Основные понятия химической технологии

Технология — наука о способах и процессах производства промышленных продуктов из природного сырья, о выгодных приёмах переработки природных ресурсов в продукты.

Цели химической технологии

Главная цель технологического процесса — повышение производительности труда с одновременным улучшением качества продукции и снижением её себестоимости. Этого добиваются за счёт:

увеличения масштабов производства — мощностей химико-технологических систем (ХТС) и отдельных аппаратов;
интенсификации работы аппаратов;
комплексного использования сырья и создания безотходных производств;
энергосберегающих технологий — снижения энергозатрат и максимального использования теплоты химических реакций;
уменьшения количества стадий производства и перехода к циклическим системам;
замены периодических процессов непрерывными;
механизации трудоёмких операций и автоматизации производства.

Главные показатели, характеризующие эффективность производства:

расход сырья;
расход энергии;
выход и количество продукции;
интенсивность процесса;
капитальные затраты и их окупаемость;
себестоимость продукции.

Материальный баланс

В основе материального баланса лежит закон сохранения вещества: масса всего, что поступило в процесс, равна массе всего, что из него вышло. В общем виде:

\begin{aligned} m_\text{сырьё} + m_\text{вспом.} ={}& m_\text{продукт} + m_\text{побочн.} \\ &+ m_\text{отходы} + m_\text{непрореаг.} \end{aligned}

Слева — сырьё и вспомогательные материалы, справа — целевой продукт, побочные продукты, отходы и непрореагировавшее сырьё. Аналогично, на основе закона сохранения энергии, составляют энергетический (тепловой) баланс: приход теплоты равен её расходу.

🙏 Если вам нравится сайт, подпишитесь на наш 🔗 Телеграм-канал.

Балансовые характеристики

Из уравнения материального баланса составляются балансовые характеристики.

1. Производительность — количество выработанного продукта (или переработанного сырья) $G$ за единицу времени $\tau$ :

\Pi = \frac{G}{\tau}

Измеряется в кг/ч или т/ч; если количество продукта измеряют объёмом, говорят об объёмной производительности (м³/ч). Производительность показывает, сколько продукта производится за час или другую единицу времени, — бывает суточная, месячная, годовая.

2. Среднее время пребывания в реакторе — отношение объёма реактора $V$ к объёмной производительности $\Pi_V$ :

\bar{\tau} = \frac{V}{\Pi_V}

Оно показывает, сколько времени реакционная масса в среднем находится в реакторе.

3. Интенсивность работы аппарата — его производительность, отнесённая к какой-либо величине, характеризующей размеры аппарата, — объёму $V$ или площади сечения $S$ :

I = \frac{\Pi}{V} \quad \text{или} \quad I = \frac{\Pi}{S}

Интенсивность позволяет оценить загруженность аппарата и запас мощности, за счёт которого его работу можно интенсифицировать. Интенсификация достигается двумя путями:

улучшением конструкций машин и аппаратов;
совершенствованием технологических процессов в аппаратах данного вида.

Она целесообразна только тогда, когда не вызывает большого роста затрат на проведение процесса.

4. Расходный коэффициент по сырью (или вспомогательному материалу) — отношение количества затраченного сырья к количеству выработанного продукта:

\beta = \frac{G_\text{сырьё}}{G_\text{продукт}}

5. Степень использования сырья (степень превращения) — отношение количества сырья, вступившего в реакцию, к количеству исходного сырья:

x = \frac{G_\text{прореаг.}}{G_\text{исх.}}

6. Выход продукта — отношение количества фактически полученного продукта к теоретически возможному:

\eta = \frac{G_\text{практ.}}{G_\text{теор.}}

Увеличение масштабов производства

Мощность производства — наибольшая производительность, которой можно достичь на данном оборудовании.

Увеличить масштаб производства можно двумя способами. Укрупнение цехов и заводов за счёт увеличения количества параллельных ХТС не повышает производительность каждого аппарата, но позволяет снизить удельные расходы на вспомогательные цеха и операции. Однако управление производством, включающим большое количество параллельных систем, усложняется. Более эффективным оказалось увеличение мощности ХТС за счёт укрупнения самих аппаратов, без увеличения количества параллельно работающих систем.

Применение давления

Давление — один из основных способов воздействия на скорость и равновесие процессов. В химической промышленности его применяют:

в газовых системах — в необратимых реакциях давление повышает концентрации реагентов и тем самым скорость, в обратимых, идущих с уменьшением объёма, ещё и смещает равновесие в сторону продуктов;
в системах газ — жидкость — при абсорбции и хемосорбции растворимость газа растёт с давлением;
в системах жидкость — жидкость и твёрдое — твёрдое — здесь объём меняется мало, и нужны очень высокие давления; пример — переход графит → алмаз.