Слайд 1Прикладная химия
Основные понятия общей химической технологии. Сырьё ч.1.
Слайд 2Список рекомендуемой литературы
Иртуганова Э.А. Химия и контроль качества эксплуатационных продуктов:
Учебник / Э.А. Иртуганова, С.Ю. Гармонов, В.Ф. Сопин. - М.:
НИЦ ИНФРА-М, 2014. - 528 с.
Матерова С.И. Химия процессов горения: Учебное пособие / С.И. Матерова - Железногорск: ФГБОУ ВО СПСА ГПС МЧС России, 2017. - 63 с.
Мартынова Т.В. Неорганическая химия: учебник / Т.В. Мартынова, И.И. Супоницкая, Ю.С. Агеева. — М. : ИНФРА-М, 2018. — 336 с.
Шевницына Л. В. Неорганическая химия / Шевницына Л.В., Апарнев А.И., Синчурина Р.Е. - Новосиб.: НГТУ, 2011. - 107 с.
Иванов В. Г. Органическая химия. Краткий курс: Учебное пособие / Иванов В.Г., Гева О.Н. - М.:КУРС, НИЦ ИНФРА-М, 2018. - 222 с.
Слайд 3Список рекомендуемой литературы
Кутепов А.М. Общая химическая технология / А.М. Кутепов,
Т.И. Бондарева, М.Г. Беренгартен. – М.: «Высшая школа», 1990. –
520 с.
Бесков В.С. Общая химическая технология и основы промышленной экологии / В.С. Бесков, В.С. Сафронов. – М.: «Химия», 1999. – 472 с.
Общая химическая технология. В 2-х т. / И.П. Мухленов, А.Я. Авербух, Е.С. Тумаркина и др., М.: «Высшая школа», 1984.
Слайд 4Прикладная химия
Курс «Прикладная химия» является кратким обзором химической технологии.
Под
«технологией» понимается наука о способах массового производства продукта.
Таким образом, под
«химической технологией» понимается естественная прикладная наука о способах и процессах массового производства продуктов, осуществляемых с участием химических превращений, технически, экономически и социально целесообразным путем.
Слайд 5Классификация химических технологий
Существует множество частных химических технологий, которые можно объединить
в две большие группы:
Слайд 6Различия основного и тонкого синтеза
Слайд 7Основные разделы химической технологии
При разработке любой частной химической технологии нужно
знать три общеинженерные дисциплины:
Общую химическую технологию (ОХТ),
Процессы и
аппараты химической технологии (ПАХТ)
Промышленную теплотехнику (ПТ),
вместе они составляют основу промышленной химии.
Курс «Прикладная химия» является кратким обзором химической технологии.
Слайд 8Общая химическая технология
Общая химическая технология – наука, изучающая теоретические основы разработки
технологий для различных классов химических реакций.
Предмет изучения ОХТ – закономерности,
лежащие в основе функционирования химического производства.
Задачи ОХТ как науки:
1) отыскание общих закономерностей протекания химико-технологических процессов;
2) на основе знания общих закономерностей нахождение оптимальных условий ведения химико-технологических процессов;
Слайд 9Общая химическая технология
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.
Существует множество разработанных методов синтеза различных веществ, которые потенциально могут быть внедрены в производство, однако химическая технология является очень консервативной сферой человеческой деятельности, и это внедрение происходит медленно.
Слайд 10Создание химического производства
Для создания или модернизации существующего производства необходимо рассмотреть
следующие вопросы:
На каком сырье будет работать новое производство?
Как сырье будет
доставляться на производство?
Как будет происходить подготовка сырья?
Где разместить новое производство, и как подключить его к существующей инфраструктуре?
Как обеспечить производство рабочей силой?
Как производить разделение продуктов реакции, и что делать с побочными продуктами, непрореагировавшим сырьем, отходами?
Как доставлять продукт производства потребителю?
Поэтому, изменение существующего химического производства – вопрос труда тысяч специалистов, и внедрение нового метода синтеза – процесс, иногда растягивающийся на столетия.
Слайд 11Методы ОХТ
Так как общая химическая технология направлена на получение целевого
продукта, то основным её методом исследования должен быть эксперимент.
Однако,
в силу его дороговизны (обычный объем экспериментального реактора должен быть около 10 литров) более распространено моделирование.
Слайд 12Основные понятия химической технологии
Химическое производство – совокупность процессов и операций, осуществляемых
в машинах и аппаратах и предназначенных для переработки сырья путем
химических превращений в необходимый продукт.
Химико-технологический процесс (ХТП) – часть химического производства, состоящая из трех основных стадий.
Слайд 14Основные понятия химической технологии
Целевой продукт – продукт, ради которого организован данный
ХТП.
Все остальные продукты называют побочными. Побочные продукты могут получаться как в целевой,
так и в побочных реакциях.
Если побочный продукт не находит применения, его называют отбросом; если он используется, то его называют отходом или вторичным сырьем.
Если целевой продукт используется в качестве исходного материала в другом производстве, то он называется полупродуктом.
Слайд 15Основные понятия химической технологии
Исходный материал, поступающий на переработку и обладающий
стоимостью, называют сырьем.
Вещество, принимающее непосредственное участие в целевой химической реакции,
называется реагентом. Реагент – это главный, но не единственный компонент сырья.
Все компоненты сырья, которые не участвуют в целевой реакции, называют примесями.
Слайд 16Основные понятия химической технологии
В технологии часто пользуются понятиями «превращенный» и
«непревращенный» реагент:
Превращенный реагент – это то количество реагента, которое вступило в
реакции (как целевые, так и побочные).
Непревращенный реагент – это то количество реагента, которое выходит из реактора в непревращенном, первоначальном состоянии.
Сумма масс превращенного и непревращенного реагента равна массе поданного в реактор реагента.
Слайд 17Основные понятия химической технологии
Вспомогательные материалы – химические вещества, которые обеспечивают нормальное
протекание ХТП (катализаторы, растворители)
Исходная смесь – смесь веществ, поступающих в реактор,
на стадию химического превращения.
Реакционная смесь – смесь веществ, находящихся в реакторе или выгружаемых из него. Ее состав меняется в процессе реакции. Можно говорить о составе реакционной смеси в определенный момент времени от начала реакции.
Слайд 18Пример производства
Рассмотрим производство оксида азота II:
4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O
4NH3 + 3O2 →
2N2 + 6H2O
4NH3 + 4O2 → 2N2O + 6H2O
Первая реакция является целевой, в ней
образуются целевой продукт – NO. Обычно эта реакция проводится на производстве азотной кислоты, поэтому его – же можно назвать полупродуктом.
Оставшиеся две реакции являются побочными.
Вода, азот и «веселящий газ» (N2O) являются побочными продуктами.
Слайд 194NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O
4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O
4NH3 + 4O2 → 2N2O + 6H2O
Аммиак
и кислород являются реагентами.
Сырье – аммиак, который содержит некоторое количество
других газов – примесей, и атмосферный воздух, который содержит в качестве примесей азот.
Слайд 20Вспомогательным материалом является платина, используемая в процессе в качестве селективного катализатора,
ускоряющего только первую реакцию.
Исходная смесь представляет собой аммиачно-воздушную смесь с
содержанием аммиака 9,5 – 11,5 % (объемная доля).
Реакционная смесь – нитрозные газы, содержащие NO, N2O, N2, пары H2O, а также непревращенные О2 и NН3.
Слайд 22Оценка эффективности химико-технологического процесса
Об эффективности химического производства в целом судят, прежде
всего, по экономическим показателям.
Себестоимость – это затраты предприятия в денежном
выражении, связанные с производством единицы химического продукта.
Прибыль – это разница между ценой и себестоимостью продукта, умноженная на объем производства.
Снижение себестоимости продукции является чрезвычайно важной задачей для химика-технолога как производителя химического продукта.
Слайд 23Оценка эффективности химико-технологического процесса
Для оценки отдельных стадий химико-технологического процесса используют
технологические показатели:
Конверсия α – доля реагента, которая вступила в химическую
реакцию.
где Nпод., Nпрев., Nнепревр. – соответственно количество поданного, превращенного и непревращенного реагента. Эти величины можно задавать в единицах количества вещества (моль, кмоль) или в единицах массы (г, кг и др.).
Слайд 24Оценка эффективности химико-технологического процесса
Селективность (избирательность) S – используется для характеристики
сложных процессов, в которых наряду с целевой реакцией протекают побочные
реакции.
где Nпрев.вцел.прод.- количество реагента, пошедшее на образование целевого продукта; Nобщ.прев. – общее количество превращенного реагента.
Слайд 25Оценка эффективности химико-технологического процесса
Выход целевого продукта β – это отношение реально
полученного количества продукта (Nфакт.) к максимально возможному его количеству (Nmax),
которое могло быть получено при данных условиях осуществления химической реакции:
Слайд 26Оценка эффективности химико-технологического процесса
В простом случае отсутствуют побочные реакции и
весь реагент превращается в целевой продукт, селективность процесса S =
100%.
Так как в реакцию вступает теоретически возможный максимум реагента, то его конверсия оказывается равной выходу продукта α=β.
В реальном случае, осложненном протеканием побочных реакций селективность оказывается меньше 100% (S<100%), а конверсия не равна выходу α≠β.
Слайд 27Оценка эффективности химико-технологического процесса
Качество продукции – совокупность свойств целевого продукта, обуславливающих
его пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с его назначением.
Качество
химического продукта зависит от качества исходного сырья и материалов, применяемой технологии, организации труда и производства, квалификации кадров и регулируется различными нормативными документами:
ГОСТ – государственный стандарт,
ОСТ – отраслевой стандарт,
РСТ – республиканский стандарт,
СТП – стандарт предприятия,
ТУ – технические условия.
Слайд 28Сырьё (3я лекция)
Сырье – исходный материал для производства химического продукта,
обладающий стоимостью, классифицируется по происхождению:
Слайд 29Сырьё
Однако, классификация сырья возможна и по другим важным признакам.
По запасам сырье
бывает:
Возобновляемое (вода, воздух, растительное и животное сырье)
Невозобновляемое (руды, горючие ископаемые).
По химическому
составу сырье бывает:
Неорганическое (руды, минералы)
Органическое (нефть, уголь, природный газ).
По агрегатному состоянию сырье бывает
Твердое (руды, уголь, древесина)
Жидкое (вода, нефть) и газообразное (воздух, природный газ).
Слайд 30Основные типы сырья для органического и неорганического синтеза
Сырьем для органического
синтеза чаще всего служат:
Нефть.
Углеводородные газы.
Уголь.
Растительное и животное сырье.
Для
неорганического синтеза используется минеральное сырье рудного и нерудного типа.
Слайд 31Нефть
Нефть - это тяжелая маслянистая жидкость, содержащая:
Парафиновые углеводороды (алканы) газообразные С1 – С4,
жидкие С5 – С15 и твердые >С15.;
Нафтеновые углеводороды (циклоалканы) – моно-, би- и
полициклические структуры с боковыми цепями;
Ароматические углеводороды (арены) – моноциклические (бензол, толуол, ксилолы) и полициклические (нафталин, фенантрен, антрацен и др.);
Кислородсодержащие соединения (нафтеновые кислоты, фенолы, крезолы и др.);
Сернистые соединения (сероводород, сульфиды, дисульфиды, меркаптаны, тиофены и др.);
Азотистые соединения (пиридин, хинолин и их производные);
Соли минеральных кислот;
Органические комплексы металлов;
Слайд 32Нефтепереработка
Переработка нефти осуществляется с использованием физических и химических методов в
следующей технологической последовательности:
Промысловая подготовка нефти
Прямая перегонка нефти
Переработка продуктов перегонки (вторичная
переработка нефти)
Слайд 33Промысловая подготовка нефти
Промысловая подготовка нефти заключается в удалении из нее
минеральных примесей (вода, песок, соли), растворенных газов (попутного газа) и
легколетучих жидкостей (газового бензина).
Нефть освобождается от примесей в ходе следующих операций:
Дегазация
Обезвоживание
Обессоливание
Стабилизация
Слайд 34Дегазация
Газонефтяная смесь из скважины поступает, в вертикальную емкость С-1. Эта
емкость носит название трапа. Из трапа С-1 газ поступает в
газосборный коллектор (ПК-1), а нефть - в мерник Е-1.
Слайд 35Обезвоживание и обессоливание
Эти две стадии как правило совмещаются, так как
минеральные соли плохо растворяются в нефти, они содержатся в воде.
Вода
присутствует в нефти в виде нерастворимых капелек, то есть нефть и вода представляют собой эмульсию. Существует множество методов разрушения этой эмульсии:
Добавление ПАВ
Гравитационное разделение
Нагревание
Электрохимические методы
Слайд 36Перегонка нефти
Прямая гонка нефти предназначена для разделения нефти на отдельные фракции,
отличающиеся по температурам кипения.
При этом получают следующие фракции:
Прямогонный бензин , t начала кип. = 1400;
Лигроин, tкип. = 140-1800;
Керосин, tкип. =
180-2400;
Дизельное топливо, tкип. =180-3500;
Мазут, tкип. > 3500;
Гудрон, tкип. > 5000.
Слайд 37Бензин
Прямогонный бензин имеет низкое октановое число и используется в качестве
топлива для автомобильных двигателей внутреннего сгорания (карбюраторное топливо) только после
добавки соединений, повышающих детонационную стойкость (тетраэтилсвинца, алкилатов, метил-трет-бутилового эфира и др.).
Бензин, содержащий тетраэтилсвинец, является экологически опасным и запрещен к применению в странах Европы. Большая часть отечественного бензина А-76 содержит тетраэтилсвинец.
Слайд 38Бензин
Бензины АИ-95, АИ-98 относятся к неэтилированным (около 60% от общего количества
отечественного бензина). Кроме автомобильных бензинов промышленность выпускает также бензины-растворители и бензины-экстрагенты.
Лишь незначительная часть бензиновой фракции используется в качестве нефтехимического сырья.
Слайд 39Октановое число
Ранняя детонация бензина способна разрушить двигатель. Октановое число –
это мера устойчивости бензина к детонации. Чем выше октановое число,
тем выше устойчивость бензина к самовоспламенению.
В качестве эталона были выбраны два вещества нормальный гептан (C7H16) и изооктан (2,2,4-триметилпентан).
Слайд 40Октановое число
Гептан при сжатии с воздухом легко взрывается, его устойчивость
считается равной 0.
Изооктан наоборот, устойчив к сжатию, и его
устойчивость считается равной 100.
Октановое число показывает, что устойчивость бензина аналогична устойчивости смеси гептана и изооктана, например 98й бензин обладает такой - же детонационной устойчивостью, как смесь из 98% изооктана и 2%.
Слайд 41Другие фракции нефти
Керосин применяют в качестве топлива для авиационных двигателей
(реактивное топливо).
Дизельное топливо используют для двигателей с воспламенением от
сжатия (дизели).
Мазут применяют в качестве топлива для паровых котлов, промышленных печей и газовых турбин (котельное топливо, газотурбинное топливо); большая часть его идет на вторичную переработку.
Слайд 42Переработка мазута
Если нефтеперерабатывающий завод ориентирован на топливно-масляный вариант (оснащен установкой
для вакуумной перегонки), кроме перечисленных продуктов получают вакуумный газойль (tкип. = 350-5000 и
из мазута под вакуумом отгоняют масляные дистилляты (трансформаторный, tкип. = 300-4000, машинный, tкип. = 400-4500 и цилиндровый, tкип. = 450-4900).
Эти фракции являются основой для получения высококачественных масел. Нефтяные масла в зависимости от направления использования разделяют на: моторные; турбинные; компрессорные; индустриальные; приборные; электроизоляционные и др.
Слайд 43Гудрон
Остаток вакуумной перегонки, выкипающий выше 5000 – гудрон, используют для получения
битумов (дорожных, строительных, изоляционных), а также в качестве сырья в
процессах коксования и деасфальтизации.
Из дистиллятов прямой гонки нефти получают такие нефтепродукты как парафин, церезин, нафтеновые кислоты, нафталин и др.
Слайд 44Вторичная переработка нефти
Наиболее ценные компоненты нефти – «светлые» нефтепродукты, выкипающие при температуре ниже
3500 при атмосферном давлении. Они находят наиболее широкое применение. Однако их
содержание в нефти невелико, не более 45% (бензин 17%, керосин 10-%, дизельное топливо 17%).
Поэтому так называемые «тяжелые» фракции нефти подвергают специальной переработке, заключающейся в уменьшении молекулярной массы и химического состава углеводородов с целью снижения их температур кипения.
Применяемые при этом процессы называют вторичными и по своей природе они, в отличие от первичной переработки нефти, являются химическими.
Слайд 45Вторичная переработка нефти
В основе всех вторичной переработки процессов лежат следующие
реакции:
Реакции расщепления связи С-С с образованием алканов и алкенов с
более короткой цепочкой;
Реакции расщепления связи С-Н с образованием алкенов с той же длиной цепи и молекулярного водорода;
Реакции изомеризации;
Реакции полимеризации, конденсации, алкилирования и др., приводящие к укрупнению молекул.
Слайд 46Вторичная переработка нефти
Различают термические и каталитические вторичные процессы.
Слайд 47Термическая переработка нефти
Термокрекинг – расщепление тяжелых углеводородов при их нагревании до
450-5000С без доступа воздуха, под повышенным давлением. Это наиболее старый
метод вторичной переработки; разработан в 1890 г. В.Г. Шуховым.
В промышленности в зависимости от конкретных условий используют крекинг, а также пиролиз - высокотемпературного крекинга (600-9000С), осуществляемого с целью получения этилена и пропилена.
Коксование – высокотемпературное (600-11000С) разложение гудрона и тяжелых нефтяных остатков с целью получения нефтяного кокса. Коксование проводят в таких условиях, при которых происходит реакция конденсации продуктов термического распада углеводородов.
Слайд 48Каталитическая переработка нефти
Использование катализатора меняет механизм реакций разложения на ионный:
Это
в сотни и тысячи раз увеличивает скорость некоторых реакций.
И делает
направление реакции более предсказуемым.
Применение катализаторов позволяет снизить температуру процессов распада и менять относительный вклад отдельный реакций, т.е. направлять процесс преимущественно в направлении получения требуемых продуктов.
