книги / Физико-химические основы технологических процессов

Элементы представленной схемы подразделяются на две группы: научно-исследовательская работа (НИР) и опытно-конструкторская работа (ОКР).

К современному химическому производству и ХТС предъявляют­ ся следующие основные требования:

•получение необходимого продукта;

•безопасность и надежность эксплуатации оборудования;

•максимальное использование сырья и энергии;

•разработка энерго- и ресурсосберегающих технологий;

•обеспечение экологической безопасности производства;

•использование ресурсного потенциала отходов производств.

4.2.Принципы создания химического производства

Воснове разработки химического производства лежат следующие основные принципы:

• максимальное использование сырьевых ресурсов;

•эффективное использование энергетических ресурсов;

•эффективное использование оборудования;

•минимизация образования отходов.

•минимизация воздействия производства на объекты окружаю­ щей среды.

Рассмотрим кратко содержание представленных принципов.

Принцип максимального использования сырьевых ресурсов на­ правлен на создание условий полного превращения сырья в товарные продукты.

Основные пути решения проблемы состоят, прежде всего, в оп­ тимальном выборе исходных веществ и схемы прогресса.

Исходные вещества можно разделить на»основные и вспомога­ тельные.

Основные вещества - вещества, элементы которых входят в со­ став основного продукта и участвуют во всех физико-химических превращениях. Вспомогательные вещества - не входят в целевой продукт, но способны изменять ход реакций, проводить процесс при более низкой температуре, что приведет к созданию менее энергоем­

кого производства и экономии энергетических ресурсов. К ним мож­ но отнести катализаторы, окислители и т.п. Например, в органиче­ ском синтезе применение селективных катализаторов приводит к значительному увеличению выхода основного продукта.

Выбор схемы процесса основан на анализе альтернативных вари­ антов синтеза ХТС. Например, синтез минерального удобрения нит­ рата аммония можно осуществить несколькими способами:

1.Получение нитрата аммония из раствора аммиака и азотной кислоты.

Химическая модель процесса: а) NH4OH + HN03 — NH4NO3;

б) кристаллизация продукта упариванием: NH4NO3 р.р —►NH4NO3 т.

2.Получение нитрата аммония из натриевой селитры.

Химическая модель процесса:

а) NaN0 3+ H2S04 ^ H N 0 3+ NaHS04; NH4OH + HN03 -> NH4NO3;

б) кристаллизация продукта упариванием: NH4NO3 р.р = NH4NO3т.

3.Получение нитрата аммония из аммиака с использованием процессов электролиза.

Химическая модель процесса:

а) получение водорода электролизом воды, гидроксида или хло­ рида натрия:

Н20 -*■ Н2+ 0 2, NaCl + Н20 -» NaOH + С12+ Н2; б) синтез аммиака: 3 Н2+ N2—►2NH3;

в) получение азотной кислоты окислением аммиака;

г) получение нитрата аммония: NH3 + HN03 —►NH4NO3.

4.Получение нитрата аммония из аммиака с использованием природного газа.

Химическая модель процесса:

а) синтез аммиака с использованием природного газа: конверсия метана водяным паром: СН4 + Н20 —>СО + 3 Н2;

СО + Н20 -* С02+ Н2; получение азота из воздуха: 302 + 2 СН4—*• 2 СО + 4Н20; абсорбция С02и очистка газа от СО: СО+ЗН2—*■СН4+ Н20; синтез аммиака: 3 Н2+ N2—> 2NH3;

б) получение азотной кислоты: 4NH3+502->4N0+6H20; 2N0+02—»2N02;

3N02+H20-+2HN03+N0;

в) получение нитрата аммония: NH3 + HN03 —> NH4N 03.

Первый способ применяют в лабораторных условиях синтеза, второй способ целесообразен при создании производства непосредст­ венно вблизи источника сырья - аммиачной селитры, третий способ является энергоемким и его использование возможно при наличии дешевых источников энергии. Четвертый способ широко применяет­ ся в промышленности и основан на использовании природного сырья - природного газа и воздуха.

Наиболее целесообразна разработка комбинированных произ­ водств, совмещающих несколько технологических схем для получе­ ния одного или нескольких продуктов. Примером такого производст­ ва может служить получение нитрата аммония из аммиака с исполь­ зованием природного газа. Образующийся аммиак применяется как для получения азотной кислоты, так и минерального удобрения - нитрата аммония.

При получении водорода в технологии синтеза аммиака конвер­ сией природного газа побочным продуктом является С02, поэтому создание комбинированной технологии синтеза аммиака и карбамида, используемого в качестве удобрения (С02 + 2NH3—►CO(NH2)2 + Н20), обеспечит более полное использование природных ресурсов.

При выборе схемы процесса необходимо учитывать возможность

переработки образующихся отходов - побочных продуктов реакций в товарные продукты (более подробно эти вопросы рассмотрены в модуле 6).

Для более полного протекания основной реакции процесс прово­ дят в избытке одного из реагентов, как правило, наиболее дешевого

идоступного.

Вмодуле 2 (примеры термодинамических расчетов ХТП) показа­ но, что при синтезе метанола (СО + 2Н2 <->-СН3ОН) увеличение соот­ ношения СО:Н2 от 1:2 до 1:4 позволяет повысить равновесную сте­ пень превращения на 25 %. При проведении гетерогенных процессов

Ж-Г (абсорбция) или Ж-Ж (экстракция) наиболее целесообразно ис­ пользовать метод противоточного контакта фаз, что позволяет уве­ личить движущую силу процесса (разность концентраций компонен­ та в контактирующих фазах) и, соответственно, повысить скорость протекания и глубину извлечения компонента.

Использование процессов с рециклом также обеспечивает более полное использование сырьевых ресурсов в результате возврата не­ прореагировавших веществ в производственный цикл (см. пример расчета технологической схемы с рециклом).

Принцип эффективного использования энергетическихресурсов.

Подразумевает снижение затрат на энергетические и тепловые про­ цессы производства. К основным мероприятиям, направленным на достижение этой цели, можно отнести следующие:

• Регенерация тепла и энергии. В химических производствах ши­ роко используются процессы нагрева и охлаждения продуктов и по­ лупродуктов. Большинство химических реакций сопровождаются вы­ делением тепла, которое можно использовать вторично в теплооб­ менных процессах. Для рационального использования энергетиче­ ских ресурсов необходимо организовать проведение теплообменных процессов таким образом, чтобы теплота охлаждаемых продуктов использовалась для нагрева исходного сырья.

•Утилизация теплоты и энергии. Заключается в использовании теплоты технологических потоков для выработки тепловых (пар, го­ рячая вода), электрических и других энергетических ресурсов. На­ пример, теплоту экзотермических реакций можно использовать для выработки пара в котлах-утилизаторах, экономайзерах и использо­ вать как в самом ХП, так и для других целей.

•Использование вторичных энергетических ресурсов и альтер­ нативных источников энергии. Традиционно в химической промыш­ ленности в качестве основного источника энергии используют пар, электроэнергию, традиционные виды топлива. При создании химиче­ ских производств для получения электроэнергии можно предусмот­

реть использование альтернативных источников энергии, например, солнечной энергии, энергии ветра, атомной энергии.

Для рационального использования энергетических ресурсов при создании ХП необходимо предусмотреть возможность использования вторичных энергетических ресурсов: отходящих газов, содержащих вещества с высоким энергетическим потенциалом (СО, Н2, органиче­ ские вещества с высоким энергетическим потенциалом), которые можно использовать как теплоносители или, непосредственно, как источники энергии в котельных агрегатах. В нефтеперерабатываю­ щей промышленности образуются твердые отходы, обладающие энергетическим потенциалом, которые также могут быть использова­ ны для получения энергии.

Следует отметить, что при выборе направления использования энергетического потенциала газообразных и твердых отходов необ­ ходимо учитывать экологические аспекты, например, при разработке технологий использования отходов для получения энергии надо предусматривать систему доочистки образующихся газов.

Принцип эффективного использования оборудования направлен на снижение капитальных и эксплуатационных затрат на технологи­ ческое оборудование и повышение интенсивности его использования, что может быть достигнуто в результате оптимизации процессов как в отдельном аппарате или реакторе, так и в структуре ХТС, а также совершенствованием конструкций аппарата.

Например, повышение интенсивности протекания каталитических процессов можно достичь в результате использования более активно­ го катализатора, обеспечивающего увеличение скорости протекания реакции и, соответственно, повышение эффективности использова­ ния оборудования.

При организации процесса в отдельном аппарате необходимо использовать методы проведения процесса, способствующие повы­ шению скорости протекания реакций:

• в газожидкостных процессах это может быть достигнуто противоточным контактом реагентов, использованием аппаратов с насад­ кой, рассредоточенной подачей одного из реагентов и т.п.;

• для гетерогенно-каталитических процессов - использование ап­ паратов с псевдоожиженным слоем катализатора или движущимся слоем.

При организации технологического процесса в структуре ХТС

для интенсификации и более полного эффективного использования оборудования можно рекомендовать переход от периодических про­ цессов к непрерывным и/или использование нескольких параллель­ ных линий.

Принцип минимизации образования отходов. Получение про­ дукта в промышленности сопровождается образованием газообраз­ ных, жидких, твердых, тепловых и других отходов.

Источником образования отходов являются технологические процессы (непрореагировавшее исходное сырье, продукты побочных реакций, отработанные вспомогательные материалы и др.), тепловые процессы (выбросы при выработке энергии в котельном хозяйстве, отработанные теплоносители), аварийные ситуации на производстве, утечки пара, продуктов и полупродуктов через неплотности оборудо­ вания.

При разработке технологий, направленных на снижение образо­ вания отходов и их утилизацию, необходимо учитывать периодич­ ность их образования. По периодичности появления их можно разде­ лить на постоянно образующиеся и залповые (аварийная ситуация).

Принцип минимизации отходов подразумевает разработку меро­ приятий по защите окружающей среды:

•очистку и обезвреживание жидких и газообразных отходов пе­ ред поступлением их в объекты биосферы;

•создание замкнутой системы водоснабжения;

•повышение надежности оборудования для предупреждения ава­ рийных ситуаций и утечки продуктов;

•создание малоотходных производств - производств, в которых комплексно используются материальные и энергетические ресурсы, экологическая нагрузка предприятия на окружающую среду не пре­ вышает регламентированных нормативных показателей.

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение основным понятиям: химико-технологичес­ кая система, химико-технологический процесс, химическое производ­ ство.

2.В чем состоит системный анализ ХТС? Основные стадии ис­ следования ХТС.

3.Рассмотрите структурные элементы ХТС. Каково их назна­ чение?

4.Что понимается под связью в ХТС? Рассмотрите основные типы связи ХТС.

5.Представьте графически последовательную, разветвленную

ипараллельную связи ХТС.

6.Зачем в ХТС используется байпас? Как рассчитать величину байпаса?

7.Как количественно оценить величинурецикла?

8.Рассмотрите основные модели ХТС. Чем операционная модель отличается от функциональной?

9.Что собой представляет технологическая модель?

10.Какие модели используются для количественного описания

ХТС?

11.Какими параметрами определяется состояние ХТС?

12.Рассмотрите алгоритм расчета ХТС.

13.Как проводится анализ ХТС?

14.Как определяется теоретический и реальный расходный ко­ эффициент по сырью?

15.Как определяется энергетическая эффективность ХТС?

16.Какие показатели химического производства можно опреде­ лить на основе материального и теплового баланса процессов?

17.Каковы основные задачи синтеза ХТС?

18.Рассмотрите основные этапы создания ХТС.

19.Каковы основные требования к современному химическому производству?

20.В чем заключается принцип полного использования сырья?

21.Что понимается под вторичным сырьем?

22.Что понимается под вторичными энергоресурсами?

23.В чем заключается принцип минимизации отходов производ­

ства?

24.В чем заключается принцип эффективного использования обо­ рудования?

Индивидуальные практические задания

1.Приведите примеры химической, операционной и функцио­ нальной моделей для Производства синтеза аммиака.

2.Предложите технические решения, направленные на создание энергосберегающих производств.

3.Предложите и обоснуйте способы снижения отходов произ­ водств.

4.Что понимается под комбинированной химико-технологичес­ кой системой? Приведите примеры.

5. Используя представленные в подразд. 2 технологическую и структурную модели получения серной кислоты из серного колче­ дана, рассчитайте материальный баланс процесса для производст­ ва 1 т серной кислоты с помощью программы для ЭВМ «SimaPro» по следующим данным:

состав колчедана (мае. %): сера - 43 , влага - 8,0, выгорает 97 % серы. Коэффициент избытка воздуха (сух.) 1,3, влажность воздуха 55 %, температура обжига серного колчедана 980 °С. Образующийся газ подается в контактный аппарат. Степень превращения оксида се­ ры (IV) составляет 0,97, степень абсорбции образующегося оксида серы (VI) - 0,98.

Модуль 5.

ХИМИЧЕСКИЕ ПРОИЗВОДСТВА ОСНОВНОГО

ОРГАНИЧЕСКОГО И НЕОРГАНИЧЕСКОГО СИНТЕЗА

1.Применение теории химико-технологических процессов

исистем в технологии переработки нефти и производствах

основного органического синтеза

1.1.Нефть и основные технологические процессы

еепереработки

Нефть представляет собой маслянистую жидкость, имеющую обычно окраску от желтого до темно-коричневого, иногда и черного цвета, с плотностью от 0,73 до 0,95 г/см. Элементный состав нефти различных месторождений изменяется лишь в пределах: 84-87 % С, 12-14 % Н и 0,5-2 % О, N, S. Встречаются нефти и с более высоким содержанием серы - до 5 %.

По химическому составу нефть представляет сложную смесь ор­ ганических соединений, основную часть которой (до 80-95 % по мас­ се) составляют жидкие и твердые углеводороды предельного (алка­ ны), алициклического (полиметиленовые углеводороды или нафтены) и ароматического (арены) рядов, в нефти также присутствуют раство­ ренные газообразные алканы (Ci-C4). В нефтях различных месторож­ дений углеводороды содержатся в различном соотношении, которое в значительной степени и определяет качество получающихся при ее переработке продуктов.

При высоком содержании высших твердых непредельных углево­ дородов они выделяются при охлаждении из раствора в кристалличе­ ском виде. Такие нефти называются парафинистыми.

Нафтены, представляют собой производные циклопентана, цикло­ гексана, а также более сложных полициклических углеводородов с дву­ мя, тремя кольцами и более, которые имеют одну или несколько боко­ вых цепей. Ароматические углеводороды - бензол и его гомологи, а также многоядерные - нафталин, антрацен, фенантрен и др. и их гомо­