Что понимают под принципом выбор оптимальных условий проведения процесса

Оптимальные условия ведения процесса

Выбор оптимальных условий проведения того или иного каталитического процесса в промышленных реакторах определяется различными факторами; решающее значение имеют, однако, термодинамические характеристики процесса.

Концентрация аммиака.Скорость прямой реакции синтеза обратно пропорциональна парциальному давлению аммиака и, следовательно, его мольной доле, а для обратной реакции разложения характерна прямая пропорциональность. Таким образом, с повышением содержания аммиака общая скорость реакции падает (реакция “тормозится аммиаком”). Именно этим торможением объясняется повышение производительности процесса с ростом объемной скорости. Увеличение объемной скорости приводит к уменьшению прироста содержания аммиака и, тем самым, к увеличению средней скорости процесса. При низких температурах с повышением давления растет не только относительная степень превращения, но и абсолютное содержание аммиака в газовой смеси на выходе из реактора. Такой эффект влияния давления, возможно, тоже связан с торможением реакции водородом. По-видимому, при низких температурах значительная часть работающей поверхности заполнена хемосорбированным водородом. При высоких температурах выходы аммиака достигаются на смесях, близких к стехиометрическим, т.е. в условиях наибольших равновесных значений концентраций аммиака.

Инертные примеси. Как известно, производительность катализатора определяется, прежде всего, его химическим состоянием, макро- и микроструктурой, размером зерен, условиями восстановления и формирования. Зависит она от давления, температуры, объемной и линейной скоростей газового потока, состава газовой фазы по основным компонентам (азоту, водороду, аммиаку) и по примесям инертных газов (аргону, метану, гелию). Присутствие инертных примесей в смеси равносильно снижению общего давления, с увеличением их содержания скорость реакции уменьшается. Влияние инертных примесей на скорость реакции выражается (если отбросить второстепенные факторы) в том, что каждый процент этих примесей увеличивает эффективную мольную долю аммиака на 2%. А поскольку в первом приближении скорость реакции обратно пропорциональна эффективной мольной доле аммиака, то каждый процент инертных примесей уменьшает скорость реакции на 2% [1].

Температура. Температура влияет на константы скоростей прямой и обратной реакции k₁ и k₂. Эту зависимость выражает закон Аррениуса:

Из выражения закона Аррениуса видно, что с ростом температуры константы скорости быстро возрастают. Константы скорости прямой и обратной реакции связаны определенным соотношением с константой равновесия:

Зависимость константы равновесия от температуры в первом приближении выражается законом Вант-Гоффа:

Реакция синтеза аммиака экзотермична. Поэтому из этого равенства следует, что энергия активизации обратной реакции больше энергии прямой реакции:

При низких температурах константа скорости обратной реакции уменьшается значительно быстрее константы скорости прямой реакции. При этом скорость обратной реакции становится много меньше скорости прямой реакции и ее можно не учитывать, поэтому в области низких температур повышение температуры приводит к увеличению скорости реакции. Наоборот, в области температур, близких к равновесной температуре, скорость обратной реакции составляет значительную часть скорости прямой реакции. Здесь более быстрый рост обратной реакции с температурой по сравнению с прямой приводит к тому, что с повышением температуры общая скорость реакции падает. Оптимальную температуру определяет такая характеристика катализатора, как энергия активации обратной реакции Е₂. Для катализаторов различной активности оптимальные температуры одинаковы при одной и той же энергии активации.

Оптимальная температура зависит от состава реакционной смеси. С увеличением содержания аммиака и уменьшением содержания азота и водорода оптимальная температура уменьшается. Чем глубже прошла реакция, тем больше степень превращения, тем меньше оптимальная температура.

Низкому содержанию аммиака соответствует высокая оптимальная температура, которая может превысить максимально допустимую температуру катализатора. В этих случаях в качестве оптимальной температуры надо принимать максимально допустимую температуру [1].

Соотношение реагентов.Из общих соображений, а, также из анализа уравнения Темкина-Пыжева следует, что когда содержание какого-либо реагента (водорода или азота) приближается к нулевому или стопроцентному, в обоих случаях скорость реакции стремится к нулю. Существует оптимальное соотношение водорода и азота, при котором скорость реакции максимальна.

В соответствии с термодинамическими расчетами максимальный выход аммиака при высоких давлениях должен наблюдаться для соотношения Р_Н2:Р_N2 несколько меньше 3:1. В условиях промышленного каталитического синтеза такой выход достигается при отношении Р_H2:Р_N2 близким к 3. Сдвиг максимума в сторону смеси, обогащенной азотом, в случае каталитического процесса может бьггь объяснен тем, что лимитирующей стадией процесса в широком интервале условий является активированная адсорбция азота. При использовании смесей, обогащенных водородом, протекание процесса на катализаторе при давлении 30 МПа и относительно низких температурах (350°С) характеризуется тормозящим влиянием водорода на катализаторах, промотированных только оксидом алюминия (от 2 до 15% А1₂О₃). Степень приближения к равновесию тем меньше, чем выше концентрация А1₂О₃, ниже температура.

Анализ кинетических зависимостей синтеза аммиака позволяет сделать следующие выводы:

— эффективность процесса увеличивается с ростом давления, объемной скорости и уменьшением начального содержания аммиака и инертов;

— существует оптимальный температурный режим процесса, который является “падающим”, т.е. с увеличением содержания аммиака оптимальная температура уменьшается;

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Выбор оптимальных условий проведения процессов и технологической схемы переработки угля зависит от глубины его метаморфизма, петрографического, фазового, элементного и структурного составов, а также состава и содержания минеральных примесей. [1]

Успех в решении третьей проблемы, совместно с первыми двумя, позволяет научно обоснованно подходить к вопросу выбора оптимальных условий проведения процессов получения полимеров с заданным комплексом свойств. [3]

Поскольку традиционный путь выбора оптимальных условий проведения процесса путем исследования его механизма и определения кинетических характеристик требует значительного времени, целесообразно решать поставленную задачу методом математического планирования эксперимента. При этом необходимо найти такое сочетание факторов, реализация которых приводит к максимальному значению функции отклика. [5]

Как известно, это размывание может быть связано как с медленностью процессов массопередачи ( внешней и внутренней диффузии), так и с продольным перемешиванием. Оценка относительной роли каждого из этих эффектов необходима для выбора оптимальных условий проведения процесса и рационального подбора адсорбента. Наиболее полно и правильно такая оценка может быть сделана на основании данных, характеризующих в отдельности различные виды массоперено-са в слое сорбента. [8]

Эффективность использования ионообменного динамического метода для очистки растворов обеспечивается в основном применением ионитов высокой емкости. Поскольку полная обменная емкость ионитов в динамических условиях, как известно, реализуется неполностью, при выборе оптимальных условий проведения процесса задача сводится к уменьшению разницы между полной обменной емкостью колонны и емкостью колонны до проскока ионов в фильтрат. С другой стороны, практически не менее важно выбрать ионит, потому что при данных кинетических условиях наклон фронта иона, появляющегося в фильтрате первым, определяется в том числе и природой этого иона. Для целей очистки растворов следует поэтому выбирать иониты, характеризующиеся не только высокой обменной емкостью, но и большим значением константы обмена наименее сорбируемого иона. Качественный состав для выбора ионита не имеет значения, поскольку одна из особенностей динамики обмена смеси заключается в том, что наклон фрон та менее сорбируемого иона не зависит от свойств других компонентов смеси. Эти положения определяют целесообразность применения для цели обессоливания растворов ионитов с большим числом поперечных связей и делают нежелательным использование слабокислотных ионитов в водородной форме. [10]

На рис. 2 представлена зависимость выхода привитого полиакрило-нитрила при полимеризации мономера на пористой кремнеземной ткани от дозы. Зависимость накопления полиакрилонитрила от дозы как в опытах на укрупненной установке, так и в ампулах имеет аналогичный характер. Скорость полимеризации акрилонитрила, значительная в начале процесса, уменьшается во времени, приближаясь к значению скорости полимеризации акрилонитрила на непористой стеклоткани. Удовлетворительная согласованность результатов, полученных при работе со стеклянными ампулами, с данными, относящимися к опытам, проведенным с использованием укрупненной установки, изготовленной из металла, позволяет использовать полученные в работе [7] кинетические закономерности для выбора оптимальных условий проведения процесса привитой полимеризации на данном материале. [13]

Источник

Выбор оптимальных условий проведения процесса

1. Катализатор.

Неплатиновые катализаторы, состоящие из оксидов железа и хрома, также дают высокие выходы (около 96%), но скорость реакции уменьшается в 100 раз.

Таким образом, процесс окисления аммиака до оксида азота (II) является гетерогенно-каталитическим, идет во внешнедиффузионной области. Лимитирующая стадия – диффузия аммиака к поверхности катализатора.

Помимо активности, катализатор должен обладать селективностью, так как состав конечных продуктов будет определяться соотношением скоростей реакций 3.1 – 3.3.

2. Температура.

На платиновом катализаторе зависимость выхода NO от температуры имеет максимум, рис. 3.1.

Рис. 3.1. Зависимость практического выхода оксида азота (II) от темепартуры:

1 –при давлении 0,1 МПа, 2 –п
ри давлении 0,8 МПа.

Такой характер кривой определяется влиянием температуры на возможность протекания побочных реакций.

При низких температурах, примерно до 500 0 С, когда количество адсорбированного кислорода сравнительно невелико, окисление аммиака протекает в основном с образованием элементарного азота. С повышением температуры до 700-800 0 С выход NO возрастает, так как увеличивается доля активных центров катализатора, занятых кислородом, и растет скорость диффузии исходных веществ к поверхности катализатора. При дальнейшем повышении температуры происходит десорбция кислорода и резко возрастают скорости побочных реакций.

3. Давление.

Давление в процессе окисления аммиака связано с температурой. Чем выше давление, тем требуется более высокая температура для достижения одного и того же выхода (рис.11.1.).

Проведение процесса под давлением имеет ряд преимуществ: повышается скорость процесса, увеличивается интенсивность катализатора, значительно возрастает скорость реакции:

которая является лимитирующей в производстве азотной кислоты.

В промышленности процесс окисления аммиака до оксида азота (II) проводят при давлении – 0,8 МПа.

4. Соотношение исходных компонентов.

При стехиометрическом соотношении кислорода к аммиаку равном 1,25 в смеси будет содержаться 14,4 об.% аммиака, что соответствует области взрывоопасных концентраций. Кроме этого, при таком соотношении часть активных центров катализатора не заполняется кислородом, что будет способствовать протеканию побочных реакций с образованием элементарного азота.

Источник

Что понимают под принципом выбор оптимальных условий проведения процесса

к списку предметов

Применение кинетических моделей для выбора и оптимизации условий проведения химических процессов.

Кинетические уравнения или модели, полученные при исследовании конкретного химического процесса, используют для выбора оптимальных условий его реализации, т.е. выбора типа реактора, температуры, начальных концентраций (парциальных давлений) и мольного соотношения реагентов, степени превращения и т.д.

На первом этапе химику-исследователю необходимо проанализировать найденную кинетическую модель, выявить факторы, влияющие на результаты процесса и обосновать минимум вариантов его осуществления. На этом этапе обычно руководствуются двумя главными показателями: удельной производительностью реактора и селективностью процесса. Однако ни один из них не может отдельно служить критерием для окончательного выбора варианта проведения процесса. Такими критериями являются экономические показатели, а именно: минимум себестоимости продукта, максимум прибыли при его производстве или минимум так называемых удельных приведенных затрат.

Удельная производительность идеальных реакторов и их сочетаний.

Одной из важнейших характеристик реактора является его удельная производительность, под которой понимают съем целевого продукта с единицы объема в единицу времени. В технологии ее выражают в кг или т на 1 л и 1 м 3 в час, но мы будем пользоваться размерностью моль (кмоль) на 1 л или 1 м 3 в час, так как она тесно связана с кинетикой, и при желании ее легко перевести в производственные размерности. Для гетерогенно-каталитических процессов удельную производительность можно относить и к единице массы катализатора.

Для непрерывно действующих реакторов в стационарных условиях удельная производительность определяется выражением

В периодическом аппарате часть времени при каждой операции тратится на загрузку, выгрузку, подогрев, охлаждение и т.д. Поэтому к чистому времени реакции τ_р необходимо добавить некоторое время непроизводительных затрат t _н.з.. Тогда производительность такого реактора определяется соотношением

В случае простой реакции, не сопровождающейся образованием побочных продуктов, производительность можно выразить через степень конверсии по исходному реагенту

(1)

В случае сложных реакций необходимо учитывать селективность процесса по продукту В и тогда правую часть уравнения (1) перемножают на величину интегральной селективности Ф_В.

Сравним первоначально удельную производительность реактора идеального вытеснения и периодического реактора.

(2)

Перемножив числитель и знаменатель правой части уравнения (2) на С_{А 0}, имеем

Производительность периодического реактора

(4)

(5)

(6)

Можно видеть, что удельные производительности идеальных реакторов периодического действия и идеального вытеснения различаются временем непроизводительных затрат. Оно особенно сказывается при быстром протекании реакции, когда удельный вес τ _н.з. в общем балансе технологического цикла достаточно высок. Поэтому периодические аппараты сохранили свое значение только для процессов большой продолжительности (3-5 часов и более), а также при малых масштабах производства или при выпуске на данной установке попеременно то одного, то другого продукта.

Периодические реакторы в основном применяют для жидкофазных реакций. Их выполняют в виде емкостных аппаратов с мешалками и теплообменом за счет рубашки и внутренних змеевиков, пустотелых аппаратов с перемешиванием жидкости путем ее циркуляции через выносной теплообменник или барботажных колонн, снабженных внутренними или выносными теплообменниками. Иногда для перемешивания реакционной массы в системе газ – жидкость используется эрлифт.

Как правило, в начале в аппарат загружают один из реагентов и, если требуется, растворитель и катализатор. Второй реагент подают постепенно или даже непрерывно во время реакции, что особенно характерно для реакций в системе газ – жидкость. Такой режим называется полупериодическим. Чаще всего преимущество имеют непрерывно действующие аппараты. Это объясняется стационарностью параметров их работы, более простым обслуживанием и уравнением, лучшей возможностью автоматизации производства и, как следствие, более высокой производительностью труда. Сравним удельные производительности реакторов идеального смешения и вытеснения.

(7)

(8)

Разделив почленно левые и правые части уравнений (7) и (8), имеем

Для реакции нулевого и порядка и соотношение удельных производительностей равно единице. В этом случае реактор выбирается по технологическим соображениям и, как правило, такой выбор отдает предпочтение реактору смешения.

Для реакции 1-го порядка имеем

Для реакции второго порядка имеем

В обоих случаях при Х_А>0 отношение удельных производительностей этих реакторов меньше единицы (см. рисунок), из чего следует общий вывод: для всех реакций с кинетическими уравнениями простого типа, имеющих суммарный порядок больше нуля, реакторы вытеснения более производительны, чем аппараты смешения. Как мы увидим из дальнейшего, такой вывод верен для всех реакций, скорость которых падает с повышением степени конверсии, т.е. не имеющих индукционного периода или автокаталитического участка. Отмети, что реакторы полного смешения особенно невыгодны при доведении процесса до высокой степени конверсии (см. рисунок), которая более эффективно достигается в аппаратах идеального вытеснения.

Следовательно, с точки зрения удельной производительности обычно предпочтительны реакторы, близкие к моделям идеального вытеснения. Такими являются змеевиковые аппараты с охлаждением или нагреванием и по типу теплообменников «труба в трубе» либо погруженных, реакторы типа кожухотрубных теплообменников и аппараты с насадкой при условии турбулентного движения потока и значительном отношении их длины к гидравлическому диаметру. Такие типы реакторов используют для гомогенных гомофазных процессов в газовой и жидкой средах, а последние два – также для гетерофазных реакций (в системах газ – жидкость или жидкость – жидкость) и для гетерогенно-каталитических процессов. Практическая область их использования как аппаратов, близких к РИВ, ограничена сравнительно быстрыми реакциями с временем контакта менее 1-2 мин. В противном случае чрезмерно возрастает длина труб и их гидравлическое сопротивление или при снижении скорости потока с целью увеличения времени контакта режим движения перестает быть турбулентным.

Кроме каскада реакторов полного смешения существуют другие сочетания идеальных реакторов, из которых наибольшее значение имеют последовательности вытеснение –вытеснение, вытеснение – смешение и смешение – вытеснение. Первое из них применяют при необходимости промежуточного подогрева или охлаждения реакционной смеси (а), а также при введении в них дополнительных компонентов (б). Последовательность идеальных реакторов вытеснения и смешения (в) используют редко. По удельной производительности она уступает единичному аппарату вытеснения, не имея по сравнению с ним каких-либо преимуществ. Пример такого сочетания – » закалка » в высокотемпературных процессах.

Следует иметь в виду, что для реакций, характеризующихся индукционным периодом или автокаталитическим участком, есть другие, часто химические методы ускорения реакций – добавление в исходную реакционную массу веществ, способных ускорять реакцию – катализаторов, инициаторов. Примером такого решения является добавление к исходному изопропилбензолу части реакционной массы, содержащей гидропероксид изопропилбензола.

Источник

§ 24. Химия и производство

Химическая промышленность и химическая технология

Многие химические реакции, с которыми вы познакомились в лабораторных условиях, или аналогичные им осуществляют в промышленных условиях при производстве важнейшей для повседневной жизни химической продукции.

Пластмассы, синтетические волокна, фармацевтические препараты, удобрения, мыла и моющие средства, красители, пестициды, косметика и парфюмерные изделия и даже компоненты пищи — все это только некоторые виды продукции, выпуск которой полностью или частично зависит от химической промышленности.

Одиннадцать первых мест по объему производства принадлежит веществам, формулы которых: H₂SO₄, NH₃, N₂, СаО, O₂, С₂Н₄, NaOH, Cl₂, НСl, H₃PO₄, HNO₃. Эти-то вещества и используют в больших количествах далее для получения столь необходимых видов продукции, как названные выше.

Даже если речь идет о «100%-м природном продукте», это означает лишь то, что в нем нет синтетических добавок, и совсем не означает, что при получении не использовались какие-либо химические технологии.

Главная задача химии и химической технологии — производство разнообразных веществ и материалов с определенным комплексом механических, физических, химических и биологических свойств.

Любое химическое производство создается на основе общих научных принципов (табл. 21).

Таблица 21
Научные принципы организации
химических производств

1. Создание оптимальных условий проведения химических реакций

Противоток веществ, прямоток веществ, увеличение площади поверхности соприкосновения реагирующих веществ, использование катализатора, повышение давления, повышение концентраций реагирующих веществ

2. Полное и комплексное использование сырья

Циркуляция, создание смежных производств (по переработке отходов)

3. Использование теплоты химических реакций

Теплообмен, утилизация теплоты реакций

4. Принцип непрерывности

Механизация и автоматизация производства

5. Защита окружающей среды и человека

Автоматизация вредных производств, герметизация аппаратов, утилизация отходов, нейтрализация выбросов в атмосферу

Несмотря на огромное многообразие химических производств веществ и материалов, все они включают составляющие, указанные на схеме 13.

Схема 13
Важнейшие составляющие химического производства

Сырье

Сырьем называют природные материалы (природные ресурсы), используемые в промышленности для получения различных продуктов и еще не прошедшие промышленной переработки. Иногда используют вторичное сырье — это изделия, отслужившие свой срок, или отходы каких-либо производств, которые экономически выгодно снова переработать в химические продукты.

Сырье химической промышленности классифицируют по различным признакам.

По составу сырье делят на минеральное и органическое (растительное и животное).

По агрегатному состоянию различают твердое (руды, горные породы, твердое топливо), жидкое (нефть, рассолы) и газообразное (природный и попутный газы, воздух) сырье.

К минеральному сырью относят руды (из них получают металлы) и нерудные ископаемые: сера, фосфориты, калийные соли, поваренная соль, песок, глины, слюда (из них получают неметаллы, удобрения, соду, щелочи, кислоты, керамику, цемент, стекло и другие продукты).

К органическому сырью относится ископаемое горючее: торф, уголь, нефть, природный и попутный нефтяной газы — это ценное энергетическое сырье и сырье для химических синтезов. К органическому сырью также относится сырье растительного и животного происхождения, его дают сельское, лесное и рыбное хозяйство. В основном оно идет для производства продуктов питания, но частично, к сожалению, является и техническим сырьем. Кроме природных веществ, на химических заводах применяют полупродукты и отходы предприятий, а также вспомогательные материалы: воду, топливо, окислители, растворители, катализаторы (схема 14).

Схема 14
Классификация химического сырья

В связи с бурным развитием промышленности растет и объем потребления полезных ресурсов. Это приводит к тому, что многие сырьевые источники быстро истощаются, поэтому необходимо решать проблему бережного и рационального использования сырья.

Особое место среди природных ресурсов занимает вода. Она играет важную роль в химической промышленности.

В ряде производств это сырье и реагент, непосредственно участвующий в основных химических реакциях, например при получении водорода, серной, азотной и фосфорной кислот, щелочей; в реакциях гидратации и гидролиза.

Будучи универсальным растворителем и одним из наиболее распространенных катализаторов, вода дает возможность осуществлять многие химические реакции с большой скоростью в растворах или в присутствии ее следов. В химической, металлургической, пищевой и легкой промышленности воду используют как растворитель твердых, жидких, газообразных веществ. Часто ее применяют для перекристаллизации, для очистки различных продуктов производства от примесей.

Вода используется как теплоноситель из-за ее большой теплоемкости, доступности и безопасности в применении. Ею охлаждают реагирующие массы, нагретые в результате экзотермических реакций. Водяным паром или горячей водой подогревают взаимодействующие вещества для ускорения реакций или проведения эндотермических процессов.

Современные химические комбинаты расходуют миллионы кубических метров воды в сутки. Например, для получения 1 т аммиака требуется 1500 м 3 воды. Поэтому химические предприятия, нефтехимические заводы строят рядом с водными источниками.

Задачу сокращения расхода воды химическими предприятиями решают в трех основных направлениях: широкое применение оборотного водоснабжения (вода, используемая в теплообменных аппаратах, охлаждается и снова поступает в теплообменные аппараты, и так повторяется многократно), замена водяного охлаждения воздушным, очистка сточных вод и их повторное использование.

Энергия

Вы знаете, что большинство химических процессов требует затраты энергии. В химическом производстве энергию также расходуют на проведение вспомогательных операций: транспортировку сырья и готовой продукции, сжатие газов, дробление твердых веществ, контрольно-измерительное обслуживание и др. Химическая промышленность относится к одной из самых энергоемких. Средний расход только электрической энергии на производство 1 т аммиачной селитры NH₄NO₃ равен 11 000 кВт•ч; 1т синтетического аммиака — 3200; 1 т фосфора — 16 500; 1 т алюминия — 19 000.

В химической промышленности используют различные виды энергии: электрическую, тепловую, ядерную, химическую и световую.

Электрическую энергию используют для проведения электролиза расплавов и растворов веществ, нагревания, в операциях, связанных с электростатическими явлениями, например, в электрофильтрах при производстве серной кислоты для очистки оксида серы (IV). Электроэнергию вырабатывают тепловые (ТЭС), атомные (АЭС) электростанции и гидроэлектростанции (ГЭС).

Тепловая энергия в химической промышленности необходима для нагревания реагирующих веществ при проведении химических реакций, а также для сушки, плавления, дистилляции, выпаривания и других операций. Ее источником в производстве цемента, стекла, керамики служат различные виды топлива (твердого, жидкого, газообразного). Большинство же химических предприятий используют тепловую энергию в виде пара, горячей воды, получаемых из котельных установок или ТЭЦ.

Ядерную энергию используют главным образом для получения электроэнергии. Но такие реакции, как полимеризация, синтезы фенола и анилина, отверждение полимеров, проводят с помощью радиоактивного излучения.

Химическая энергия выделяется в виде теплоты в результате экзотермических реакций. Ее используют для предварительного подогрева исходных веществ, получения горячей воды, водяного пара. Химическая энергия может превращаться в электрическую, например, в аккумуляторах. А есть такие производства, в которых за счет энергии химических реакций покрывают собственные потребности, а излишки отпускают другим потребителям.

При получении 1 т серной кислоты из серы выделяется 5 МДж теплоты, а общие затраты на ее производство составляют всего 0,36 МДж. Излишки поступают к другим потребителям в виде пара и электроэнергии.

Световую энергию (ультрафиолетовое, инфракрасное, лазерное излучение) используют при синтезе хлороводорода, галогенировании органических веществ, реакциях изомеризации.

Ученые разрабатывают способы использования солнечной энергии, например фотохимическое разложение воды.

Защита окружающей среды и охрана труда

С точки зрения защитников окружающей среды, у химической промышленности плохая репутация. С чем это связано? Попробуем разобраться.

Все отрасли химической промышленности выпускают полезную продукцию. Вы можете сомневаться в необходимости тех или иных продуктов, но экономически они полезны и нужны, иначе бы их не производили.

Например, кому-то может быть неясно, зачем существует производство хлора, зато все согласны с необходимостью строительства завода по выпуску труб из поливинилхлорида.

Некоторые виды химической продукции действительно не вызывают особой симпатии: взрывчатые вещества для мин и снарядов, отравляющие вещества-пестициды, т. е. препараты для борьбы с сорняками, вредителями, возбудителями болезней.

С одной стороны, производство пестицидов возрастает, так как необходимо производить все больше продуктов питания для непрерывно увеличивающегося населения Земли. Но с другой стороны, некоторые пестициды весьма устойчивы в окружающей среде и представляют реальную опасность для существующих экосистем: гибнут полезные насекомые, птицы, рыбы, звери, происходит отравление людей непосредственно пестицидами или продуктами, в которых они накопились.

Любое промышленное предприятие (и химическое, конечно) имеет отходы. Производство без отходов невозможно. Газы выбрасывают в атмосферу, жидкие отходы — в канализацию, а иногда и в реку, твердые и некоторые жидкие сжигают в специальных печах или захоранивают в специально оборудованных местах.

Эти вещества загрязняют окружающую среду, неблагоприятно влияют на здоровье людей.

Поэтому химические предприятия потенциально опасны, их не строят непосредственно в городах. На самих предприятиях существуют жесткие требования охраны труда, что делает работу на них иногда даже безопаснее, чем на строительстве.

Например, установлены безопасные для здоровья людей предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе производственных помещений и на территории предприятий, а также в атмосфере населенных мест; предусмотрены строгие меры для предотвращения пожаров и быстрой ликвидации возможных возгораний; на некоторых производствах работники имеют индивидуальные средства защиты от вредных веществ. Выполнение правил охраны труда контролируют органы государственной инспекции, а также внутризаводская служба.

Наилучшим способом решения проблемы снижения вредности производства для людей и охраны окружающей среды служит применение безотходных или малоотходных технологий. Пример — синтез аммиака, в котором отходы (непрореагировавшие газы) многократно возвращают в производство.

В других случаях остро стоит вопрос об очистке отходов. К современным ее методам относят фильтрацию, пыле-, газоулавливание, обезвреживание (нейтрализация, поглощение газов жидкими и твердыми поглотителями), биологическую очистку (при помощи микроорганизмов), осаждение в специальных отстойниках, химические методы (перевод веществ в малорастворимые и нерастворимые соединения) и другие способы.

Очистные сооружения, конечно, требуют определенных материальных затрат, а некоторые руководители предприятий стараются избавиться от отходов самыми дешевыми способами. Такой подход, очевидно, объясняется невниманием к проблемам охраны окружающей среды от загрязнения, а может быть, связан с некомпетентностью в этом вопросе.

Характерная черта химической промышленности — сравнительно небольшое количество работающих. Это обусловлено высокой степенью механизации и автоматизации производств, что также способствует охране труда работников.

Производство аммиака и метанола

Любое химическое производство состоит из отдельных взаимосвязанных процессов-стадий (схема 15).

Схема 15
Основные стадии химического производства

Сравним два химических производства: синтез аммиака и синтез метанола. Оба процесса очень похожи по условиям их проведения и источникам сырья. Их осуществляют на аналогичных установках (рис. 50), которые часто монтируют на одном предприятии.

Рис. 50.
Схема установки, которую можно использовать в производстве аммиака и метанола

Все аппараты этих производств максимально герметичны, используется только энергия экзотермических реакций. Благодаря циклической (замкнутой) схеме синтеза эти производства служат примерами малоотходных, почти не имеющих выбросов в окружающую среду. Затраты на производство существенно снижены за счет осуществления непрерывного процесса: исходные вещества постоянно поступают в реактор, а продукты постоянно из него выводятся. Непрерывность процесса позволяет его полностью автоматизировать.

Производства аммиака и метанола считаются наиболее передовыми с точки зрения химической технологии (табл. 22).

Таблица 22
Производство аммиака и метанола

Основные стадии производства

I. Подготовка сырья. Подвод реагирующих веществ в зону реакции с помощью турбокомпрессора и циркуляционного компрессора

Реагирующие вещества: оксид углерода (II) СО и водород Н₂ (их смесь называется синтез-газом). Синтез-газ получают конверсией метана водяным паром при высокой температуре:

Для синтеза метанола исходную смесь берут в соотношении 1 объем СО к 5 объемам Н₂

а затем смешивают с циркуляционным газом (о нем смотрите далее) и направляют в колонну синтеза

II. Химический процесс проходит в основном аппарате производства — колонне синтеза

Подбор оптимальных условий проведения этих синтезов осуществляют исходя из характеристики химических реакций:

Исходную смесь газов сначала нагревают в теплообменнике за счет выходящих газов, движущихся противотоком, а затем в зоне экзотермической реакции. Противоток — движение различных веществ навстречу друг другу с целью создания наилучших условий для обмена энергией (в данном случае);

В обоих процессах реагенты и продукты реакции находятся в газовой фазе и образуют гомогенную систему. Реакции протекают на поверхности твердых катализаторов. Такие реакции составляют особый класс — гетерогенно-каталитических реакций.

Важное значение имеет площадь поверхности катализатора. Катализатор изготавливают в виде губчатых гранул или таблеток.

Так как активность катализатора сильно снижается от присутствия примесей, то реагирующие газы подвергают тщательной очистке (от воды, соединений серы и др.);

5) при всех указанных условиях проведения реакций равновесный выход продукта составляет не более 20%. Поэтому синтез продукта осуществляют по способу многократной циркуляции, т. е. непрореагировавшую смесь газов многократно возвращают в производство после отделения от нее полученного продукта

III. Отвод продуктов и непрореагировавших веществ из зоны реакции производят через холодильник с последующим разделением в сепараторе

после контакта с катализатором предварительно охлаждается в теплообменнике, отдавая теплоту входящим газам, а затем поступает в холодильник. Охлаждение производят водой, которая движется противотоком. Глубокое охлаждение приводит к конденсации продукта реакции, а в сепараторе он отделяется от непрореагировавших газов (циркуляционных), которые циркуляционный компрессор возвращает в колонну синтеза. Многократная циркуляция газов позволяет повысить выход продукта до 85—90% от теоретического.

Аммиак в дальнейшем используют для получения азотной кислоты, которая идет на производство удобрений, лекарств, красителей, пластмасс, искусственных волокон, взрывчатых веществ. Большие количества аммиака расходуются на получение мочевины, являющейся прекрасным азотным удобрением, да и сам жидкий аммиак и его водный раствор — это жидкие удобрения. На легком сжижении и последующем испарении с поглощением теплоты основано его применение в холодильных установках.

Метанол используют для получения большого количества разных органических веществ, в частности формальдегида

которые используют в производстве фенолформальдегидных смол и полиметилметакрилата (органического стекла) соответственно. Помимо этого, метанол используют как растворитель, экстрагент, а в ряде стран — в качестве моторного топлива, так как добавка его к бензину повышает октановое число топлива и снижает количество вредных веществ в выхлопных газах.

Источник