Общая химическая технология

Курс лекций для студентов специальностей

240701 – «Химическая технология органических соединений

азота», 240702 – «Химическая технология полимерных

композиций порохов и твердых ракетных топлив»,

240901 – «Биотехнология» очной и очно-заочной форм обучения

Бийск 2007

УДК 66.01

Багров, Г.В. Общая химическая технология: курс лекций

для студентов специальностей 240701 – «Химическая технология

органических соединений азота», 240702 – «Химическая технология

полимерных композиций порохов и твердых ракетных топлив»,

240901 – «Биотехнология» очной и очно-заочной форм обучения /

Г.В. Багров, А.М. Белоусов, О.Ю. Кравцова.

Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск:

Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2007. – 114 с.

В курсе лекций рассматривается обязательный минимум содержания профессиональной образовательной программы по специальностям 240701, 240702, 240901, который включает в себя базовые вопросы курса «Общая химическая технология».

Курс лекций предназначен для студентов и преподавателей химико-технологических и смежных вузов.

Рассмотрен и одобрен на заседании кафедры

«Процессы и аппараты химической технологии».

Протокол № 4 от 25.09.2006 г.

Рецензенты:

зам. директора по научной работе ИПХЭТ РАН,

д.х.н. С.Г. Ильясов

заведующий кафедрой БГПУ, доцент, к.т.н. Г.Г. Балахонов

© Багров Г.В., Белоусов А.М., Кравцова О.Ю., 2007

© БТИ АлтГТУ, 2007

СОДЕРЖАНИЕ

1 ОБЩИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС.. 5

1.1 Вопросы, выносимые на экзамен. 5

1.2 Основные тенденции развития химической технологии………...7

1.3 Химико-технологический процесс и его содержание. 8

2 ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ ХТП.. 12

3 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ

В ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ.. 19

3.1 Влияние температуры.. 20

3.2 Сдвиг равновесия под влиянием давления. 22

3.3 Сдвиг равновесия под влиянием реагирующих веществ. 22

4 СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ.. 24

4.1 Влияние температуры.. 24

4.2 Влияние концентрации реагирующих веществ. 28

4.3 Влияние давления. 31

4.4 Активность катализатора. 31

5 ГЕТЕРОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ. ГЕТЕРОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В СИСТЕМЕ «ГАЗ–ТВЕРДОЕ ТЕЛО»…………………………………32

5.1 Поверхность контакта фаз. 37

5.2 Движущая сила процесса. 37

6 ГЕТЕРОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В СИСТЕМАХ

«ГАЗ–ЖИДКОСТЬ» И «ЖИДКОСТЬ–ЖИДКОСТЬ». 38

7 ПРОМЫШЛЕННЫЙ КАТАЛИЗ. 41

8 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРАХ.

РЕАКТОРЫ ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ.. 44

8.1 Химические реакторы с идеальной структурой потока в

изотермическом режиме. Уравнение материального баланса для элементарного объема проточного химического реактора 47

8.2 Реактор идеального смешения (РИС) 49

8.3 Реактор идеального смешения периодического действия

(РИС-П)……………………………………………………………………49

8.4 Реактор идеального смешения непрерывного действия

(РИС-Н)……………………………………………………………………51

9 РЕАКТОР ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ.

СРАВНЕНИЕ ПРОТОЧНЫХ РЕАКТОРОВ.. 53

10 КАСКАД РЕАКТОРОВ ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ

(К-РИС) 58

11 ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ С НЕИДЕАЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ ПОТОКА 62

12 РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ПРЕБЫВАНИЯ

В ПРОТОЧНЫХ РЕАКТОРАХ.. 65

13 ТЕПЛОПЕРЕНОС В ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРАХ.. 68

13.1 РИС-Н в неизотермическом режиме. 69

13.2 Совместное решение материального и теплового балансов

для стационарного адиабатического реактора РИС-Н………………...70

13.3 Стационарный неадиабатический РИС.. 74

13.4 РИВ в неизотермическом режиме. 75

14 УСТРОЙСТВО РЕАКТОРОВ.. 76

14.1 Реакторы для гомогенных процессов. 76

14.2 Реакторы для проведения гетерогенных процессов. 78

14.3 Реакторы для проведения реакций в системах

«ГАЗ–ТВЕРДОЕ» И «ЖИДКОСТЬ–ТВЕРДОЕ»……………………79

14.4 Реакторы для проведения реакций в системах

«ГАЗ–ЖИДКОСТЬ» И «ЖИДКОСТЬ–ЖИДКОСТЬ»……………...80

14.5 Реакторы для проведения гетерогенно-каталитических

реакций…………………………………………………………………….82

14.6 Выбор контактного аппарата. 86

15 ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ.. 88

16 СЫРЬЕВАЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ БАЗЫ

ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.. 103

16.1 Принципы обогащения сырья. 105

16.2 Вода и воздух в химической промышленности. 106

16.3 Энергетическая база химической промышленности. 111

ЛИТЕРАТУРА.. 113

1 ОБЩИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

«Химическая технология – естественная прикладная наука о способах и процессах производства продуктов (предметов потребления и средств производства), осуществляемых с участием химических превращений, технологически, экономически и социально целесообразным путем» (Д.И. Менделеев).

Современные определения звучат следующим образом.

Под технологией понимают научное описание методов и средств производства в какой-либо отрасли промышленности.

Химическая технология (ХТ) – это наука о наиболее экономически и экологически обоснованных методах переработки природных, сырых материалов в предметы потребления и средства производства.

Минимум содержания профессиональной образовательной программы по специальностям 240701, 240702, 240901 включает в себя из курса «Общая химическая технология» следующие вопросы:

- химическое производство: иерархическая организация процессов в химическом производстве; критерии оценки эффективности производства; общие закономерности химических процессов; промышленный катализ;

- химические реакторы: основные математические модели процессов в химических реакторах; изотермические и неизотермические процессы в химических реакторах; промышленные химические реакторы;

- химико-технологические системы (ХТС): структура и описание ХТС; синтез и анализ ХТС; сырьевая и энергетическая подсистемы ХТС;

- энергия в химическом производстве: важнейшие промышленные химические производства.

1.1 Вопросы, выносимые на экзамен:

1. Химическая технология как наука. Краткие сведения из истории развития химической технологии. Основные тенденции химической промышленности. Качество и себестоимость химической продукции.

2. Классификация химико-технологических реакций, лежащих в основе промышленных химико-технологических процессов.

3. Технологические критерии эффективности химического процесса: степень превращения, выход продукта, селективность, производительность, мощность, интенсивность, время контактирования, объемная скорость.

4. Равновесие химических реакций. Способы смещения равновесия химических реакций.

5. Термодинамический анализ. Основные положения эксергетического метода.

6. Скорость гомогенных реакций. Способы изменения скорости простых и сложных реакций.

7. Гетерогенные процессы. Гетерогенные некаталитические процессы в системе «газ – твердое вещество», «газ – жидкость».

8. Промышленный катализ.

9. Классификация химических реакторов и режимов их работы.

10. Уравнение материального баланса для элементарного объема прочного химического реактора.

11. Реактор идеального смешения.

12. Реактор идеального вытеснения.

13. Сравнение эффективности проточных реакторов идеального смешения и идеального вытеснения. Каскад реакторов идеального смешения (РИС).

14. Однопараметрическая диффузионная модель. Ячеечная модель.

15. Динамическая характеристика реакторов.

16. Уравнение теплового баланса химического реактора.

17. Проточный реактор идеального смешения в неизотермическом режиме.

18. Совместное решение уравнений материального и теплового балансов для стационарного адиабатического реактора идеального смешения при проведении в нем необратимых и обратимых реакций.

19. Стационарный неадиабатический реактор идеального смешения. Периодический реактор идеального смешения в неизотермическом режиме.

20. Промышленные реакторы для проведения гетерогенных каталитических процессов.

21. Промышленные реакторы для проведения гетерогенных некаталитических процессов.

22. Промышленные реакторы для проведения гомогенных процессов.

23. Теплообмен в реакторах.

24. Оптимальный температурный режим и способы его осуществления в промышленных реакторах.

25. Сырьевая база химической промышленности. Принципы обогащения сырья.

26. Вода и воздух в химической промышленности. Промышленная водоподготовка.

27. Энергетическая база химической промышленности. Классификация теплоэнергетических ресурсов. Технологические характеристики топлива.

28. Использование вторичных энергетических ресурсов.

29. Химическая технология и охрана окружающей среды.

30. Постановка общей задачи разработки и создания ХТС.

31. Задачи анализа, синтеза и оптимизации ХТС.

32. Синтез аммиака.

33. Технология получения азотной кислоты. Охрана окружающей среды при производстве азотной кислоты.

34. Технология получения серной кислоты. Охрана окружающей среды при производстве серной кислоты.

35. Технология получения минеральных удобрений (фосфорных).

36. Технология минеральных удобрений (азотных). Охрана окружающей среды при производстве минеральных удобрений.

37. Первичная переработка нефти. Охрана окружающей среды при нефтепереработке.

38. Деструктивная переработка нефти. Очистка нефтепродуктов.

39. Синтез метанола. Охрана окружающей среды при производстве метанола.

40. Особенности процессов биотехнологии.