Файл: Пинаев Г.Ф. Основы теории химико-технологических процессов учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 101
Скачиваний: 0
O |
f * H O R k l |
Г - |
Ф - ПИНАЕВ, |
V |
V ^ n v D D I |
в. в, |
ПЕЧКОВСКИЙ |
ТЕОРИИ ХИМИКО-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ
Под общей редакцией В. В. Печковского
Допущено Министерством высшего и среднего специ ального образования БССР в качестве учебного посо бия для химико-технологических специальностей вузов
ИЗДАТЕЛЬСТВО „ВЫШЭЙШАЯ ШКОЛА" МИНСК 1973
6П7.2
П32 УДК 66.01+658.5
Рецензенты профессора H . Н. Л е б е д е в а С. Н. Г а н з
3142—081
ПМ 3 0 4 ( 0 5 ) — 7 3 6 4 " 7 3
(g)Издательство «Вышэйшая школа», 1973.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Появление в послевоенный период ки бернетики заставило по-новому постро ить преподавание ряда технических дис циплин. Под ее влиянием в учебные пла ны студентов химико-технологических специальностей были включены такие дисциплины химико-кибернетического на правления, как основы моделирования химических производств, основы про граммирования и вычислительной техни ки и т. д. Авторы считают, что для луч шей стыковки указанных курсов с хими ческой технологией необходимо в опреде
ленной .степени |
перестроить |
логику |
||
изложения |
и такой |
традиционной |
хими |
|
ко-технологической |
дисциплины, |
как |
||
«Теория |
технологических |
процессов». |
Очевидно, полная реализация этого по желания потребует усилий и коллектив
ного |
тсуда |
многих химиков-технологов. |
В основу учебного пособия положен |
||
курс |
лекций |
по «Теории технологических |
процессов» и «Общей химической техно логии», читаемый в Белорусском техно логическом институте имени С. М. Ки рова.
В пособии излагаются теория расче тов материальных и тепловых балансов химико-технологических процессов, рас четов равновесий реакций, вопросы ин женерной кинетики гомогенных и гетеро- генно-каталитических реакций в изотер мических и неизотермических условиях, вопросы оптимального проектирования
химических реакторов. Важное место от ведено теории барицентрических» диа грамм и фазовых равновесий в много компонентных гетерогенных системах, методам технологических расчетов рав новесий и кинетики гетерогенных реак ций. В завершающем разделе книги анализируются пути оптимизации хими ко-технологических процессов и направ ления технического прогресса в химиче ской технологии.
Книга предназначена для студентов химико-технологических специальностей вузов, университетов и педагогических институтов, изучающих курс общей хи мической технологии, а также полезна инженерам, работающим на предприя тиях химической промышленности и цветной металлургии.
Авторы искренне благодарят своих рецензентов профессоров H . Н. Лебедева
иС. Н. Ганза, доцентов А. И. Черникова
иM . Н. Манакова за ценные замечания, способствовавшие улучшению содержа ния книги. Кроме того, авторы благода
рят сотрудников и студентов за участие в оформлении рукописи, особенно Т. А. Борщ и M . М. Пинаеву.
Авторы будут признательны за при сланные замечания, которые следует на правлять по адресу: 220600, Минск, Свердлова, 13а, Белорусский технологи ческий институт имени С. М. Кирова, кафедра технологии неорганических ве ществ.
" Г. Ф. П и н а е в В. В. П е ч к о в с к и й
Г л а в а I
ВВОДНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
§ 1.1. Химико-технологические процессы
Химико-технологическими процессами называют такие производственные процессы, которые состоят в целенаправ ленном изменении химического состава перерабатываемых продуктов, достигаемом с помощью одной или нескольких хи мических реакций, одного или нескольких физико-химических превращений или химических реакций в сочетании с физикохимическими превращениями.
Оказанное можно пояснить примерами.
Пример 1. Производство синтетического аммиака основано на осу ществлении реакции
|
|
N 2 + |
ЗН 2 ^ |
2NH3 . |
Однако |
реакция протекает не |
нацело, |
и непрореагировавшую азотоводо- |
|
родную |
смесь требуется отделить от образовавшегося аммиака и возвра |
|||
тить в |
производство. С |
этой |
целью газовую смесь охлаждают, аммиак |
|
сжижают и определяют |
от несконденсировавшихся азота и водорода. При |
сжижении газообразного аммиака осуществляется физико-химический про
цесс. Синтез |
аммиака |
производят при высоком |
давлении, |
осуществляя |
|
в компрессорах механический процесс |
сжатия газов, а также различные |
||||
операции по очистке азота и водорода. |
|
|
|
||
Пример 2. |
Известное |
минеральное |
удобрение |
хлористый |
калий полу |
чают из сильвинитовой руды, представляющей собой механическую смесь KCl, NaCl и нерастворимых в воде примесей. Производство хлористого калия основано на осуществлении следующих операций: при температуре
около 100°С руду обрабатывают |
в растворителе оборотным |
щелоком, |
в котором растворяется KCl и не |
растворяется NaCl. При этом |
получают |
крепкий щелок и отвал NaCl. Далее крепкий щелок очищают от взвешен ных примесей в осветлителе и охлаждают в вакуум-кристаллизаторе. При охлаждении крепкого щелока кристаллизуется хлористый калий, который отделяют от маточного щелока вначале в сгустителе, а затем на центри фугах. Маточный щелок подогревают и получают оборотный щелок, на правляемый затем в растворитель.
Основными процессами в производстве хлористого |
калия по описан |
ному методу (его называют галургическим) являются |
физико-химические |
процессы растворения KCl в оборотном щелоке и последующей кристалли зации KCl при охлаждении крепкого щелока. Кроме указанных физикохимических процессов, в названном производстве осуществляется также целый ряд физико-механических процессов. В частности, нерастворимый остаток (галитовый отвал) механически отделяют на фильтрах от щелока, крепкий щелок очищают от взвешенных частиц в осветлителях (гидроди намический процесс), маточный щелок подогревают в подогревателях (теплофизический процесс) и т. д.
5
Из рассмотренных примеров видно, что промышленное осуществление химико-технологических процессов, кроме хи мических реакций и физико-химических превращений, допол нительно требует использования физико-механических 'Про
цессов, имеющих в химических производствах |
подчиненное |
|
значение. |
|
|
Изменение химического |
состава продуктов |
составляет |
цель химико-технологических |
процессов, химические реакции |
и физико-химические превращения — основные |
методы, а фи |
зико-механические процессы — вспомогательные |
методы до |
стижения указанной цели. |
|
Химико-технологические процессы лежат в основе произ водства многих неорганических и органических веществ и за нимают весьма важное место в производстве черных, цветных и редких металлов, стекла, керамики, цемента и других си ликатных материалов, целлюлозы, бумаги, вискозы и других лесохимических продуктов, в производстве изотопов и рас щепляющихся материалов и т. д.
В связи с многочисленностью и сложностью химико-тех
нологических |
процессов возникает |
проблема |
их классифи |
||||
кации. |
элементарные |
|
сложные |
|
|
||
Различают |
и |
химико-технологиче |
|||||
ские |
процессы. К элементарным |
относят |
такие процессы, на |
||||
которые можно расчленить |
сложный |
химико-технологический |
|||||
процесс. |
|
|
|
|
|
|
|
Элементарные химико-технологические процессы подраз |
|||||||
деляют на следующие классы: механические, |
гидродинамиче |
||||||
ские, |
тепловые, |
диффузионные, |
химические. |
В |
пределах каж |
дого -класса элементарных процессов различают также детер минированные и стохастические химико-технологические процессы.
Детерминированными называют процессы, результат кото рых однозначно определяется измеримыми параметрами про цесса и, следовательно, точно может быть предсказан. При мером детерминированного процесса является 'процесс запол нения и опорожнения резервуара, в котором уровень жидкости однозначно определяется уровнем жидкости в на чальный момент времени и величинами потоков на входе и выходе резервуара.
Стохастическими называют процессы, результат которых не определяется однозначно измеримыми параметрами про цесса и, следовательно, может быть предсказан лишь с из вестной вероятностью. Примером стохастического процесса является работа дробилки, так как размер кусков на выходе дробилки варьирует в определенных пределах и точный раз мер каждого куска заранее не может быть предсказан.
Следует также упомянуть о параметрах химико-техноло-
6
гического процесса, обеспечивающих нормальное функциони
рование |
производства. |
Совокупность технологических |
пара |
|||
метров |
определяет |
технологический |
режим производства. |
Тех |
||
нологическими |
параметрами |
в |
химико-технологических |
|||
процессах являются |
измеримые |
|
величины, определяющие |
состояние веществ и их реакционную способность, — темпе ратура и концентрации веществ на входе и выходе аппаратов, дисперсность и состав твердых материалов, давление, состав и способ приготовления катализатора, способ и интенсивность перемешивания реагентов и т. д. Наиболее важными в хи мико-технологических процессах являются интенсивные физи ко-химические параметры — давление, температура и концент рации веществ.
Параметры подразделяют на независимые, которые могут изменяться независимо друг от друга, и зависимые, числен ные значения которых определяются величинами независи мых параметров. Общее число независимых параметров на зывают числом степеней свободы иливариантностью про цесса.
§1.2. Структура химических производств
Стехнической точки зрения химическое производство есть функциональная система, в которой осуществляется один или несколько химико-технологических процессов и которая имеет
вещественные, энергетические и информационные входы и ' выходы.
Вещественными входами называют исходные материалы, вещественными выходами — конечные продукты. Практиче ски все вещественные потоки химико-технологических процес сов одновременно являются и потоками веществ, и потоками энергии (в дальнейшем называем их технологическими пото ками). Различают контролируемые и неконтролируемые тех нологические потоки и соответствующие им коммуникации. Неконтролируемые потоки обычно обусловлены негерметич ностью оборудования, попаданием примесей или коррозией аппаратуры.
Современное крупное предприятие почти всегда можно рассматривать как объединение нескольких производств или производственных подразделений. Крупное производство можно определить как функциональную систему, а производ ственное подразделение как функциональную подсистему, в предельном случае как узел системы или аппаратурно-про- цессную единицу, или типовой химико-технологический про цесс. Следовательно, любую функциональную систему можно рассматривать как совокупность узлов,- каждый из которых соответствует некоторому типовому химико-технологическому
7
процессу. Все узлы системы связаны технологическими пото ками или коммуникациями.
Термин «функциональная» вводится для характеристики систем и подсистем в связи с тем, что в физической химии и химической технологии применяют также термин «физикохимическая» система или подсистема.
Если функциональная система содержит узлы, имеющие коммуникации, начало и конец которых принадлежит им са мим, то говорят, что узлы «замкнуты на <се0я» или «зацикле ны». Кроме того, узлы могут иметь входы или выходы, с по мощью которых система связана с внешней средой. Структу рой функциональной системы называют упорядоченную совокупность всех ее узлов и коммуникаций.
Структуру систем удобно представлять графически. Так, изображая отдельные аппараты фигурами, напоминающими внешний вид или разрез аппаратов, а коммуникации линиями, получаем технологическую схему производства. Если узлы системы изображать кружками, прямоугольниками и т. д. или в предельном случае точками, а коммуникации линиями, то получаем структурную схему производства.
Как известно, фигуры, образованные точками и линиями, называют графами. Следовательно, структурные схемы явля
ются графами. |
|
|
Различают открытые (проточные) |
и замкнутые |
(цикличе |
ские, круговые, рециркуляционные) функциональные |
системы |
|
и узлы, или проточные и циклические |
технологические схемы. |
Отличать открытые и замкнутые системы или соответствую щие им технологические схемы можно различными способа ми. Так, в любом технологическом потоке можно 'пометить порцию вещества (например, вводя радиоактивные изотопы, интенсивно окрашенные красители, люминесцирующие до
бавки |
и т. д.) |
и регистрировать |
ее прохождение через |
техно |
||||
логические аппараты. Такую помеченную |
порцию |
называют |
||||||
трассирующим веществом или трассером. |
|
|
|
|||||
Очевидно, |
через |
определенное |
время |
трассер |
пройдет |
|||
через |
технологические |
аппараты |
п, |
(п+1), |
(п + і), |
после |
||
чего |
он либо |
покинет |
систему, |
либо возвратится |
(хотя и в |
меньшем количестве, чем ранее) в п-й аппарат. В первом
случае говорят, что кратность прохождения |
трассера |
через |
||||
все |
аппараты |
равна |
1, во втором — ^кратность прохождения |
|||
трассера через |
аппараты от |
«-го до (п + і)-ѵо |
больше |
едини |
||
цы |
и теоретически |
равна |
бесконечности (на |
практике это |
всегда конечное число, так как число імолекул трассера ко нечно) .
Функциональную систему или соответствующую ей техно логическую схему химического производства называют про точной (разомкнутой, открытой), если кратность прохождения
8