С В Іванов, П С Борсук, Н М Манчук - Загальна хімічна технологія - страница 1

Страницы:
1  2  3 

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ Національний авіаційний університет

С.В. Іванов, П.С. Борсук, Н.М. Манчук

—) ЗАГАЛЬНА ХІМІЧНА

/   ^ ТЕХНОЛОГІЯ

Навчально-методичний комплекс

VIVERE!

VINCERE! Київ 2008

CREARE!

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ Національний авіаційний університет

С.В. Іванов, П.С. Борсук, Н.М. Манчук

ЗАГАЛЬНА ХІМІЧНА ТЕХНОЛОГІЯ

Навчально-методичний комплекс

УДК 66.0 (076.5) ББК Л 10 47 І 201

Рецензенти: В.Л. Чумак - д-р хім. наук, проф. (Національний технічний університет України "Київський політех-нічний інститут");

Г.М. Прокоф'єва - канд. хім. наук, доц. (Націо-нальний технічний університет України "Київський політехнічний інститут")

Затверджено методичною-редакційною радою Національного авіаційного університету (протокол №6 від 21.06.2007 р.).

Іванов С.В.

Загальна хімічна технологія: навчально-методичний ком-І 201 плекс / С.В.Іванов, П.С.Борсук, Н.М. Манчук. - К.: НАУ, 2008. - 288

с.

Комплекс укладений відповідно до навчальної програми з дисцип-ліни. Містить теоретичні основи загальної хімічної технології, а також лабо-раторний практикум обсягом, передбаченим програмою для студентів Ін-ституту заочного та дистаннційного навчання. Кожна лабораторна робота містить теоретичні відомості, експериментальну частину, правила техніки безпеки та питання для контролю знань. Наведено методичні рекомендації до виконання контрольних і курсових робіт.

Для студентів Інституту заочного та дистанційного навчання спеціа-льності 6.051300 "Хімічна технологія" .

УДК 66.0 (076.5) ББК Л 10 47

© Іванов СВ., Борсук П.С, Манчук Н.М., 2008

ЗМІСТ

ПЕРЕДМОВА .................................................................................

7

ВСТУП ............................................................................................

10

1. ОСНОВИ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ .................

17

1.1. Хіміко-технологічний процес і його зміст ..........................

17

1.2. Класифікація хімічних реакцій, які покладені в основу

промислових хіміко-технологічних процесів .............................

19

1.3. Технологічні критерії ефективності хіміко-технологічного

процесу .......................................................................................

21

2. СТРУКТУРА ХІМІЧНОГО ВИРОБНИЦТВА ............................

32

3. ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНІ СИСТЕМИ ......................................

37

3.1. Поняття хіміко-технологічної системи ................................

37

3.2. Моделі хіміко-технологічних систем ...................................

38

3.3. Технологічні зв'язки в ХТС .................................................

43

4. ПОНЯТТЯ ПРО СИНТЕЗ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНОЇ

СИСТЕМИ ......................................................................................

48

4.1. Технологічні концепції створення хіміко-технологічних систем .........................................................................................

49

4.2. Аналіз хіміко-технологічних систем ...................................

54

5. МАТЕРІАЛЬНІ І ТЕПЛОВІ БАЛАНСИ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ СИСТЕМ ........................................................

55

5.1. Баланс співвідношень ..........................................................

57

5.2. Основні поняття ексергетичного аналізу хіміко-технологічних систем .....................................................

6. ТЕРМОДИНАМІЧНІ РОЗРАХУНКИ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ .....................................................

65

6.1. Рівновага хімічних реакцій ..................................................

66

6.2. Константа рівноваги й енергія Гіббса. Рівняння ізотерми

Вант-Гоффа.................................................................................

70

6.3. Хімічна рівновага в гетерогенних реакціях ........................

72

7. ВИБІР ТЕХНОЛОГІЧНИХ РЕЖИМІВ ПРОВЕДЕННЯ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ ......................................

73

7.1. Способи зміщення рівноваги ...............................................

73

7.2. Залежність константи рівноваги від температури ..............

76

7.3. Розрахунок рівноваги за термодинамічними даними ..........

77

7.4. Визначення складу реакційної суміші за хімічної рівноваги

79

3

8. ВИКОРИСТАННЯ ЗАКОНІВ ХІМІЧНОЇ КІНЕТИКИ

ПІД ЧАС ВИБОРУ ТЕХНОЛОГІЧНОГО РЕЖИМУ .....................

80

8.1. Швидкість гомогенних хімічних реакцій .............................

81

8.2. Залежність швидкості хімічних реакцій від концентрації

реагентів; кінетичні рівняння .....................................................

83

8.3. Способи зміни швидкості простих і складних реакцій ........

86

9. КІНЕТИКА ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ ..............

93

9.1. Вплив різних чинників на швидкість хімічних процесів,

перебіг яких відбувається на мікрорівні ....................................

93

9.2. Кінетика хіміко-технологічних процесів, що ґрунтується на оборотних хіміко-технологічних процесах .................................

96

9.3. Швидкість хіміко-технологічних процесів, що ґрунтується на паралельних та послідовних гомогенних реакціях .....................

99

9.4. Кінетика гетерогенних некаталітичних процесів ..............

109

9.5. Типи реакторів для гетерогенних процесів .......................

118

10. КАТАЛІТИЧНІ ПРОЦЕСИ .....................................................

123

10.1. Сутність і види каталізу ...................................................

123

10.2. Технологічні характеристики каталізаторів ....................

126

10.3. Гомогенний і гетерогенний каталіз .................................

127

10.4. Властивості твердих каталізаторів, їх виготовлення .......

132

10.5. Апаратурне оформлення каталітичних процесів .............

133

11. ХІМІЧНІ РЕАКТОРИ ..............................................................

140

11.1. Класифікація реакторів ....................................................

140

11.2. Вимоги до хімічних реакторів ..........................................

11.3. Структура математичної моделі хімічного реактора .......

141

11.4. Реактор ідеального змішування періодичний ..................

144

11.5. Реактори безперервної дії ................................................

146

11.6. Каскад реакторів ідеального змішування (К-РІЗ) ...........

151

11.7. Графічний метод розрахунку К-РІЗ .................................

156

11.8. Вплив кінетики на вибір типу реактора ..........................

157

11.9. Селективність, вихід, ступінь перетворення ...................

161

11.10. Хімічні реактори з неідеальною структурою потоків .... 167

11.11. Моделі ректорів з неідеальною структурою потоку ......

169

11.12. Комірчастий модель .......................................................

170

12. ПЛАН НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ "ЗАГАЛЬНА

ХІМІЧНА ТЕХНОЛОГІЯ" ............................................................

171

12.1. Тематичний план навчальної дисципліни ........................

171

4

12.2. Проектування дидактичного процесу з видів навчальних занять ........................................................................................

172

12.3. Лабораторні заняття, їх зміст і обсяг ...............................

177

12.4. Зміст контрольних робіт ..................................................

178

12.5. Самостійна робота студентів ...........................................

190

12.6. Курсова робота ................................................................

197

13. РОЗРАХУНКИ РІВНОВАЖНОГО СТУПЕНЯ ПЕРЕТВОРЕННЯ І СКЛАДУ РЕАКЦІЙНОЇ СУМІШІ ПРОЦЕСІВ, ЩО ЗАСНОВАНІ НА ЗВОРОТНИХ РЕАКЦІЯХ... 205

13.1. Методика розрахунку рівноваги ......................................

207

13.2. Програма обчислення рівноважного ступеня перетворення

на ЕОМ .....................................................................................

209

14. МАТЕРІАЛЬНИЙ БАЛАНС ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ

ПРОЦЕСІВ ...................................................................................

211

15. ТЕПЛОВІ РОЗРАХУНКИ ХІМІЧНИХ РЕАКТОРІВ .............

214

16. ЗАВДАННЯ ДЛЯ КУРСОВОЇ РОБОТИ ................................

218

Завдання 16.1. Одержання оксиду сірки (IV)

у виробництві сульфатної кислоти .......................................

218

Завдання 16.2. Стадія контактного окиснення SO2 у SO3

у виробництві сульфатної кислоти .......................................

220

Завдання 16.3. Стадія одержання технологічного газу

у виробництві аміаку ............................................................

220

Завдання 16.4. Виробництво синтез-газу (II стадія) ............

220

Завдання 16.5. Синтез аміаку ...............................................

221

Завдання 16.6. Стадія конверсії аміаку у виробництвінітратної кислоти..............................................................

221

Завдання 16.7. Стадія окиснення оксиду нітрогену (ІІ) до

оксиду (IV) у виробництві нітратної кислоти ...................

222

Завдання 16.8. Виробництво простого суперфосфату .......

222

Завдання 16.9. Виробництво дигідратної екстракційної

фосфатної кислоти (ЕФК) ..................................................

224

Завдання 16.10. Виробництво карбаміду ...........................

224

Завдання 16.11. Коксування кам'яного вугілля ................

227

Завдання 16.12. Виробництво метанолу ............................

227

Завдання 16.13. Синтез етилового спирту ........................

229

17. ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ ......................................

229

5

Лабораторна робота

ВИРОБНИЦТВО ГІДРОКСИДУ НАТРІЮ КАУСТИФІКАЦІЄЮ СОДОВОГО РОЗЧИНУ ...................

231

Лабораторна робота

НЕЙТРАЛІЗАЦІЯ СТІЧНИХ ВОД ......................................

241

Лабораторна робота

АНАЛІЗ ТВЕРДОГО ПАЛИВА ...........................................

248

Лабораторна робота

ФЛОТАЦІЙНЕ ЗБАГАЧЕННЯ КАМ'ЯНОГО ВУГІЛЛЯ.... 260 Лабораторна робота

КОКСУВАННЯ КАМ'ЯНОГО ВУГІЛЛЯ ...........................

267

Список літератури ........................................................................

282

Додаток 1 .....................................................................................

286

Додаток 2 .....................................................................................

287

Додаток 3 .....................................................................................

288

ПЕРЕДМОВА

Цей навчально-методичний комплекс призначений для сту-дентів Інституту заочного та дистанційного навчання хіміко-технологічного профілю, які вивчають дисципліну "Загальна хіміч-на технологія".

Дисципліну "Загальна хімічна технологія" викладають студе­нтам, які прослухали цикл лекцій фундаментальних хімічних («За-гальна і неорганічна хімія», «Органічна, аналітична і фізична хі-мія») і загально-інженерних («Теоретична механіка», «Електротех-ніка» та ін.) дисциплін, курс «Процеси і апарати хімічних вироб-ництв», а також частину профільних дисциплін, що вивчаються студентами спеціальності 6.051300 згідно з навчальними планами "Хімічна технологія" .

Вивчення курсу проходить на прикладах добре розроблених багатотоннажних хімічних виробництв і охоплює найважливіші типи технологічних процесів відповідно до їх класифікації. Вибір цих виробництв може змінюватись залежно від профілю спеціаліс-та, розвитку хімічних виробництв у тому чи іншому регіоні, а також від форми навчання.

Програмою передбачено виконання лабораторного практику­му на модельних установках, під час якого студенти набувають навичок дослідження і кількісного описання хіміко-технологічних процесів, а також беруть участь у практичних і розрахункових заняттях, де знайомляться з основами проектування хімічних виро-бництв. Поєднання лекційного матеріалу з лабораторними заняття-ми дозволяє одержати студенту достатній хіміко-технологічний фундамент для вивчення дисциплін з будь-якої хіміко-технологічної спеціальності.

У результаті вивчення курсу "Загальна хімічна технологія" студент повинен бути підготовлений до сприймання курсів спеціа-льної технології у вибраній галузі і реалізації одержаних знань у практичній діяльності.

Курс "Загальна хімічна технологія" складається з двох час-тин: «Теоретичні основи хімічної технології»; «Застосування зако-номірностей хімічної технології до інженерного оформлення на прикладах найважливіших виробництв». У теоретичній частині розглядаються питання класифікації хімічних виробництв і хіміко-технологічних процесів, вибір оптимальних умов технологічного режиму хіміко-технологічних процесів (ХТП), що складають хіміч-не виробництво, при цьому вибір проводиться на основі термоди-намічних і кінетичних властивостей фізико-технологічних систем.

Розглядаються також основні вимоги до хімічних реакторів типу ХТП, методи розрахунку основних характеристик реактора з урахуванням досягнення максимально можливого перетворення сировини і високої інтенсивності процесу.

Теоретичний матеріал викладений відповідно до робочої на-вчальної програми дисципліни "Загальна хімічна технологія", що наведена в комплексі. Комплекс містить матеріал для роботи сту-дентів в період сесії і в міжсесійний період (варіанти контрольних і курсових робіт, методичні рекомендації до їх виконання). Досвід роботи показав, що розв'язання задач і розрахунки з хімічної тех-нології підвищують інтерес студентів до предмету, сприяють по-глибленню теоретичних знань з курсу і розширюють політехнічний кругозір студента.

Курс загальної хімічної технології (ЗХТ) озброює студентів первісними, але дуже важливими поняттями про те, як закони хімії і інших фундаментальних наук застосовуються для вирішування інженерно-хімічних завдань, відомостями про загальні закономір-ності управління хімічними реакціями у виробництві. Мета даного курсу - дати ключ до розуміння інженерно-хімічних проблем, познайомити з основними ідеями хімічної технології.

Під час практичної роботи в лабораторії ЗХТ студенти закрі-плюють знання, отримані на лекціях, здобувають інженерні навич-ки керування типовими хіміко-технологічними процесами на модельному устаткуванні, що відтворює основні умови реального виро-бництва (сировина, схеми, конструкції реакторів, технологічні режими, методи контролю та ін.).

У процесі підготовки до виконання робіт студентам необхід-но вивчити модельований у лабораторній роботі технологічний процес за рекомендованою літературою. Вивчення має охоплювати, крім фізико-хімічних основ процесу, також схему експерименталь-ної установки, методи проведення на ній досліджуваного техноло-гічного процесу, його контролю, методику обробки експеримента-льних результатів і правила техніки безпеки. На лабораторні занят-тя студенти повинні приходити з підготовленим заздалегідь прото-

колом лабораторної роботи, що включає (конспективно) усі зазна-чені питання.

Після співбесіди з викладачем студенти допускаються до ро-боти й одержують конкретні завдання (з урахуванням майбутньої спеціальності). Після виконання експерименту кожен студент самостійно виконує необхідні розрахунки та завершує підготовку звіту з лабораторної роботи.

Експериментальні і розрахункові дані оформляються відпові-дно до завдання викладача за схемами, що є в описі робіт, уключе-них у комплекс.

Після виконання експериментальної роботи і належного офо-рмлення її результатів (основних теоретичних відомостей, схеми і короткого опису установки, методики роботи на ній, результатів експериментів і їх обробки ) кожен студент повинен здати (захис-тити) роботу викладачеві та правильно відповісти на контрольні питання.

ВСТУП Теоретичні основи хімічної технології

Технологія - це сукупність знань про способи і засоби прове-дення виробничих процесів (від грецького „техно" -мистецтво, ремесло або виробництво; „логос" - учення, наука).

Можна сформулювати технологію як науку про виробництво. За останній час з'явилися повніші визначення технології. Зокрема, технологію характеризують як науку про раціональні засоби і способи здійснення виробничих процесів або науку про раціональні методи і процеси переробки сировини в продукти споживання і засоби виробництва.

Згідно з іншим визначенням, технологія - це наука, що ви-вчає способи і процеси переробки продуктів природи (сировини) в предмети споживання і засоби виробництва. За характером викори-стання вихідної речовини розрізняють хімічну технологію та меха-нічну.

У виробничих процесах, пов'язаних із застосуванням механі-чної технології, у оброблюваного вихідного матеріалу відбувається в основному зміна лише зовнішньої форми. При цьому матеріал якісно не змінюється.

Хімічна технологія за рахунок реакцій приводить до якісних перетворень вихідних речовин. У ній вони проявляють свою внут-рішню активність на відміну від пасивної ролі в механічній техно-логії. Отже, в результаті хімічного процесу змінюється не тільки форма, що може бути і в будь-якому фізико-механічному процесі, не тільки агрегатний стан, що спостерігається при здійсненні фізи-чних процесів, але і молекулярна структура вихідних речовин. Отже, в хімічній технології перебігають перш за все процеси, що приводять до зміни складу, властивостей, внутрішньої будови і агрегатного стану вихідних речовин. Тому хімічна технологія дозволяє використовувати хімічну активність речовин для отри-мання нових сполук і матеріалів, які відрізняються за своїми фізи-ко-хімічними властивостями від вихідних і можуть бути викорис-тані людиною.

Хімічна технологія може розглядатися в чотирьох аспектах: з погляду аналізу шляхів перетворення сировини в готові продукти, тобто з погляду вибору способів і методів переробки сировини наоснові вивчення різних процесів; з погляду аналізу роботи типових апаратів і машин (вибору конструкцій і параметрів їх роботи) і їх взаємозв'язку між собою; з економічної і соціальної точок зору; з погляду екологічної безпеки.

Об'єкти вивчення хімічної технології - хімічні процеси і апа-рати для здійснення хімічних перетворень, а також хіміко-технологічні виробництва в цілому.

Мета хімічної технології - опис, пояснення, прогнозування поводження об'єктів хімічної технології на основі існуючих зако-номірностей.

Як наука хімічна технологія базується на закономірностях за-гальної, органічної і фізичної хімії, фізики, математики, загально-хімічних і загальноінженерних дисциплін, а також на загальнотех-нологічних закономірностях, в основу яких покладений перш за все системний підхід.

Найголовнішим завданням технології є визначення найвигід-ніших умов проведення технологічних процесів.

Таким чином, хімічна технологія фокусує найістотніші риси розвитку науки про виробництво. Для неї характерний також якісно вищий рівень виробничого використання самої речовини, її внут-рішньої активності. Крім того, хімічній технології властива можли-вість повнішого використання відходів виробництва за рахунок їх перетворення на цінну сировину для інших виробництв. У завдання хімічної технології нині входить не тільки створення необхідних видів речовин і матеріалів, але і виробництво енергії, захист навко-лишнього середовища та ін.

Хімічна технологія охоплює широке коло методів і процесів, які пов'язані не тільки з молекулярною зміною вихідних продуктів, але і з фазовими переходами, які використовувані при розділенні продуктів хімічного синтезу. У зв'язку з цим хімічна технологія як наука пов'язана з вивченням хімічних, фізико-хімічних, масо- і теплообмінних і інших процесів, з вибором методів і способів переробки вихідної сировини в продукти і предмети споживання, а також засоби виробництва і, нарешті, з вибором маршруту прохо-дження сировини і напівпродуктів по різних апаратах, зв'язаних в єдину технологічну схему.

Основні тенденції розвитку сучасної хімічної промисловості пов'язані перш за все з вирішенням глобальних проблем людства.

До них відносяться: продовольчі ресурси Землі; ресурси мінераль-ної сировини для промисловості; енергетичні ресурси; запобігання щодо забруднення біосфери. Всі ці проблеми взаємозв'язані і пови-нні вирішуватися комплексно. В їх рішенні істотно зростає роль біотехнології. Біотехнічні методи боротьби з токсикантами, забруд-ненням ґрунту, води і атмосфери, мікробіологічні методи вилучен-ня корисних копалин, біологічні методи виробництва ферментів і біологічно активних речовин перевершують за ефективністю мож-ливості традиційних методів.

Основним шляхом збільшення виробництва продуктів харчу-вання і поповнення харчових запасів є хімізація сільського госпо-дарства і тваринництва. Сучасний рівень хімічної технології і особливо біотехнології дозволяє отримувати в промисловому масштабі з нехарчової рослинної сировини моносахариди, етанол, гліберин, фурфурол, рослинні дріжджі, амінокислоти, білково-вітамінні концентрати тощо.

Одна з провідних тенденцій хімічної технології, зокрема хімії вуглеводнів і хімічної переробки вугілля і сланців, - створення великомасштабних виробництв нових видів хімічних продуктів і сировини багатоцільового призначення. Такими продуктами є молекулярний водень, аміак, гідразин, метанол, які відіграють роль як хімічних компонентів, так і вторинних енергоносіїв.

Особливе значення серед цих речовин має водень, найбільш чистим і практично невичерпним джерелом якого є вода. Отриман-ня водню з води - завдання стратегічного значення.

Найбільш перспективні технологічні процеси використання водню - синтез аміаку і метанолу, синтез рідких і газоподібних вуглеводнів (штучне рідке паливо, метан), гідрогазифікація твердих палив, пряме відновлення руд чорних і кольорових металів, спікан-ня металевих порошків, авіаційне, автомобільне і ракетне паливо, паливо для газових турбін і магнітогідродинамічних генераторів. За наявності дешевого водню можна перетворювати оксид вуглецю (IV) невичерпних природних запасів карбонатних порід процесами гідрування в метанол, метан, оксид вуглецю (II), рідкі вуглеводні, сечовину. Намічені деякі напрями широкого використання водню, пов'язані з тим, що на нікелевих, кобальтових і рутенієвих каталіза-торах взаємодія оксиду вуглецю (IV) з воднем дає метан, а на окси-дних каталізаторах - метанол. У всіх розвинених країнах світупроводиться робота з дослідження економічних способів великома-сштабного виробництва водню і створення водневої технології.

Серйозні перспективи має радіаційно-хімічний спосіб отри-мання водню з води, особливо у поєднанні з високотемпературним термолізом. Він орієнтований на комплексне використання випро-мінювання і теплоти ядерних реакторів. Із завданнями водневої енергетики тісно зв'язані і проблеми ефективного використання сонячної енергії. Істотно зростає роль хімічної енергетики, метою якої є розробка високоефективних способів акумуляції енергії в енергоємних речовинах типу водню і метану, які легко транспор-туються і здатні зберігати запасену енергію скільки завгодно довго.

Перехід на споживання водню об'єднає енергетику і хімічну технологію, побутове газопостачання і металургію, енергопоста-чання автомобільного і авіаційного транспорту і виробництво синтетичних вуглеводнів в єдину технологічну систему. При вико-ристанні водневої технології повністю знімаються екологічні і сировинні проблеми.

Страницы:
1  2  3 


Похожие статьи

С В Іванов, П С Борсук, Н М Манчук - Загальна хімічна технологія