную ценность. Показатель индивидуален для каждого продукта. Он может включать содержание (состав и количество) примесей, физические и химические показатели, внешний вид и размеры, цвет, запах и прочее. Определяется нормативными документами (ГОСТ - государственный отраслевой стандарт, технические условия, сертификат качества).

Б. Экономические показатели определяют экономическую эффективность производства.

Себестоимость продукции. Денежное выражение затрат данного предприятия на изготовление и сбыт продукции называется полной себестоимостью. Затраты предприятия, непосредственно связанные с производством продукции, называются фабрично-заводской себестоимостью. Соотношение между различными видами затрат, составляющих себестоимость, представляет собой структуру себестоимости:

Производственная себестоимость слагается из следующих основных статей:

1) сырье, полуфабрикаты и основные материалы, непосредственно участвующие в химических реакциях производства;

2) топливо и энергия на технологические цели;

3) заработная плата основных производственных рабочих;

4) амортизация--отчисления на возмещение износа основных производственных фондов: зданий, сооружений, оборудования и др.;

5) цеховые расходы, включающие затраты на содержание и текущий ремонт основных производственных фондов (в том числе и зарплату вспомогательных и ремонтных рабочих), а также затраты на содержание административно-управленческого персонала цеха, охрану труда и технику безопасности;

6) общезаводские расходы.

Общая структура себестоимости С:

С = (?Ц_iG_нi + kЗ_к + З_т)/G_п, (1.5)

где Ц_i, и G_нi - цена и количество израсходованных сырья, энергии, материалов на производство продукта в количестве G_п; З_к - капитальные затраты; k - коэффициент окупаемости капитальных затрат (их доля, отнесенная на время производства количества продукта G_п; в среднем для химических производств k = 0,15 в расчете на годовую производительность G_п; З_т - оплата труда.

Себестоимость имеет денежное выражение.

Производительность труда - количество продукции, произведенной в единицу времени (обычно за год) в пересчете на одного работающего; характеризует эффективность производства относительно затрат труда.

В. Эксплуатационные показатели характеризуют изменения, возникающие в химико-технологическом процессе и производстве во время их эксплуатации при появлении отклонений от регламентированных условий и состояний. Влияние отклонений на показатели процесса, возможность управления процессом определяются эксплуатационными показателями.

Надежность характеризуют средним временем безаварийной работы либо числом аварийных остановов оборудования или производства в целом за определенный отрезок времени. Этот показатель зависит от качества используемого оборудования и правильности его эксплуатации.

Безопасность функционирования - вероятность нарушений, приводящих к нанесению вреда или ущерба обслуживающему персоналу, 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 характеризуют возможность поддерживать показатели процесса в допустимых пределах, определяют величину допустимых изменений условий процесса, управляющие параметры и их взаимовлияние (сложность управления).

Г. Социальные показатели определяют комфортность работы на данном производстве и его влияние на окружающую среду.

Безвредность обслуживания следует из сопоставления санитарно-гигиенических условий для обслуживающегоперсонала с соответствующими нормами по загазованности, запыленности, уровню шума и др.

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

Экологическая безопасность - степень воздействия производства на окружающую среду и экологическую обстановку в регионе.

Перечень основных показателей химического производства свидетельствует о том, насколько высоки требования к качеству его разработки, проектирования, создания и эксплуатации. Нередко одновременное достижение наилучших результатов по каждому из этих требований вступает в противоречие друг с другом. Необходимы компромиссные решения.

9. Сырьевые ресурсы химической промышленности

Исходными веществами для производства промышленных продуктов являются сырье, полупродукты и вторичное сырье. Первые из названных исходных веществ - основные, их называют сырьевыми ресурсами.

...