книги / Общая химическая технология.-1

УДК 66.0 (075) З-14

Рецензенты:

д-р хим. наук, профессор Ю.С. Чекрышкин (Институт технической химии УрО РАН);

канд. техн. наук, доцент А.В. Софронова (Пермский государственный технический университет)

Загидуллин, С.Х.

З-14 Общая химическая технология: учеб. пособие / С.Х. Загидуллин. – 2-е изд., испр. и доп. – Пермь: Изд-во Перм. гос.

техн. ун-та, 2011. – 65 с.

ISBN 978-5-398-00612-4

Кратко изложены общие вопросы химической технологии, касающиеся основ термодинамического и кинетического анализа гомогенных, гетерогенных и гетерогенно-каталитических реакций, принципов разработки химико-технологических процессов (сырьевой и энергетической баз, проблемы охраны окружающей среды и др.).

Предназначено для студентов специальности «Машины и аппараты химических производств» заочной формы обучения.

УДК 66.0 (075)

3

ВВЕДЕНИЕ

Инженер-механик должен уметь проектировать, конструировать и эксплуатировать технологическое оборудование химических, нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств. Грамотное выполнение этих работ невозможно без знания технологических особенностей протекающих процессов, закономерностей выбора технологического режима, требований рационального использования сырьевых и топливно-энергетических ресурсов и без учета задач охраны окружающей среды. Все эти вопросы рассматриваются в данном курсе.

Химическая технология (ХТ) – это наука о наиболее экономичных и экологически оправданных методах массовой химической переработки сырьевых материалов в продукты потребления и средства производства.

Современная химическая технология использует новейшие достижения естественных и технических наук, изучает и разрабатывает физические и химические процессы, новые машины и аппараты, оптимальные пути осуществления этих процессов при промышленном производстве различных продуктов.

ХТ основывается на таких науках, как физическая химия, термодинамика и кинетика, она развивает эти науки в приложении к крупнотоннажным производствам. Тесно связана ХТ также с экономикой, физикой, математикой, вычислительной техникой и другими науками.

Значительный прогресс ХТ в последние годы связан с применением современных вычислительных машин, это обогатило ее новыми подходами, связанными с математическим моделированием этих процессов.

Благодаря всему этому химическая промышленность превратилась в одну из ведущих отраслей материального производства.

Химизация народного хозяйства представляет собой внедрение методов ХТ, химического сырья и материалов из них в производственную и непроизводственную сферы. Она является

4

одним из решающих факторов повышения эффективности производства.

Затраты общественного труда на производство химических материалов в несколько раз ниже, чем на получение естественного сырья. Энергозатраты также ниже в 2–3 раза. Химизация сельского хозяйства в развитых странах обеспечивает около 50 % прироста урожайности культур.

Научной основой химической промышленности является химическая технология, а материальной базой технологического прогресса этой отрасли – химическое машиностроение.

Номенклатура оборудования, используемого в химико-техно- логических процессах, превышает 12 тысяч наименований и типоразмеров. Это современные установки для разделения жидких неоднородных смесей (фильтры, центрифуги, отстойники и др.), тепло- и массообменные аппараты (теплообменники, испарители, конденсаторы, сушилки, экстракторы, кристаллизаторы и др.), машины для измельчения, классификации, дозирования, смешивания различных материалов (компрессоры, насосы, запорно-регулирую- щая арматура и др.).

В последние годы широкое распространение получили поставки предприятиями химического машиностроения так называемых комплектных технологических линий, установок и блоков. Например, изготовлены и эксплуатируются уникальные комплектные линии для производства аммиака, аммофоса, фосфорной кислоты, аммиачной селитры, полиэтилена высокого давления, установки для переработки нефти и др.

Переход от поставок строящимся химическим предприятиям разрозненного оборудования к оснащению их полностью укомплектованными агрегатами и комплектными технологическими линиями сокращает сроки ввода в эксплуатацию новых мощностей в несколько раз, снижает стоимость объектов, повышает конкурентоспособность и ускоряет техническое перевооружение химической промышленности.

5

Одной из ведущих тенденций химической технологии является создание крупномасштабных производств новых видов продуктов многоцелевого назначения, таких как водород, аммиак и метанол. Они могут использоваться в качестве как химического сырья для дальнейшей переработки на других предприятиях, так и вторичных энергоносителей.

В условиях ограниченных ресурсов нефти и природного газа огромное значение как сырье для химических и нефтехимических производств приобретает каменный уголь: разведанных запасов угля достаточно на 500–600 лет, а нефти – на 60–80 лет.

ХТ принадлежит решающая роль в совершенствовании и разработке новых эффективных способов очистки промышленных выбросов от вредных примесей.

Начало производства основных химических продуктов в Европе относится к XV веку, когда стали возникать мелкие производства кислот, щелочей, солей, различных фармацевтических препаратов и некоторых органических продуктов, в России – к концу XVI – началу XVII века. В это время начали развиваться производства различных красок, селитры, пороха, кальцинированной соды и Н2SO4.

Во второй половине XVIII века началось выделение ХТ в специальную отрасль знаний, в эти же годы началось преподавание этой дисциплины в российских вузах.

С конца XVIII века стали производить кальцинированную соду (Na2CO3) по способу Н. Леблана. В 1861году был разработан более прогрессивный аммиачный способ получения кальцинированной соды (способ Э. Сольве), основы которого сохранились до настоящего времени.

В1875 году К.А. Винклер разработал новый контактный метод получения серной кислоты с использованием катализаторов, что позволило резко повысить качество и снизить себестоимость продукции.

В1919 году Ф. Габер и К. Бош открыли новый синтетический способ получения аммиака из азота и водорода с использованием

6

железного катализатора, что также явилось поворотным моментом

вразвитии азотной промышленности.

Вразвитии ХТ большую роль сыграли и отечественные ученые: Д.И. Менделеев, Н.Н. Зинин, А.М. Бутлеров, В.В. Марковников, А.К. Крупский и многие другие.

Пермская область по уровню химизации промышленности находится на пятом месте в России. У нас производится более 700 наименований химической продукции, в том числе вырабатывается более 20 % всех минеральных удобрений в России (ОАО «Уралкалий», ОАО «Сильвинит», ОАО «Азот», ОАО «Завод минеральных удобрений»): около 100 % всех калийных удобрений, около 30 % кальцинированной соды и более 20 % красителей.

Впоследние тридцать лет введены в строй более 30 крупных производственных объектов: три больших агрегата по производству аммиака и два по производству карбамида в городах Пермь

иБерезники, третье Соликамское калийное рудоуправление, самый мощный в мире четвертый Березниковский калийный завод, самое мощное в Европе производство метанола (ОАО «МЕТАФРАКС», г. Губаха) и др.

Только за последние десять лет вступили в строй современные производства формалина и карбамидформальдегидных смол (ОАО «МЕТАФРАКС»), новое производство по глубокой переработке нефти (ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез») и др. В ближайшее время планируются строительство и освоение новых производственных мощностей (ЗАО «СИБУР-Химпром»), крупных мощностей по переработке нефти по наиболее прогрессивной «безмазутной» технологии (ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез») и др.

ВПерми и Пермском крае расположены также крупные институты химического и нефтехимического профиля, способные изучать, разрабатывать новые и совершенствовать действующие производства, проводить проектно-изыскательские и проектноконструкторские работы.

7

1.ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

1.1.Классификации химических реакций

Вхимической технологии используют несколько классификаций химических реакций:

1. В зависимости от фазового состава реакционной системы различают гомогенные и гетерогенные химические реакции.

Гомогенные реакции протекают в одной фазе (жидкость, газы), гетерогенные – в двух или трех фазах, они более сложны

инаиболее часто встречаются в промышленности.

2.В зависимости от механизма осуществления различают простые (одностадийные) и сложные (многостадийные) реакции (последовательные, параллельные и последовательно-параллель- ные).

Простыми называют реакции, для осуществления которых требуется преодоление только одного энергетического барьера (энергия активации). Сложные реакции включают в себя несколько параллельных или последовательных стадий и требуют преодоления нескольких энергетических барьеров.

Впрактике чаще встречаются сложные реакции. Однако иногда удобно сложные реакции, у которых явно не обнаруживаются промежуточные продукты, считать формально простыми.

3.Классификация по молекулярности учитывает, сколько молекул одновременно участвует в элементарном акте реакции. В со-

ответствии с этим различают мономолекулярные, бимолекулярные и, редко, тримолекулярные реакции.

Большинство реакций являются бимолекулярными.

4.По виду кинетического уравнения (зависимости скорости реакции от концентрации исходных реагентов) реакции классифицируют по порядку.

Общий порядок реакции равен сумме показателей степеней

вкинетическом уравнении.

Частный порядок реакции – это показатель степени при соответствующем реагенте.

8

Существуют реакции первого, второго, третьего и дробного порядков. Частный порядок реакции может быть равен даже нулю, например когда соответствующий реагент взят в очень большом избытке.

Впростых реакциях порядок и молекулярность совпадают,

ав сложных нет, и порядок может быть даже дробным. Порядок сложных реакций определяют экспериментально.

5.По использованию катализатора различают каталитиче-

ские и некаталитические реакции.

Каталитические реакции протекают в присутствии катализатора. Большинство реакций в химической промышленности каталитические.

6.По тепловому эффекту различают экзотермические (идущие с выделением энергии) и эндотермические (идущие с поглощением энергии) реакции. Реакции с нулевым тепловым эффектом не существует.

1.2.Технологические критерии эффективности химико-технологических процессов

Вкачестве технологических критериев чаще всего используют следующие:

– степень превращения исходного реагента Х;

– выход готового продукта В;

– селективность, или избирательность, φ.

Степень превращения – это доля исходного реагента, используемого в химической реакции. Степень превращения реагента J

из реактора;

∆nJ – изменение количества реагента J в ходе реакции.

9

Степень превращения изменяется в таких пределах:

0 ≤ Х ≤ 1.

Х стремится к 1 в необратимых реакциях, для обратимых реакций предельная степень превращения сырья ограничена состоянием равновесия:

ΧJ,e = nJ,0n−nJ,e = ∆nnJ,e ,

J,0 J,0

где nJ,e – количество реагента J в состоянии равновесия (буква «е»

означает «эквилибри» – равновесие).

Для повышения степени превращения более ценного (ключевого) реагента используют большой избыток другого, менее ценного реагента.

Например, паровая конверсия метана осуществляется по обратимой реакции:

СН4 + Н2О СО + 3Н2 – Q.

Для повышения степени превращения метана используют практически четырехкратный избыток водяного пара. Однако при этом степень превращения самого водяного пара, естественно, снижается.

Степень превращения характеризует полноту использования исходного сырья, но этой характеристики недостаточно для оценки эффективности получения продукта реакции. Для этого используется следующий критерий – выход продукта.

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

Если обозначить выход продукта реакции R как ВR, то можно записать:

10