Общая химическая технология

В широком смысле под технологией подразумевается научное описание методов и средств производства в какой-либо отрасли промышленности.
Химическая технология возникла в конце 18 века и на начало 20 века состояла из описания конкретных химических производств, их основного оборудования, материальных и энергетических балансов. По мере развития химической промышленности возникла необходимость выявления общих закономерностей построения химико-технологических процессов, их промышленной реализации и рациональной эксплуатации.
Общая химическая технология – наука, изучающая теоретические основы разработки технологий для различных классов химических реакций.
Задачи ОХТ
1) отыскание общих закономерностей протекания химико-технологических процессов;
2) определение оптимальных условий проведения химико-технологических процессов;
3) изучение химических превращений с учетом массо- и теплообменных процессов;
4) повышение эффективности использования сырья, энергии, снижение количества отходов и выбросов в окружающую среду; повышение качества выпускаемой продукции.

1

процессов, которые проходит сырье до превращения в целевой продукт.
К физическим процессам относятся –
1. Механические процессы (например, измельчение твердых материалов при подготовке сырья, гранулирование порошков при изготовлении катализаторов неподвижного слоя);
2. Гидродинамические процессы (движение жидкостей и газов, перемешивание, получение и разделение суспензий и эмульсий, фильтрование жидкостей и газов, центрифугирование и т.д.);
3. Тепловые процессы (нагрев и охлаждение без изменения агрегатного состояния, испарение, конденсация, кристаллизация);
4. Массообменные процессы (растворение, адсорбция – концентрирование вещества из газовой или жидкой фазы на поверхности твердого тела, абсорбция – переход вещества из газовой фазы в жидкую, ректификация).
Все физические процессы рассматриваются в курсе «Процессов и аппаратов», в курсе ОХТ изучаются теоретические основы химических процессов, протекающих в аппаратах большого размера (химических реакторах).
5. Химический процесс – как подсистема сложного, многостадийного химико-технологического процесса – это одна или несколько химических реакций, скорость которых определяется законами химической кинетики.

2

этап - подготовка сырья
Второй – химическое превращение сырья
Третий – разделение реакционной смеси

3

обладающий стоимостью).
В состав сырья входит реагент – индивидуальное химическое соединение, принимающее участие в основной химической реакции химико-технологического процесса и переходящее в результате в целевой продукт.
Остальные компоненты сырья называются примесями. В идеальном случае в химическом превращении должен принимать участие только реагент, на практике встречаются системы, в которых происходит и превращение примесей.
Образующиеся в ходе химических реакций вещества называются продуктами, продукт, ради которого организовано производство называется целевым, все остальные продукты называются побочными.
Реакция, в которой образуется целевой продукт, называется целевой, все другие реакции - побочными реакциями.
Очевидно, что мы должны максимально полно выделить из реакционной смеси все продукты реакции, а также не превращенные реагенты, которые возвращаются на стадию подготовки сырья.

4

– водный раствор этанола (азеотроп)
В системе протекают две химических реакции:
1. Внутримолекулярная дегидратация: этанол → этилен + вода
2. Межмолекулярная дегидратация: этанол + этанол → диэтиловый эфир + вода
В самом общем виде схема процесса включает три стадии:
Первая стадия - подготовка сырья (испарение воды и этанола, перегрев паров этанола и воды до рабочей температуры), на этой стадии химических превращений не происходит.
Вторая стадия - химическое превращение, образуются новые вещества – продукты реакции (этилен, эфир и вода); так как обычно химическая реакция протекает не до конца,отметим, что часть этанола остается без изменения.
Третья стадия – разделение реакционной смеси (выделение продуктов реакций и не превращенного этанола, который возвращается в начало процесса.
В этом примере:
Сырье – смесь этанол + вода, Реагент – этанол; Целевой продукт - этилен, Целевая реакция - мономолекулярная дегидратация; Побочный продукт – диэтиловый эфир; Побочная реакция - межмолекулярная дегидратация;
Вода одновременно Примесь и Побочный продукт, выделяющийся как в целевой, так и в побочной реакциях

5

нескольких аппаратов в которых единичный (отдельный) процесс протекает как стадия химико-технологического процесса.
Аппаратом является ректификационная колонна на стадии разделения, теплообменник на стадии подогрева или охлаждения, емкость с мешалкой на стадии смешения и т.д.
В качестве специфического термина, характеризующего аппарат в котором протекает химическая реакция, используется термин Химический реактор, чаще всего без прилагательного «химический».
Совокупность отдельных аппаратов, связанных между собой материальными, тепловыми и энергетическими потоками, называется Технологической схемой процесса.
Технологические параметры – это измеряемые величины, позволяющие по возможности полно охарактеризовать состояние процесса (расход материальных потоков, температура, давление, концентрация компонентов, концентрация катализатора).

6

вещества в кг (для периодического реактора); для проточного реактора удобнее использовать мольный поток F (размерность моль/время) или массовый расход (размерность кг/время); С – молярная концентрация (размерность моль/объем), расчеты по молярной концентрации корректно проводит только в том случае, если объем жидкого потока остается постоянной величиной.

Степень превращения (конверсия) реагента.
Характеризует все химические превращения данного вещества, протекающие в системе. Рассчитывается как доля вступившего в химические реакции вещества, от его исходного (начального) количества.
Обозначается греческой строчной буквой альфа, в качестве подстрочного индекса может быть указан реагент (брутто формулой, названием).
Например, для системы с двумя химическими реакциями:
aА → bВ (целевой продукт)
a/A → dD (побочный продукт)
αА рассчитывается как разница между количеством реагента (вещества A) на входе в реактор и количеством реагента на выходе из реактора, отнесенная к количеству реагента на входе в реактор.

8

из аппарата выражается через степень превращения как:

Степень превращения может выражаться не только в долях 1, но и в процентах (вышеприведенные выражения умноженные на 100%).

9

Если в реакции участвует несколько веществ, степень превращения может быть рассчитана по любому из реагентов.

Для обратимой реакции aА ↔ bВ, предельным состоянием в конкретных условиях проведения является состояние химического равновесия.
Для таких реакций дополнительно используется понятие равновесная степень превращения:

Здесь САравн или СА,е (индекс «е» от английского слова equilibrium) - концентрация реагента к моменту наступления химического равновесия).

кг поданного на вход в реактор реагента, 45 кг превратилось в целевой продукт, а 10 кг осталось не превращенным:
1. 0,90 2 . 45 % 3. 10 % 4. 0,45

возможному количеству, которое можно получить в данных условиях осуществления химической реакции.
Для простой необратимой реакции aA → bB
Выход продукта на поданное сырье (на поданный реагент) равен степени превращения:

10

Для обратимой реакции aA ↔ bB
Выход продукта на поданное сырье (на поданный реагент) равен отношению фактической степени превращения к равновесной (максимальной в данных условиях):

побочные реакции, выход по целевому продукту рассчитывается при допущении, что все количество реагента расходуется в целевой реакции.
В целом для сложных реакций выход по данному продукту рассчитывается как произведение конверсии реагента на селективность по этому продукту.

11

Селективность – доля превращенного реагента, израсходованная на образование данного продукта (не обязательно целевого), при расчете селективности учитываются только химические реакции - основная и побочные.

данной реакции, к общему количеству превращенного реагента. По другому интегральную селективность можно называть избирательной конверсией так как она отражает долю реагента израсходованного на образование данного продукта в общем количестве реагента, израсходованного на образование всех продуктов.
Например, для последовательной реакции
aА (реагент) → bВ (целевой продукт) → cС (побочный продукт)
селективность целевого продукта B по реагенту А:

селективность побочного продукта С по реагенту А

12

целевого превращения к суммарной скорости расходования реагента:
А → В (целевой продукт)
А → С (побочный продукт)

Производительность:
количество продукта произведенного (выработанного) в единицу времени:

где В – количество продукта (кг, тонн), τ - время, для выражения которого может быть использована любая единица – час, сутки, месяц, год)

13

для осуществления одной и той же химической реакции.
Интенсивность равна производительности, отнесенной например, к единице объема аппарата:

Пример размерности для интенсивности - [кг/(м3⋅ч)].

Для каталитических реакторов производительность аппарата удобно относить к массе (или объему) загруженного катализатора:

14

стехиометрии химической реакции.
Например для реакции
aА → bВ (целевой продукт) + cС (побочный продукт)

где Мi – молекулярная масса
Практический или фактический расходный коэффициент – отношение массы реагента, поданного в систему за данный временной интервал, к массе продукта, произведенного в течение этого временного интервала.