Химико-технологический процесс

Хи́мико-технологи́ческий проце́сс (ХТП) — процесс получения целевого продукта начиная с этапа подготовки сырья и заканчивая выделением этого целевого продукта заданного количества и качества. ХТП состоит из элементарных стадий: подготовки сырья, химического превращения и выделения целевого продукта из реакционной смеси. ХТП сочетает связанные друг с другом и проводимые в определённой последовательности химические, физико-химические, физические и механические операции с целью получения из сырья готового продукта. С помощью ХТП получают в химической промышленности огромное количество продуктов — моторные топлива, масла, горючие газы, кислоты, синтетические смолы и волокна, лаки, краски и другие продукты.

Стадии

Химико-технологический процесс складывается из трёх стадий:

1. подвод реагентов в зону реакции при помощи абсорбции, адсорбции, конденсации паров, плавлением, растворением и другими воздействиями (осуществляется, как правило, с использованием физических процессов (механических, гидромеханических, тепловых, массообменных));
2. химические реакции — основа процесса (в ходе этого происходит глубокое изменение структуры, состава и свойств веществ, участвующих в нём);
3. отвод продуктов из зоны реакции за счет диффузии или перевода вещества из одной фазы в другую. Стадия выделения целевого продукта для большинства химических производств является необходимой. Технологический процесс, в котором достигается абсолютная селективность и полный выход целевого продукта, просто экономически невыгоден. Возрастают расходные коэффициенты, энергетические затраты, вследствие чего стоимость продукта резко возрастает, и тогда товар теряет своего потребителя.

Классификация ХТП

Основой классификации химико-технологических процессов является:

• способ организации процесса (по параметрам технологического режима);
• по способу организации химико-технологические процессы могут быть периодическими, непрерывными и комбинированными, при этом комбинированные процессы могут характеризоваться непрерывным поступлением сырья и периодическим отводом продукта или наоборот;
• кратность обработки сырья (по методам обработки) — по кратности обработки сырья различают процессы с открытой, закрытой (циркуляционной) и комбинированной схемами. В процессах с закрытой схемой требуется неоднократный возврат непрореагировавшего сырья в зону химического взаимодействия до того момента, как оно превратится в конечный продукт.
• вид используемого сырья — во виду используемого сырья химико-технологические процессы условно подразделяют на процессы, использующие минеральное сырье или сырье животного, растительного происхождения;
• агрегатное состояние веществ, участвующих в реакции (по фазовому состоянию реагентов).

По агрегатному состоянию веществ, участвующих в химической реакции, различают гомогенные и гетерогенные химико-технологические процессы. Гомогенными процессами называют такие, в которых все реагирующие вещества находятся в одной какой-нибудь фазе: газовой (г), твёрдой (т), жидкой (ж). В этих процессах реакция обычно протекает быстрее. В целом, механизм всего технологического процесса в гомогенных системах проще, соответственно проще и управление процессом. По этой причине на практике часто стремятся к гомогенным процессам, переводят реагирующие компоненты в какую-либо одну фазу.

В гетерогенных процессах участвуют вещества, находящиеся в разных состояниях (фазах), в двух и трех фазах. К гетерогенным процессам относятся, например, горение (окисление) твёрдых веществ и жидкостей, растворение металлов в кислотах и щелочах.

Экзотермические и эндотермические процессы

Химические процессы, которые протекают с выделением теплоты, называются экзотермическими. Химические процессы, протекающие с поглощением теплоты, называются эндотермическими.

Обратимые и необратимые ХТП

По направлению протекания химико-технологические процессы подразделяют на обратимые и необратимые. Теоретически все химические реакции обратимы. В зависимости от условий они могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях. В необратимых процессах равновесие в реакциях полностью смещается в сторону продуктов реакции, а обратная реакция, как правило, не протекает. Во всех обратимых процессах устанавливается равновесие, при котором скорости прямого и обратного процессов уравниваются, в результате чего соотношение между компонентами во взаимодействующих системах остаются неизменными до тех пор, пока не изменятся условия протекания процесса.

Технологические критерии эффективности

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

Степень превращения

Степень превращения исходного реагента — величина, показывающая насколько полно в химико-технологическом процессе используется исходное сырье, доля исходного реагента, использованного на химическую реакцию.

• Степень превращения реагента в общем случае рассчитывается по уравнению:

χ = (n₀ — n) / n₀

где χ — степень превращения реагента; n₀ — количество реагента в исходной реакционной смеси, моль; n — количество реагента в реакционной смеси, выходящей из аппарата или находящейся в реакторе, моль.

Для обратимых реакций при заданных условиях их осуществления предельным состоянием является состояние химического равновесия. Этому состоянию соответствует и предельно достижимая при данных условиях равновесная степень превращения χ_р:

χ_{р A} = (n_A,0 — n_p,A) / n_A,0 и χ_{р, В} = (n_В,0 — n_p,В) / n_В,0

где n_р,А и n_р,В — количество реагентов А и В в условиях равновесия.

Равновесную степень превращения χ_р обычно вычисляют, используя таблицы значений констант равновесия К_р, которые приведены в справочной литературе.

• Выход готового продукта (выход от теоретически возможного) — отношение его количества к количеству исходного сырья с учётом стехиометрических коэффициентов в расчете на поданное сырье.
• Селективность (избирательность) — отношение его количества к теоретически возможному количеству в расчете на превращенное сырье:

β = N_факт /N_теорет , β = m_факт / m_теорет , β = V _факт / V_теорет .

С использованием основных показателей стадии химического превращения рассчитывают материальный баланс производства, расход сырья на единицу продукта и заданную мощность аппарата, объёмы оборудования; составляют тепловой баланс; определяют технико-экономические показатели производства.

Основные направления развития ХТП

Основные направления совершенствования ХТП заключаются:

• в поиске новых соединений и материалов;
• в повышении эффективности производства химической продукции.

Эффективность химико-технологического процесса определяется экономикой, и её повышение обеспечивается:

• снижением затрат: на сырьё и материалы на энергию, на капитальные вложения;
• повышением производительности труда;
• разработкой вопросов охраны труда и окружающей среды;
• внедрением инженерных приёмов: рекуперация энергии использование тепла с помощью котлов-утилизаторов оптимизация технологических схем разделения и выделения продуктов по минимуму затрат улавливание и рекуперация отходов;
• открытие новых реакций и каталитических систем (наиболее кардинальная мера);
• выяснение детального механизма протекающих реакций, позволяющее найти пути осуществления процесса с максимальной эффективностью.

Крупнотоннажный органический синтез

В химической промышленности для повышения эффективности производства чаще всего используют дешёвое сырьё с целью увеличения селективности реакций, сопровождающих химический процесс. Например:

• совместное производство стирола и оксида пропилена с использованием трёх последовательных реакций, включающих окисление этилбензола до его гидропероксида:

C₆H₅C₂H₅ + O₂ → C₆H₅CHOOHCH₃

• эпоксидирование пропилена гидропероксидом при катализе комплексами молибдена и каталитическую (Al₂O₃) дегидратацию образующегося метилфенилкарбинола до стирола:

C₆H₅CHOHCH₃ →C₆H₅CH=CH₂ + H₂O

Селективность образования оксида из пропилена достигает в этом процессе 97 %, а стирола из этилбензола — 90 %. Суммарная селективность получения необходимой фракции α — олефинов превышает 95 %.

• новый промышленный синтез метилметакрилата из метилацетилена, являющегося отходом пиролизных производств:

CH₃C≡CH + CO + CH₃OH → C₆H₅CH₂=C (CH₃) COOCH₃

Реакция протекает при катализе гомогенными комплексами палладия с селективностью 99 %.

• Производство уксусного ангидрида по реакции карбонилирования метилацетата при катализе комплексами палладия:

CH₃COOCH₃ + CO → (CH₃CO) ₂O

Селективность образования ангидрида по этой реакции превышает 98 %.

Химическое равновесие в химико-технологическом процессе

Теоретически все реакции, сопровождающие ХТП, обратимы и стремятся к равновесию, то есть готовый продукт распадается на исходные вещества, поэтому необходимо сдвинуть равновесие вправо, в сторону образования продуктов. Это можно сделать, изменив температуру, давление, концентрации исходных веществ или продуктов, предпочтительнее откачка последних.

Скорость технологических процессов определяет производительность аппаратов и их количество. Скорость процесса можно увеличить за счёт изменения температуры, концентрации исходных веществ и давления, увеличением поверхности соприкосновения фаз и применения катализатора.

Гомогенные процессы протекают в однородной среде, но, практически, всегда есть примеси. Гетерогенные процессы характеризуются наличием двух и более взаимодействующих фаз.

Типовые процессы

Абсорбция — поглощение газов жидкостями с образованием растворов (получение кислот, улавливание продуктов нефтепереработки), обратный процесс — десорбция. Адсорбция — поглощение газов и жидкостей твёрдыми поглотителями — очистка газов, улавливание летучих растворителей.

Перегонка жидких смесей — дистилляция (простое разделение) и ректификация (многократный процесс) — основаны на испарении летучих жидкостей и конденсации. Разделение осуществляется за счёт разных температур кипения компонентов смеси.

В нефтеперерабатывающей промышленности применяют:

• пиролиз — термическая переработка горючих материалов для доступа воздуха (крекинг, коксование);
• полимеризация — химическое соединение молекул мономера в одну макромолекулу полимера;
• экстрагирование — избирательное растворение, применяется для очистки различных продуктов;
• диспергирование — рассеивание одного вещества в другом — производство паст;
• эмульгирование — получение эмульсий, систем, состоящих из двух несмешивающихся жидкостей.

Литература

• Мухленов И. П. Общая химическая технология. Теоретические основы химической технологии /И. П. Мухленов, А. Я. Авербух, Е. С. Тумаркина, И. Э. Фурмер. — М.: Альянс, 2009. — 256 с.
• Кондауров Б. П. Общая химическая технология /Б. П. Кондауров, В. И. Александров, А. В. Артѐмов. — М.: Академия, 2005. — 336 с.
• Кутепов А. М. Общая химическая технология /А. М. Кутепов, Т. И. Бондарева, М. Г. Беренгартен. — М.: Академкнига, 2008. — 528 с.

Примечания

Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!