Химико-технологический процесс

1.

ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

2.

Объектом
исследования химической технологии
является химическое производство.
Химическое
производство — совокупность
процессов переработки сырья в нужные продукты
с использованием химических превращений,
осуществляемых в предназначенных для этого
машинах и аппаратах.
Совокупность операций и процессов переработки
сырья в продукты называют технологическим
процессом.

3.

Химико-технологическим
процессом
(XTП)
называется сочетание связанных друг с другом и
проводимых в определенной последовательности
химических, физико-химических, физических и
механических операций с целью получения из
сырья готовой продукции.

4.

Химико-технологический
процесс
(ХТП)
–
часть
химического производства, состоящий из трех основных
стадий:
-подготовка сырья _подвод реагирующих компонентов в зону
реакции;
-химическая реакция;
-отвод полученных продуктов.
4

5.

Подготовка сырья решает задачу доведения его до такого
состояния, при котором состав и свойства сырья будут отвечать
требованиям данного производства, обеспечивать высокую
скорость химических превращений. Для многих видов сырья
предъявляемые
к
нему
требования
закреплены
государственными стандартами (ГОСТ) и техническими
условиями (ТУ). Подготовка сырья включает его очистку,
измельчение, подогрев, перевод в другое агрегатное состояние.
Подвод реагирующих компонентов совершается молекулярной
диффузией или конвекцией.
Химические реакции - это второй этап ХТП. На этой стадии
компоненты сырья вступают между собой в химическое
взаимодействие, в результате которого образуются новые
вещества. В результате реакции образуется основной продукт,
побочные вещества и отходы.

6.

Отвод продуктов из зоны реакции может совершаться так же,
как и подвод реагирующих компонентов. Продукты реакции
направляют на склад готовой продукции или на дальнейшую
переработку. Кроме того, предусматривают меры по
возвращению не прореагировавшего сырья на стадию
проведения химической реакции, т.е. организуют рецикл. На
заключительных этапах проводят также рекуперацию энергии и
очистку промышленных выбросов, чтобы извлечь из
отходящих газов и сточных вод все ценные компоненты, а
также ликвидировать опасность загрязнения окружающей
среды.
Таким образом, химико-технологический процесс в
целом – это сложная система, состоящая из единичных,
связанных между собой процессов (элементов) и
взаимодействующая с окружающей средой.

7.

Принципиальная схема ХТП
А
А
1
А
R, S
2
3
R
А
Sзагряз.
А (исходное сырье) → R (целевой продукт) + S (побочный продукт)

8.

Стадии переработки
Побочный продукт
сырье
1 стадия
полупродукт1
отходы-1
полупродукт-2
отходы-2
исходные вещества (сырье),
промежуточные продукты (полупродукты),
побочные продукты,
конечный целевой (готовый) продукт
отходы.
8
Готовый продукт

9.

Элементы ХТП
Элементами ХТП являются процессы тепло - и массообмена,
гидромеханические, химические процессы и т.п. Их
рассматривают как единичные процессы химической
технологии.
В зависимости от назначения, в химико- технологическом
процессе выделяют несколько видов процессов и
операций, для проведения которых предназначены
соответствующие аппараты или машины

10.

Механические и гидромеханические
процессы перемещение материалов, изменение их формы и
размеров, сжатие и расширение, смешение и
разделение потоков. Все они протекают без
изменения фазового состава обрабатываемого
материала. Для проведения этих процессов
предназначены транспортеры, дробилки, насосы,
смесители, фильтры.

11.

Теплообменные процессы - нагрев, охлаждение,
изменение фазового состояния. Химический состав
веществ в них не меняется. Они протекают в
теплообменниках, кипятильниках, конденсаторах,
плавилках, сублиматорах
Химические процессы - процессы, вызывающие
коренное изменение химического состава веществ
в химических реакторах. Химический процесс
является важной подсистемой ХТП. Он
представляет собой одну или несколько
химических реакций, сопровождаемых тепло - и
массообменными явлениями.

12.

Массообменные процессы
- растворение, кристаллизация, сушка, дистилляция,
ректификация, абсорбция, экстракция, десорбция,
которые представляют собой перенос вещества
внутри фазы или между фазами, вызванный
градиентом его концентраций и протекающий без
изменения химическою состава. Для этого
служат:
кристаллизаторы,
сушилки,
дистилляторы,
ректификаторы,
абсорберы,
экстракторы.

13.

Кроме
указанных
основных
процессов
в
химическом производстве осуществляются также:
энергетические процессы, которые заключаются
во взаимном преобразовании различных видов
энергии (тепловой, механической, электрической)
в турбинах, генераторах, моторах;

14.

информационно-управляющие процессы
Отвечают
за получение и передачу информации о
состоянии потоков и веществ, выработку и передачу
сигналов на пульт управления процессами. К
информационно-управляющим устройствам относятся:
датчики состояния потоков и оборудования (температуры,
давления, состава, скорости вращения двигателей и т.д.),
сигнальные и информационные системы, системы
автоматического регулирования.

15.

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

16.

Анализ единичных процессов, их взаимного влияния
позволяет разработать технологический режим.
Технологическим
режимом
называется
совокупность
параметров, влияющих на скорость процесса, выход и качество
продукта.
Параметром технологического режима называют величину,
характеризующую какое-либо устройство или режим работы
аппарата, используемую в качестве основного показателя их
действия (протекания).
Оптимальные условия ведения процесса – это сочетание
основных параметров процесса (температуры, давления,
состава исходной реакционной смеси, катализатора),
позволяющее получить наибольший выход продукта с высокой
скоростью и наименьшей себестоимостью.
Поэтому разработка и построение рациональной
технологической схемы – важная задача химической
технологии.

17.

Классификация ХТП
1. По типу реакции на простые
(одностадийные) и сложные
(многостадийные).

18.

Простые
процессы
описываются
одним
стехиометрическим уравнением.
А → С или А + В → С + D
В сложных процессах наряду с целевой реакцией
протекают побочные реакции, и для описания
процесса требуется несколько уравнений.
Сложные процессы могут быть:
- последовательные (консекутивные) А + В → R
R→S
- параллельные
А+В→R
А+C→S
- смешанные
А+В→R
А + R→ S
18

19.

2. По молекулярности, т.е. по порядку реакции
мономолекулярные (А→R)
бимолекулярные (2А→R)
тримолекулярные (2А+В→R) и.т.д.

20.

3. По направленности процесса
обратимые А↔R
необратимые А→R

21.

4. По агрегатному состоянию реагирующих
веществ
гомогенные (Г-Г, Ж-Ж)
гетерогенные (Г-Ж, Ж-Т, Г-Т, Г-Ж-Т, Г-Г-Т)
В первом случае все участники реакции находятся в одной
фазе; во втором - одной из стадий процесса является переход
через границу раздела фаз.

22.

5. По знаку теплового эффекта
экзотермические (А→R +Q)
эндотермические (А→R -Q)
Различают также процессы с большим тепловым
эффектом и процессы с малым тепловым эффектом.

23.

6. По использованию катализатора
каталитические
некаталитические

24.

7. По значению применяемой температуры
низкотемпературные
среднетемпературные
высокотемпературные

25.

8. По характеру организации процесса
непрерывные
периодические
полупериодические

26.

Каждый конкретный процесс обладает признаками
разных классов.
Например, процесс синтеза аммиака
N2 (г) + 3 H2 (г) ↔ NH3 (г), ∆Н < 0
является простым, обратимым, экзотермическим, каталитическим (катализатор –
металлическое железо), гомофазным, но гетерогенным, так как газообразные
реагенты взаимодействуют между собой на поверхности твердого катализатора.

27.

ПОКАЗАТЕЛИ эффективности
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ПРОЦЕССА
Определение полезности и эффективности химического
производства и технологического процесса в нем
производится по следующим показателям:
Технические показатели
Экономические показатели
Эксплуатационные показатели
Социальные показатели

28.

Технические показатели определяют качество
химико-технологического процесса и включают в
себя:
Производительность (мощность) производства количество получаемого продукта или количество
перерабатываемого сырья в единицу времени
П=G/t
где П - производительность; G — количество получаемого продукта или
перерабатываемого сырья за время t .
Расходный
коэффициент
показывает
количество
затраченного сырья, материалов или энергии на
производство единицы продукта.

29.

Интенсивность
процесса
количество
перерабатываемого сырья или образуемого продукта в единице
объема аппарата в единицу времени. Этот показатель
характеризует
интенсивность
протекания
процесса
в
технологическом аппарате и совершенство его организации.
Удельные капитальные затраты- затраты на
оборудование, отнесенные к единице его производительности.
Для организации производства необходимы единовременные затраты
на аппараты, машины, трубопроводы, сооружения и прочее, т.е.
капитальные затраты. Этот технический показатель характеризует
эффективность организации процесса в отдельных аппаратах и в
производстве в целом, используемых конструкций и выражается в
натуральных величинах или в денежном выражении

30.

Качество продукта определяет его потребительские
свойства и товарную ценность и оценивается разными
характеристиками, такими как: содержание (состав и
количество) примесей, физические и химические
показатели, внешний вид и размеры, цвет, запах и прочее.
Качество
продукта
определяется
следующими
документами: ГОСТом (Государственный отраслевой
стандарт), ТУ (технические условия), сертификатом
качества.

31.

Для оценки эффективности отдельных этапов процесса
необходимо помимо общих экономических показателей
использовать критерии эффективности, которые отражают
химическую и физико-химическую сущность явлений,
происходящих в отдельных аппаратах технологической схемы.
В качестве таких показателей принято использовать степень
превращения исходного реагента, выход продукта, селективность.
Они характеризуют полноту использования возможности
осуществления конкретного химического процесса.

32.

Степень превращения исходного реагента показывает,
насколько полно в химико- технологическом процессе (ХТП)
используется исходное сырье.
Степень превращения – доля исходного реагента, использованного
на химическую реакцию.
Степень превращения реагента в общем случае определяется по
уравнению:
χ =n0-n/n0
где χ – степень превращения реагента; n0 – количество реагента в исходной
реакционной смеси, моль; n – количество реагента в реакционной смеси,
выходящей из аппарата или находящейся в реакторе, моль.
Выход продукта - отношение реально получаемого количества
продукта из использованного сырья к максимальному
количеству, которое теоретически можно получить из того же
количества сырья.

33.

Селективность.
Критерием оценки эффективности целевой реакции является
селективность, выражаемая в долях единицы.
Различают
полную
(интегральную)
и
мгновенную
(дифференциальную) селективность.
Полная или интегральная селективность - это отношение
количества исходного реагента, расходуемого на целевую
реакцию, к общему количеству израсходованного реагента.
Мгновенной или дифференциальной селективностью называют
отношение скорости превращения исходных реагентов в
целевой продукт к суммарной скорости расходования исходных
реагентов.

34.

Закономерности управления химикотехнологическими процессами (ХТП)
Управлять ХТП – это означает, меняя технологические
параметры процесса (температуру, давление, состав сырья,
катализатор,
скорость
перемешивания,
конструкцию
реактора, схему соединению реакторов и т.д.) добиваться
максимальной эффективности процесса.
При изучении общих закономерностей используется метод
декомпозиции, то есть рассматриваются особенности
функционирования отдельных подсистем ХТС.
Знание основных закономерностей химической технологии
позволяет проводить процесс наиболее эффективно, т.е. с
большой интенсивностью, до наивысшего выхода продукта,
при высоком его качестве.
34

35.

36.

37.

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАТИМЫХ
ХТП
Все обратимые химико-технологические процессы(ХТП)
стремятся к равновесию.
Примером обратимого процесса служит широко
применяемая в промышленности для получения водорода
реакция взаимодействия окиси углерода СО с водяными
парами (конверсия окиси углерода):
СО + Н2О(пар) ↔ Н2 + СО2
Наступает такой момент, когда скорости прямой и обратной
реакции становятся равными. Такое состояние реагирующей
системы называется химическим равновесием.

38.

Константа равновесия
- это отношение произведения концентраций
продуктов реакции к произведению концентраций
исходных веществ в момент равновесия.
Кр
С Н 2 ССО2
ССО С Н 2О
,
где Сн2, Ссо2, Ссо, Сн2о - концентрации Н2, СО2, СО и Н2О
соответственно в момент равновесия.

39.

3. СПОСОБЫ СМЕЩЕНИЯ РАВНОВЕСИЯ В
ОБРАТИМЫХ ХТП
Влияние основных параметров технологического режима на
равновесие определяется
Принципом Ле-Шателье:
если на систему, находящуюся в состоянии равновесия,
воздействовать извне, изменяя какую-либо из величин,
определяющих состояние равновесия, то равновесие
смещается таким образом, чтобы ослабить эффект
воздействия.

40.

типовые технологические
операторы
Основные технологические
операторы
- химическое
превращение
- нагрева и
охлаждения
- смешение
- сжатия и
расширения
- разделение
- изменения
агрегатного
состояния
вещества
- межфазный
массообмен
40
Вспомогательные
технологические операторы