Химические технологии

метки: Химический, Технология, Современный, Введение, Уравнение, Производство, Компонент, Сырье

Что является объектом химической технологии?

Химическая технология (ХТ) — естественная, прикладная наука о способах и процессах производства продуктов (предметов потребления и средств производства), осуществляемых с участием химических превращений технически, экономически и социально целесообразным путем. Объектом исследования ХТ является химическое производство.

Методы исследования ХТ- экспериментальный, моделирование и системный анализ.

Конечной целью ХТ как прикладной науки является создание способов производства . Способ производства — это совокупность всех операций, которые проходит сырье до получения из него продукта.

Определение химической технологии. Предмет ее изучения и цель

химический ресурс сырье промышленность

Химическая технология (ХТ) — естественная, прикладная наука о способах и процессах производства продуктов (предметов потребления и средств производства), осуществляемых с участием химических превращений технически, экономически и социально целесообразным путем.

Исторически химическую технологию условно подразделяют на технологию неорганических и органических веществ, хотя оба раздела технологии объединяются общими принципами и закономерностями.

3. Химическое производство. Определение, структура и функциональные элементы

Химическое производство является сложной химико-технологической системой, состоящей из большого числа аппаратов и разнообразного оборудования и связей между ними.

Химическое производство — система соединенных потоками машин и аппаратов, в которых осуществляется химико-технологический процесс.

Основное назначение химического производства — получение продукта.

Общая структура химического производства — собственно химическое производство, хранение сырья и продукции, транспорт, системы контроля и безопасности.

Рис. 1. Структура и функциональные элементы химического производства:

1 — подготовка сырья; 2 — переработка сырья; 3 — выделение основного продукта; 4 — санитарная очистка и утилизация отходов; 5 — энергетическая система; 6 — подготовка вспомогательных материалов и водоподготовка; 7 — система управления

Контрольная работа: Общественное производство и его структура

... от отдельных отраслей общественного производства, совокупное производство не имеет строго очерченных социальных пространственно-временных границ и не локализовано в структуре общественно-экономической формации. Рассматривая ... сырья и безвозмездного потребления природных ресурсов привел к росту затрат в добывающих и обрабатывающих отраслях, увеличение расходов на внедрение очистительных технологий, ...

Химическое производство является многофункциональным и включает в себя функциональные элементы, представленные на рис. 1.1. Поз. 1 — 3 на рис. 1 — собственно химическое производство , в котором сырье перерабатывается в продукт.

4. Основные подсистемы и основные технологические компоненты химического производства

Основные подсистемы химического производства —

а) подготовки сырья,

б) химических и физико-химических превращений,

в) выделения продуктов,

г) обезвреживания и утилизации отходов,

д) тепло- и энергообеспечения,

е) водоподготовки,

ж) управления производством.

Основные те х нологические компоненты —

I. Переменные компоненты постоянно потребляются или образуются в производстве:

1. сырье, поступающее на переработку;

2. вспомогательные материалы;

3. продукты — основной и дополнительный — как результат переработки сырья;

4. отходы производства;

5. энергия, обеспечивающая функционирование производства.

II. Постоянные компоненты закладываются в производство (оборудование, конструкции) или участвуют в нем (персонал) на весь или почти весь срок его существования:

1. аппаратура (машины, аппараты, емкости, трубопроводы, арматура);

2. устройства контроля и управления;

3. строительные конструкции (здания, сооружения);

4. обслуживающий персонал (рабочие, аппаратчики, инженеры и другие работники производства).

Состав химического производства , обеспечивающий его функционирование как производственной единицы:

1. собственно химическое производство;

2. хранилища сырья, продуктов и других материалов;

3. транспортировка сырья, продуктов, промежуточных веществ, отходов;

4. обслуживающий персонал производственного подразделения;

5. система управления, обеспечения и безопасности.

5. Совокупный химико-технологический процесс. Определение. Виды отдельных процессов

Совокупный химико-технологический процесс — взаимосвязанные химические превращения и физические процессы переработки сырья в продукты. В нем выделяются следующие виды отдельных процессов и операций, классифицированных по их основному назначению, и соответствующие аппараты или машины, в которых они осуществляются:

1. механические и гидромеханические процессы — перемещение материалов, изменение их формы и размеров, сжатие и расширение, смешение и разделение потоков. Все они протекают без изменения химического и фазового состава обрабатываемого материала. Для проведения этих процессов предназначены транспортеры, питатели, дробилки, диспергаторы, формователи, компрессоры, насосы, смесители, фильтры;

2. теплообменные процессы — нагрев, охлаждение, изменение фазового состояния. Химический и фазовый состав в них не меняется. Они протекают в теплообменниках, кипятильниках, конденсаторах, плавилках, сублиматорах;

Биохимические и микробиальные изменения мяса после его выработки ...

... МЯСА ПРИ ВОЗНИКАЮЩИХ ИЗМЕНЕНИЯХ В ПРОЦЕССЕ ЕГО ХРАНЕНИЯ. В процессе хранения в мясе могут появиться различные отклонения по сравнению с нормальным. Одни из них (изменение цвета, загар) происходят под влиянием физико-химических ... На этом основано консервирование мяса, мясопродуктов и технического животного сырья. Биологические процессы в живом организме протекают при определенном коллоидном состоянии ...

3. массообменные процессы — межфазный обмен, в результате которого меняется компонентный состав контактирующих фаз без коренного изменения химического состава, т. е. химических превращений. К ним относятся растворение, кристаллизация, сушка, дистилляция, ректификация, абсорбция, экстракция, десорбция, осуществляемые в соответствующих аппаратах — сушилках, дистилляторах, ректификаторах, абсорберах, экстракторах, десорберах;

4. химические процессы

Кроме указанных основных процессов совокупного химико-технологического процесса в химическом производстве осуществляются также:

5. энергетические процессы

6. процессы управления

Часто в каком-либо процессе имеют место одновременно два явления и более. В таких случаях процесс следует классифицировать по его основному назначению в общем технологическом процессе. Например, сжатие газа в компрессоре сопровождается его нагревом, но по основному назначению это процесс механический. В детандере сжатый газ совершает механическую работу, сильно при этом охлаждаясь. По назначению это процесс теплообменный, предназначенный для выработки холода.

Исследование, и разработка отдельных процессов, а также обеспечение нормального функционирования их совокупности — химико-технологического процесса — основная профессиональная область деятельности химика-технолога.

6. Структура химического производства

Общая структура химического производства — собственно химическое производство, хранение сырья и продукции, транспорт, системы контроля и безопасности.

Рис. 1. Структура и функциональные элементы химического производства:

1 — подготовка сырья; 2 — переработка сырья; 3 — выделение основного продукта; 4 — санитарная очистка и утилизация отходов; 5 — энергетическая система; 6 — подготовка вспомогательных материалов и водоподготовка; 7 — система управления

Химическое производство является многофункциональным и включает в себя функциональные элементы, представленные на рис. 1.1. Поз. 1 — 3 на рис. 1 — собственно химическое производство , в котором сырье перерабатывается в продукт.

7. Материальный и тепловой балансы. Основа материального и теплового балансов. Методика составления и расчета материальных и тепловых балансов

Материальный баланс ХТС. Химический состав и количество многокомпонентной смеси позволяют определить почти все ее свойства, рассчитать количество каждого компонента и, следовательно, производительность, расход исходной смеси, количество отходов и многое другое. Для расчета тепловых потоков также необходимы состав и количество материальных потоков. Поэтому материальный баланс необходим при любых расчетах ХТС.

Будем оперировать в материальном балансе общим количеством вещества (величиной потока) и количеством компонентов в потоке. Концентрации как доли компонентов в потоке будем использовать реже. Поскольку материальный баланс основан на законе сохранения массы, количества веществ и величины потоков будем определять, как правило, в массовых величинах, обозначаемых буквой G с необходимыми индексами.

Межотраслевой баланс

... 1.2 Отраслевая и межотраслевая структура национальной экономики межотраслевой баланс национальный экономика Отраслевая структура национальной экономики заключается в группировке хозяйствующих субъектов в однородные по своему составу группы, связанные однородными функциональными характеристиками,- отрасли национальной экономики. Отраслевая структура национальной экономики проходит следующие ...

Поскольку состояния потоков меняются в элементах, рассмотрим различные типы элементов и составление для них материального баланса между входными и выходными потоками.

Элемент без химических и фазовых превращений (теплообменник, насос, дробилка).

Естественно, что ни величина потока, проходящего через такой элемент, ни количество компонентов в потоке меняться не будут. При рассмотрении только материального баланса такие элементы можно не включать в ХТС.

Смеситель объединяет два потока:

G ₁ ,вх + G₂ , вх = Gвых (2.8)

G _{i ,1} ,вх + G_{i ,2} , вх = G_i ,вых

Здесь индексы 1 и 2 относятся к двум входным потокам, индекс i — к i-му компоненту потока. Обозначим g _i , g _{i ,1} и g _{i ,2} — массовые концентрации i-го компонента соответственно в смешанном и в двух входящих в смеситель потоках:

g _i,1 = G_{i1, вх} /G_1,вх ; g_i,2 = G_{i2, вх} /G_2,вх (2.9)

g _i = G_i,вых /G_вых = (G_i1,вх + G_i2,вх )/(G_i,вх + G_2,вх )

Определив соотношение величин смешиваемых потоков =G ₁ ,_вх /G₂ ,_вх преобразуем последнее равенство из (14):

g _i = ( G_i1,вх / G_2,вх + G_i2,вх / G_2,вх )/( + 1)

и получим связь весовых концентраций (i-го вещества в смешиваемых (g _{i 1} и g _{i 2} ) и выходящем (g _i ) потоках:

g _i = (G_i1,вх /G_1,вх + G_i2,вх / G_2,вх )/( G₁ ,_вх /G₂ ,_вх + 1) = ( g_i1 + g _i , ₂ )/ ( + 1) (2.10)

Из уравнения (2.10) можно получить соотношения, в которые надо смешать два потока, чтобы получить заданную концентрацию g _i :

= (g _i — g _{i 2} )/(g _{i 1} — g _i ) . (2.11)

Последние выражения позволяют решать задачи, часто встречающиеся в практике расчета ХТС. Имеется некоторый поток G _i вx с концентрацией i-го компонента g _{i 1} . Необходимо получить поток с концентрацией этого компонента g _i . Сколько надо добавлять другого потока (g _{2 вх} с концентрацией этого же компонента в нем g _{i 2} ? Или: с какой концентрацией g _i надо добавлять второй поток, чтобы образующийся поток был определенной величины g_вых .

Полиморфные превращения металлов

... Т пА РТпВ – начало полиморфного превращения γ↔α; γ↔β. ТпА – начало полиморфного превращения компонента А . ТпВ – начало полиморфного превращения компонента В . FTпВ – конец полиморфного превращения компонента В : γ↔β. ТпА D – конец полиморфного превращения: γ↔α (А ). PDF – ... С устойчиво α-железо (К 8). В твердом металле полиморфные превращения происходят в результате зарождения и роста кристаллов ...

Делитель простой

G ₁ ,вых = Gвх; G₂ ,вых = (1 — )Gвх.

Соответственно, разделятся по потокам все компоненты:

G _{i 1} ,вых = G _i вх;; G_{i 2} ,вых = (1 — )_i G_bx (2.12)

Реакционный элемент

Напомним некоторые соотношения, необходимые при расчете ХТС:

количество i-го компонента N _i = N _{i ,0} + (N _{i ,0 ij} x _j ) ; (2.13)

^j

концентрация i-го компонента C _i = N _i / N _k ; (2.14)

парциальное давление компонента р _i = РС _i (2.15)

селективность по i-му продукту _i = N _i ,₀ x _i / (N _{i 0} x _j ) ; (2.16)

выход i-го продукта Е _i , = N _{i 0} x _i / n _{i 0} (2.17)

В этих формулах первое исходное вещество входит во все стехиометрические уравнения и его стехиометрический коэффициент в них _ij = -1. Для этого вещества заданы степени превращения х _j в каждом стехиометрическом уравнении. В уравнениях (2.16) и (2.17) предполагается, что i- й компонент — продукт, для которого определяют селективность и выход, образуется только в i-м стехиометрическом уравнении (тогда Е _i = х _i ).

Количества компонентов в этих формулах измеряются в молях (обозначение N), как это традиционно принято в химических науках.

При составлении материального баланса обычно задаются степени превращения исходных веществ в стехиометрических уравнениях как результат химического превращения в реакционном элементе. Этим однозначно определяются количества выходящих из элемента всех компонентов и далее можно определить другие показатели процесса (селективность, выход продукта) и параметры потока (его количество, концентрации).

Но могут быть заданы и другие показатели химического превращения — количество продуктов, концентрации компонентов или их выход, селективности. По (2.13) — (2.17) их можно пересчитать в степени превращения и затем рассчитывать материальный баланс. Таких данных должно быть столько, сколько есть независимых стехиометрических уравнений.

Стехиометрические уравнения с «массовыми» стехиометрическими коэффициентами

SО ₂ + 1/2О₂ = SO₃ .

Мольные массы SО ₂ — 64, О₂ — 32, SО₃ — 80, и это же уравнение с «массовыми» стехиометрическими коэффициентами будет выглядеть так:

64SО ₂ + 16 O₂ = 80 SО₃ .

Уравнения состояния реального газа

... г. предложили новое универсальное уравнение состояния реальных газов с учетом ассоциации и ... реальные газы при высоких Газовой смесью понимается смесь отдельных газов, вступающих между собой ни в какие химические реакции. Каждый газ (компонент) ... превращения. Превращение работы в теплот Одним из функций состояния ... дифференциальных уравнений 10.4, 10.9, 10.10 и 10.11 можно получить уравнение теплоотдачи ...

В такой записи очевиден материальный баланс: суммарная масса исходных веществ равна массе продукта. Формулы (2.13), (2.14), (2.16), (2.17) также можно использовать с «массовыми» стехиометрическими коэффициентами. Естественно, что и другие переменные в них также имеют «массовую» размерность (количества веществ G, а не N, концентрации g, а не С и др.) Используя уравнение (2.13) с «массовыми» стехиометрическими коэффициентами i,j, можно сразу получить массовый баланс в реакционном элементе.

Суммарное (брутто-) стехиометрическое уравнение . В ряде случаев необходимо получить материальный баланс подсистемы и даже ХТС в целом, где протекает последовательно ряд превращений. Рассмотрим пример: в производстве азотной кислоты определить количество HNО₃ , образующейся из 1 т аммиака. В химико-технологическом процессе протекают следующие реакции:

окисление аммиака

4NH ₃ + 50₂ = 4NO + бН₂ О (2.18)

(для простоты объяснения полагаем, что NН ₃ полностью окисляется до NО);

окисление оксида азота

2NO + O ₂ = 2NO₂ ; (2.19)

хемосорбция диоксида азота

3N0 ₂ + Н₂ О = 2HNO₃ + NО. (2.20)

В абсорбционную колонну подается кислород, и образующийся оксид азота повторно окисляется до NO ₂ по реакции (2.19).

Таким образом, образование азотной кислоты представлено стехиометрическими уравнениями (2.18)-(2.20).

Умножим первое из них на 1, второе — на 3, третье — на 2 и сложим их. Получим суммарное стехиометрическое уравнение (брутто-уравнение):

4NH ₃ + 😯₂ = 4НNОз + 4H₂ O. (2.21)

Конечно, такая реакция неизвестна. Но стехиометрическое уравнение показывает, в каких соотношениях реагенты вступают во взаимодействие друг с другом, и этому определению отвечает уравнение (2.21).

Умножим стехиометрические коэффициенты в (2.21) на мольные массы соответствующих компонентов (NH ₃ 17, О₂ — 32, HN0₃ — 63, Н₂ О — 18) и получим:

68NH ₃ + 256O₂ = 252HNO₃ + 72Н₂ O.

Из этого уравнения видно, что для производства 252 кг НNОз надо затратить 68 кг NНз, а на 1 т (1000 кг) HNO ₃ пойдет (g) 1000/252 = 270 кг аммиака. Удобство записи суммарного стехиометрического уравнения очевидно.

Равновесные химические реакции.

K _P = ПC _i ^I илиK _P = Пp _i ⁱ (2.22)

Концентрации компонентов можно записать в виде их зависимости от степени превращения, используя уравнения (2.13), (2.14).

Подставив их в (2.22), находим значения равновесной степени превращения и из (2.14) — количества всех компонентов. Для сложной схемы превращения число уравнений вида (2.22) будет равно числу независимых стехиометрических уравнений.

Приведем пример расчета материального баланса в паровой конверсии метана, полагая, что в ней достигается равновесие. Протекают две реакции

Сравнительный анализ рециркуляционных схем на примере реакции изомеризации

... температуре и давлении, соответствующих максимальной скорости реакции. Каталитические реакции должны проводиться в присутствии катализаторов, проявляющих высокую активность при малых степенях превращения. Катализатор следует выбирать путем сравнения его работы ... компонентов реакции, так и смесь, содержащую один или несколько компонентов. ... или дифференциальных уравнений. Уравнения, входящие в ...

СН ₄ + Н₂ О = СО + ЗН₂ ; СО + Н₂ О = СО₂ + Н₂ .

Известны константы равновесия этих реакций — соответственно K _{p 1} и K_р2 . Для материального баланса воспользуемся такими стехиометрическими уравнениями:

СН ₄ + Н₂ О = СО + ЗН₂ ; СН₄ + 2Н₂ О = СО₂ + 4Н₂ .

Второе из них получено сложением уравнений (27).

Присвоим индексы компонентам: 1 — СН ₄ , 2 — Н₂ О, 3 — Н₂ , 4 — СО, 5 — СО₂ . Степени превращения СН₄ : по первому уравнению -x₁ , по второму — x₂ ; общая степень превращения метана х = x₁ + x₂ — Исходная реакционная смесь состоит из СН₄ и Н₂ О в количестве N ₁ о и N ₂ о. В соответствии с (2.12) получим количества всex компонентов, выраженные через степени превращения метана х ₁ и x ₂ :

N ₁ = N _{1 0} — N _{1 0} x ₁ — N _{1 0,} х ₂ = N ₁₀ (1 — x ₁ — x ₂ );

N ₂ = N _{2 0} — N _{1 0} x ₁ — 2N _{1 0,} х ₂ = N ₂₀ — N ₁₀ ( x ₁ +x ₂ );

N ₃ = 3 N _{1 0} x ₁ + 4N _{1 0} х ₂ = N ₁₀ (3x ₁ +4x ₂ );

N ₄ = N _{1 0} x ₁ ; N ₅ = N _{1 0} x ₂

Общее число молей N _i = N ₁₀ ( 1 +2x ₁ +2x ₂ ) + N _{2 о}

Парциальные давления получим из (2.14) и (2.15).

Например, для метана:

P ₁ =P (N i/N _i ) = P{ N₁₀ (1 — x ₁ — x ₂ )/[ N ₁₀ (1 +2x ₁ +2x ₂ ) + N ₂ ]} = P[(1 — x ₁ — x ₂ )/ (1 + +2x ₁ +2x ₂ )].

Здесь использовано принятое обозначение соотношения «пар : газ» в исходной смеси = N _{2 0} /N _{1 0} . Аналогично находятся все p _i . В равновесии

К _p1 = p₄ p³ ₃ /p₁ p₂ = P² x ₁ (3x ₁ +4x ₂ )³ /[(1 — x ₁ — x ₂ )( —x ₁ -2x ₂ ) (1 + +2x ₁ +2x ₂ )² ];

Методы разделения компонентов нефти

... испарителе, нагретом до температуры выше конца кипения фракции, и затем разделяется в хроматографической колонке. Выходящий из колонки поток газа-носителя, содержащий пары разделенных компонентов смеси, проходит ... фронтальном анализе понентов. Метод не нашел широкого применения, так как он не дает полного разделения: в чистом виде выделяется только наиболее слабо адсорбирующийся компонент. Рис. 1 ...

К _p1 = p₅ p₃ /p₄ p₂ = x ₂ (3x ₁ +4x ₂ )/ [x ₁ ( —x ₁ -2x ₂ )]

Заметим, что константы равновесия заданы для реакций (2.23), а количества компонентов получены из других стехиометрических уравнений — (2.24).

Из системы двух уравнений (2.25) определяем х ₁ и х ₂ . Полученная система уравнений не простая — выразив из второго уравнения системы х ₂ как функцию x₁ и подставив в первое, получим алгебраическое уравнение третьего порядка относительно х ₁ . Применение ЭВМ, конечно, облегчает решение. Найдя х ₁ и х ₂ , рассчитываем состав прореагировавшей смеси, потоки всех компонентов N _i .

Элемент с фазовыми превращениями

Рис. 13.

Парциальное давление i-го компонента р, над многокомпонентной жидкостью определяется законом Рауля:

p _i ⁼ p* _i n _{i ж}

где p* _i (Т,Р) — парциальное давление компонента над чистой жидкостью, зависящее от температуры Т и давления Р и потому известное для данных условий:

n _{i ж} = N _{i ж} / N _{i ж} = (G _{i ж} /M _i )/ (G _{j ж} /M _j ) — мольная доля компонента в жидкости, выраженная через массовое ее количество G _{i ж} и молекулярную массу M _i .

Парциальное давление компонента выразим через его мольную долю n _iп , мольноеи массовое G _{i п} содержание в паре:

p _i = P n _{i п} = P N _{i п} /N _jn = P (G _{i п} /M _i )/ (G _{j ж} /M _j ).

Каждый компонент распределяется между двумя фазами, так что

G _in + G _{i ж} = G _i ,вх

Приравняв (2.26) и (2.27), получим:

( p _i * /P ) (G _i ,вх — G _in )M _i /( G _in /M _i ) = [(G _{j вх} — G _jn )M _j ]/ (G _{j ж} /M _j ); i=1,…, B

Переработка вторичного сырья: инструментальных сталей, осколков ...

... температуре обжига и способе подготовки сырья. 3. Литературный обзор [Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovoy/pererabotka-metallicheskoy-strujki/ 3.1. Основные проблемы переработки вторичного редко металлического сырья ... продукты, содержащие то или иное количество ценного компонента. Вследствие этого прямой выход металла из первичного сырья ... кусковые отходы; Б - стружка, проволока; В - ...

Из системы (2.28) можно найти потоки всех компонентов в паре G _jn и далее — распределение их между двумя выходными потоками. Система (2.28) — нелинейная и решается с помощью ЭВМ.

Если конденсируется один компонент, как при отделении NН ₃ от непрореагировавших N₂ и Н₂ в синтезе аммиака, то (2.28) упрощается. Примем i = 1 для конденсирующегося компонента. Для него p _i = p _i * . Другие компоненты(i = 2, …, В) уходят с газовым потоком, так что G _jn = G _i ,_вх , или N _{i п} = N _{i вх} , _вх или V _{i п} = V _{i вх} ); i=2,…, B.

Сделаем следующие преобразования

p _i * = p ₁ = P N _{1 п} /N _{j п} = P N _{1 п} /(N _{j вх} — N _{1 вх} + N _{1 п} )

(здесь использовано условие N _{i п} = N _{i вх} для всех компонентов, кроме первого, и потому под знаком суммы добавлено и вычтено N _{1 вх} )- Обозначив мольный поток на входе

N вх = N _{j вх} , получим: p _i * = P N _{1 п} /[N _вх — (N _{1 вх} — N _{1 п} )]

Перейдя к более принятым в технологии объемным расходам по газу V, рассчитываемым при нормальных условиях, и принимая газовую (паровую) фазу идеальной (V= 22,4N), получим из последнего выражения:

V _{1 п} = p _i * = P (V _вх — V _{1 вх} ) /(P — p ₁ )

От объемных расходов можно перейти к массовым. Выход жидкого компонента

G _{1 ж} = (V _{1 вх} — V _{1 п} )_1ж ,

где _1ж — его плотность.

В более сложных случаях, как отмечено, приходится решать систему нелинейных уравнений (2.28).

Массообменный элемент

G, _{i1 вых} = G, _{i1 вх} + _i G, _{i 2 вх} ; G, _{i 2 вых} = (1-_i ) G, _{i 2 вх}

пропорциональный делитель.

Такие подходы к описанию элементов ХТС различного назначения на основе материального баланса особенно удобны при разработке системы, когда данные об аппаратурном оформлении не полны или отсутствуют. Даже если такие данные есть, то, задаваясь режимом работы аппарата или агрегата, можно использовать материальный баланс для описания изменения потоков в элементах, что значительно упрощает расчет всей ХТС и ее анализ.

Тепловой баланс ХТС

Разница тепловых энергий потоков, выходящих из элемента XTC и входящих в него, обусловлена подводимым теплом, теплотой реакций и фазовых превращений, а также другими воздействиями на потоки. Из закона сохранения энергии подводимое тепло Q расходуется на изменение внутренней энергии U и работу против внешних сил А:

Q = U + A,

где U = U ₂ — U ₁ — изменение энергии поступательного и вращательного движения молекул, колебания атомов, движения электронов и др. между начальным U ₁ ) и конечным (U ₂ ) состояниями; А — работа против внешнего давления и прочих внешних воздействий (электрического и др.), которые не учитываются в расчетах ХТС;

А = ?р ^. dV .

Элемент ХТС — система открытая, для которой р = const, и (2.31) интегрируется: А = p(V ₂ — V ₁ ) = pV ₂ — pV ₁ . Теперь (2.30) примет вид:

q = (U ₂ — U ₁ ) + (pV ₂ — pV ₁ ) = (U ₂ — U ₁ ) — ((U ₁ + pV ₁ )

Энтальпия системы Н = U + pV, и

Q = H ₂ — H ₁ = H = H _вых — H _вх .

Энтальпии на входе H _вх и выходе H _вых рассчитывают суммированием Н _ij всех компонентов по j потокам: H = ??H _ij .

j i

Изменение энтальпии в элементе ХТС учитывает все превращения потоков и воздействия на них. Такие расчеты успешно используют для определения состояния потоков ХТС.

Практически тепловое состояние потока контролируют температурой, и потому перейдем к «температурной» записи теплового баланса.

Теплоту Q _нагр , требуемую для изменения температуры среды от T₁ до T₂ и равную соответствующему изменению ее энтальпии, найдем из термодинамического определения теплоемкости c_p = (dH/dT) :

Q _нагр = H _T2 — H _T1 = ?c_p .dT

Теплоемкость зависит от температуры (например, c _р = а + bТ) и называется дифференциальной. Интегральная форма расчета разогрева не проста, поэтому используют среднеинтегральную теплоемкость

c _р = [?(c_p .dT) ]/(T ₂ -T ₁ )

и вместо уравнения (2.35) — более простое:

Q _нагр = c _p (T ₂ -T ₁ ).

Температура потоков в элементах ХТС изменяется за счет внутренних источников ( Q _ист ), один из которых — химические превращения. Теплота реакции Q _p равна изменению энтальпии вследствие изменения химического состава реакционной среды (q _p = H _вых — H _вх ) и приведена в справочниках. Если эта теплота пошла на нагрев реакционной среды, то, казалось бы, легко рассчитать ее нагрев из условия q _p = Q _нагр и уравнения (2.34).

Но посколькуH зависит от температуры, то и тепловой эффект зависит от T , и такие данные приведены в справочниках. При какой температуре следует брать Q _P ? Ведь T сложным образом меняется в процессе. Зависимость Q _p (T) есть изменение H как в зависимости от химического состава, так и от температуры. Если учесть изменение q _p (Т) в процессе, а затем использовать его в расчете разогрева по уравнению (2.34), это приведет к вторичному его учету. Избежать этого можно, если использовать правило: «эффект не зависит от пути». Воспользуемся следующей схемой процесса (рис. 14).

Кривая линия изображает путь процесса, в котором протекает химическое превращение и меняется температура от Т ₁ до Т ₂ . Проведем процесс по другому, гипотетическому пути в три этапа:

охладим исходную смесь до температуры Т*, забрав у нее теплоту q ₁ = c _{p 1} (T ₁ —T*); проведем при этой температуре реакцию, теплота которой q _p (Т) ; нагреем образовавшуюся смесь теплом Q q₂ = q₁ + q_p . Результат должен быть такой же — конечная температура будет равна T₂ и q₂ = c _{p 2} (T ₁ -Т*). Интегральные теплоемкости исходной c _{p 1} и конечной c _{p 2} смесей в общем случае различны.

Теплота реакции рассчитывается из термохимического уравнения

A + _B B + … = _R R + _S S + … + Q _P (-H_P ),

представляющего собой стехиометрическое уравнение, в правую часть которого добавлено слагаемое — тепловой эффект реакции Q _P (изменение энтальпии — H_P ).

Теплота, выделившаяся в реакции, зависит от Q _P и глубины протекания реакции — степени превращения х исходного компонента. В уравнении стехиометрический коэффициент перед A _A =1 и q _p = Q _P x _A .

Для сложной реакции q _p = ?Q _{P j} x _{A j} (индекс j относится к j-му стехиометрическому уравнению).

Используемые в справочниках значения c _p и Q _P — удельные, относящиеся к единице количества вещества. Теплоемкость смеси c _p — аддитивное свойство теплоемкостей составляющих ее компонентов c _{p i} ,:

c _p = ?C _i c _{p i} ), где С _i — концентрации компонентов.

Рис 14

С учетом приведенных рассуждений и сделанных замечаний уравнение теплового баланса будет иметь следующие составляющие:

Q _{вх ,i} = G _вх c _{p, вх} (T ₁ -Т*) ;

Q _ист = G _{A вх} ?[Q _{P j} (Т*)x _{A j} ], ;

Q _{вых ,i} = G _вых c _{p, вых} (T ₂ -Т*)

Наибольшие погрешности в расчет вносят следующие упрощения. Можно принять, что изменение Т мало отражается на величине H_P (и Q _P соответственно).

Это обусловлено возрастанием энтальпии всех реагентов с нагреванием. Допущение H_P const означает также малое влияние температуры на разность теплоемкостей исходной и прореагировавшей реакционных смеcей. Можно принять средние значения H_P (Q _P ) и c _p (удельной теплоемкости) в рабочем температурном интервале. Теплоемкость всей смеси — произведение Gc _p — также мало различается для входного и выходного потоков. Поэтому если пользоваться весовыми величинами потоков, как в (2.38), то и удельные теплоемкости можно принять мало меняющимися в процессе. В синтезе аммиака, в котором c _p компонентов (Н₂ , N₂ , NH₂ ) различаются в несколько раз и в процессе значительно изменяется теплосодержание, теплоемкость смеси меняется менее чем на 10%.

Сделанные допущения тем справедливее, чем меньше изменения объема (в газофазной реакции) и температуры в процессе. В первом приближении можно принять:

Q _вх = G_вх c_p T₁ ; Q _ист = G_{A вх} ?[Q_{P j} x_{A j} ];Q _вых = G _вых c _p T ₂

Здесь опущено T* , поскольку при неизменности c _p члены уравнений с ним все равно сокращаются.

Приведем пример приближенного расчета температуры на выходе из сложного по схеме реакторного узла окисления диоксида серы (рис. 15).

Реакционная смесь с начальной концентрацией SO ₂ C ₀ проходит последовательно ряд теплообменников и ряд слоев катализатора, где происходит окисление. Часть потока байпасом направляется между слоями. Известны температуры и степени превращения в каждом слое. Расчет температурного режима всех потоков — весьма громоздкая задача. Расчет температуры только выходящего потока Т _вых проведем с помощью балансовых уравнений (2.7) и (2.38а).

Потоки газофазные, поэтому используем их объемы V:

Vc _P T _вх + Q _P VC ₀ x _к = Vc _P T _вых ,

Рис.

После очевидного преобразования получим

Т _вых = Т _вх + (Q C ₀ /c _P ) x _к ,

или Т _вых = Т _вх + T _ад x _к

Разогрев реакционной смеси, несмотря на сложность структуры реакторного узла, равен адиабатическому разогреву.

Для фазовых превращений (испарение, конденсация, давление, сублимация, растворение):

Q _ист = ?[G_i q _фп ] = ?[_i G_i q _фп ] ,

где G _i — количество i-го компонента, изменившего свое фазовое состояние; _i — его доля от общего количества G _i ; q _фп — удельная теплота фазового превращения.

Общие замечания о выборе условий определения параметров потоков и превращений аналогичны приведенным выше.

Быстрое (адиабатическое) сжатие или расширение газов (в компрессорах, холодильных установках и др.) также приводит к изменению температуры, рассчитываемой из уравнения адиабаты:

T ₂ /T₁ =(P₂ /P₁ )^{( -1)/}

где = C _p /C _v — показатель адиабаты.

8. Качественные и количественные показатели химического производства, А. Технические показатели, Производительность

П =G/t ,П =G/ , (1.1)

где П — производительность; G — количество получаемого продукта или перерабатываемого сырья за время t (астрономическое) или (исчисленное время контакта).

Расходный коэффициент

G _{(сырья, материалов)} /G_{продукта} или Q_{энергии} /G_{продукта} (1.2)

показывает количество затраченного сырья, материалов или энергии на производство единицы продукта. Его размерность очевидна: (кг сырья/т продукта], [м ³ сырья/кг продукта], (кВт-ч/кг продукта], [Гкал/т продукта] и т. д. Расходный коэффициент показывает количественно затраты на производство продукта, но не отражает эффективности использования расходуемых компонентов. Последняя определяется следующим показателем:

Выход продукта

G ^р _{продукта} /G^т _{продукта} или х ^р /х ^т (1.3)

• отношение реально получаемого количества продукта или его выхода из использованного сырья к максимальному количеству или выходу, которые теоретически можно получить из того же сырья.

Неполнота выхода продукта зависит от неполноты превращения, потерь, наличия примесей.

Интенсивность процесса . Интенсивностью работы аппарата (I) называется производительность его, отнесенная к какой-либо величине, характеризующей размеры данного аппарата. Обычно для вычисления интенсивности относят производительность к объему аппарата v (м³ ) или к площади его сечения S (м² ):

I= П / v = G/v , (1.4)

I=V _п /v, (1.4а )

I =П/S=G/S, (1.4б )

I=V _п /S. (1.4в )

Интенсификация достигается двумя путями: 1 ) улучшением конструкций машин или аппаратов; 2) совершенствованием технологических процессов в аппаратах данного вида. Интенсивность работы аппарата пропорциональна скорости процесса, поэтому, изучая кинетику технологических процессов, стремятся создать такую конструкцию аппарата и технологический режим в нем, которые обеспечили бы максимальную скорость процесса.

Удельные капитальные затраты

Качество продукта определяет его потребительские свойства и товарную ценность. Показатель индивидуален для каждого продукта. Он может включать содержание (состав и количество) примесей, физические и химические показатели, внешний вид и размеры, цвет, запах и прочее. Определяется нормативными документами (ГОСТ — государственный отраслевой стандарт, технические условия, сертификат качества).

Б. Экономические показатели, Себестоимость продукции, Производственная себестоимость

1) сырье, полуфабрикаты и основные материалы, непосредственно участвующие в химических реакциях производства;

2) топливо и энергия на технологические цели;

3) заработная плата основных производственных рабочих;

4) амортизация—отчисления на возмещение износа основных производственных фондов: зданий, сооружений, оборудования и др.;

5) цеховые расходы, включающие затраты на содержание и текущий ремонт основных производственных фондов (в том числе и зарплату вспомогательных и ремонтных рабочих), а также затраты на содержание административно-управленческого персонала цеха, охрану труда и технику безопасности;

6) общезаводские расходы.

Общая структура себестоимости С :

С = (?Ц _i G _{н i} + k З_к + З_т )/G _п , (1.5)

где Ц _i , и G _{н i} — цена и количество израсходованных сырья, энергии, материалов на производство продукта в количестве G _п ; З_к — капитальные затраты; k — коэффициент окупаемости капитальных затрат (их доля, отнесенная на время производства количества продукта G _п ; в среднем для химических производств k = 0,15 в расчете на годовую производительность G _п ; З_т — оплата труда.

Себестоимость имеет денежное выражение.

Производительность труда, В. Эксплуатационные показатели, Надежность, Безопасность, Чувствительность к нарушениям режима и изменению условий эксплуатации, Управляемость и регулируемость, Г. Социальные показатели, Безвредность обслуживания, Степень автоматизации и механизации, Экологическая безопасность

Перечень основных показателей химического производства свидетельствует о том, насколько высоки требования к качеству его разработки, проектирования, создания и эксплуатации. Нередко одновременное достижение наилучших результатов по каждому из этих требований вступает в противоречие друг с другом. Необходимы компромиссные решения.

9. Сырьевые ресурсы химической промышленности

Исходными веществами для производства промышленных продуктов являются сырье, полупродукты и вторичное сырье. Первые из названных исходных веществ — основные, их называют сырьевыми ресурсами.