Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение icon

Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение


Скачать 335.42 Kb.
НазваниеУчебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение
страница2/7
Размер335.42 Kb.
ТипУчебное пособие
1   2   3   4   5   6   7

2.2 Вода в химической промышленности

^ 2.2.1 Использование воды, свойства воды

Химическая промышленность - один из крупных потребителей воды. Вода используется почти во всех химических производствах для разнообразных целей. На отдельных химических предприятиях потребление воды достигает 1млн. м3 в сутки. Превращение воды в один из важнейших элементов химического производства объясняется:

- наличием комплекса ценных свойств (высокая теплоемкость, малая вязкость, низкая температура кипения);

- доступностью и дешевизной (затраты исключительно на извлечение и очистку);

- не токсичностью;

- удобством использования в производстве и транспортировке.

В химической промышленности вода используется в следующих направлениях:

1. Для технологических целей в качестве:

- растворителя твердых, жидких и газообразных веществ;

- среды для осуществления физических и механических процессов (флотация, транспортировка твердых материалов в виде пульпы);

- промывной жидкости для газов;

- экстрагента и абсорбента различных веществ.

2. Как теплоноситель (в виде горячей воды и пара) и хладагента для обогрева и охлаждения аппаратуры.

Громадный расход технологической воды , наряду с большим объёмом загрязнённых вод, сбрасываемых химическими предприятиями (до 40% стока речных вод используется только на разбавление их до безопасной концентрации содержащихся в ней веществ), выдвигает первоочередную задачу рационального использования водных ресурсов в химической и нефтехимической промышленности. Эта задача решается путём:

- разработки научно обоснованных норм расхода воды на технологические операции;

- максимально полного использования отходов и снижения за счёт этого потребности в очистных сооружениях;

- замены водяного охлаждения аппаратуры воздушным;

- организации замкнутых безсточных производств и водооборотных циклов.

В химических производствах используются три схемы водооборота в зависимости от тех изменений, которые претерпевает вода в процессе производства:

- вода только нагревается и должна быть перед возвратом охлаждена в градирнях или бассейнах;

- вода только загрязняется и должна быть перед возвратом очищена в специальных очистных сооружениях;

- вода нагревается и загрязняется. Этот тип водооборота представляет комбинацию водооборотов первого и второго типов.


^ 2.2.2 Классификация природных вод

и характеристика их примесей

Природные воды обычно подразделяют на атмосферные, поверхностные и подземные.

^ Атмосферные воды, выпадающие на землю в виде дождя и снега, содержат наименьшее количество примесей. В основном, это ра­створенные газы (О2, СО2, N2 и др.), соли, бактерии и т. д. Атмос­ферная вода используется как источник водоснабжения в безвод­ных и засушливых районах.

Поверхностные воды — воды открытых водоемов: рек, озер, мо­рей, каналов и водохранилищ. В их состав входят разнообразные минеральные и органические вещества в зависимости от климати­ческих, геоморфологических, почвенно-геологических условий, агро- и гидротехнических мероприятий, развития промышленнос­ти и других факторов.

^ Морская вода представляет собой многокомпонентный раствор электролитов и содержит все элементы, имеющиеся в земной коре. В морской воде растворены многие соли (хлорид натрия до 2,6%, хлорид и сульфат магния и др.), а также газы, входящие в состав воздуха (азот, кислород и углекислый газ). Воды различных морей и океанов отличаются друг от друга по общему содержанию солей и их составу.

Подземные воды — воды артезианских скважин, колодцев, клю­чей, гейзеров— характеризуются значительным содержанием ми­неральных солей, выщелачиваемых из почвы и осадочных пород, и небольшим количеством органических веществ.

В зависимости от солесодержания природные воды подразде­ляются на пресную воду — солесодержание до 1 г/кг; солонова­тую — 1 — 10 г/кг и соленую— более 10 г/кг. Морская вода имеет солесодержание до 35 г/кг.

^ Качество воды определяется физическим, химическим и бак­териологическим анализами. Важнейшими показателями качества воды являются такие ее физические и химические характеристи­ки, как запах, вкус, прозрачность, цвет, температура, содержание взвешенных частиц, сухой остаток, общая щелочность и ее состав­ляющие, окисляемость и реакция воды.

^ Содержание взвешенных веществ характеризует загрязненность воды твердыми нерастворимыми примесями в виде суспензий песка, глины, частиц почвы. Количество их обычно выражается в миллиграммах на литр.

^ Сухой остаток характеризует суммарное количество минераль­ных и органических примесей, содержащихся в воде в истиннорастворенном и коллоидном состояниях. Числовое значение его опре­деляется взвешиванием остатка после выпаривания определенного объема предварительно профильтрованной воды и выражается в миллиграммах на литр (мг/л).

Часть сухого остатка, которая удаляется при последующем про­каливании его, дает ориентировочное представление о содержании в воде органических веществ.

^ Общей щелочностью воды (Щ) называется суммарная концент­рация содержащихся в воде анионов ОН , НСО3, СО32, РО43, HSiO3, SiO32 и некоторых солей слабых органических кислот (гуматов), выраженная в миллимоль на литр (ммоль/л).

В зависимости от типа анионов, обусловливающих щелочность, различают гидрокарбонатную щелочность Щгк (НСО3-), карбонат­ную Щк (СО32-), силикатную Щс (HSiO3-), гидратную Щг (ОН-), фосфатную Щф, (Н2РО4-, НРО42-, РО43-). Общая щелочность Щ0 = Щгк +'ШК+ Шс+ Щг+ Щф.

В природных водах, как правило, в заметных количествах при­сутствуют только гидрокарбонатные ионы, поэтому для этих вод характерно равенство обшей и гидрокарбонатной щелочности

гГК).

Жесткость воды— один из важнейших показателей ее каче­ства. Жесткость природных вод связана с наличием в них солей кальция и магния. Она выражается в миллимоль на литр или миллимоль на килограмм ионов Са2+ или Mg2+. Различают три вида жесткости: временную, постоянную и общую.

^ Временная (карбонатная или устранимая) жесткость Жк обус­ловливается, в основном, присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния Са(НСО3)2 и Mg(HCO3)2, которые при кипяче­нии переходят в нерастворимые соли и выпадают в виде плотного осадка (накипи):

Са(НСО3)2 → СаСО3 + Н2О + СО2

2Mg(HCO3)2 → MgCO3 + Mg(OH)2 + ЗСО2 + Н2О.

^ Постоянная (некарбонатная жесткость) Жн определяется со­держанием в воде хлоридов, сульфатов, нитратов кальция и маг­ния, остающихся при кипячении в растворенном состоянии.

Сумма временной и постоянной жесткости называется общей жесткостью.

По общей жесткости (ммоль/л) природные воды подразделя­ются на мягкую (Ж0 < ^ 3), умеренно жёсткую (Жо = 3-6), жёсткую (Жо > 6).

Окисляемость воды — масса кислорода (в мг/л), необходимая для окисления веществ, присутствующих в ней. Окисляемость воды обусловливает­ся, в основном, наличием органических веществ и лишь в незна­чительной степени — быстроокисляющихся соединений железа, сероводорода, нитритов. Ее значение используется для косвен­ной количественной характеристики концентрации органических загрязнений. Окисляемость артезианских вод составляет обычно 1—3 мг/л О2, чистых озерных вод — 5—8, болотных вод — до 400 мг/л О2. Окисляемость речных вод колеблется в широких пре­делах, доходя до 60 мг/л О2 и более.

^ Активная реакция воды, т. е. степень ее кислотности или ще­лочности, количественно характеризуется концентрацией водород­ных ионов или значением рН.

При рН=7 вода считается нейтральной, при рН < 6,5 — кислой, при рН > 7,5 — щелочной. Величина рН природных вод колеблется в широких пределах: от рН 9—10 для почвенных щелочных вод до рН 1 для вод кислых термальных источников.

Обычно для большинства природных вод рН изменяется от 6,5 до 8,5. На рН воды влияет повышенная концентрация гуминовых кислот или загрязнение водоема стоками промышленных пред­приятий.

В зависимости от назначения потребляемая вода условно под­разделяется на промышленную и питьевую, содержание примесей в которых регламентируется соответствующими стандартами.

Вредность примесей связана с их химическим составом или дисперсным состоянием, а также с технологией производства, использующего воду. Примеси, находящиеся в истинно растворенном состоянии (в основном, ми­неральные соли, обогащающие воду катионами Са2+, Mg2+, Na+, К+ и анионами SO42-, СО32-, НСО3-, Сl-, а также некоторые органические соединения и растворен­ные газы) приносят огромный вред, т.к. образуют накипь и вызывают поверхностное разрушение металлов вследствие коррозии. Кроме того, резко уменьшают общий коэффициент телпопередачи в теплообменниках.

В коллоидном состоянии обычно находятся в воде недиссоциированные или малодиссоциированные соединения алюмо- и железосиликатов, гидроксид железа, кремниевая кислота и др., раз­личные органические вещества. Органические коллоиды состоят в основном из гуминовых кислот, фульвокислот, лигнина, проте­ина, клетчатки, различных смол и других сложных соединений. Такие примеси засоряют диафрагмы электролизёров, вызывают вспенивание воды и перебросы в котлах и аппаратах.

Во взвешенном (грубодисперсном) состоянии природные воды содержат глинистые, песчаные, известковые и гипсовые частицы. Они могут засорять трубопроводы и аппараты, уменьшая их производительность, образовывать пробки, которые могут вызвать аварию.

Качество применяемой воды обусловливается требованиями технологического процесса и типом оборудования. На химических предприятиях используют различную воду: речную, артезианскую, фильтрованную, коагулированную, охлажденную, частично или полностью обессоленную, питьевую и др.

Пресная природная вода применяется без дополнительной очист­ки в химической промышленности в процессах первичной обра­ботки сырья, для охлаждения продуктов и аппаратов и различных вспомогательных операций. В большинстве случаев природная вода подвергается очистке (деминерализации) различными мето­дами в зависимости от характера примесей и требований, предъяв­ляемых к воде данным производством.


^ 2.2.3 Промышленная водоподготовка

В процессе водоподготовки применяют механические, физические, химические и физико-хи­мические методы: очистку от взвешенных примесей отстаиванием и фильтрованием (осветление), умягчение, ионный обмен, а в отдельных случаях – обескремнивание, обессоливание, нейтрализацию, дегазацию и обеззараживание. На схеме, приведенной на рис. 1 перечислены основные методы водоподготовки.

^ Осветление воды осуществляется в основном методами осажде­ния примесей, выделяющихся из воды в виде осадка. Эти методы называют также реагентными, так как для выделения примесей в воду вводят специальные реагенты. К процессам осаждения, при­менимым для осветления воды, относятся коагуляция, известко­вание и магнезиальное обескремнивание.

Под коагуляцией понимают физико-химический процесс слипа­ния коллоидных частиц и образования грубодисперсной микрофа­зы (флокул) с последующим ее осаждением. В качестве реагентов, называемых коагулянтами, обычно применяют сульфаты алюминия A12(SO4), и железа FeSO4. Физико-химическая сущность коагуляции в упрощённом виде состоит в том, что коагулянт, адсорбируясь на поверхности заряженной коллоидной частицы, нейтрализует её заряд, Это приводит к слипанию отдельных частиц (коагуляции) и образованию осадка.




Рис. 4. Структурная схема очистки воды.


Повышение эффекта коагуляции достигается при добавлении флокулянтов (полиакриламида, активной кремниевой кислоты и др.). При этом ускоряется образование хлопьев и улучшается их структура. Образовавшуюся хлопьевидную массу, состоящую в основном из гидроксидов А1 и Fe и примесей, выделяют из воды в отстойниках или специальных осветлителях (осадок в них поддерживается во взвешенном состоянии потоком поступающей снизу воды).

Окончательная очист­ка от осадка проводится фильтрованием. В зависимости от соот­ношения размеров фильтруемых частиц и эффективного диаметра пор удержание частиц может происходить как в объеме фильтрую­щего слоя (адгезионное фильтрование), так и на его поверхности (пленочное фильтрование).

В качестве фильтрующих материалов в основном используют кварцевый песок, дробленый антрацит, сульфоуголь, целлюлозу, перлит, вулканические шлаки, керамзит и др.

Умягчением воды называется ее очистка от соединений кальция и магния, обусловливающих жесткость воды. Одним из наиболее эффективных способов умягчения воды является известково-содовый в сочетании с фосфатным. Процесс умягчения основывает­ся на следующих реакциях:

обработка гашеной известью для устранения временной жест­кости, удаления ионов железа и связывания СО2:


Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 → 2СаСО3↓ + Н2О

Mg(HCO3)2 + 2Са(ОН)2 → 2СаСО3↓ + Mg(OH)2↓ + 2Н2О

FeSO4 + Са(ОН)2 → Fe(OH)2↓ + CaSO4

СО2 + Са(ОН)2 → СаСО3↓ + Н2О;


обработка кальцинированной содой для устранения постоян­ной жесткости:

MgSO4 →MgCO3↓ +

MgCl2 + NаСО3 →MgSO↓ + 2NaCl

СаSO4 →CaCO↓ +NaSO


обработка тринатрийфосфатом для более полного осаждения катионов Са2 и Mg2+:


ЗСа(НСО3)2 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2↓ + 6NaHCO3

3MgCI2 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)↓ + 6NaCl


Растворимость фосфатов кальция и магния ничтожно мала, что обеспечивает высокую эффективность фосфатного метода.

Для умягчения, обессоливания и обескремнивания воды широ­ко применяется метод ионного обмена. Его сущность состоит в том, что твердое тело — ионит — поглощает из раствора электролита положительные или отрицательные ионы в обмен на эквивалент­ное количество других, одноименно заряженных ионов. Иониты в обычном понимании – это твёрдые, зернистые, порошкообразные, формованные или волокнистые, механически прочные, химически устойчивые, нерастворимые вещества, содержащие в своём составе функциональные (ионогенные) группы, способные к ионизации и обмену ионами с электролитами. При ионизации функциональных групп образуются две разновидности ионов: 1) фиксированные ионы, закрепленные на каркасе (матрице) ионита и не способные покинуть фазу ионита и перейти во внешний раствор; 2) противоионы (обменные ионы) ионита, эквивалентно равные фиксированным ионам, но противоположные им по знаку, способные перейти во внешний раствор в обмен на строго эквивалентное количество других ионов того же знака, поступающих в ионит из внешнего раствора (обменных ионов раствора).

По природе матрицы иониты подразделяются на неорганические (минеральные) и органические, природные и искусственные (синтетические). К неорганическим природным ионитам относятся природные цеолиты, глинистые минералы (алюмосиликаты), полевые шпаты, слюды, слюды, оксиды, фосфаты и др. К неорганическим искусственным ионитам относятся синтетические цеолиты, труднорастворимые соли гетерополикислот, ферроцианиды, фосфаты, гидроксиды, оксиды, сульфиды металлов (циркония, алюминия, железа, титана, никеля и др.)

К органическим природным ионообменным материалам относятся каменные и бурые угли, торф, целлюлоза и др.

Широкое применение нашли синтетические органические иониты на основе высокомолекулярных органических соединений направленного синтеза, обладающие постоянством состава и воспроизводимостью свойств, высокой способностью к обмену ионами, химически устойчивые и механически прочные, с чрезвычайно широкими возможностями практического применения. Самый распространённый отечественный синтетический органический ионит – катионит КУ-2, имеющий следующее строение:


КУ-2 получают сульфированием (серной или хлорсульфоновой кислотой) зёрен сополимера стирола с дивинилбензолом.

В зависимости от знака зарядов противоионов различают:

катиониты – иониты, способные к обмену катионами; аниониты - к иониты способные к обмену анионами, и амфолиты (амфотерные полиэлектролиты) – иониты, способные к обмену как о катионами, так и анионами, в зависимости от условий среды. К Катиониты содержат фиксированные анионы; аниониты - фиксированные анионы; амфолиты – фиксированные катионы и анионы.

В зависимости от природы противоионов различают ионные формы ионитов. Например, катиониты могут находиться в водородной (Н-форма), солевой (натриевая, кальциевая и т.д.)

и смешанной формах, аниониты – в гидроксидной (ОН-форма), солевой (хлоридная, сульфатная и др.) и смешанной формах. Для полиамфолитов различаются водородно-гидроксидная, водородно-солевая, гидроксидно- солевая и солевая формы.

Ионный обмен между раствором и ионитом имеет характер гетерогенной обратимой химической реакции. Следует отметить, что приме­си, удаляемые из воды методом ионного обмена, не образуют осадка и что такая обработка не требует непрерывного дозирования ком­понентов.

Важной характеристикой ионитов является обменная емкость, показывающая способность ионита поглощать определенное ко­личество ионов в данных условиях. Обменная емкость определяет продолжительность рабочего цикла ионитовых фильтров. При до­стижении заданного предела обменной емкости ионита осуществ­ляют процесс его восстановления (ионный обмен, проводимый в обратном порядке).

В основе катионного процесса умягчения лежат реакции обме­на ионов натрия и водорода катионов на ионы Са2+ и Mg2+. Обмен ионов натрия называется Na-катионированием, а ионов водоро­да — Н-катионированием:

Na2[Kaт] + Са(НСО3)2→ Са[Кат] + 2NаНСО3

Na2[Кат] + MgSO4 → Mg[Кат] + 2Na2SO4

H2[Кат] + MgCl2→ Mg[Кат] + 2HCl

H2[Кат] +Na2SO4→ Na2[Kaт] + H2SO4

При достижении катионитами заданного предела обменной емкости их регенерируют промывкой раствором NaCl или серной кислоты H2SO4.

При фильтровании воды через слой анионита происходит сорб­ция анионов по следующим уравнениям реакций:

[Ан]OH +НС1 → [Ан]Cl + H2O

2[Ан]OH +H2SO4 → [Ан]SO4 +H2O

Регенерация анионитовых фильтров проводится обычно 4%-ным раствором NaOH.




Рис. 5. Схема установки для умягчения воды: / — катионитовый фильтр; ^ 2 — анионитовый фильтр; 3 — де­газатор; 4 — сборник воды


В установке для умягчения воды с последовательным примене­нием Н-катионирования и ОН-анионирования (рис. 5) вода при прохождении через катионит освобождается от ионов кальция и магния в Н-катионитовом фильтре 1, а затем в анионитовом фильтре 2 из нее удаляются анионы. Далее вода проходит через дегазатор 3, где она освобождается от кислорода и диоксида уг­лерода, и далее через сборник воды 4 поступает к потребителю. Для регенерации в фильтр 1 подается раствор серной кислоты, в фильтр 2 — гидроксида натрия.

Дегазация. Важная часть комплексного технологического процесса водоподготовки — удаление из воды растворенных газов. Наличие га­зов в воде объясняется их сорбцией и протеканием химических реакций в процессе образования примесей в природной воде и по­явлением их в процессе различных стадий очистки. Эти газы мож­но разделить на химически не взаимодействующие (Н2, О2, СН4) и химически взаимодействующие с водой и ее примесями (NH3, СО2, С12), а также на коррозионно-активные (О2, СО2, NH3, C12, H2S) и инертные (N,, Н2, СН4). Концентрация газов в воде зависит от многих факторов, основные из них: физическая природа газа, степень насыщения, давление в системе и температура воды.

Основной способ удаления из воды растворенных газов — де­сорбция (термическая деаэрация). Принцип ее заключается в созда­нии контакта воды с паром, в котором парциальное давление газа, удаляемого из воды, близко нулю, что является необходимым ус­ловием процесса десорбции. Этот процесс осуществляется в ос­новном в деаэраторах (вакуумных, атмосферных, постоянного давления), которые по способу распределения воды и пара разделяют на струйные, пленочные и барботажные. Рабочее давление в ваку­умных деаэраторах составляет 0,0075-0,05 МПа.

В ряде случаев используют химические методы. Так, для удале­ния кислорода в воду добавляют сильные восстановители (напри­мер, сульфит натрия); для удаления H2S воду хлорируют.

Нейтрализация применяется главным образом для оборотной воды, которая загрязняется анионами в производственных процессах. Для нейтрализации используют известь или соду.

Дистилляция. Для получения дистиллята, необходимого для производства хи­мически чистых реактивов, лекарственных препаратов, проведения различных анализов, в лабораторной практике применяется тер­мическое обессоливание воды. Этот процесс осуществляется в ис­парителях кипящего типа. При этом дистиллят производят в основ­ном из воды, предварительно умягченной на ионитовых фильтрах.

Обеззараживание. Наличие в воде болезнетворных микроорганизмов и вирусов делает ее непригодной для хозяйственно-питьевых нужд, а при­сутствие в воде некоторых видов микроорганизмов (например, нитчатых, зооглейных, сульфатовосстанавливающих бактерий, же­лезобактерий) вызывает биологическое обрастание, а иногда раз­рушение трубопроводов и оборудования. Обеззараживание воды осуществляют, в основном, хлорированием ее жидким или газооб­разным хлором С12, гипохлоритами — NaCIO, Са(С1О2)2, СlO2. Для обеззараживания воды применяют также озон и ультрафиолетовое облучение.


^ 2.3 Энергетика химической промышленности

В химической промышленности протекают разнообразные процессы, связанные или с выделением, или с затратой, или с взаимными превращениями энергии. Энергия затрачивается не только на проведение химических реакций, но и на осуществление вспомогательных операций – транспортировку материалов, измельчение, фильтрацию, сжатие газов и т. п. Поэтому все химические предприятия - потребители энергии. Показателем энергоемкости химического производства является расход энергии на единицу получаемой продукции. Определяется он количеством кВт/ч, ккал, кДж или же количеством топлива (т, кг, м3), затраченных на производство весовых или объемных единиц продукта, например, кВт*ч/т, т/т, кг/м3 и т.п. Расход энергии на получение различных химических продуктов не одинаков, имеются производства с высокой и низкой энергоемкостью. На химических предприятиях применяются различные виды энергии.

Электрическая применяется для проведения электрохимических (электролиз растворов и расплавов), электротермических (плавление, нагревание, синтез при высокой температуре), электромагнитных процессов. Широко используется превращение электрической энергии в механическую, необходимую для физических операций: измельчение, смешение, центрифугирование, работы вентиляторов, компрессоров. Средний расход электрической энергии на производство некоторых видов продукции: серной кислоты - 60-100кВт ч/т, аммиачной селитры – 7-15, суперфосфата - 2-10, аммиака - 2300-3500, фосфора - 13000-20000 кВтч/т. Источником электрической энергии является энергия воды на ГЭС и превращение тепловой энергии в механическую, и затем механическую в электрическую,

тепловые и атомные электростанции, электростатические превращения механической энергии в электрическую.

^ Тепловая энергия применяется для осуществления разнообразных физических процессов, не сопровождающихся химическими реакциями (нагревание, плавление, сушка, выпарка, дистилляция) и для нагрева реагентов при проведении химических реакций. Источником тепловой энергии служат топлива, при сжигании которых получаются топочные газы. Они используются или непосредственно как теплоносители или для получения пара и других теплоносителей. Например, средний расход пара при получении аммиачной селитры составляет 0.1 Мкал/т, едкого натра- 4.0 Мкал/т, сульфата аммония –1.75 Мкал/т.

Внутриядерная энергия - выделяемая при различных превращениях атомных ядер или при синтезе ядер водорода в ядра гелия.

Химическая энергия используется в гальванических элементах и аккумуляторах, где она превращается в электрическую.

^ Световая энергия применяется для реализации фотохимических реакций, синтез хлористого водорода из элементов.

Вторичные энергоресурсы ВЭР, представляющие собой энергетические отходы или побочные продукты производства – отходящие газы, жидкости, пар.

Источники энергии, используемые на химических предприятиях, могут быть различными. Они оцениваются по характеристике энергетических ресурсов, энергетической ценности, запасам.

Энергетическая ценность химического топлива характеризуется:

- калорийным эквивалентом, представляющим отношение теплоты сгорания данного топлива к теплоте сгорания условного топлива (УТ), принимаемой за 29260кДж



- количеством энергии в кВт*ч, получаемом при полном сгорании 1кг или 1м3 топлива. Эта величина составляет для каменного угля - 8, кокса-7.2

Из всей потребляемой химической промышленностью энергии 40% составляет электрическая, 50% - тепловая, 10% - топливная.


^ 2.3.1 Источники энергии

Основным источником энергии, потребляемой химической промышленностью, являются горючие ископаемые и продукты их переработки, энергия воды, биомасса и ядерное топливо. Энергетическая ценность отдельных источников энергии определяется количеством энергии, которое можно получить при их использовании. Для топлива она характеризуется количеством кВт ч, получаемых при полном использовании теплоты сгорания 1кг или 1м3 топлива. Например, каменного угля - 8 кВтч/кг, природного газа – 10 кВтч/кг. Все энергетические ресурсы подразделяются на первичные и вторичные, возобновляемые и не возобновляемые, топливные и не топливные.




Рис. 6. Основные источники энергии


^ 3. МАТЕРИАЛЬНЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ БАЛАНСЫ

ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Исходные данные для всех количественных расчетов, производимых при организации нового производства или оценке эффективности действующего основываются на материальных и энергетических балансах. Эти балансы составляются с использованием материальных потоковых графов, отражающих перемещение и трансформацию всех материальных участков технологического процесса.

Любое химическое производство можно рассматривать как совокупность материальных потоков, участвующих в нем, компонентов сырья, промежуточных и побочных продуктов, готового продуктов и отходов.

Материальным потоком называется графическое отображение движения и изменения веществ, участвующих в химическом процессе. Материальный поток выражается в виде материально-потокового графа (МПГ) процесса, т.е. графической схемы, в которой отражены природа вещества, направления его перемещения, изменения агрегатного состояния и химического состава.




Рис. 7. Материально-потоковый граф: А, В, С, Д - компоненты сырья, участвующие в ходе химического процесса

Например, МПГ процесса обжига железного колчедана при степени превращения 1,0 и избытке воздуха сверх стехиометрического имеет вид:




Рис. 8. Материально-потоковый граф процесса обжига серного колчедана


На основе МПГ составляется материальный баланс, служащий основой для дальнейших расчетов.

Материальный баланс – вещественное выражение закона сохранения массы: масса веществ, поступивших на технологическую операцию (приход) равна массе веществ, получившихся в этой операции (расход)

Mприх. расх.

Материальный баланс составляется на единицу массы целевого продукта или на отдельный аппарат. Результаты представляются в виде таблицы:




М - массовая доля

На основе материального баланса рассчитываются расходные коэффициенты, определяются размеры аппаратов и устанавливаются оптимальные значения параметров технологического режима процесса.

В основу энергетического баланса положен закон сохранения энергии: в замкнутой системе сумма энергий всех видов постоянна. Наиболее распространенным видом энергетического баланса является тепловой баланс.

^ Qприх =Qрасх

Статьями прихода и расхода в тепловом балансе являются тепловые эффекты реакций ΔН, теплоты фазовых переходов (Q1), теплосодержание веществ, участвующих в процессе (Q2), теплота, подводимая в аппарат извне (Q3), тепловые потери.

Δ Н+ Q1+Q2 +Q3 = Δ H+ Q´1+ Q´2+ Q´3+Qп

где индекс ´ относится к статьям расхода.

Тепловые вклады в баланс рассчитываются по известным формулам.

Тепловой эффект химической реакции

Δ Н= Σ Δ Н прод. реакции - ΣΔ Н исх. веществ

Значения энтальпий берутся из таблиц.

Теплосодержание веществ

Q2= m·c ·t

m- масса вещества; с - его теплоемкость; t –температура.

Теплота физических переходов

Q1 = m·g

g - удельная теплота соответствующих фазовых переходов; m –масса вещества.

Подвод и отвод тепла в систему рассчитывается по потере тепла теплоносителя

Q3 = m·c· (tн - tk)

m- масса теплоносителя; с - теплоемкость теплоносителя; tk t н–конечная и начальная температура теплоносителя, и по формуле теплопередачи через стенку

Q3 = K · F (tт - tпр ) ·τ

K – коэффициент теплопередачи; F- поверхность теплообмена; tт – температура теплоносителя обогреваемого аппарата; tпр – температура подогреваемого продукта; τ -время.

Тепловой баланс составляется по результатам материального баланса на единицу продукта или на цикл работы аппарата.

Данные теплового баланса используются для определения расхода теплоносителя и хладагента, расчета поверхности греющих и охлаждающих элементов и подбора оптимального температурного режима процесса.


^ 4. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ


4.1. Понятие о химико-технологическом процессе

Химико-технологический процесс (ХТП) – это сочетание связанных друг с другом и проводимых в определённой последовательности химических, физико-химических, физических и механических операций с целью получения из сырья готовой продукции.

В общем случае ХТП состоит из трёх последовательных стадий:

I. Подготовка сырья к химической переработке: А1  А

II. Химическое превращение подготовленного сырья в продукты реакции по двум возможным схемам:

А  В,

А  D или А  В

А  D

III. Выделение целевого продукта из реакционной смеси и его очистка: В  B1 и D  D1,

где A1 – сырьё до подготовки; A – подготовленное сырьё; В+D – реакционная смесь; В1 – выделенный целевой продукт; D1 – побочный продукт.



Рис. 9. Принципиальная схема ХТП


Из трёх стадий ХТП первая и третья представляют физические процессы, вторая стадия – химический процесс. Эффективность его осуществления требует соблюдения некоторых условий. Поэтому для каждого конкретного ХТП разрабатывается технологический режим.

^ Технологическим режимом называется совокупность параметров, обеспечивающих устойчивое и максимально эффективное проведение ХТП.

Параметром технологического режима называют величину, характеризующую какое-либо устройство или режим работы аппарата, используемую в качестве основного показателя их действия (протекания).

К основным параметрам ХТП относятся: температура, давление, концентрация реагентов, активность катализатора, время контактирования реагентов, объёмная скорость потока реагентов, сила тока, напряжение и т.д.

Среди параметров процесса различают экстенсивные, зависящие от количества вещества (например, объём) и интенсивные, не зависящие от количества вещества (например, температура, давление, концентрация). Наиболее важными в ХТП являются интенсивные параметры.

^ Оптимальные условия ведения процесса – это сочетание основных параметров, позволяющее получить наибольший выход продукта с высокой скоростью или обеспечить наименьшую себестоимость при соблюдении условий рационального использования сырья и энергии и минимизации возможного ущерба окружающей среде.

Параметры технологического процесса определяют принципы конструирования соответствующих реакторов. Характер и значения параметров технологического режима положены в основу классификации ХТП.

Однако все параметры взаимосвязаны. Значительное изменение одного из них влечет за собой резкое изменение других. Поэтому выбираются параметры, оказывающие решающее влияние.

Химические реакции подразделяются:

По фазовому (агрегатному) состоянию взаимодействующих веществ: гомогенные (однородные), гетерогенные (неоднородные). Гомогенными системами называются такие системы, в которых все реагентные вещества находятся в одной какой-либо фазе Г, Ж, Т. Гетерогенные системы включают 2 или большее количество фаз: Г-Ж, Г-Т, Ж-Ж (не смешиваются) Ж-Т. В гомогенных системах взаимодействующих веществ реакции происходят обычно быстрее, чем в гетерогенных, механизм всего процесса проще, управление процессом легче, поэтому технологи стремятся к гомогенным процессам. Гетерогенные процессы более распространены в промышленности.

^ По механизму взаимодействия реагентов на гомолитические и гетеролитические.

По протеканию во времени на обратимые и не обратимые.

По знаку теплового эффекта на экзотермические ( -ΔΗ) и эндотермические (+ΔΗ).

По использованию катализатора на каталитические и некаталитические.

По значению температур на низкотемпературные и высокотемпературные.

По виду реакции на простые (одностадийные) и сложные (многостадийные). Простыми называются реакции для осуществления которых требуется преодоление только одного энергетического барьера. Сложные реакции включают в себя несколько последовательных или параллельных реакций.




Для исследования ХТП наибольшее значение имеет классификация реакций по фазовому состоянию системы, по условиям протекания, по типу контактов и по наличию катализатора. Именно от типа химической реакции зависит выбор конструкции аппаратов и параметры технологического режима.

^ 4.2 Основные показатели ХТП

Основные показатели ХТП с разных сторон характеризуют полноту использования возможностей осуществления конкретной химической реакции.

Степень превращения (х) – это доля исходного реагента, использованного на химическую реакцию.

(4.1),

Gн – общее количество исходного вещества в начале процесса; Gк – количество исходного вещества, оставшееся в конце процесса.

Таким образом, степень превращения реагента показывает, насколько полно в ХТП используется исходное сырьё.

Чаще в химической реакции участвует не один, а два (или больше) реагента. Степень превращения может быть рассчитана по первому, второму или третьему реагенту.

Выходом продукта В называют отношение реально полученного количества целевого продукта к максимально возможному его количеству, которое могло бы быть получено при данных условиях осуществления химической реакции.

Для химической реакции максимальное количество продукта (теоретический выход) определяется по уравнению реакции по основному исходному веществу. В качестве основного исходного вещества принимается, ткак правило, наиболее ценный компонент реакционной смеси. Например, для промышленной реакции 2SO2 + O2 = 2SO3 основным реагентом считают диоксид серы, т.к. второй реагент – кислород – поступает в составе воздуха и является менее ценным

Различают выход продукта в расчёте на пропущенное сырьё проп.) и выход продукта на прореагировавшее (разложенное) сырьё разл.).

Выход продукта на пропущенное сырьё – отношение количества полученного целевого продукта «б» к количеству пропущенного сырья «А», выраженное в процентах.

Впроп. = % (4.2), где: б – количество полученного (целевого) продукта;

а – количество пропущенного сырья.

Выход продукта на разложенное сырьё – отношение количества полученного целевого продукта «б» к количеству разложенного сырья (А – а), выраженное в процентах.

Вразл = % (4.3),

где: б – количество полученного целевого продукта, в граммах; А – количество пропущенного сырья, г; а – количество непревращённого сырья, г.

Конверсия сырья αстепень разложения сырья. Она равна отношению количества разложенного сырья к количеству пропущенного сырья, выраженному в процентах.

.

Между выходом и конверсией существует аналитическая связь:

Впроп. = разл. ( 4.4),

если все три показателя выражены в массовых процентах,

или

Впроп. = α·Вразл. ( 4.5),

если показатели выражены в долях единицы.

Таким образом, найдя по балансу продуктов два показателя процесса – конверсию сырья «α» и выход на разложенное сырьё «Вразл.», третий показатель можно посчитать по формуле (4.5). Также, зная «Впроп.» и конверсию сырья «α», можно рассчитать «Вразл.»:

Впроп. = α· Вразл (4.6)


Вразл. =Впроп .⁄α (4.7)

На практике по балансовым данным рассчитывают все три показателя и справедливость равенства (4.6) подтверждает, что показатели найдены правильно.

^ 4.3 Значение основных показателей ХТП для характеристики промышленных процессов

а) Выход на пропущенное Впроп.

Определяет производительность (П) аппарата по целевому продукту, если известна его производительность по сырью.

Например: Псырьё = 600 т/сутки; Впроп. = 30% масс.

Ппрод. = Псырьё · Впроп

Ппрод.=600 т/сутки · = 180 т/сутки

б) Выход на разложенное Вразл.

Характеризует степень полезного использования сырья, его также называют селективностью процесса.

Если Вразл. = 75% масс.

При многократном пропускании сырья через реактор, в конечном счёте, из 100 кг сырья было получено 75 кг целевого продукта и 25 кг побочных, нежелательных продуктов.

Вразл. = 75 - 80% масс часто для промышленности является вполне приемлемым, и только для некоторых окислительных процессов, таких как получение фенола и ацетона перкисным методом, достигает 90-92%.

в) α – конверсия сырья

Показывает, какая часть сырья вступает в реакцию за один проход через реактор.

Если конверсия сырья составляет 40%, следовательно, 60% сырья не успевает прореагировать. Это сырьё надо будет выделить из продуктов реакции и возвратить в процесс.

По этому показателю можно судить, какую производительность должны иметь аппараты для выделения и очистки непревращённого сырья.

Производительностью называют количество вырабатываемого продукта «G» или перерабатываемого сырья в единицу времени

П = (кг/час или т/час) (4.8)

Если производительность цеха задана по сырью

Псырьё = (4.9)

Производительность по продукту

Ппрод = (4.10)

Интенсивностью работы аппарата «I» называют его производительность, отнесённую к какой-либо величине, характеризующей размеры аппарата. Чаще производительность относят к объёму аппарата «V».

I = П /V (т/(м3·час)) (4.11),

где: П – производительность аппарата, т/час; V – объём аппарата, м3.

Из выражения (4.11):

П = I · V (4.12).

Из уравнения (4.12) видно, что производительность аппарата можно повышать двумя путями:

1. При I = const. С увеличением объёма аппарата производительность увеличивается. При этом уменьшаются затраты на выработку единицы продукции за счёт экономии тепла, электроэнергии, рабочего времени. По этому пути и шло до 80-ых годов XX века развитие химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности – увеличение единичной мощности агрегатов за счёт увеличения их размеров.

2. Более эффективно при ^ V = const увеличение производительности аппарата за счёт повышения интенсивности его работы, направив усилия на совершенствование аппарата и процесса в целом.


^ 4.4 Основная задача химической технологии

Из выражения (4.11) следует

Iпрод. = Ппрод. / V (4.13), где: Ппрод. – производительность аппарата по целевому продукту.

Ппрод. = Псырьё · Впроп (4.14), где: Псырьё. – производительность по сырью; Впроп. – выход продукта на пропрущенное сырьё.

Iпрод. = (4.15),

Псырьё = (4.16)

Производительность по сырью показывает количество сырья G, перерабатываемое в аппарате в единицу времени.

Iпрод. = (4.17)

Если V=const, то Iпрод. = (4.18)

Для аппарата данной конструкции существует предельная линейная скорость подачи сырья. Поэтому при неизменных размерах аппарата V=const, и количество прерабатываемого сырья в пределе будет неизменным: V=const, Gсырьё = const.

Следовательно, (Gсырьё / V) = const. Обозначим это отношение буквой А. Тогда:

Iпрод.= (4.18а)

Интенсивность работы аппарата будет прямо пропорциональна выходу целевого продукта на пропущенное сырьё «Впроп.» и обратно пропорциональна величине времени пребывания реагентов в зоне реакции «τ».

Можно связать интенсивность работы аппарата с выходом целевого продукта на превращённое сырьё – «Вразл.»:

Впроп. = α· Вразл (4.6)

Подставив это выражение в уравнение (4.18а), получим:

Iпрод. = А

При постоянной конверсии сырья α=const.

A= const, обозначим это произведение через А´:
1   2   3   4   5   6   7

Похожие:

Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение iconУчебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение
Химическая технология. Часть Физико-химические закономерности в химической технологии: Учебное пособие для студентов химического...
Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение iconУчебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2013. 89с. Введение
Химическая технология. Часть Важнейшие производства: Учебное пособие для студентов химического факультета. – Уфа: риц башГУ, 2013....
Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение iconУчебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых
Связь химической технологии с теоретической химией, физикой, техникой, экономикой
Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение iconУчебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2013 удк 66. 021 Ббк 35
Учебное пособие предназначено для студентов 3 курса химического факультета БашГУ
Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение iconУчебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2009 удк 66. 021 Ббк 35
Учебное пособие предназначено для студентов 3 курса химического факультета БашГУ
Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение iconДля студентов 3 химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ
Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №6 от 30. 01. 2007 г.)
Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение iconМетодическое указание по курсу «Общая химическая технология» для студентов 3 и 4 курсов химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ
Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №11 от 13. 04. 2005 г.)
Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение iconУчебное пособие для студентов высших и средних специальных учебных заведений. М., 2001. Введение
Канке В. А. Философия: учебное пособие для студентов высших и средних специальных
Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение iconЛекция для студентов лечебного факультета Обсуждено на умк кафедры бжимк 2013 г
Безопасность жизнедеятельности. Учебное пособие для студентов / Под ред чл корр. Рамн, проф. И. М. Чижа. – М: Первый мгму им. И....
Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение iconУчебное пособие для студентов очной и заочной формы обучения факультета психологии Подходы к исследованию внимания в отечественной и зарубежной психологии
Учебное пособие разработано кандидатом психологических наук, доцентом кафедры психологии личности Л. И. Габдулиной
Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение iconУчебное пособие по курсу «Общая химическая технология» для студентов специальностей 240701, 240702, 240706, 240901
Данное учебное пособие предназначено для того, чтобы обеспечить методическое руководство самостоятельной работой студентов, изучающих...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Документы


При копировании материала укажите ссылку ©ignorik.ru 2015

контакты
Документы