Lektsia_1_Vvedenie (Лекции)

ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯТЕХНОЛОГИЯАлексей Владимирович Уткин, к.х.н.utkin@solid.nsc.ru; vk.com/xanthousДмитрий Игоревич Потемкин, к.х.н.Рекомендуемая литератураКурс ОХТОбщая теория химическойтехнологии:- химические реакторы;- перемешивание, измельчение;- неоднородные системы;- вязкость, течение жидкостейТонкий синтез:- примеры технологий, введенныхв последнее времяОбщий синтез:- нефтепереработка;- производство серы и сернойкислоты;- производство соединений азотаМатематическоемоделированиеПлан лекции• Понятия и определения• Классификация промышленного синтеза• Компоненты химического производства• Сырье• Критерии оценки химической технологииХимическая технологияХимическая технология - наука о наиболее экономичных и экологическиобоснованных методах химической переработки сырых природныхматериалов в предметы потребления и средства производстваУстановка изомеризации Изомалк-2, Омский НПЗNeftehim, commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=21398391SpaceDRUMS - звукохимический реактор дляполучения сверхчистых материалов в космосеNASA, nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/218.htmlОсновные понятияХимическое производство – совокупность процессов и операций, осуществляемых в машинах иаппаратах и предназначенных для переработки сырья путем химических превращений внеобходимый продукт.Химико-технологический процесс (ХТП) – часть химического производства, состоящая из трехосновных стадий: подготовка сырья, химическое превращение и разделение реакционнойсмеси.Целевой продукт – продукт, ради которого организован данный ХТП.

Все остальные продуктыназывают побочными. Если побочный продукт не находит применения, его называют отбросом;если он используется, то его называют отходом или вторичным сырьем. Если целевой продуктиспользуется в качестве исходного материала в другом производстве, то он называетсяполупродуктом.Сырье - исходный материал, поступающий на переработку и обладающий стоимостью.Реагент - вещество, принимающее непосредственное участие в целевой химической реакции.Это главный, но не единственный компонент сырья. Все компоненты сырья, которые неучаствуют в целевой реакции, называют, примесями.Вспомогательные материалы – химические вещества, которые обеспечивают нормальноепротекание ХТП (катализаторы, растворители и др.).Исходная смесь – смесь веществ, поступающих в реактор, на стадию химического превращения.Реакционная смесь – смесь веществ, находящихся в реакторе или выгружаемых из него.

Еесостав меняется в процессе реакции.Основные понятия: примерреагентыцелеваяреакциявспомогательныйматериалцелевой продуктполупродуктPt4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2Oпобочныереакции4NH3 + 4O2 → 2N2O + 6H2OСырье:Исходная смесь:техническийаммиак,воздухNH3 – 9,5-11,5 об.%O2 – 16-20 об.%примеси (N2) - остальноепобочныепродуктыРеакционная смесь:NO, N2O, N2,H2O, О2, NН3Виды химических технологийОсновной синтезТонкий синтезКислоты (H2SO4, HNO3)ЩелочиСолиМинеральныеудобрения• Нефтепереработка• Каучуки, пластмассы• Реактивы• Лекарственныепрепараты• Редкие металлы• Пестициды• Катализаторы••••Различия основного и тонкого синтезаПараметрОсновной синтез Тонкий синтезОбъем (т/год)> 10 000< 10 000Цена (руб/кг)< 200> 200ДобавленнаястоимостьНизкаяВысокаяПроизводствоНепрерывноеПериодическоеТрудоемкостьНизкаяВысокаяОтходы (на кг)МалоМногоАльтернативные технологииМикроволныУльтразвукМикрореакторыСелективный катализНовые реакционныеусловияСолнечная энергияРадиацияФотохимияПереработкаотходовБиомассаЭлектрохимияМоделированиеНовые подходык работе с сырьемМеханохимияБиополимерыСинтез без растворителейКомпоненты химического производстваПеременные• Сырье• Вспомогательныематериалы• Продукты• Отходы• ЭнергияПостоянные• Аппаратура• Устройства контроляи управления• Строительныеконструкции• ПерсоналКлассификация сырьяСырьеСинтетическоепродукты другихпроизводствВоздухВодаПриродноеВторсырьеОтходыпроизводстваМинеральноеРастительноедревесина, хлопок,сахарные культурыРудноеНерудноеГорючееруды тяжелых ицветных металловфосфориты,апатиты, каменнаясоль, сера, гипс,известнякнефть, газ, уголь,сланцы, торфОтходыпотребленияЖивотноекости, жирОтходы как сырьеРФНовосибирск производитболее 2 500 000 м3бытовых отходов годКритерии эффективности ХТП:технологическиеКонверсия реагента (степень превращения) - полнота использования сырья=превр.

под. − непревр.=под.под.=С0 − СС0Выход целевого продукта - полученное количество целевого продукта, как доля отмаксимально возможного в этих условиях проведения реакции=факт.макс.Интегральная селективность - доля реагента, пошедшего на целевую реакциюS=превр.в цел. прод.превр.Дифференциальная селективность – отношение скорости превращения в целевой продукт ксуммарной скорости расходования реагентапревр.в цел.

прод.S=превр.→ Для «простых» реакций (S = 100 %) α = βКритерии эффективности ХТП:технологическиеПроизводительность - количество целевого продукта, производимое в единицу времениП=прИнтенсивность - количество целевого продукта, производимое в единицу времени,отнесенное к какой-либо величине, характеризующей аппарат (объем реактора, площадьпоперечного сечения, площадь поверхности катализатора)I=ПреактораКритерии эффективности ХТП:технико-экономическиеРасходный коэффициент - количество сырья или энергии, которое расходуется на получениеединицы массы или объема готовой продукции=сыр.гот. пр.Качество продукции – совокупность свойств целевого продукта, обуславливающих егопригодность для потребления. Регулируется различными нормативными документами:ГОСТ – государственный стандартОСТ – отраслевой стандартРСТ – республиканский стандартСТП – стандарт предприятияТУ – технические условияСебестоимость - затраты предприятия в денежном выражении, связанные с производствомединицы химического продуктаПрибыль - разница между ценой и себестоимостью продукта, умноженная на объемпроизводстваКритерии эффективности ХТП:экологические1.

Предотвращение - лучше не допустить отходы, чем уничтожать или очищать от них.Пример: использование технологий без растворителей.2. Экономия атомов - обеспечить максимальное использование всего исходного материалапри превращении в конечный продукт.Пример: восстановление карбоновых кислот в альдегиды на твердом катализаторе.3. Безопасный синтез - должны использоваться либо получаться вещества с как можноменьшей токсичностью для человека и окружающей среды.Пример: синтез адипиновой кислоты окислением циклогексена перекисью водорода.4. Безопасные продукты - продукты синтеза должны нести нужные свойства, при этомобладать минимальной токсичностью.Пример: новые, менее токсичные гербициды.5.

Безопасные растворители и вспомогательные вещества.Пример: сверхкритические жидкости.6. Энергетическая эффективность - воздействие энергетики процесса на окружающую средудолжно быть оценено и минимизировано. Идеальный процесс – при комнатнойтемпературе и атмосферном давлении.Пример: ферментативный синтез.Критерии эффективности ХТП:экологические7.

Использование возобновляемых источников сырья.Пример: ПАВ из природных соединений (масел, аминокислот, сахаров)8. Минимизировать использование производных - постараться обойтись без блокирующихгрупп, стадий защиты\снятия, временные изменения процессов9. Катализ – использовать каталитические процессы (как можно более селективные) длястехиометрических процессов.10. Разработка разлагающегося продукта – разрабатывать химические продукты так, чтобыпосле выполнения своей функции разлагались на безвредные вещества и не накапливались вокружающей среде.Пример: биоразлагаемые полимеры.11.

Анализ в реальном времени - наблюдение и контроль должны проводиться в процессепроизводства, до возникновения опасных ситуаций\веществ.Пример: внедрение потоковых анализаторов сточных вод.12. Безопасный дизайн процесса для предотвращения аварий - вещества или формывеществ в химическом процессе подбираются так, чтобы минимизирвать вероятностьинцидентов, утечек, взрывов и возгораний.Пример: диметилкарбонат в качестве метилирующего агента более безопасен, чем диметилсульфат илигалогениды.Пример – синтез ацетанизолаГомогенная реакция, нужен растворительи большое количество AlCl3Для очистки продукта нужны стадиигидролиза, разделения фаз и перегонкаAlCl3++растворительHClРегенерация растворителяВыход продукта – 85-95%Расход воды – 4,5 кг на 1 кг продуктаАнизолАцетилхлоридАцетанизолГетерогенная реакция, без растворителя,катализатор регенерируемыйЦеолит H-Beta+Уксусныйангидрид+Для очистки продукта нужна толькоперегонкаВыход продукта >95%Расход воды – 0,035 кг на 1 кг продуктаКоличественные оценки1.

E-фактор-E=отходовпродуктаприменяется как к процессу производства, так и к отмывке;может разделяться на водные и органические отходы;меньше значение – меньше отходовТехнологияТоннаж, в годE-факторНефтепереработка106 - 108< 0,1Крупнотоннажныйсинтез104 - 1061-5Тонкий синтез102 - 1045 - 50Фармацевтика10 - 10325 - 1002. Экономичность по атомамA+B→C-ЭА = () + показывает, какое количество вещества из исходных остается в продукте;не учитывает растворители, выход, избыток реагентов;чем ближе к 100%, тем лучшеКоличественные оценки3.

Эффективность по атомамA+B→C-ЭфА = ЭА ∙ = ∙ () + может использоваться вместо выхода и экономичности по атомам;пример: экономичность по атомам может быть 100% и выход 5%, что делает процесс не очень«зеленым»4. Эффективность по углеродуУ ()ЭфУ =У + У ()A+B→C-принимает во внимание выход и стехиометрию;напрямую связан с подсчетом парниковых газов5. Эффективность реакционной массыЭРМ =- () + ()учитывает экономичность по атомам, выход, стехиометрию реагентовПримерыВыход 90%ТриэтиламинТолуол+Сульфонатный эфирБензиловый спиртТозилхлоридКомпонентНазваниеМасса, гКоличество, мольМолярная массаРеагентБензиловый спирт10,810,1108,1РеагентТозилхлорид21,90,115190,65РастворительТолуол500ВспомогательныйТриэтиламин15ПродуктСульфонатный эфир23,61010,09262,29Е = ((10,81 + 21,9 + 500 + 15) - 23,6) / 23,6 = 22,2 кг отходов на 1 кг продуктаЭА = 262,29 / (108,1 + 190,65 + 101) = 65,8%ЭфА = 65,8% · 0,9 = 59,2%ЭфУ = (0,09 · 14) / ((0,1 · 7) + (0,115 · 7)) = 83,7%ЭРМ = 23,6 / (10,81 + 21,9) = 70,9%Примеры3+ 2CrO3 + 3H2SO43+ Cr2(SO4)3 + 6H2OАцетофенон1-фенилэтанолЭкономичность по атомам = 360/860 = 42%Бензоат кобальта+ 0,5O2+ H2OЭкономичность по атомам = 120/138 = 87%.