книги / Физико-химические основы технологических процессов

ВВЕДЕНИЕ

Пособие разработано в соответствии с требованиями государст­ венного образовательного стандарта к уровню подготовки выпускни­ ков по направлению «Защита окружающей среды».

Дисциплина «Физико-химические основы технологических про­ цессов» входит в блок общепрофессиональных дисциплин и базиру­ ется на знаниях, полученных при изучении общей и органической химии, физики, физической и коллоидной химии, физико-химичес­ ких методов защиты биосферы, и направлена на подготовку специа­ листов к участию в реализации технических решений, инженерных и конструкторских проектов, технологий в области защиты окру­ жающей среды от промышленных загрязнений.

Знание теоретических основ технологических процессов, общей химической технологии создает базу для научно обоснованных ре­ шений по выбору методов очистки сточных вод, газовых выбросов промышленных предприятий, разработке замкнутых систем водо­ снабжения, утилизации твердых отходов, разработке малоотходных технологий, целевых региональных программ в области природо­ охранной деятельности.

В пособии рассмотрены основные закономерности технологиче­ ских процессов, приведены расчетные формулы для проведения тер­ модинамического и кинетического анализа химико-технологических процессов, принципы составления материальных и тепловых балан­ сов процессов и химико-технологических систем, основные матема­ тические модели реакторов, принципы анализа и синтеза химико­ технологических систем.

Кратко рассмотрены основные химические производства неорга­ нического и органического синтеза. Особое внимание уделено прин­ ципам и методам переработки многотоннажных твердых отходов, образующихся при переработке нефти и газа, в производствах неор­ ганического синтеза.

В пособии приведены примеры термодинамических и кинетиче­ ских расчетов процессов и реакторов и разработаны индивидуальные задания по основным темам дисциплины и требования по их вы­ полнению.

Отдельные примеры взяты в переработанном виде из учебно­ методических пособий: «Расчеты химико-технологических процес­ сов» (под редакцией И. П. Мухленова); Дыбина П. В. «Расчеты по технологии неорганических веществ»; Бесков С. Д. «Технохимические расчеты»; Игнатенков В. И., Бесков В. С. «Примеры и задачи по общей химической технологии».

В процессе изучения дисциплины студенты должны получить знания теоретических основ технологических и химико-технологи­ ческих процессов, технологических расчетов реакторов различных типов, основных химико-технологических производств, получить практические навыки проведения технологических расчетов, оценки технических решений по критериям эффективности использования сырья и энергоресурсов, экологической безопасности и экономиче­ ской целесообразности.

Авторы выражают глубокую признательность рецензентам: кан­ дидату технических наук Ю. М. Трухину - директору ООО «Межре­ гиональный экологический центр»; А. А. Кетову - профессору ка­ федры технологии неорганических веществ ПГТУ, доктору техниче­ ских наук за полезные замечания и высказанные рекомендации при ознакомлении с рукописью пособия.

Модуль 1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС.

ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС И ХИМИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО

1. Основные понятия

Технологический процесс - совокупность операций и процессов переработки сырья и материалов.

Подробнее остановимся на процессах химической переработки сырья и материалов с целью получения качественно нового продукта.

Химико-технологический процесс (ХТП) - последовательность процессов целенаправленной переработки сырья и материалов в про­ дукт на основе химических, физико-химических процессов и их со­ четания.

В ХТП можно выделить отдельные процессы и операции, которые можно классифицировать по их основному назначению (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Классификация химико-технологических процессов

Механические и гидромеханические процессы - процессы пере­ мещения материалов, изменения их формы и размеров, сжатия и рас­ ширения - протекают без изменения фазового и химического состава сырья и материалов.

Для проведения механических и гидромеханических процессов обработки материалов используют транспортеры, питатели, дробил­ ки, компрессоры, насосы, фильтры и др.

Теплообменные процессы - это процессы охлаждения, нагрева, сублимации, испарения и др., которые проводят в теплообменниках, кипятильниках, конденсаторах, сублиматорах и др. Процесс протека­ ет без изменения химического состава реагентов, но может сопрово­ ждаться фазовыми переходами.

Массообменные процессы сопровождаются переносом вещества внутри фазы или между фазами за счет градиента концентрации. К ним можно отнести растворение, кристаллизацию, сушку, ректификацию, абсорбцию, десорбцию, адсорбцию, экстракцию и др., которые осуще­ ствляют в соответствующих массообменных аппаратах: абсорберах, адсорберах, сушилках, ректификаторах, экстракторах и др.

Химические процессы, сопровождающиеся качественным изме­ нением химического состава перерабатываемого сырья, проводят в химических реакторах.

Энергетические процессы представляют взаимное преобразова­ ние различных видов энергии (тепловой, механической, электричес­ кой) в турбинах, генераторах, моторах и т. п.

Процессы управления - получение и передача информации о со­ стоянии основных потоков и веществ. К устройствам управления от­ носятся клапаны, задвижки, датчики, автоматическая система управ­ ления - АСУТП.

Химико-технологические процессы лежат в основе химического производства.

Химическое производство - совокупность ХТП, осуществляе­ мых в машинах и аппаратах.

Структура и функциональные элементы химического производ­ ства представлены на рис. 1.2.

Подготовка сырья включает в себя предварительную обработку: обогащение, измельчение, очистку от примесей, смешение компо­ нентов и др. В качестве сырья в ХТП могут быть использованы при­ родные материалы минерального (ископаемые руды, горючее, при­ родные соли и др.) и органического (растительного и животного) происхождения, отходы производства и потребления.

Рис. 1.2. Структура и функциональные элементы химического производства

Подготовленное сырье подвергается переработке в химических реакторах и в результате образуется основной продукт. В связи с тем, что в сырье могут содержаться примеси, превращение исходного ве­ щества может быть неполным, часто необходима стадия выделения основного продукта из образующейся реакционной смеси и очистка его от примесей.

Важным элементом современного химического производства яв­ ляется очистка образующихся сточных вод, газовых выбросов и ути­ лизация твердых отходов, которая включает в себя обезвреживание токсичных отходов и возможность переработки отходов с получением дополнительных продуктов, обладающих товарными свойствами.

В химическом производстве и химической промышленности

вцелом потребляется более 15 % всех энергоресурсов, расходуемых

втехнике, поэтому энергетическая система является важным эле­ ментом химического производства. В химической промышленности используются различные виды энергии: тепловая, электрическая, световая (фотохимия), атомная и др.

Основными источниками энергии могут служить горючие иско­ паемые - каменный уголь, кокс, торф, природный газ, коксовый газ, уран, энергетическая ценность которых представлена в табл. 1.1, а также вторичные источники энергии - отходящие горючие органиче­ ские вещества, отработанные теплоносители.

Таблица 1.1

Энергетическая ценность источников энергии

Химические процессы могут сопровождаться выделением тепла, в связи с чем энергетическая система производства должна обеспе­ чивать рациональное использование энергоресурсов - возврат и ис­ пользование тепла для технологических целей.

При проведении ХТП используются вспомогательные материалы, к которым можно отнести сорбенты, катализаторы, экстрагенты и др.

Особое место среди используемых ресурсов занимает вода. Она применяется для охлаждения оборудования, выработки пара, раство­ рения, разбавления потоков и др. В зависимости от назначения к ка­ честву воды предъявляются определенные требования, поэтому сис­ тема водоподготовки является также частью химического произ­ водства.

Основными стадиями водоподготовки, обеспечивающей очистку воды от механических примесей, растворенных веществ до требуе­ мых показателей, являются следующие:

•очистка воды от грубодисперсных примесей методами проце­ живания, отстаивания и др.;

•очистка воды от мелкодисперсных примесей и снижение цвет­ ности воды методами коагуляции, фильтрации;

•умягчение и обессоливание воды физико-химическими метода­ ми (ионный обмен, обратный осмос и др.);

•дегазация - удаление из воды растворенных газов химическими или физико-химическими методами (фильтрация через слой сорбен­ тов, нагрев и др.).

При необходимости, например при использовании воды в котлах высокого давления, ее подвергают очистке от соединений кремния, железа, удалению кислорода и др.

Наиболее экономически целесообразно разрабатывать систему оборотного водоснабжения, которая представляет собой комплекс со­ оружений, обеспечивающих прием воды из водоема (водозабор), во­ доподготовку, подачу воды потребителю (насосная станция и системы водопроводов), очистку образующихся сточных вод в соответствии

стребованиями, предъявляемыми к оборотной технической воде. За счет использования систем замкнутого водоснабжения водопотребление в химической промышленности может снизиться на 80-90 %.

Контроль состояния производства, основных технологических потоков осуществляется системой управления.

Можно выделить постоянные и переменные компоненты хими­ ческого производства.

Кпеременным компонентам ХП можно отнести:

•сырье, поступающее на переработку;

•вспомогательные материалы, необходимые для проведения про­ цесса;

•продукты производства (основные и дополнительные, получен­ ные из образующихся отходов);

•отходы производства, не подлежащие переработке. В зависимо­ сти от класса опасности они подвергаются захоронению на специ­ альных полигонах или полигонах твердых бытовых отходов;

•энергия.

К постоянным компонентам ХП можно отнести:

•аппаратуру и оборудование;

•здания и сооружения;

•устройства контроля и управления;

•обслуживающий персонал.

В состав химического производства входят следующие произ­ водственные единицы:

•собственно химическое производство;

•складские помещения для хранения сырья, продуктов и мате­ риалов;

•узел транспортировки сырья, материалов и твердых отходов;

•здания и сооружения, в том числе цеховая химическая лабора­ тория;

•обслуживающий персонал;

•службы управления, обеспечения и безопасности. Теоретические основы проведения химико-технологических про­

цессов и организации химического производства изучает прикладная наука - химическая технология.

Химическая технология - наука о способах и процессах произ­ водства продуктов, осуществляемых на основе химических превраще­ ний технически, экономически и социально целесообразным путем.

Основными методами исследования химической технологии яв­ ляются экспериментальный, моделирование и системный анализ.

При изучении химической технологии выделяют:

I.Технологию неорганических веществу включающую в себя:

1)основной неорганический синтез - производство кислот, ще­ лочей, солей, минеральных продуктов;

2)тонкий неорганический синтез - производство неорганических препаратов, реактивов, редких элементов, материалов электроники, лекарственных веществ;

3)ядерно-химическую технологию;