Химико-технологический процесс

Эта статья входит в число готовых статей
Эта статья прошла проверку экспертом
Материал из «Знание.Вики»

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[1]. 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[2].

Стадии

Химико-технологический процесс складывается из трёх стадий[2]:

  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[3]:

  • 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[1].

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[2].

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[3].

Степень превращения

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

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 χр:

χр A = (nA,0 — np,A) / nA,0 и χр, В = (nВ,0 — np,В) / nВ,0

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

Равновесную степень превращения χр обычно вычисляют, используя таблицы значений констант равновесия Кр, 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 = Nфакт /Nтеорет , β = mфакт / mтеорет , β = V факт / Vтеорет .

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[3].

Крупнотоннажный органический синтез

В химической промышленности для повышения эффективности производства чаще всего используют дешёвое сырьё с целью увеличения селективности реакций, сопровождающих химический процесс. Например[2]:

  • 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 %.

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[2].

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[2].

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[2].

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

  1. 1,0 1,1 Кондрашова А. В. Общая химическая технология. Краткий курс лекций. — Саратов: ФГБОУ ВО «Саратовский ГАУ», 2016. — С. 5. — 64 с.
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 Собчинский А. И., Папина Е. Н., Тягливая И.Н. Общая химическая технология. — Ростов-на-Дону, 2017. — С. 33. — 56 с.
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 Общая химическая технология. Курс лекций. — Саратов: ФГБОУ ВО «Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского», 2016. — С. 8—10. — 64 с.