Классификация энергетических ресурсов 1 страница

ВЭР называется энергетический потенциал конечных, промежуточных и побочных продуктов и

отходов химического производства, используемых для энергоснабжения агрегатов и установок. К ВЭР

относятся тепловые эффекты экзотермических реакций, теплосодержание отходящих газов процесса,

потенциальная энергия сжатых газов и жидкостей.

Важнейшим источником энергии является химическое топливо (ископаемые угли, торф,

нефтепродукты, природный газ, технические газы), составляющее в балансе энергоресурсов химической

промышленности до 70%. Структура потребления химического топлива: газ - 19.4%, твердое топливо -

30.9%, нефтепродукты - 47.2%.

Второе место по масштабам энергетического вклада занимает гидроэнергия ГЭС и ядерная

энергия АЭС.

По энергоемкости химические производства делятся на три класса:

1 класс - производства с расходом УТ более 2т(58 * 103кДж) на 1т продукции. Это производства

ацетилена, химических волокон, капролактама, полиэтилена.

2 класс - производства с расходом УТ от 1 до 2 т(29*103-58*103 кДж) на тонну продукции. Это

производства аммиака, карбоната натрия, метанола.

3 класс - производства с расходом УТ менее1т (29*103кДж) на тонну продукции. Это

производства разбавленной азотной кислоты, уксусной кислоты, этиленгликоля.

В химических производствах энергетические затраты влияют на технико - экономические (ТЭП)

показатели процесса. Критерием экономичности использования энергии является коэффициент

использования энергии, которым называется отношение количества энергии, теоретически необходимое

на производство единицы продукции Wт к количеству энергии, практически затраченной на это Wпр

ηэ = Wт/Wпр

Для высокотемпературных эндотермических процессов коэффициент использования тепловой

энергии не превышает 0.7, т.е до 30% энергии уходит с продуктами реакции в виде тепловых потерь.

Степень использования тепла в химико- технологическом процессе выражается тепловым к.п.д.,

под которым понимается отношение количества тепла, используемого непосредственно на

осуществление химической реакции Qт к общему количеству затраченного тепла Qпр

ηт = Qт/Qпр

Тепловой к.п.д. – частный случай коэффициента использования энергии. Для определения

теплового к.п.д. аппарата составляется тепловой баланс, который основан на законе сохранения энергии.

Он показывает, какое количество тепла поступает в реакционный аппарат и на что это тепло

расходуется. Например, в печи для обжига известняка основной химической реакцией является

термическая диссоциация карбоната кальция с получением оксида кальция.

В данном случае тепловой к.п.д. - это отношение количества тепла, расходуемого на диссоциацию

СаСО3 Qт к общему количеству затраченного тепла Qп. В процентах он равен:

ηт =Qт/Qп *100 = 2850/4390 *100=65%

Количество тепла, теряемое с продуктами, выходящими из печи

(834+ 90 /43990) *100 = 21%

Тепловой баланс известково-обжигательной печи

Приход Расход

Статья кДж/кг Статья кДж/кг

От сгорания топлива 4390 1.На использование

известняка 155

2.На разложение

СаСО3 2850

3. Потери тепла

а) с отходящими газами 834

б) от неполноты сгорания

топлива 197

в) с выгружаемой из печи

известью 90

г) через стенки печи 264

Итого: 4390 Итого 4390

Тепло газообразных продуктов реакции или отходящих газов может быть использовано для

предварительного нагрева материалов, поступающих в реакционные аппараты. Например,

Продукты реакции

2 1

реагенты

Использование тепла продуктов реакции или отходящих газов

1 – теплообменник, 2- реакционный аппарат.

Тепловые потери в окружающую среду составляют 264/4390 *100 = 6%.

В ряде химико-технологических процессов тепловые потери составляют 10-15%. Их уменьшают

тепловой изоляцией аппаратуры, конструктивным оформлением аппаратов.

7 Экономика химического производства

7.1 Технико-экономические показатели химического производства

Для химической промышленности, как отрасли крупномасштабного материального производства,

имеет значение не только технологии, но и тесно связанный с ней экономический аспект, от которого

зависит нормальное функционирование и развитие производства. Этот аспект рассматривает экономика

химической промышленности, т.е. наука, изучающая уровень использования всех видов ресурсов

химического производства и разрабатывающая на основе его анализа наиболее эффективные пути и

методы его организации и развития. Важнейшим критерием, характеризующим совершенство

химического производства, является его экономическая эффективность. Она зависит от мощности

технологических установок и от научно-технического уровня технологического процесса. Технико-

экономический уровень производства определяется совокупностью технико-экономических показателей:

расходный коэффициент по сырью и энергии, выход готового продукта и степень превращения сырья,

селективность процесса, производительность, интенсивность работы аппарата, качество продукта,

себестоимость продукта. ТЭП зависят от ряда факторов, характеризующих состояние производства:

возраст предприятия (физический и моральный износ), техническое состояние оборудования, степень

автоматизации производства, квалификация кадров, уровень организации труда, прогрессивность

используемой технологии. ТЭП отражает возможности предприятия выпускать продукцию заданного

качества и в заданном количестве. Они являются критериями, позволяющими установить

экономическую целесообразность данного производства и его рентабельность. ТЭП используется для

оценки текущего состояния производства, его планирования и обновления техники.

Расходным коэффициентом (РК) называется количество сырья или энергии каждого вида,

затраченное на производства единицы массы или объема готовой продукции. По сырью расходный

коэффициент (РК) выражается в т/т, нм3/нм3,, по энергии в кВт*ч/т, кВт*ч/ нм3.

Выход готового продукта определяется как отношение массы полученного продукта к массе

сырья, затраченного на его производство. Для одностадийного процесса, протекающего по схеме А--В,

выход равен = mB/mA. Для многостадийного процесса А---- В---- Д суммарный выход равен

произведению выходов каждой стадии

ηЕ = η А* ηВ *ηС

Степенью превращения сырья называется отношение массы сырья, вступившего в химическое

превращение за время к исходной массе

Ха = ma0 – ma /ma0

ma -количество сырья, не вступившего в реакцию превращения за определенное время.

Выход продукта и степень превращения выражаются в долях единиц или %.

Селективностью называется отношение массы целевого продукта к общей массе продуктов,

полученных в данном производстве или к массе превращенного сырья за время τ. Селективность

характеризует преобладание одного из направлений процесса, превращение сырья приводит к

образованию нескольких конечных продуктов. Так, если процесс протекает по схеме

А В

L

где В- целевой продукт, то селективность по продукту В равна σ

σВ = mB/ mB+mD или σВ = mB/ mAO+mA

Выход продукта, степень превращения сырья и селективность характеризуют глубину протекания

химического процесса, его полноту и направленность в сторону образования целевого продукта.

Производительностью называется количество произведенного целевого продукта или

переработанного для его получения сырья в единицу времени

П = m/ τ

m- количество продукта, произведенного за определенное время.

Производительность выражается в кг/ч, нм3/сутки, т/год.

Интенсивностью аппарата называется его производительность, отнесенная к единице величины,

характеризующей размеры рабочей части аппарата, его реакционный объем или площади сечения.

И = П/V или И = П/S

Интенсивность – критерий эффективности работы аппарата. Выражается в кг/м3 или кг/м3.

Качеством продукта называется совокупность технических, эксплуатационных, экономических и

др. свойств, обуславливающих его пригодность для удовлетворения производственных потребностей в

соответствии с его назначением.

7.2 Структура экономики химической промышленности

Важное значение для оценки экономической эффективности имеют и такие показатели как

капитальные затраты, себестоимость продукции и производительность труда. Эти показатели зависят от

структуры экономики химического производства, в частности от удельного веса в ней основных и

оборотных фондов и фонда заработной платы.

Основные фонды являются материально-вещественным выражением средств труда. Они

представляют часть средств производства, которая целиком участвует в процессе в процессе

производства, но потребляются в течение многих производственных циклов, перенося свою стоимость на

готовый продукт по частям. Основные фонды делятся на основные производственные и основные

непроизводственные фонды. К основным производственным фондам относятся здания

производственного и вспомогательного назначения, сооружения, аппараты, машины, оборудование,

КИП, транспортные средства и т.п. К основным непроизводственным фондам относятся объекты,

предназначенные для обслуживания населения и непроизводственной сферы деятельности(жилые дома,

больницы и т. д.).

Оборотные фонды являются материально-вещественным выражением предметов труда. Они

представляют часть средств производства в каждом производственном цикле, перенося свою стоимость

сразу на готовую продукцию. Оборотные производственные фонды подразделяются на оборотные

производственные фонды и фонды обращения.

Оборотные производственные фонды – это предметы труда, обращенные в сфере производства.

Это сырье, основные и вспомогательные материалы и т. п. Оборотные производственные фонды,

выраженные в денежной форме, составляют оборотные средства предприятия. По назначению они

делятся на производственные запасы, незавершенное производство и денежные средства.

Фонды обращения – все средства, функционирующие в сфере обращения. Это продукция, готовая

к реализации; товары, находящиеся на пути к потребителю и на складах; средства расчета;

задолженность.

Финансовые средства, предназначенные для простого и расширенного воспроизводства основных

фондов, характеризуются капитальными затратами.

Капитальные затраты – это сумма всех затрат, произведенных при строительстве данного цеха.

Они включают затраты на приобретение оборудования, на строительстве и монтажные работы.

Эффективность отдачи капитальных затрат оценивается таким критерием, как удельные капитальные

затраты, т. е.затраты на единицу выпускаемой продукции.

Р= Кз/m

Кз- капитальные затраты в рублях

m- мощность цеха, т/год

Важным показателем рентабельности производства является себестоимость продукции.

Себестоимостью называется сумма всех затрат предприятия в денежном выражении связанных с

изготовлением и реализацией единицы массы (объема) производимой им продукции

Соотношение затрат по различным статьям себестоимости различной продукции меняется.

Например, в производстве фосфорной кислоты затраты на сырье составляют 80%. Себестоимость

продукции снижается при увеличении единичной мощности агрегата в соответствии с зависимостью

S= a*mb

S-себестоимость продукции руб/т

m-мощность агрегата

а и b – коэффициенты, причем b = -0.2

Структура себестоимости

Статья расхода доля в себестоимости

Сырье и основные материалы 57%

Вспомогательные материалы 6.6

Топливо 1.6

Энергия 8.1

Зарплата 11.9

Амортизация оборудования 11.0

Прочие расходы 3.8

Всего 100

7.3 Материальные и энергетические балансы химического производства

Исходные данные для всех количественных расчетов, производимых при организации нового

производства или оценке эффективности действующего основываются на материальных и

энергетических балансах. Эти балансы составляются с использованием материальных потоковых графов,

отражающих перемещение и трансформацию всех материальных участков технологического процесса.

Любое химическое производство можно рассматривать как совокупность материальных потоков,

участвующих в нем, компонентов сырья, промежуточных и побочных продуктов, готового продуктов и

отходов.

Материальным потоком называется графическое отображение движения и изменения веществ,

участвующих в химическом процессе. Материальный поток выражается в виде материально-потокового

графа (МПГ) процесса, т.е. графической схемы, в которой отражены природа вещества, направления его

перемещения, изменения агрегатного состояния и химического состава.

Материально- потоковый граф

Сырье 1 А В отходы

В Д

Аппарат В целевой продукт

С

Сырье 2 С Д побочный продукт

Д А

А, В, С, Д - компоненты сырья, участвующие в ходе химического процесса

Например, процесс обжига железного колчедана при степени превращения 1.0 и избытке воздуха

сверх стехиометрического МПГ имеет вид:

FeS2 +П Fe2O3

Колчедан огарок

Печь обжига

О2+N2 O2,N2,SO2

Воздух обжиговый газ

На основе МПГ составляется материальный баланс, служащий основой для дальнейших расчетов.

Материальный баланс– вещественное выражение закона сохранения массы: масса веществ,

поступивших на технологическую операцию(приход) равна массе веществ, получившихся в этой

операции(расход)

Mприх. =Мрасх.

Материальный баланс составляется на единицу массы целевого продукта или на отдельный

аппарат. Результаты представляются в виде таблицы.

На основе материального баланса рассчитываются расходные коэффициенты, определяются

размеры аппаратов и устанавливаются оптимальные значения параметров технологического режима

процесса.

Приход Расход

Вещество кг М Вещество кг М

Сырье 1 Целевой продукт

А ВС

В Побочный продукт

Сырье 2 АД

С Отходы

Д ВД

Потери

Итого 1 Итого 1

М- массовая доля

В основу энергетического баланса положен закон сохранения энергии: в замкнутой системе сумма

энергий всех видов постоянна. Наиболее распространенным видом энергетического баланса является

тепловой баланс.

Qприх =Qрасх

Статьями прихода и расхода в тепловом балансе являются тепловые эффекты реакций ΔН,

теплоты фазовых переходов (Q1), теплосодержание веществ, участвующих в процессе (Q2), теплота,

подводимая в аппарат извне (Q3), тепловые потери.

Δ Н+ Q1+Q2 +Q3 = Δ H+ Q´1+ Q´2+ Q´3+Qп

где индекс ´ относится к статьям расхода.

Тепловые вклады в баланс рассчитываются по известным формулам.

Тепловой эффект химической реакции

Δ Н= Σ Δ Н прод.реакции - ΣΔ Н исх. веществ

Значения энтальпий берутся из таблиц.

Теплосодержание веществ

Q2= m*c *t

m-масса вещества; с - его теплоемкость; t –температура.

Теплота физических переходов

Q1 = m* g

g- удельная теплота соответствующих фазовых переходов; m –масса вещества.

Подвод и отвод тепла в систему рассчитывается по потере тепла теплоносителя

Q3 = m*c*(tп-tk)

m- масса теплоносителя; с- теплоемкость теплоносителя; tk t п –конечная и начальная температура

теплоносителя

и по формуле теплопередачи через стенку

Q3 = K * F (tт - tпр) *τ

K – коэффициент теплопередачи; F-поверхность теплообмена; t – температура теплоносителя

обогреваемого аппарата; t –температура подогреваемого продукта; τ -время.

Тепловой баланс составляется по результатам материального баланса на единицу продукта или на

цикл работы аппарата.

Данные теплового баланса используются для определения расхода теплоносителя и хладагента,

расчета поверхности греющих и охлаждающих элементов и подбора оптимального температурного

режима процесса.

8. Основные закономерности химической технологии

8.1. Понятие о химико-технологическом процессе

В процессе химического производства исходные вещества (сырье) перерабатываются в целевой

продукт. Для этого необходимо осуществить ряд операций, включающих подготовку сырья для перевода

его в реакционно-способное состояние, собственно химическое взаимодействие компонентов сырья и

заключительную обработку полученной реакционной смеси. При этом используются помимо основных

химических процессов различные физические процессы: перемешивание, смешение, разделение,

измельчение и т.д.

Химико-технологическим процессом (ХТП) называется сочетание связанных друг с другом и

проводимых в определенной последовательности химических, физико-химических, физических и

механических операций с целью получения из сырья готового продукта. В общем случае ХТП состоит из

трех взаимосвязанных элементарных процессов:

1. Подготовка сырья к химической переработке.

А ′→ А

2. Химическое превращение подготовленного сырья в продукты реакции по двум схемам:

А→ В, А→ Д, или ↕В

А→

↕Д

В реакционной смеси обычно происходит несколько последовательных реакций,

приводящих к образованию целевого продукта и ряд побочных реакций, приводящих к образованию

побочных продуктов. Обычно при анализе производственных процессов учитываются не все реакции, а

те, которые имеют влияние на количество и качество основных продуктов.

3. Выделение целевого продукта из реакционной смеси и его очистка.

В→ В′ и Д→ Д′

Принципиальная схема ХТП

А В+Д В′

А' А′ →

1СТАДИЯ 2 СТАДИЯ 3 СТАДИЯ

Д′

А′ - сырье до подготовки, А – подготовленное сырье,

В+Д – реакционная смесь, В′ - выделенный целевой продукт, Д′ - побочный продукт,

Таким образом, из трех стадий ХТП первая и третья представляют физические процессы, вторая –

химический процесс. Общая скорость технологического процесса может лимитироваться скоростью

одной из трех стадий. Если наиболее медленно идут химические реакции, и они лимитируют общую

скорость, то говорят, что процессы происходят в кинетической области. Если общая скорость

лимитируется подготовкой сырья и подводом реагентов или отводом продуктов, то это значит, что

процесс происходит в диффузионной области. Эффективность осуществления ХТП требует

соблюдения некоторых условий. Поэтому для каждого ХТП разрабатывается технологический режим.

Технологическим режимом называется совокупность параметров, обеспечивающих устойчивое

и максимально эффективное проведение ХТП.

Параметром технологического режима называют величину, характеризующую какое-либо

устройство или режим работы аппарата, используемую в качестве основного показателя их действия.

Параметр – величина количественная и используется для количественной оценки процесса. К основным

параметрам ХТП относятся: температура, давление, концентрация реагентов, интенсивность

катализатора, время контактирования реагентов, объемная скорость потока реагента, сила тока и т.д.

Оптимальные условия проведения ХТП достигаются таким сочетанием его основных параметров, при

котором обеспечивается наибольший выход целевого продукта с высокой скоростью и наименьшей

себестоимостью. Параметры технологического процесса определяют принципы конструирования

соответствующих реакторов. Характер и значения параметров технологического режима положены в

основу классификации ХТП.

Однако все параметры взаимосвязаны. Значительное изменение одного из них влечет за собой

резкое изменение других. Поэтому выбираются параметры, оказывающие решающее влияние.

Химические реакции подразделяются:

По фазовому (агрегатному) состоянию взаимодействующих веществ: гомогенные (однородные),

гетерогенные (неоднородные). Гомогенными системами называются такие системы, в которых все

реагентные вещества находятся в одной какой-либо фазе Г, Ж, Т. Гетерогенные системы включают 2

или большее количество фаз: Г-Ж, Г-Т, Ж-Ж (не смешиваются) Ж-Т. В гомогенных системах

взаимодействующих веществ реакции происходят обычно быстрее, чем в гетерогенных, механизм

всего процесса проще, управление процессом легче, поэтому технологи стремятся к гомогенным

процессам. Гетерогенные процессы более распространены в промышленности.

По механизму взаимодействия реагентов на гомолитические и гетеролитические.

По протеканию во времени на обратимые и не обратимые.

По знаку теплового эффекта на экзотермические (-ΔΗ) и эндотермические (+ΔΗ).

По использованию катализатора на каталитические и не каталитические.

По значению температур на низкотемпературные и высокотемпературные.

По типу контакта реагентов в гетерогенной системе.

По виду реакции на простые (одностадийные) и сложные (многостадийные). Простыми

называются реакции для осуществления которых требуется преодоление только одного

энергетического барьера. Сложные реакции включают в себя несколько последовательных или

параллельных реакций.

→простые А→В

Химические реакции →↑ →последовательные А→В→Д

→сложные→↑ →В

↓→параллельные А→↑

→Д

Для исследования ХТП наибольшее значение имеет классификация реакций по фазовому

состоянию системы, по условиям протекания, по типу контактов и по наличию катализатора. Именно

от типа химической реакции зависит выбор конструкции аппаратов и параметры технологического

режима.

8.2. Процессы в химическом реакторе.

8.2.1.Химический процесс

Химические процессы осуществляются в химическом реакторе, представляющем основной

аппарат производственного процесса. От конструкции химического реактора и режима его работы

зависит эффективность всего ХТП. В технологической схеме химический реактор сопряжен с другими

ее элементами – аппаратами подготовки сырья, аппаратами разделения реакционной смеси и очистки

продуктов.

Под химическим процессом в реакторе понимают химическую реакцию или совокупность

нескольких реакций и сопутствующие ей явления массо - и - теплопереноса. В химическом реакторе

условно выделяют три зоны, в каждой из которых протекают процессы, подчиняющиеся

разнообразным закономерностям: зону подвода реагирующих веществ в зону химической реакции,

зону химических реакций и зону отвода продуктов из зоны химических реакций. В первой и третьей

зонах реактора протекают физические процессы, подчиняющиеся общим законам массопередачи: закон

фазового равновесия, коэффициент скорости массообмена процесса и т. д. Ускорение этих процессов и

интенсификация работы химических реакторов могут быть достигнуты путем перемешивания системы,

интенсификации подачи реагентов, увеличение скорости потока. Во второй зоне реактора протекает

ряд последовательных или параллельных химических реакций, каждая их которых характеризуется

скоростью (кинетический фактор), состоянием равновесия в системе (термодинамический фактор).

κ1 κ2 k1 В

А↔В↔Д и А

к2 Д

Следовательно, для оценки протекающих в этой зоне явлений, необходимо исследовать влияние различных факторов на скорость химических реакций и состояние равновесия в системе.

8. 2.2 Скорость химической реакции

Скорость химической реакции, протекающей в реакторе, описывается общим уравнением:

V = K* L *ΔC

L-параметр, характеризующий состояние реагирующей системы;

К- константа;

ΔС-градиент концентраций, представляющий частный случай движущей силы реакции.

Движущей силой процесса (ДС) называется разность между предельным значением данного

параметра процесса (температура, давление, концентрация) и его действительным значением в данный

момент времени, т.е.ΔТ, ΔР, ΔС. Чем больше ДС процесса при постоянстве других параметров, тем

выше скорость характеризуемого этим параметром процесса. К и α - различны для гетерогенных и

гомогенных систем. Для реакций, протекающих в гомогенной системе, скорость определяется

количеством полученного целевого продукта в единицу времени в единице объема системы

Vгом= κ*V*ΔC (8.1)

κ - константа скорости химической реакции,

V –реакционный объем, величина которого обратно пропорциональна времени контактирования.

Для реакций, протекающих в гетерогенной системе, количество получаемого целевого продукта в

единицу времени относят к единице поверхности соприкосновения фаз, на которой протекает реакция:

V гет. = κm*ΔС*F (8.2)

κ - коэффициент массопередачи, представляющий количества вещества в кг, передаваемого из

одной фазы в другую через поверхность раздела фаз равную 1 м2 при градиенте концентрации равном

1 кг/м2 в течение одного часа, м/ч.

F – поверхность раздела фаз м2

Выражение для ДС процесса ΔС зависит от обратимости химической реакции. Для необратимых

гомогенных реакций:

ΔА+bB = dD +ΔH (8.3)

ДС равна произведению конечных концентраций реагирующих веществ в степенях их

стехиометрических коэффициентов.

ΔС=СAа* СВb (8.4)

Для обратимых гомогенных реакций:

аА+вВ= dD (8.5)

ДС представляет произведение разности конечных концентраций реагирующих веществ и их

равновесных концентраций:

ΔС= (СА – САх) а - (СВ – СВх)в (8.6)

СА и СВ - концентрации вещества на выходе из реактора;

САх и СВх – равновесная концентрация веществ.

Одним из важнейших условий интенсификации ХТП, от которых зависят производительность и

размеры аппарата, является повышение скорости химической реакции. В общем случае она является

функцией четырех переменных: константы скорости или коэффициента массопередачи κ (κМ), ДС

процесса ΔС, реакционного объема V, поверхности раздела фаз F, увеличение каждой из них

способствует увеличению скорости реакции.

1.Константа κ (κm) – сложный параметр, значение которого зависит от химической природы и

физических характеристик реагентов, их агрегатного состояния, конструкции реактора. Она может

быть увеличена за счет повышения температуры, использования катализатора и т.п.

2. Реакционный объем связан со временем пребывания реагентов в зоне реакции и его увеличение

определяет возможность достижения равновесия химических реакций.

3.Увеличение поверхности раздела фаз достигается:

– для системы Г-Ж созданием пленки жидкости, стекающей по насадке, вспениванием жидкости и

т.п.;

– для системы Г-Т фильтрацией газа через твердую фазу и перемешиванием;

– для системы Ж-Т измельчением твердой фазы, применением кипящего слоя и т.п.;

– для системы Ж-Ж интенсивным перемешиванием, созданием эмульсии.

4 Увеличение ДС обеспечивается:

– повышением концентрации реагентов за счет использования более концентрированного сырья;

– увеличением давления для систем с участием газообразных веществ;

– уменьшением концентрации продуктов реакции отводом их из системы;

– изменением температуры и как следствие интенсификацией процессов сорбции и десорбции

реагентов и продуктов реакции.

8.2.3 Общая скорость химического процесса