Введение. Создано на основе курса

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ

И КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ

ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Санкт-Петербург

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

создано на основе курса лекций

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ,

читаемого студентам химического факультета СПбГУ

в восьмом семестре

«Рекомендовано Ученым советом Учебно-научного центра химии СПбГУ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………….. 4

Глава 1. ХИМИЧЕСКИЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРИНЦИПЫ

РАЗРАБОТКИ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА…………………………… … 5

1.1 Понятие о химико-технологическом процессе и технологическом

режиме ……………………………………………………………………… 5

1.2. Химическая схема производства …………………………………………. 7

1.3. Технологическая схема производства ……………………………………. 15

1.3.1.Способы изображения схем химико-технологических систем …...… 15

1.3.2.Технологические связи элементов процессов химической

технологии ……..………………………………………………….……. 19

Глава 2. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ХИМИЧЕСКОГО

ПРОИЗВОДСТВА …………………………………………………………… 23

2.1. Экономические критерии эффективности производства ………………..23

2.2. Экологичность и безопасность производства …..……………………….. 24

2.3. Социологические критерии…………………..…….………………………24

2.4. Качество функционирования производства …….………………………. 25

2.5. Технологические критерии эффективности химико-технологического

процесса ………………………………………………………….………… 27

2.6. Энергетическая эффективность производства ………………….………. 32

2.7. Эксергетический метод оценки эффективности………………….……… 36

Глава 3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ХИМИЧЕСКОЙ

ТЕХНОЛОГИИ……………………………………………………………… 40

3.1. Химическое производство и загрязнение природы ……………….…… 40

3.2. Безотходная технология …………………………………………….…… 43

ЛИТЕРАТУРА …………………………………………………………………………. 48

ВВЕДЕНИЕ

До недавнего времени традиционный подход к изложению курса химической технологии основывался только на описании отдельных методов получения важнейших химических продуктов и анализе физико-химических и инженерных проблем, связанных с этими методами. Однако, такой подход к сложным технологическим задачам не создавал достаточно надежных условий для анализа методов проектирования технологического процесса. По мере развития химической промышленности содержание химической технологии обогащалось новыми сведениями, новыми закономерностями и новыми обобщениями. Разработка же новых направлений при проектировании химических процессов сейчас обуславливается развитием теории и практики таких разделов инженерной химии, как моделирование, оптимизация, техническая кибернетика и промышленная кинетика, причем в последние десятилетия особенно интенсивно происходило глубокое проникновение математики в химическую технология, чему способствовало бурное развитие вычислительной техники и кибернетики - в результате этого химическая технология становится теперь уже точной наукой. Поэтому, основной задачей современной химической технологии сейчас становится уже не простое описание химических процессов и аппаратов, а установление точных данных, выражаемых в математической форме, о зависимости как отдельных стадий, так и всего процесса в целом от различных факторов, т.е. математическое описание химико-технологического процесса.

Первым шагом на пути создания, а также и модернизации любого технологического процесса является анализ степени его совершенства и сопоставление его с другими процессами. Такое сопоставление позволяет прежде всего обосновать выбор более эффективного процесса и определить возможность и направления его улучшения.

Глава I. ХИМИЧЕСКИЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРИНЦИПЫ

РАЗРАБОТКИ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА

Основной объект химической технологии – химическое производство. Химическое производство определяется как совокупность связанных материальными и тепловыми потоками машин и аппаратов, в которых осуществляются химические превращения, физические и физико-химические процессы. Цель любого производства (в том числе и химического) – получение конечного продукта. Это получение конечного продукта должно происходить при минимальных удельных капитальных вложениях, а так же при минимальных эксплуатационных затратах и ограничениях, которые накладываются требованиями техники безопасности и охраны окружающей среды. Эта цель достигается выбором соответствующих технологических процессов, выбором оптимальных режимов осуществления этих процессов, выбором необходимого оборудования, выбором рациональной аппаратурно-технологической схемы, а также путем автоматизации контроля и управления технологическими процессами и производства в целом.

1.1. ПОНЯТИЕ О ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ И

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ

Основу любого химического производства составляет химико-техноло-гический процесс. В современной химической промышленности используются десятки тысяч способов переработки сырья (т.е. получения конечного продукта). Каждый способ состоит из нескольких операций, которые выполняются последовательно или параллельно в соответствующих машинах и аппаратах. В общем случае каждая операция представляет собой сочетание нескольких элементарных физических, физико-химических и химических процессов. Из совокупности этих элементарных процессов и складывается сложный химико-технологический процесс (ХТП). Взаимная связь закономерностей ХТП очень сложна и выражается в математической форме в виде системы уравнений. Но поскольку совместное решение этих уравнений практически невозможно, приходится рассматривать отдельные стороны процесса и их взаимное влияние.

Весь сложный ХТП может быть разделен на ряд взаимосвязанных последовательно протекающих элементарных процессов (стадий), обычно принято рассматривать три стадии:

1) подвод реагирующих веществ в зону реакции (совершается он путем молекулярной диффузии или путем конвекции). В многофазных системах подвод реагирующих компонентов может совершаться абсорбцией, адсорбцией или десорбцией паров или газов, конденсацией паров, плавлением твердых веществ и т.п. Межфазный переход, по существу, является сложным диффузионным процессом. Таким образом, первая стадия – физический процесс – исходные реагенты в химически неизмененном виде переходят во вторую стадию.

2) химическая реакция (составляет основу ХТП). Как правило промышленная химическая реакция – процесс сложный. Обычно химическое превращение вещества проходит через ряд последовательных (а иногда и параллельных) химических реакций, в результате которых образуются основной и побочные продукты, а также образуются и отходы производства. Побочные продукты и отходы производства образуются в результате как основных, так и побочных реакций между основными веществами и примесями, которые неизбежно могут быть в сырье. Обычно при рассмотрении производственных процессов учитываются не все реакции, а лишь те из них, которые имеют определяющее влияние на качество и количество получаемых основных продуктов.

Например, химический процесс окисления метана можно представить целым рядом реакций:

- целевая реакция (образование основного

продукта),

- параллельная реакция,

}- последовательно-побочные реакции.

3) отвод полученных продуктов из зоны реакции - также как и первая стадия, отвод продуктов осуществляется диффузией или конвекцией, которые, в основном, определяют переход вещества из одной фазы в другую.

Как известно, общая (суммарная) скорость процесса зависит от наиболее медленного этапа. Если общая скорость будет зависеть от второго этапа, то процесс проходит в кинетической области; в этом случае надо усиливать те факторы, которые влияют на скорость химической реакции (факторы: температура, давление, катализатор и проч.). Если общая скорость лимитируется первым или третьим этапами, то процесс проходит в диффузионной области. Ускорить процесс можно изменением параметров диффузии (перемешивание, повышение температуры, перевод системы из многофазной в однофазную и т.п.). А если скорости всех стадий соизмеримы – процесс протекает в, так называемой, переходной области. Чтобы увеличить общую скорость процесса, надо воздействовать на систему теми факторами, которые увеличивают как диффузию, так и скорость химической реакции (прежде всего повышение температуры и концентрации исходных веществ). То –есть надо оперировать определенными параметрами.

Совокупность определенных параметров, влияющих на скорость процесса, а также на выход и качество продукта, называется технологическим режимом.

Параметры: температура, давление, концентрация, катализатор, перемешивание (способ и степень перемешивания реагентов) – это все параметры технологического режима. Параметры технологического режима определяют принципы конструирования соответствующих аппаратов (реакторов). Оптимальному значению параметров соответствует максимальная производительность аппаратов.

Все параметры технологического режима взаимосвязаны и обусловливают друг друга (все параметры разом изменять нельзя, потому что даже изменение одного влечет за собой резкое изменение оптимальных значений других параметров режима) – поэтому должен быть определенный компромисс.

1.2. ХИМИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА

Производственные процессы в химической промышленности характеризуются большим разнообразием выпускаемой продукции и, как правило, характеризуются большой сложностью. Общая, характерная черта всех этих процессов состоит в том, что для получения конечного целевого продукта необходимо сравнительно большое число функционально различных ступеней переработки исходного сырья. Для целенаправленного протекания этих процессов в отдельных ступенях необходимы различные виды энергии, различные виды вспомогательных веществ и различные виды информации.

Процессы химической технологии отличаются большим ассортиментом продуктов, которые можно получить из одного и того же сырья, отличаются большим разнообразием путей, которыми можно получить один и тот же продукт, отличаются динамикой обновления как ассортимента, так и технологических процессов.

Условия протекания отдельных стадий ХТП могут быть весьма различными: от высоких температур (несколько тысяч градусов) в случае плазмохимического производства карбида кальция, до очень низких (минусовых) температур при криогенном разделении воздуха; от высоких давлений при производстве аммиака и метанола, до низких – в процессах вакуумной перегонки.

Несмотря на большие качественные и количественные разнообразия отдельных технологических процессов, несмотря на их различные масштабы, несмотря на различия продуктов, несмотря на различные условия протекания и т.д., все ХТП имеют общие свойства, а именно: все они являются структурно сложными, состоящими из отдельных частей, все они перерабатывают вещество, энергию, информацию и, кроме того, все они связаны с другими соседними производствами.

Используя терминологию общей теории систем, такие технологические комплексы можно назвать сложными системами, а в нашем рассматриваемом случае – химико-технологическими системами (ХТС). Поэтому можно сказать, что современное химическое предприятие – это сложная ХТС, представляющая собой совокупность взаимосвязанных технологическими потоками и действующих как одно целое аппаратов, в которых осуществляется определенная последовательность технологических операций: подготовка сырья к химическим превращениям, химические превращения, выделение и очистка целевых продуктов (рис.1).

Сырье Продукт

Рис.1. Химико-технологическая система:

1 – стадия подготовки сырья к химическому превращению;

2 – химическое превращение; 3 – выделение и очистка продуктов.

Три этих составляющих и создают любой ХТП, лежащий в основе любого химико-технологического производства.

Проектирование и создание нового ХТП (создание новой ХТС) требует большой и сложной работы. Задачи, стоящие перед проектировщиками, решаются обычно в несколько этапов (стадий), которые совершаются либо одновременно, либо последовательно. Первым уровнем этой общей задачи является построение (создание) математических моделей отдельных элементов и на их основе создание полной математической модели ХТС.

Но прежде, чем говорить о построении математических моделей, необходимо, все-таки заняться химией, потому что при разработке промышленного производства какого-либо продукта прежде всего нужно выбрать химическую схему его получения, т.е. надо выбрать те химические реакции, с помощью которых из заданного сырья можно будет получить нужный продукт, являющийся конечной целью производства. Поэтому на этом этапе обычно выбираются исходные вещества или сырые исходные продукты, из которых будет получаться целевой продукт, и находятся физико-химические превращения, необходимые для получения этого продукта.

Химическая схема разрабатывается с учетом результатов научных исследований свойств сырья и свойств получаемых продуктов. Учитываются также основные и побочные реакции, которые могут протекать на определенных стадиях процесса. Окончательный выбор химической схемы делается с учетом возможности осуществления химической реакции в промышленных условиях, с учетом аппаратурного оформления процесса, с учетом подбора достаточно стойких материалов и т.д. Определяющим критерием в выборе химической схемы является экономичность производства, поэтому очень часто (даже как правило) лабораторный метод слишком дорог и непригоден.

Необходимо отметить, что удачный выбор химической схемы часто является результатом научной и инженерной интуиции отдельных опытных специалистов. В каждом отдельном случае при выборе химической схемы процесса учитываются многие специфические особенности, которые проявляются на различных этапах разработки ХТП.

Для первого примера рассмотрим возможные химические схемы производства фосфорной кислоты (содержит 32 % фосфора, является основой фосфорных минеральных удобрений).

Сырьем для получения фосфорной кислоты служат фосфаты, содержащие нерастворимый в воде фторапатит Са₅(РО₄)₃F, поэтому содержащийся в нем фосфор не усваивается растениями. Задача состоит в том, чтобы перевести фосфор в соединения, хорошо растворимые в воде (например, в фосфорную кислоту Н₃РО₄).

Разложение фторапатита с образованием фосфорной кислоты происходит под действием минеральных кислот:

Са₅(РО₄)₃F + 5Н₂SO₄ 3Н₃РО₄ + 5CaSO₄ + HF

Са₅(РО₄)₃F + 10HCl 3Н₃РО₄ + 5CaCl₂+ HF

Са₅(РО₄)₃F + 10HNO₃ 3H₃PO₄ +5Ca(NO₃)₂ + HF

Но фосфорную кислоты можно получить и электротермическим методом, сущность которого состоит в том, что измельченный фосфат смешивают с углем и различными добавками и затем нагревают в электропечи. При температуре 1200-1300⁰ С происходит разложение фторапатита с образованием элементарного фосфора

2Ca₅(PO₄)₃F + 15C + H₂O 3P₂ + 15CO + 10 CaO + 2HF.

Фосфор выделяют, а затем сжигают в токе воздуха 2P₂ + 5O₂ 2P₂O₅; при соединении фосфорного ангидрида с водой получают фосфорную кислоту P₂O₅ + 3H₂O 2H₃PO₄.

Задача состоит в том, чтобы выбрать наиболее экономичный способ (проанализировав все эти способа). Результаты анализа научных исследований и работы промышленных установок показывают, что в настоящее время экономически выгоднее получать фосфорную кислоту по первому методу (т.е. при разложении серной кислотой). В этих схемах надо учитывать и получение минеральных кислот – в настоящее время экономически более выгодно получать серную кислоту.

В районах с дешевой электроэнергией экономически выгодным может быть также электротермический способ получения фосфорной кислоты (в мировой практике около 10 % H₃PO₄ производится электротермическим способом).

Таким образом, в основе выбора химической схемы лежит экономическая эффективность производства.

Химико-технологических процессов очень много и, конечно, много химических схем; они весьма разнообразны, некоторые из них весьма сложны, некоторые – весьма оригинальны. Примером оригинальной схемы может служить химическая схема производства соды. Схема получения соды аммиачным способом была разработана еще в 60-х годах Х1Х в. Этот способ состоит из нескольких рационально оформленных стадий, что обеспечивает аммиачному способу высокую экономическую эффективность. Суммарное уравнение:

2NaCl + CaCO₃ Na₂CO₃ + CaCl₂.

Химическая схема процесса может быть представлена в таком виде (сырье: известняк CaCO₃ и природная поваренная соль NaCl, отходпроизводства CaCl₂)

NaCl + NH3 + CO2 + H2O NH4Cl + NaHCO3

Процесс состоит в том, что в результате обжига известняка CaCO₃ получают негашеную известь СаО и двуокись углерода СО₂. Последняя реагирует с NaCl и аммиаком с образованием хлористого аммония NH₄Cl и кислой углекислой соды NaHCO₃. При нагревании NaHCO₃ происходит ее разложение с образованием целевого продукта - соды Na₂CO₃ и СО₂; двуокись углерода возвращается в процесс. Окись кальция превращается в гидроокись, а затем взаимодействует с NH₄Cl с образованием газообразного аммиака и хлористого кальция; аммиак возвращается в процесс, а CaCl₂ выводится изпроцесса и захоранивается в виде водного раствора. Огромные количества: на каждую тонну соды выводится около 9 м³ водного раствора хлористого кальция. Поскольку производство соды, вероятно, еще долго будет проводиться по аммиачному способу, становится очевидным, насколько сложной и чрезвычайно важной становится проблема и сохранения, и утилизации огромных количеств накапливающихся отходов хлористого кальция.

Химическая схема производства соды является примером квалифицированного оформления ХТП. Именно поэтому способ работает и сейчас. Прошло почти 150 лет, а этот способ успешно эксплуатируется и в наше время. Ему нет еще пока равноценной замены, даже несмотря на то, что получается отход производства – хлористый кальций.

А теперь в качестве примера выбора химической схемы производства рассмотрим различные варианты производства нитрата аммония – искусственного азотного удобрения, широко применяемого в сельском хозяйстве. Для сравнения сопоставим все процессы, которые можно себе представить. Некоторые из этих процессов имеют уже только историческое значение, реализация некоторых просто невозможна в современных промышленных условиях, но некоторые из процессов широко используемые методы. Таких вариантов можно предложить десять.

В основе всех методов лежит химическая реакция получения нитрата аммония из водного аммиака и азотной кислоты:

NH₄OH + HNO₃ NH₄NO₃ + H₂O

но так просто нитрат аммония можно получить только в лабораторных условиях, где весь процесс будет состоять только из двух стадий (метод 1):

а) NH₄OH + HNO₃ NH₄NO₃ + H₂O (cильно экзотермическая

реакция),

б) выпаривание раствора и кристаллизация нитрата аммония.

В промышленных вариантах необходимо предварительно получать исходные компоненты.

Например, в наиболее старом промышленном методе главными исходными веществами были аммиачная вода (с газового завода), натриевая (чилийская) селитра, а вспомогательным исходным веществом – серная кислота (метод 2):

а) NaNO₃ + H₂SO₄ HNO₃ + NaHSO₄,

б) NH₄OH + HNO₃ NH₄NO₃ + H₂O (как в методе 1),

в) выпаривание и кристаллизация нитрата аммония (как в методе 1).

Процесс не экономичен, поэтому в настоящее время не используется.

Одно время использовался метод, где азотную кислоту получали в электрической дуге (метод 3). Основными исходными веществами были воздух, вода и аммиачная вода.

а) N₂ + O₂ 2NO (в электрической дуге),

б) 4NO + 2H₂O + 3O₂ 4HNO₃ (абсорбция окислов азота водой),

в) NH₄OH + HNO₃ NH₄NO₃ + H₂O (как в методе 1),

г) выпаривание и кристаллизация (как в методе 1).

В этом методе использовалось несколько различных по конструкции дуговых печей, но низкий тепловой КПД реакции (а) был причиной большого расхода энергии в процессе, поэтому данный метод уже давно не применяется.

В основе следующего метода (метод 4) лежит известная реакция разложения нитрита аммония NH₄NO₂ N₂ + 2H₂O. Если бы удалось повернуть эту реакцию обратно, то затем с последующим окислением нитрита кислородом воздуха можно было бы получить нитрат. Тогда основными веществами были бы воздух и вода.

а) N₂ + 2H₂O NH₄NO₂

б) 2NH₄NO₂ + О₂ 2NH₄NO₃.

Однако, термодинамический расчет показывает, что обращение реакции разложения нитрита аммония можно было бы добиться лишь в условиях, которые невозможно реализовать в настоящее время. Таким образом, данный (предполагаемый) метод нереален.

Можно синтезировать нитрат аммония из воды и воздуха через аммиак (без участия вспомогательных исходных веществ). Основные исходные вещества – воздух и вода (метод 5):

а) 2H₂O 2H₂ + O₂ (электролиз),

б) N₂ + 3H₂ 2NH₃ (катализатор – активированное железо,

t 450⁰С, р= 200-1000 атм.),

в) 4NH₃ + 5O₂ 4NO + 6H₂O (катализатор – платиновая сетка,

t 900⁰С),

г) 4NO + 2H₂O + 3O₂ 4HNO₃ (абсорбция окисла азота водой),

д) NH₃ + HNO₃+ H₂O NH₄NO₃ + H₂O (как в методе 1),

е) выпаривание и кристаллизация (как в методе 1).

Этот метод применяется только тогда, когда имеется недорогая электроэнергия, расходуемая в больших количествах в процессе электролиза. Хотя устройство для получения водорода путем электролиза воды и довольно дорого, но синтез аммиака с последующим получением азотной кислоты в настоящее время является общепризнанным методом. Поэтому этот метод вполне осуществим в промышленных условиях.

Можно синтезировать нитрат аммония из воздуха и воды с использованием вспомогательного исходного вещества – метана (метод 6). Основные исходные продукты – воздух и вода. Вспомогательный исходный продукт – метан (природный газ).

а) вариант 1

СН₄ + Н₂О СО + 3Н₂ (t 800⁰С, никелевый катализатор),

вариант 2 – сжигание метана в смеси кислорода и водяных паров

2СН₄ + О₂ + Н₂О СО₂ + СО + 5Н₂

б) СО + Н₂О СО₂ + Н₂ (t 400⁰С, катализатор – окись железа,

активированная окисью хрома),

в) удаление СО₂ и СО из смеси (вымывание СО₂ под давлением 20 ат и

дальнейшая очистка газа),

г) N₂ + 3Н₂ 2NН₃ (как в пункте 5б),

д) 4NH₃ + 5O₂ 4NO + 6H₂O (как в пункте 5в),

е) 4NO + 2Н₂О + 3O₂ 4HNO₃ (как в пункте 5г),

ж) NH₃ + HNO₃ NH₄NO₃ (как в пункте 1а).

Этот способ широко применяется в промышленности.

Можно одновременно производить из воздуха, воды и метана два продукта – нитрат аммония (главный продукт) и ацетилен (побочный продукт) – метод 7. Основные исходные вещества – воздух, вода, метан (природный газ).

a) СН₄ + О₂ CO + H₂ +H₂O (сгорание метана в кислороде

C₂H₂ +H₂ быстрое охлаждение продуктов реакции),

б) разделение газообразных продуктов,

в) CO + H₂O CO₂ + H₂ (как в пункте 6б),

г) удаление CO₂ и CO (как в пункте 6в),

д) N₂ + 3H₂ 2NH₃ (как в пункте 5б),

е) 4NH₃ + 5O₂ 4NO + 6H₂O (как в пункте 5в),

ж) 4NO + 2Н₂О + 3O₂ 4HNO₃ (как в пункте 5г),

з) NH₃ + HNO₃ NH₄NO₃ (как в пункте 1а).

Учитывая большое промышленное значение обоих продуктов: водорода (для синтеза аммиака) и ацетилена (для синтеза хлорвинила и других мономеров), этот метод часто применяют в промышленности.

Можно синтезировать нитрат аммония из воздуха и воды с участием кокса (или бурого угля) – метод 8. Основные исходные вещества – воздух, вода. Вспомогательное исходное вещество – кокс (или уголь).

а) вариант 1

С + Н₂О СО + Н₂ (получение водяного газа в генераторе),

вариант 2

2С + Н₂О + О₂ СО + СО₂ + Н₂ (получение газа в генераторе с

кислородно-паровым поддувом),

б) CO + H₂O CO₂ + H₂ (как в пункте 6б),

в) удаление CO₂ и CO (как в пункте 6в),

г) N₂ + 3H₂ 2NH₃ (как в пункте 5б),

д) 4NH₃ + 5O₂ 4NO + 6H₂O (как в пункте 5в),

е) 4NO + 2Н₂О + 3O₂ 4HNO₃ (как в пункте 5г),

ж) NH₃ + HNO₃ NH₄NO₃ (как в пункте 1а).

Метод используется в промышленности, но уступает методу, основанному на переработке метана, как более низкому по стоимости и требующему меньшей и не очень дорогой аппаратуры для производства водорода.

Можно получать нитрат аммония в круговом процессе с использованием нескольких вспомогательных исходных веществ (метод 9). Основные исходные вещества – воздух, вода. Вспомогательные исходные вещества – окись кальция, кокс.

а) СаО + 3С СаС₂ + СО (в электрической печи),

б) СаС₂ + N₂ CaCN₂ + C (в электрической печи),

в) CaCN₂ + 3H₂O 2NH₃ + CaCO₃ (в автоклаве),

г) 4NH₃ + 5O₂ 4NO + 6H₂O (как в пункте 5в),

д) 4NO + 2Н₂О + 3O₂ 4HNO₃ (как в пункте 5г),

е) NH₃ + HNO₃ NH₄NO₃ (как в пункте 1а).

Метод получения аммиака путем гидролиза цианамида некоторое время использовался в промышленности, но затем он был отвергнут как неэкономичный. Хотя и существует теоретическая возможность регенерации СаО и возвращения ее в цикл, но это дело не меняет

ж) СаСО₃ СаО + СО₂.

Карбид кальция СаС₂ производится, однако, таким способом по-преж-нему.

Наконец, последний – метод 10. Получение нитрата аммония с применением вспомогательных исходных веществ и одновременным получением ценного побочного продукта – металлургической окиси алюминия из боксита. Основные исходные вещества – воздух, вода, боксит. Вспомогательное исходное вещество – кокс.

а) Al₂O₃ + 3C + N₂ 3AlN +3CO (получение и разложение

б) 2AlN + 3H₂O Al₂O₃ + 2NH₃ нитрита алюминия),

в) 4NH₃ + 5O₂ 4NO + 6H₂O (как в пункте 5в),

г) 4NO + 2Н₂О + 3O₂ 4HNO₃ (как в пункте 5г),

д) NH₃ + HNO₃ NH₄NO₃ (как в пункте 1а).

Данный метод не имел промышленного применения из-за трудностей нахождения конструкционных материалов, устойчивых в условиях проведения реакции.

Рассматривая все эти десять методов получения нитрата аммония, можно сказать вот что. Конечно, теоретически все десять возможны (на бумаге). Но чтобы оценить реальную практическую пригодность этих методов, необходимо провести их предварительный анализ. Анализ должен заключаться в установлении расхода исходных веществ и расхода энергии. Обычно это делается путем проведения стехиометрических вычислений и путем определения достигаемого выхода на основе термодинамического расчета.

Если бы мы сделали такие расчеты, мы увидели бы следующее. Хотя первый метод (лабораторный) получения нитрата аммония из аммиака и азотной кислоты лежит в основе промышленных решений, но необходимо нахождение экономичных методов промышленного производства аммиака и азотной кислоты. Получение азотной кислоты из «чилийской» селитры (метод 2) – это, конечно, не практично и метод имеет только историческое значение. Образование окислов азота в электрической дуге (метод 3) проходит при очень высоких температурах; термодинамические расчеты значений константы равновесия реакции 3а и расчет теплового баланса показывают, что выход реакции будет невелик, а расходы энергии на нагревание реагентов будут очень велики. Метод 4 совершенно не реален (расчеты показывают, что изменение энергии Гиббса в случае реакции 4а имеет высокое положительное значение – даже при недостижимом в техническом отношении очень высоких давлений 10⁵¹ ат концентрация продукта была бы порядка 10^-6 кмоль/м³, и, следовательно, реакция не может иметь практического значения). Использование аммиака, получаемого из азота и водорода, делает этот метод (метод 5) применимым в промышленном масштабе; но применяется этот метод только в тех странах, где есть недорогая электроэнергия, что обеспечивает рентабельное производство водорода электролизом воды. Методы 6-8, в которых водород для синтеза аммиака получается из природного газа или кокса, имеют явное предпочтение. Особенно заслуживает внимание метод 7 ввиду одновременного получения ценного побочного продукта – ацетилена. Метод 9 не рентабелен в виду значительных расходов вспомогательных исходных веществ и электроэнергии. Метод 10 (одновременное получение аммиака и окиси алюминия) является довольно интересным, а стехиометрические и термодинамические расчеты показывают, что рентабельность производства не исключена.

1.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА

После выбора химической схемы производства необходимо разработать технологическую схему, чтобы иметь общее графическое представление о ХТП.

1.3.1. СПОСОБЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ СХЕМ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

СИСТЕМ

В настоящее время для более детального изучения ХТС и отыскания оптимальных вариантов ее содержания и функционирования целесообразно иметь такую модель ХТС, которая отражала бы технологические связи между элементами системы, сущность химико-технологического процесса и экономику процесса. Для этого рассматривают элементы ХТС на моделях, которые бывают математическими и качественными (обобщенными). Качественные модели существуют двух видов: операционно-описательные и иконографические.

Операционно-описательные модели – это словесное описание процесса функционирования системы. В нем приводятся основные химические реакции, по которым осуществляется получение целевого продукта (т.е. химическая схема процесса), дается описание процессов, происходящих в аппаратах системы, приводятся сведения о составе сырья, о значениях параметров технологического режима и т.п. На практике операционно-описательная модель – это различные виды проектно-конструкторской документации, технологические регламенты и всякие другие "прописи".

Иконографические модели всегда связаны с наглядным графическим изображением, чертежом. Обобщенные иконографические модели дают лишь качественное представление о функционировании системы. Это – различного вида схемы ХТП, выполненные в виде рисунков и чертежей. Существует несколько разновидностей таких схем: функциональная (принципиальная), структурная, операционная (операторная) и технологическая.

Составление различных видов схем покажем на примере синтеза аммиака. Вначале посмотрим химическую схему процесса, т.е. реакции по которым осуществляется процесс.

С целью получения водорода проводят конверсию метана (природного газа) водяным паром (паровая конверсия)

СН₄ + Н₂О (пар) СО + 3Н₂ – Q₁

и кислородом воздуха (кислородная конверсия)

CH₄ + 0,5O₂ CO + 2H₂ + Q_2.

Получаемый оксид углерода в дальнейшем конвертируется водяным паром с получением водорода: CO + H₂O (пар) H₂ + CO₂ + Q₃

Так как конверсия ведется не чистым водяным паром, а в смеси с воздухом, то в продуктах реакции наряду с водородом присутствует азот – получается азотоводородная смесь (авс). Далее идет собственно синтез аммиака: N₂ + 3H₂ 2NH₃ + Q₄

Чтобы показать принцип составления различного вида схем, рассмотрим только один узел производства – цех синтеза аммиака.

Функциональная (принципиальная) схема дает общее представление о процессе функционирования ХТС. На схеме выделяются основные узлы (подсистемы), выполняющие определенную технологическую операцию, показаны технологические связи между ними. По схеме можно определить, какие операции совершаются в производстве и в какой последовательности. Сведений же о типах отдельных элементов функциональная схема не дает.

Функциональная схема производства аммиака выглядит так:

подготовка сырья

Отделение NH3 от авс

Охлаждение

Сжатие авс

авс

химическое

Сжатие авс

превращение

Синтез аммиака

Разделение NH3 и авс

Охлаждение

выделение продукта

Структурная схема ХТС дает изображение всех элементов системы в виде блоков, имеющих несколько входов и выходов, показывает технологические связи между блоками. Как и функциональная, структурная схема не содержит информации об отдельных типах элементов, но зато технологические связи в ней указывают направления движения материальных и энергетических потоков системы.

Структурная схема производства аммиака выглядит так:

G₁ G₂ G₃ G₄ G₅ G₇

L₁ G₆ L₂

G₁₂ G₁₁

G₁₀ G₉ G₈

L₅ L₄ L₃

1 – компрессор, 2 – инжектор (смеситель двух потоков разных давлений), 3 – теплообменник, 4 – испаритель жидкого аммиака, 5,8 – сепараторы, 6 – колонна синтеза аммиака, 7 – водяной холодильник, 9 – циркуляционный компрессор.

G₁ – G₁₂ – потоки газа, L₁ – L₅ – потоки жидкости.

Операторная схема в отличие от двух предыдущих дает наглядное представление о физико-химической сущности технологических процессов системы. Для этого каждый элемент ХТС изображается в виде определенного типового оператора, который качественно или количественно преобразует физические параметры входных материальных и энергетических потоков. Технологические операторы обычно делят на основные и вспомогательные. Основные технологические операторы обеспечивают функционирование ХТС в требуемом целевом направлении. К ним относят технологические операторы химического превращения, межфазного массообмена, смешения и разделения:

химическое смешение разделение

превращение межфазный

массообмен

Вспомогательные технологические операторы используют для повышения эффективности функционирования системы путем изменения ее энергетического и фазового состояния. К ним относят операторы нагрева и охлаждения, сжатия и расширения, изменения агрегатного состояния (конденсация, испарение, растворение):

сжатие или изменение

нагрев или расширение агрегатного состояния

охлаждение вещества

Взаимодействие отдельных технологических операторов осуществляется благодаря технологическим связям между ними. Каждой технологической связи соответствует некоторый материальный или энергетический поток, называемый технологическим потоком.

Операторная схема производства аммиака будет выглядеть так:

М₅

1 2 3 4 5

М₁ М₂ М₃ М₄ М₇ М₉

М₁₅ М₆ М₈ 6

М₁₇ 9 М₁₆ М₁₁

8 М₁₃ 7 М₁₀

М₁₄ М₁₂

1 – компрессор, 2 – инжектор, 3 – теплообменник, 4 – испаритель жидкого аммиака,

5, 8 – сепараторы, 6 – колонна синтеза (реактор), 7 – водяной холодильник, 9 – циркуляционный компрессор. М₁ – М₁₇ – физические потоки.

Наконец, технологическая схема дает наиболее полное качественное представление о процессе. Каждый элемент показан в ней в виде условного общепринятого стандартного изображения, технологические связи показаны направленными линиями со стрелками. По схеме можно судить о типах и способах соединения элементов (аппаратов и машин), о последовательности отдельных технологических процессов. Иногда на схеме приводят краткие указания о химическом составе; приводят наиболее важные данные, которые характеризуют качества исходного сырья. промежуточных и конечных продуктов. В некоторых случаях аппараты изображают с соблюдением масштаба. чтобы получить представление об их габаритах и конструкции, например

компрессор (1) колонна

синтеза

аммиака (6)

Технологическая схема наиболее информативна.

Мы рассмотрели разновидности только одного класса моделей ХТС – качественные (обобщенные). Другая часть моделей ХТС -–математические – дают количественное описание процесса. Они также могут быть представлены в нескольких разновидностях.

1.3.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВЯЗИ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОЦЕССОВ

ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Рассмотрение схем ХТС показывает, что существует определенное взаимодействие между отдельными элементами системы. Это взаимодействие обеспечивается наличием технологических связей между ними. При всей сложности ХТС представляется возможным выделить некоторые типовые технологические связи (т.е. способы соединения простых элементов процесса в схему).

Любое химическое производство может работать либо в непрерывном режиме, либо в периодическом (иногда полунепрерывном). При непрерывном способе производства существуют следующие основные типы соединений элементов процесса в схему: последовательное, последовательно-обводное, параллельное, обратное и перекрестное.

При последовательном соединении весь технологический поток, выходящий из предыдущего аппарата, поступает в последующий элемент, следовательно, при этом через каждый элемент схемы поток проходит лишь один раз

Vn

V2

V1

C_A0, X_A0 C_A1, X_A1 C_A2, X_A2 C_An, X_An

….

Этот тип связи – наиболее распространенный, его широко применяют, когда степень превращения вещества в каждом предшествующем аппарате достаточно велика для эффективной переработки полученных продуктов в каждом последующем аппарате. Последовательную связь применяют, когда необходимо повысить степень превращения, создать оптимальный температурный режим, обеспечить промежуточный отвод продуктов реакции. Если степень превращения в одном аппарате невелика, то для ее увеличения на стадии химических превращений устанавливают последовательно несколько реакторов (каскад реакторов), суммарный объем которых будет равен сумме реакторов, или же секционируют аппараты горизонтальными полками (тарелками, решетками). И тогда повышается суммарная степень превращения. Если в первом реакторе изменение степени превращения составит , во втором и т. д., то суммарная степень превращения будет: .

В зависимости от цены на сырье, в зависимости от себестоимости его переработки и с учетом охраны окружающей среды от вредных отходов определяется необходимое число ступеней реактора или же число последовательно установленных реакторов в батарее. По такой схеме, например, осуществляют получение бутадиен-стирольного каучука (СКС) – эмульсионной полимеризацией бутадиена и стирола: смесь мономеров (включая эмульгатор, регулятор, инициатор) поступает в батарею полимеризаторов (последовательно соедин