Материальный баланс химических процессов

ОХТ лекция№1.

ВВЕДЕНИЕ

Глава I Химико-технологический процесс и его содержание

§1 Основные технологические понятия и определения

Материальный баланс химических процессов

Энергетические (тепловые) балансы химических процессов

Введение.

Химическая технология – прикладная наука о способах и процессах производства различных продуктов и материалов, осуществляемых с участием химических превращений на основе рационального использования сырья и энергии.

Свое название химическая технология берет от трех слов: химия, которая имеет свою этимологию от греческого «технос» - искусство, ремесло и «логос» - ученье, наука. Далее Слайд№1

Как наука химическая технология имеет предмет изучения – химическое производство; цель изучения – создание целесообразного способа производства необходимых человеку продуктов; методы исследования – экспериментальный, моделирования, системный анализ.

Химическая технология относится к естественным наукам, поскольку имеет дело с материальными явлениями и объектами.

Процессы химической технологии можно классифицировать по различным признакам: характеру используемых технологий, происхождению и характеру сырья, характеру и потребительским свойствам продуктов. Наиболее фундаментальным является отраслевой принцип классификации, определяющей принадлежность процессов к группам перерабатываемого сырья или потребительским свойствам производимых продуктов. В этом плане необходимо выделить следующие отрасли химической технологии.

Неорганическая химическая технология, включающая в себя следующие подотрасли:

1. основной неорганический синтез, включающий в себя производство кислот, щелочей, солей, аммиака, минеральных удобрений на их основе и других неорганических веществ;

2. тонкий неорганический синтез – малотоннажные производства, но крайне важных для самой химической промышленности неорганических веществ: катализаторов; неорганических препаратов, реактивов, редких элементов, материалов для электроники, лекарственных веществ и др.;

3. технология силикатов – производство вяжущих и строительных материалов, керамических изделий, стекла и др.;

Металлургия –производства черных и цветных металлов.

 Слайд№1до, далее Слайд№2.

Технология органических веществ, включающая в себя следующие подотрасли: 

1. переработка ископаемого углеродсодержащего сырья - твердого топлива, нефти и газа – первичное разделение, очистка, облагораживание, конверсия углеводородного сырья;

2. нефтехимический синтез – производство органических продуктов и полупродуктов на основе переработки газообразных, жидких и твердых углеводородов, а также на основе оксидов углерода и водорода;

3. основной органический синтез – производство базовых продуктов органического синтеза, дающего начало всем остальным процессам более глубокой переработки органического сырья;

4. тонкий органический синтез – производство органических препаратов, реактивов, лекарственных веществ, душистых веществ, средств защиты растений и др.;

5. технология высокомолекулярных соединений, включающая в себя производство синтетических каучуков, пластмасс, химических волокон, пленок и др.;

Технология переработки растительного и животного сырья.

Слайд№2 до, далее Слайд№3.

В соответствии с приведенной классификацией сырьевую основу соответствующей отрасли составляют:

 в неорганической химической технологии:

· атмосферный азот и, в ограниченной степени, натриевая селитра, запасы которой быстро истощаются;

·  водород, который в промышленности производится конверсией и неполным окислением метана, конверсия твердого углеродного топлива, электролизом воды или водных растворов хлорида натрия;

·  кислород или воздух. Если необходимо иметь чистый кислород, то его сжижают при высоких давлениях и пониженной температуре, а затем подвергают фракционной перегонке.

· Источником получения серной кислоты является элементарная сера, пирит и сульфиды цветных металлов.

· Источником получения фосфорной кислоты и фосфат-содержащих удобрений являются фосфатные руды: апатиты и фосфориты.

Источником получения серной кислоты в неорганическом синтезе и других продуктов на ее основе является элементарная сера, пирит и сульфиды цветных металлов. Источником получения фосфорной кислоты и фосфат-содержащих удобрений являются фосфатные руды: апатиты и фосфориты.

  Слайд№3 до, далее Слайд№4.

В этих рудах фосфор находится в нерастворимой форме, главным образом, в виде фторапатита Ca₅F(PO₄)₅ и трикальций фосфата Ca₃(PO₄)₂. Апатит – минерал, входящий в состав изверженных пород. В России на Кольском полуострове имеются крупнейшие залежи апатито-нефелиновые руды. Нефелин (K,Na)₂O·Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O – сырье алюминиевой промышленности. Апатито-нефелиновую породу, содержащую до 70% апатита и до 25% нефелина, разделяют флотацией на апатитовый концентрат, в состав которого входит до 40% P₂O₅ и нефелиновую фракцию, которая после повторного обогащения содержит до 30% Al₂O₃. Фосфориты – породы, содержание в которых P₂O₅ колеблется от 20 до 30%.

Слайд№4

Первичным сырьем для производства органических веществ является природный газ, нефть, каменный уголь и, в меньшей степени, горючие сланцы и торф. Традиционные способы их переработки – пиролиз. Последние годы все большее значение приобретает синтез-газ, получаемый из всех перечисленных видов сырья путем парокислородной конверсии. Это особенно важно для твердых горючих ископаемых, залежей которых должно хватить на несколько сотен лет. Синтез-газ является основой для получения небольшой группы базовых продуктов органического синтеза, которые в сырьевом балансе промышленных органических продуктов составляют 90%. Сюда относятся этилен, ацетилен, пропилен, стирол, 1,3-бутадиен, бензол, толуол, ксилолы и др.

Источником получения металлов в технически чистом виде, являются природные минералы, содержащие, как правило, часть пустой породы. Минералы руд представляют, в основном, оксиды и сульфиды металлов (Fe, Cu, Zn и др.), содержащие оксиды соединений, составляющих пустую породу. В черной металлургии к ним относятся Al₂O₃, SiO₂, CrO, MgO и т.п. В то же время некоторые из этих оксидов могут служить рудами цветных металлов (например, Al₂O₃ в производстве алюминия).  

Химическая промышленность и смежные с ней отрасли, основанные на химических превращениях (нефтепереработка, нефтехимия, металлургия, целлюлозно-бумажная промышленность), являются крупнейшими потребителями энергии. Химические и нефтеперерабатывающие производства потребляют около 20% от энергопотребления всей промышленности. По расходу тепловой энергии химическая промышленность занимает второе место среди других отраслей хозяйственной деятельности, а по расходу электроэнергии – третье.

Химические процессы подразделяются на экзо- и эндотермические.  

Слайд№4  до, далее Слайд№5.

 

Проведение эндотермических процессов требует дополнительного подвода тепла извне и поэтому, как правило, характеризуется гораздо большим энергопотреблением. В экзотермических процессах такого подвода обычно не требуется, так как тепло реакции может быть использовано для поддержания необходимого температурного режима. В высоко экзотермических процессах, протекающих при высоких температурах (400-600°С), часть избыточного тепла реакции может быть преобразовано в механическую энергию для транспортировки реагентов и продуктов, или создания повышенных давлений. Это дает существенную экономию энергии на производстве. Помимо затрат или экономии энергии, связанной с экзо- и эндотермичностью реакций, реализация любого химического производства связана с расходом энергии вспомогательных операций, таких как подготовка и транспортировка сырья, отвод продуктов, физические операции дробления, фильтрации, перемешивания, дистилляции и др.

Энергетические ресурсы разделяют на топливные (уголь, нефть, природный газ, сланец, битумные пески, торф, биомасса) и нетопливные (гидроэнергия, энергия ветра, лучистая энергия солнца и д.р.), возобновляемые и не возобновляемые, первичные и вторичные.

Все возобновляемые энергетические ресурсы являются производными от энергии солнца, но в целях удобства их классифицируют по следующим категориям: солнечная энергия (прямая радиация); гидроэнергетические ресурсы (испарительно-конденсационный цикл); энергия ветра и волн; биомасса (растительного и животного происхождения). К практически неисчерпаемым относится геотермальные и термоядерные энергетические ресурсы, в геотермальные ресурсы включена глубинная теплота Земли, которая может быть использована как для теплоснабжения, так и для выработки электроэнергии. Термоядерные ресурсы (реакции синтеза) измеряются тепловыми эквивалентами преобразования дейтерия, содержащегося в морской воде и лития, находящегося в земной коре.

К не возобновляемым энергетическим ресурсам относятся те, запасы которых по мере их добычи необратимо уменьшаются. К ним относятся: уголь, сланцы, нефть, битумные пески и природные газы. Все названные выше виды энергоресурсов относятся к первичным.

Вторичными энергетическими ресурсами называется энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующихся в технологических установках, который не используется в самих установках, может быть частично или полностью использован для энергоснабжения других установок. Например, вторичными энергоресурсами производства аммиака, наиболее энергоемкого в химической промышленности, являются жидкие углеводороды, танковые и продувочные газы, физическая теплота дымовых газов трубчатых печей и огневых подогревателей природного газа, физическая теплота конвертированных газов и синтез-газа.

Вторичные энергетические ресурсы могут использоваться непосредственно без изменения вида энергоносителя для удовлетворения потребности в топливе или теплоте либо с изменением энергоносителя путем выработки теплоты, электроэнергии, холода или технической работы в утилизационных установках.

Топливо называют энергетическим, если его используют для получения электрической и тепловой энергии. Топливо, непосредственно используемое в различных установках, в том числе в промышленных печах и для коксования, называют технологическим.

В зависимости от агрегатного состояния топлива подразделяют на твердое, жидкое и газообразное. К твердым топливам относятся бурые и каменные угли, антрациты, торф, сланцы и дрова, а также продукты их переработки: кокс, полукокс, брикеты торфяные и угольные, термоантрацит, древесный уголь; к жидким – нефть, газовый конденсат и продукты их переработки: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, смолы и т.п.; к газообразным – природный, нефтепромысловый (попутный) и шахтный газы, а также сжиженный нефтезаводской, коксовый, полукоксовый, генераторный, водяной, доменный и др.

Глава I

Слайд№5 до далее Слайд№6

 

§1 Основные технологические понятия и определения.

Из рисунка 1.1 следует, что стадия 1 и 3 относится к физическим процессам, а вторая стадия – к химическим. Химические процессы неотделимы от химических реакторов, в которых они осуществляются. Показатели характеризующими эффективность работы аппаратов, реакторов, цехов и заводов в целом служат производительность:

 

,

(1.1)

где П – производительность в кг/час, т/сут или м³/сут и т.д.; m – масса продукта; τ – время.

Для сравнения работы аппаратов и установок различного устройства и размеров, в которых протекают одни и те же химические процессы, используются понятие интенсивности.

Интенсивность – это производительность, отнесенная в какой-либо величине, характеризующей размеры аппарата – к его объему или сечению.

,

(1.2)

где V_p – объем реактора в л или м³.

Расход сырья, воды, энергии и различных реагентов, отнесенный в единице целевого продукта, называют расходным коэффициентом:

,

(1.3)

где Y – расход сырья в т/т (м³/т), энергии, кВт·ч/т и т.д.

С лайд№6 до далее Слайд№7

Степень конверсии (превращения) – это отношение количества реагента, вступившего в реакцию, к его исходному количеству. Например, для реакции А→R; A→S

,

(1.4)

где x_A – степень конверсии; m _А,0, m _А – масса реагента в начале и конце процесса; n _А,0, n _А – количество вещества в начале и конце процесса.

Из уравнения (1.4) следует, что:

(1.5)

Или

(1.6)

С лайд№8 до далее Слайд№9

Селективностью по продукту S_R называется отношение количества целевого продукта к общему количеству получаемых продуктов. Селективность характеризует процессы, в которых протекают сложные параллельные и последовательные реакции с получением нескольких продуктов, что часто встречается на практике. Например, для реакции:

если целевым является продукт R, то селективность будет выражается в виде

,

(1.12)

где S_R – селективность по продукту R; m_R – масса продукта R, образовавшегося по целевой реакции.

Селективность по направлению  выполняется по мольным количествам (или мольным потокам), например:

,

(1.13)

где n (A → R) – соответствует количеству исходного реагента A, израсходованного на целевую реакцию; n_R – количество, образовавшегося продукта R.  

С лайд№9 до далее Слайд№10

Скорость химической реакции определяется количеством прореагировавшего исходного вещества или продукта реакции в единицу времени в единице объема системы.

 

  Например, скорость реакции А→R выражается уравнением:

(1.14)

или

(1.15)

где r_A и r_R – скорости реакции по реагенту A и R; n_A и n_R – число молей прореагировавшего вещества А и образовавшегося вещества R; τ – время реакции.

Для реальных процессов число молей n_A и n_R может быть отнесено к объему реакционной смеси в реакторе (V _см), к массе (m_kt) или объему (V_kt) катализатора в случае гетерогенно-каталитических процессов.

Если объем системы не изменяется в течение реакции, тогда:

.

(1.16)

Однако скорость реакции зависит от концентрации реагирующих веществ и температуры. Скорость реакции А→R, первого порядока имеет вид:

,

(1.17)

где k - константа скорости реакции.

С лайд№10 до далее Слайд№11

Подставив в уравнение (1.17) значение C_A = С_А,0 (1-х_А) получим:

.

(1.18)

 

Для реакции второго порядка 2 А→R имеем

(1.19а)

Или

.

(1.19 б)

Материальные расчеты проводят, опираясь на вещественное выражение закона сохранения массы вещества, согласно которому во всякой замкнутой системе масса веществ, вступивших в реакцию, равно массе веществ, образовавшихся в результате этой реакции:

.

(1.20)

 

  С лайд№11 до далее Слайд№12.

Материальные расчеты проводят по уравнению основной суммарной реакции с учетом параллельных и побочных реакций. Материальные расчеты составляют для отдельных стадий или для процесса в целом. При этом учет массы веществ производится отдельно для твердой, жидкой и газовой фаз, поэтому в общем виде материальные балансы, например, для реакции:

Или

можно записать в следующем виде:

.

(1.21)

 

В этом уравнении m_a и m_b – масса веществ А и В в начале процесса; m_r и m_s – масса веществ R и S образующихся в результате процесса;   и   – масса веществ А и В не вступившие в реакцию по различным причинам; m _пот – технологические потери.

В химической технологии различают теоретический и практический материальный баланс.

Теоретический материальный баланс составляется на основе стехиометрических уравнений реакций, протекающих в рассматриваемом процессе, и молярных масс компонентов этих реакций.

Практический материальный баланс отражает реальное положение дел в рассматриваемом процессе.

Степень отклонения его показателей от теоретически возможных величин с одной стороны, характеризует уровень реализуемой технологии, а с другой – является движущей силой на пути его совершенствования. При составлении материальных балансов сложных производств, связанных с рециркуляцией сырья, растворителей, промывных вод, целесообразно составлять схему материальных потоков, на которой в наглядной форме представлены направления потоков сырья и промежуточных продуктов (рис. 1.2) Материальный расчет может быть составлен в кг, кг/час.

Однако в действительности при химических реакциях вещества расходуются и образуются в мольных соотношениях и поэтому для материальных расчетов более удобно их количества выражать в молях (моль/час). Эти две величины, как известно, связаны между собой следующим соотношением:

(1.22)

где m – масса вещества в г или кг; М – солярная масса в г/моль или кг/кмоль; n – количество вещества в молях или кмолях.

С лайд№12 до далее Слайд№13

Рис. 1.2 Схема материальных потоков.

С лайд№13 до далее Слайд№14

 

    Для количества веществ, выраженных числом молей уравнение (1.22) написать нельзя, так как во многих случаях во время реакции число молей изменяется. Однако, для любой реакции простой или сложной оказывается можно ввести понятие полноты химической реакции (μ), через которую можно легко рассчитать материальный баланс в молях.

В частности, для простой реакции:

верно следующее равенство:

.

(1.23)

При этом величина μ будет всегда положительна и инвариантна в отношении участников реакции. Из уравнения (1.23) вытекает уравнение материального баланса

Тогда:

,

(1.24)

 

по которому, зная n_{i ,0} и n_i для одного из веществ, можно вычислить по формуле (1.23) значение μ, и затем по уравнению (1.24) мольные количества других веществ.

Так, например, полагая, что 3С₆Н₁₀ = 2С₆Н₁₂+С₆Н₆ является простой реакцией можно вычислить мольные количества всех компонентов реакции, если известно, = 12 кмоль; = 3 кмоль. Тогда по уравнению (1.23) находим:

.

По уравнению (1.24) определяем = 0 + 2∙ μ = 0 + 2∙3=6 кмоль; = 0 + +1∙ μ = 0 + 1∙3=3 кмоль.

Полученные результаты сводим в таблицу материального баланса.

В случае сложных реакций расчет материального баланса значительно усложняется. Это связано с тем, что до начала расчета материального баланса необходимо определить число независимых реакций и равное ему число ключевых веществ. С лайд№14 до, далее Слайд№15.

Таблица 1.1 Материальный баланс процесса получения бензола.

Компонент