И определения

Химико-технологический процесс (ХТП) – это совокупность последовательных физических, физико-химических, химических процессов и операций, протекающих в соответствующих реакторах и аппаратах для целенаправленной переработки сырья в продукты заданных состава и свойств.

В качестве примера рассмотрим промышленный химико-технологический процесс получения аммиака из азота и водорода. Аммиак образуется в результате протекания экзотермической обратимой химической реакции N₂ + 3Н₂ = 2NН₃ при температуре 700–850 К и давлении 30 МПа. Исходные азот и водород в процессе синтеза превращаются в аммиак лишь частично, поэтому на выходе из реактора газовая смесь содержит как продукт реакции (аммиак), так и непрореагировавшие азот и водород. Образовавшийся аммиак выделяют, для чего смесь охлаждают и сконденсированный аммиак отделяют от газообразных компонентов. Конденсация – физико-химический про­цесс в промышленном синтезе аммиака. Непрореагировавшие N₂ и Н₂ возвращают в реактор. Для повышения давления, а также для циркуляции газов необходимо их сжатие, что является механическим процессом. Нагрев и охлаждение потоков, осуществляемые при этом, – теплообменные процессы. Совокупность указанных процессов в их последовательности есть химико-технологический процесс получения аммиака (продукта) из водорода и азота (исходные вещества). Исходные вещества для синтеза аммиака получают из природного газа, воды и воздуха. Можно также описать последовательность операций и процессов пре­вращения природного газа, воды и воздуха в азот и водород – химико-технологический процесс получения азотоводородной смеси. В то же время совокупность процессов и операций для превращения природного газа, воды и воздуха в аммиак – это химико-технологический процесс производства аммиака из природного сырья, т. е. химико-технологический процесс может быть представлен как для химического производства в целом, так и для его отдельных частей. В зависимости от основного назначения в совокупном химико-технологическом процессе выделяют отдельные виды процессов и операций, которые составляют химико-технологический процесс получения полупродукта или целевого продукта.

Для аппаратурного оформления ХТП используются аппараты, реакторы и машины. Аппараты– это такие устройства, работа которых основана на физических явлениях (электрофильтры, электростатические сепараторы, магнитные сепараторы) или на явлениях массопередачи (ректификационные колонны, абсорберы, адсорберы) без протекания химических реакций. Реакторы– это разновидность аппаратов, в которых протекают химические реакции, физико-химические превращения, в сочетании с массопереносом, например аппараты с мешалками для химического осаждения, печи для обжига и крекинга, колонны для синтеза аммиака, метанола и т. д. Машины – это механизмы или сочетание механизмов, осуществляющие целесообразные движения для преобразования энергии или для производства работы, например компрессоры, насосы, вентиляторы, транспортеры, дробилки. Так, в компрессоре механическая энергия затрачивается на сжатие газа, а в дробилке – на измельчение материала.

Процессы, лежащие в основе ХТП, можно разделить на следующие:

1) механические и гидромеханические – перемешивание ма­териалов, изменение их формы и размеров, сжатие и расширение, смеше­ние и разделение потоков; все они протекают без изменения химическо­го и фазового состава обрабатываемого материала; для проведения этих процессов предназначены транспортеры, питатели, дробилки, диспергаторы, формователи, компрессоры, насосы, смесители, фильтры;

2) теплообменные – нагрев, охлаждение, изменение фа­зового состояния; химический состав веществ при этом не меняется; они протекают в теплообменниках, кипятильниках, конденсаторах, пла­вилках, сублиматорах;

3) массообменные – растворение, кристаллизация, суш­ка, дистилляция, ректификация, абсорбция, адсорбция, экстракция, десорбция; представляют собой перенос вещества внутри фазы или меж­ду фазами, вызванный градиентом его концентраций и протекающий без изменения химического состава; для данных процессов служат кристаллизато­ры, сушилки, дистилляторы, ректификаторы, абсорберы, адсорберы, экстракто­ры, десорберы;

4) химические – процессы, связанные с изме­нением химического состава веществ; данные процессы проводятся в химических реакторах.

Кроме указанных основных процессов, в химико-технологическом процессе осуществляются также:

− энергетические процессы, которые заключаются во взаимном преобразовании различных видов энергии (тепловой, механической, электрической) в турбинах, генераторах, моторах;

− информационно-управляющие процессы, отвечающие за полу­чение и передачу информации о состоянии потоков и веществ, выра­ботку и передачу сигналов на пульт управления процессами; к инфор­мационно-управляющим устройствам относятся: датчики состояния потоков и оборудования (температуры, давления, состава, скорости вращения двигателей и т. д.), сигнальные и информационные системы, системы автоматического регулирования, включающие управляющие вычислительные машины и др.

Часто в каком-либо процессе имеют место одновременно два или более явле­ния. В таких случаях процесс следует классифицировать по его основному назначению. Например, сжатие газа в компрессоре со­провождается его нагревом, но по основному назначению это процесс механический. В детандере сжатый газ совершает механическую рабо­ту, сильно охлаждаясь. По назначению это процесс теплообменный, предназначенный для выработки холода.

ХТП характеризуется технологическим режимом. Технологический режим – это совокупность параметров, определяющих условия работы аппарата, реактора или их систем и переработки сырья в продукты.

Оптимальный технологический режим – это совокупность значений параметров, позволяющих получить наибольший выход продукта при максимальной интенсивности процесса, производительности труда и низкой себестоимости.

Параметрами химико-технологического процесса, обеспечивающими его функционирование, являются измеримые величины, определяющие состояние реагентов и их реакционную способность, – температура, концентрация реагентов и их соотношение, давление, дисперсность и состав твердых реагентов, состав жидких и газообразных реагентов, способ и интенсивность перемешивания реагентов, линейная и объемная скорости реагентов, поступающих в систему.

Конечные продукты ХТП классифицируют следующим образом: целевые продукты, побочные продукты, отходы. Целевые продукты – это продукты целевого или многоцелевого назначения, получаемые при переработке сырья при заданных оптимальных условиях и соответствующие требованиям технических условий. Побочные продукты образуются параллельно с целевым продуктом в результате переработки сырья. Отходы– это побочные продукты, которые в настоящее время по техническим или экономическим причинам не находят применения и выводятся из ХТП в окружающую среду.