Дәріс сабақтарының конспектілері
1 ДӘРІС.Кіріспе. Прогрессивті технологияның теория негіздері. Химия өндірістерінің ғылыми негіздері. Химия өндірістерін ұйымдастыру. Химиялық өндірістерінің маңызы және дамуы.
Химиялық технология - табиғи шикізатты немесе жартылай өнімді халыққа қажет өнімдер және өндіріс құралдарын өндіретін әдістермен химиялық процестерді зерттейтін ғылым.
«Технология» күрделі екі грек сөзінен құралған: «технос-өнер, шебер немесе шебер кәсіп»; «логос-ғылым», демек технология - өнер туралы ғылым. «Технология» деген сөз бірінші рет 1772ж. аталған.
Технология екі түрге бөлінеді: механикалық және химиялық. Механикалық технология - процестің нәтижесінде (шикізаттардың) материалдардың тек қана сыртқы пішіні және түрі өзгереді. Мысалы, ағаштан жиһаз дайындау.
Химиялық технология – процестің нәтижесінде (шикізаттардың) материалдардың құрамы және ішкі құрылысы өзгереді, алынған зат (өнім) бастапқы шикізаттың физика-химиялық қасиеттерін қайталамайды, құрамы және ішкі құрылысы бысқаша, өзгеше болады. Мысалы, аммиакты синтездеу:
N2+3H2 « 2NH3
Химиялық технология ғылымы ХVIII ғасырдың соңғы жылдары өзіне тиісті орын алып, 1806ж. Мәскеу университетінде технология пәні алғаш рет студенттерге окыла бастады, осыдан соң 1808ж. Қазан университетінде, 1911ж. Харьков университетінде оқу процесінде негізгі оқылатын пәндердің қатарына енгізілді.1804 жылдан бастап оқулық жазылып және «технология журналы» баспадан жарыққа шыға бастады.
Химиялық технологияның дамуына орыстың атақты химик ғалымдарының еңбектері үлкен әсерін тигізді, атап айтқанда, олар: М.В. Ломоносов, Д.И. Менделеев, Н.И. Зинин, Н.А. Каблуков, Н.С. Курнаков, Д.Н. Зелинский, С.В. Лебедев, А.Е. Ферсман және тағы басқа да шетел ғалымдарымен қатар Қазақстанда Ә.Б. Бектұров, Б.А. Бірімжанов, А.Ш. Шәріпханов, Н.А. Әзірбаев, Б.А. Жұбанов, Е.М. Шайхұтдинов, Е.Е. Ерғожин және т.б.
Қазіргі уақыттағы химиялық технологияның алдына қойған негізгі мақсаттары: химиялық - технологиялық процестердің физика-химиялық заңдылықтарын және олардың жүру жағдайларын зерттеу, химия өндірістерінің технологиялық схемасын құру, химиялық реакция жүретін аппараттардың , машиналардың және қолданылатын құралдардың конструкциясын анықтау.
Табиғи ортаны химиялық ластанудан қорғайтын әдістерді таңдау, белгілеу, химиялық өндірістерді бақылау, автоматтандыру және меңгеру әдістерін прогриссивтеу, жаңарту. Өнімнің саласын көтеру, өзіндік құнын төмендету және тағы басқа.
Бұл айтылған мақсаттар тек қана арнаулы білімді мамандармен ғана орындалады, іргелі және қолданылмалы зерттеу жұмыстардың нәтижесінде шешіледі.
Химия өндірістерін ұйымдастыру. Химиялық өндірістер негізгі және көмекші цехтардан (цех-өнеркәсіптердің негізгі өндірістік бөлімшесі) құралады. Өндірістің меңгерушісі - директор, директордың бірінші орынбасары - бас инженер. Бас инженер өнеркәсіптің барлық өндіріс әрекеттерін меңгереді.
Өндірісті тікелей зауыт басқармасы меңгереді, оның құрамында әртүрлі білім меңгерушісі болады: бас өндірістік технолог, бас механик, жоспарлау, қаржы, технологияны бақылау және тағы басқа бөлімдер.
Өнеркәсіптің құрамында ерекше маңызды бөлімшенің бірі - орталық зауыт және цех зертханалары. Олардың негізгі міндеттері: өндірісті және өнімнің сапасын бақылау, технологияны кемелдендіру, өндіріске жаңа әдістерді енгізу және жаңа өнімдерді өндірудің әдістерін ұсыну. Орталық зауыт зертханасы (ОЗЗ) құрамында өндірісті бақылау ғылыми зерттеу жұмыстарын жүргізетін бөлімшелер болады, олардың құрамында сынау қондырмалары болады. ОЗЗ бастығы бас инженерге бағынады.
Техникалық бақылау бөлмесі (ТББ) - жоғарғы сапалы өнім алуды қамтамасыз ететін бөлім. ТББ - шикізаттан бастап, оны өңдеу процесін және өндірілген өнімнің сапасын қадағалап бақылайды. ТББ бастығы тікелей директорға бағынады. Егер дайын болған өнімнің сапасы стандарттарға сәйкес келмесе (стандарттар - бір үлгіге келтіру: мемлекеттік стандарт МСТ; салалық стандарт ССТ; республикалық стандарт - РСТ; кәсіпорынның стандарты - КСТ), «ТББ» бастығы өнімді өндіруді тоқтатуға нұсқау бере алады.
Химия өндірістерінің маңызы және дамуы.Химия өндірісінің өндіргіш күшінің дамуына тигізетін әсері ерекше. Мысалы, астықтың өнімі сапалы минералды тыңайтқышты дұрыс қолданса 1,7-2 есе артады; химиялық әдістермен синтетикалық талшықтарды алуға болады, неше түрлі шайырлар өндіріледі, табиғатта кездеспейтін ерекше, арнаулы қасиетті заттарды алуға болады. Химия өндірістерінің процесс қарқындылығы өте жоғары болады және т.б.
Химия өндірістерінде шикізатты толық қалдықсыз комплексті түрде өңдеуге мүмкіншілік бар. Өнеркәсіптерде химиялық өндіру әдістерін механикаландыруға және автоматтандыруға болады.
Даму тарихы: Археологтардың мәліметтері бойынша біздің заманымыздан 7-8 мың жыл бұрын кейбір кендерді өңдеп, қару-жарақ дайындағаны белгілі болған. Біздің жыл санауымыздан 3-4 мың жыл бұрын шыны-әйнек және кәрлен өндірілгені белгілі болды. Рим қаласында күкірт және сода көл суынан өндіріле бастаған; минерал бояулары, өсімдік майы, сірке қышқылы, косметикалық жабдықтар, өртейтін пештер, мұнай және тағы басқа заттарды өндіріп, қолданылғаны белгілі.
Жыл санаудың басынан екі ғасыр өткеннен кейінгі мезгілде Қытыйда қағаз өндіре бастады, ал VI ғасырда фарфор-фаянс (кәрлен-қышкәрлен) өндірілген.
Қазіргі химияға қажет заттар VIII ғасырдан өндіріле бастады. Араб химигі Гебер (Джафар) күшті минерал қышқылдарын дайындап әртүрлі қажетке қолданған.
XIII ғасырда оқ-дәрі белгілі болды, XIV ғасырда Иван Грозный өз еліндегі селитраны пайдаланып, оқ-дәрі дайындауға нұсқау берген. 1632 жылы Ресейде темір өндіретін зауыт салынған. 1581 жылы Мәскеуде бірінші дәріхана ашылды.
1764 жылы Ресей академиясының академигі Лаксман соданы (Na2CO3) натрий сульфатын көмірмен тотықсыздандыру жолымен алуға болатынын болжаған, іс жүзінде осы болжауды француз ғалымы Леблан 1791 жылы пайдаланып, Францияда сода өндіріле бастады, әдісті шетелдерде Леблан әдісі деп атайды. Дәл осы сияқты 1842жылы Ресей ғалымы Зинин нитроқосылыстарынан анилин және ароматты көмірсутектерді алуға болатынын ашқан, бірақ анилин бояулары Германияда өндіріліп, Ресейде дайын қалпындағы бояуларды шетелден сатып алынатын болған.
Күкірт қышқылы 1805жылдан бастап контакт әдісімен алына бастады. Ресейде тек қана 1846жылы сода зауыты салынды. 1914жылы Ресейде 70-тей ғана химия өндірістері болды, осы санаулы өндірістерді шикізатпен қамтамасыз ету Ресейге оңайға түспеді. Сондықтан күкірт колчеданын Испания мен Норвегиядан, селитра Чилидан, фосфоритті Мароккадан және басқа да шетелдерінен әкелінді.
Негізгі әдебиет: 1 - [8 -11]; 2- [3 -16]; 4 - [8 -19].
Қосымша әдебиет: 7 – [ 7 -10];
Бақылау сұрақтары:
1. «Технология» деген ұғымға сипаттама.
2. Технологияның түрлері.
3. Қазіргі химиялық технологияның негізгі мақсаттары.
4. Орталық зауыт зертханасының (ОЗЗ) құрамы мен негізгі міндеттері.
5.Технологиялық бақылау бөлімі (ТББ) нені бақылайды?
6.Химия өндірісінің өндіргіш күштердің дамуына әсері.
7.Химиялық өндірістің даму тарихы.
2 ДӘРІС.Қазақстанда химия өндірістерінің дамуы. Химия өндірістерін технологиялық негізге байланысты жіктеу.
Қазақстанда химия өндірістерінің дамуы.1885жылы көпестер Н.Иванов және Н.Савенков Шымкент шаһарында «жергілікті дәруімен» деп аталатын жусанды шикізат ретінде өңдеп, Сантонин деп аталатын артел ұйымдастырған, артелдегі өндірушілер тек біркелкі Германиядан шақырылған немістер болғандықтан дәруіменнің көпшілік мөлшері шикізат түрінде Германияға экспортталған. 1921жылы В.И. Ленин сантонин өндіретін зауытқа өте үлкен мән беріп, ол зауыты «Алтын жұмыртқалайтын тауық» деп атаған.
1930жылы Ақтөбеде химиялық комбинатының іргесі қаланып, аз уақыт ішінде минералдық тыңайтқыштар өндіріле бастады. Осы жылдары Арал сульфаты зауытында жергілікті тұзды көлдерден мирабилит (Na2SO4 ∙ 10H2O) бөлініп алынды. Мирабилитті тыңайтқыштарды алу технологиясында пайдалану үшін көптеген ғылыми жұмыстарды біздің елде Ә.Б. Бектұров бастаған ғалымдар жүргізді.
1934жылы Ақтөбе химимиялық комбинатында күкірт қышқылын, 1935жылы преципитат, борат және бура қосындыларын өндіре бастады.
1943жылы Қарағанды жасанды каучук (ЖК) зауыты бастапқы кезде оттек, содан соң кальций карбидін өндіретін болды. Осы зауытта 1950жылы Кучеров әдісімен ацетиленнен ацетальдегид, соңғы қоспадан сірке қышқылын, 1961жылдан бастап дивинил, синтетикалық каучук және т.б. көптеген полимерлер өндірілетін болды. Ацетилен туындыларынан ауыл шаруашылық егіндерінің әртүрлі арам шөптерімен күресу мақсатына Н.Ә. Әзірбаев бастаған ғалымдар көп зерттеулер жүргізді. Ацетилен туындыларынан Е.М. Шайхұтдинов бастаған ғалымдар көптеген полимерлік қосылыстар синтездеді.
1950-1956жылдары Жамбыл (қазіргі Тараз) шаһарында суперфосфат және күкірт қышқылын өндіретін цехтар іске кірісті. Қазіргі кезде олар жергілікті Қаратау фосфоритінен минералдық тыңайтқыштар шығаратын - қос-суперфосфат және аммофос зауытына айналды.
1951жылы Балқаш қаласында мыс және натрий сульфидін өндіретін зауыт пен цех өнім бере бастады.
1954жылы Қостанайда жасанды талшықтар өндіретін зауыт пайдалануға берілді.
1965жылы Ақтөбеде хром қосылыстарының зауыты іске қосылды, республикамызда халықаралық дәрежеде хром қосылыстарын натрий монохроматы өндіруде алдыңғы қатарға шықты.
Басқада көптеген химиялық зауыттар іске қосылып, халық шаруашылығында, өнеркәсіптерге, халық мұқтажына қажетті заттар өндіретін болды. Олар: Атырау химия зауыты, мұнай өңдейтін және полиэтилен зауыттары, Атырау қаласында - полистирал зауыты. Шымкент шаһарында: гидролиз, цемент, мұнай өнімдерін өңдейтін «МӨӨ», қорғасын, элементар фосфор өндіретін зауыттар алдыңғы технологиялық процестермен тиісті міндеттермен ойдағыдай атқаруда.
Павлодар қаласында: мұнай және мұнай өнімдерін өңдейтін зауыт және алюминий зауыттары елімізге қажет өнімдер өндіреді.
Жамбыл (қазіргі Тараз) шаһарында 1969жылдан бастап еселі суперфосфат және жем фосфатын өндіре бастады.
Химия өндірістері елімізде кең өріс алып дамыды. Шымкент шаһары ел арасында «Химиктер қаласы» деп аталып кетті.
Химия өндірістерін технологиялық негізге байланысты жіктеу.
Бейорганикалық заттар өндірістері:
а) Негізгі химиялық өндірістер (қышқыл, сілтілер, тұздар, минералдық тыңайтқыштар);
б) Нәзік (тонкий) бейорганикалық өнімдер өндірістері (реактивтер, сирек элементтер, жартылай өткізгіштер, фармацевтік препараттар және т.б.);
в) Электрхимиялық өндірістер (хлор, сілтілер, оттек, сутек және т.б.).
г) Металлургия (қара, түсті, асыл металдар металлургиясы және сирек металдар және т.б.).
д) Силикаттар өндірісі (шыны, цемент, керамика (қыш) және т.б.);
е) Минерал бояулардың және пигменттер өндірістері.
Органикалық заттар өндірістері:
а) Негізгі органикалық өнімдер (спирттер, қышқылдар, эфирлер, CH4, CO, H2, C2H4 өңдеу және т.б.).
б) Жартылай өнім және бояу өндірістері.
в) Нәзік органикалық синтез (фармацевтік препараттар, кинофотореактивтері және т.б.).
г) Үлкен молекулалық заттар өндірістері (пластмасса, жасанды және синтетикалық талшықтар, каучук және т.б.).
д) Жанатын заттарды өңдеу (мұнай, көмір, ағаш, сланец ( тақтатас), шымтезек және т.б.).
е) Азық-түлік өндірістері (қант, май, көмірсулар, ақуыздар және т.б.).
Жіктеудің басқада технологиялық түрлері бар. Олар:
1) Шикізаттың тегіне байланысты ( минерал, өсімдік, мал-хайуан шикізаттары, көмір технологиясы, мұнай, газ және т.б.).
2) Тұтыну немесе өнімдердің түрлеріне байланысты (тыңайтқыштар, бояулар, фармацевтік препараттар, азық-түлік өнімдері).
3) Реагенттердің агрегаттық немесе фазалық күйіне байланысты (газдар, сұйықтар, қатты заттар және көп фазалы жүйелер технологиясы).
Негізгі әдебиет: 1 – [11-14]; 2 – [16-25]; 3 – [25-35].
Қосымша әдебиет: 8 –[10-15].
Бақылау сұрақтары:
1. Қазақстандағы химия өндірісінің дамуы.
2. Химия өндірісінің дамуына үлес қосқан қазақстандық ғалымдар.
3. Бейорганикалық заттар өндірісін жіктеу.
4. Органикалық заттар өндірісін жіктеу.
5. Химиялық заттар өндірісін жіктеудің басты технологиялық түрлері.
3 ДӘРІС.Техникалық-экономикалық көрсеткіштер
Өндірістердің, ондағы өнім процестерінің рентабельдігі (ұтымдылығы) және мақсатқа сәйкестілігі, қанағаттандыру мөлшері – техникалық-экономикалық көрсеткіштермен анықталады. Техникалық-экономикалық көрсеткіштерге (ТЭК) мыналар жатады:
І. Шығын коэффициенті – белгілі мөлшерде өндірілген өнімге жұмсалған шикізаттың жеке-жеке әрқайсысының энергия мөлшері:
r = m1 : m2
мұндағы, r – шығын коэффициенті;
- жұмсалған шикізат, су және тағы да басқа көмекші заттардың масса мөлшері;
– мақсатты өнім мөлшері.
ІІ. Өнім шығымы – шын өндірілген өнім мөлшерінің теорияға сәйкес өндірілетін өнімнің мөлшеріне қатынас:
мұндағы, – өнім шығымы;
– шын өндірілген өнім мөлшері;
– теория бойынша өндірілетін өнім мөлшері.
Өнім мөлшері бірлік жұмсалатын шикізатқа арналып есептелінеді, кейде ‟фаза‟ шығымы – қатты, сұйық немесе газ күйіндегі өнімдер шығымы түрінде де анықталады.
Электрхимиялық, электртермиялық және кейбір жылу процестерінде шығым жұмсалған энергияның бірлік мөлшерінің қатынасына есептелінеді. Мысалы, электролиз процесінде жұмсалынған электр тогына есептелінген өнім шығымы, өндірілген өнім мөлшерінің теориялық шығым мөлшерінің қатынасына тең:
η = m ∙ 26,6 ∙ 100 / I ∙ τ ∙ E
мұндағы, – берілген заттың химиялық эквиваленті;
– ток күші, ампер;
– тоқтың жұмсалу уақыты, сағат;
– шын бөлінген заттың мөлшері, г.
Өнім шығымы пайызбен көрсетіледі.
ІІІ. Өнімділік – белгілі бір уақыт өлшемі ішінде тиісті мөлшерлі өнімді істеп шығару қабілеттілігі:
мұндағы, – өнімділік немесе т/тәулік;
– өнім массасы, кг немесе тонна;
– уақыт, сағат немесе тәулік;
IV. Өндіріс қуаты – өндіріс құрал жабдықтарын аса тиімді пайдаланып, еңбек пен өндірісті дұрыс ұйымдастыруға белгілі бір саланың, кәсіпорынның, цехтың агрегаттық тиісті уақыт ішінде өнімнің белгілі түрін шығарудағы жоғарғы қабілеттілігі, мүмкіндігі. Немесе, басқаша айтқанда, аппараттың немесе жабдықтардың оптимал жағдайдағы ең жоғары өнімділік мүмкіншілігі:
W = V maх
V. Процестің қарқындылығы – өнім шығымның аппаратта реагенттердің болған уақытына қатынасы, яғни процестің қарқындылығы реакция жылдамдығына пропорционал болады.
VI.Аппарат қарқындылығы – бірлік уақыттағы аппарат өнімділігінің аппараттық көлеміне немесе өнім өндіретін ауданына қатынасы:
і = V / υ, кг/м3 ∙сағ.
і = V / S, кг/м3 ∙сағ.
VIІ.Еңбек өнімділігі – өндіріс процесінде қоғамдық еңбектің жемісі, тиімді болуы. Бұл қызметкерлердің жұмыс уақытының бір өлшемі ішінде істеп шығаратын өнімнің саны, мөлшері арқылы сипатталады.
VIІІ. Өзіндік құн – өндірілген өнімнің өзіндік құнына: тұтынылған өндіріс құрал-жабдықтарының, еңбек ақыға жұмсалынған (4%), шикізат (60-70%), отын және энергия (10%), цех және жалпы зауыт шығындарының құны кіреді.
Өзіндік құн – бірлік өнім өндіруге тұтынылған өндіріс құрал-жабдықтары мен еңбек ақыға жұмсалынған ақша түріндегі шығындар.
Шығымды есептеуге берілген жаттығулар:
1) 2500 м3 96%-дық спирттен (ρ = 79,9 кг/ м3) қанша кг дивинил алуға болатындығын есептеңіз? С.В.Лебедевтің әдісі бойынша дивинилді алудың жалпы реакциясы мына теңдеу бойынша сипатталады:
2C2H5OH ® CH2 = CH - CH = CH2 + 2H2O + H2
Дивинилдің шығымы 80%-ға тең.
2) Бір т онна метил спиртін алу үшін 13000 м3 синтез-газ жұмсалынған (CO: H2 = 1: 2). Бір өтуі бойынша бастапқы газ қоспасының айналуы дәрежесі 25%-ға тең болған жағдайдағы, метил спиртінің консериядағы шығымын анықтаңыз.
3) Массасы 1 тонна крахмалды өңдеу арқылы 240 кг этил спиртін алуға болады. Осы крахмалдың мөлшерін қанша этиленнің көлемімен алмастыруға болады?
4) Сірке қышқылын өндіру қондырғысының жылдық өнімділігі 20 мың т/жыл. тең. Цех жылына 365 күн жұмыс істейтін болса, оның ішінде 30 күн ремонтқа бөлінсе, өндірістік шығындары 3%-ға тең болады. Цехтың бір сағаттағы өнімділігін есептеңіз.
5) Күкірт қышқылы өндірісіндегі нитроздық әдісте өнімділік денитратор-мұнараның биіктігі 16м және диаметрі 5,3м. Мұнараның пайдалы көлемі 87%-ға тең. Бір күнде мұнара 95т күкірт қышқылын өткізеді. Процестің қарқындылығын анықтаңыз.
6) Синтетикалық аммиакты қысым астында алу өндірістік қондырғысының құндылығы 1900 мың. теңге (Р = 32∙106 Па, қуаттылық – 420т/күніне). Меншікті капитал шығындарын анықтаңыз.
7) Металонды алу өндірістік қондырғысының қуаттылық бірлігін 2-ге дейін жоғарылатқанда капиталдың шығындары неше есе төмендейтіндігін анықтаңыз?
Негізгі әдебиет: 1 – [14-18]; 3 – [36-47]; 4 –[32-39].
Қосымша әдебиет: 7 –[42-44]; 8 – [36-42].
Бақылау сұрақтары:
1. Техникалық-экономикалық көрсеткіштерге нелер жатады?
2. Шығын коэффициенті деген не?
3. Өнім шығымы деген не?
4. Өнімділік деген не?
5. Өндіріс қуаты деген не?
6. Процесс және ақпарат қарқындылықтары нені білдіреді?
7. Еңбек өнімділігі мен өзіндік құн нелерді сипаттайды?
4 ДӘРІС.Химиялық технология процестерін қарқындандыру. Процестердің технологиялық схемасы. Технологиялық схеманы болжағандағы жалпы пікір. Химиялық техниканың негізгі даму жолдары.
Химиялық технология процестерін қарқындандыру.
Жолдары: аппараттардың (құралдардың) және қоймалардың конструкциясын жоғары сатыға көтеру, оқтын-оқтын (периодты) және үздіксіз процестерді автоматтандыру мен механизациялау дәрежесін арттыру, оқтын-оқтын жүретін процестерді үздіксіз жүретін процеске ауыстыру.
Оқтын-оқтын процестерде процесс параметрлері уақытқа тәуелді өзгермелі болады, мұндайда процестерді меңгеруді автоматтандыру күрделі болады және энергия көп молшерде жұмсалады.
Процестердің технологиялық схемасы.
Химиялық өнімдерді өндіру параллель немесе тізбектелген физикалық және химиялық процестерден құралады, олар бір немесе бірнеше аппараттарда бір мезгілде немесе бірінен соң бірі жүруі мүмкін. Аппараттардың өзара байланыстары математикалық модельмен бейнеленеді. Химиялық-технологиялық процестерді немесе жүйелерді, процесс жүретін аппараттарды белгілі тәртіпке келтіріп тізбектеуді өндірістік технологиялық схема деп атайды.
Өндірістік технологиялық схема екі түрге бөлінеді:
1. Ашық тізбекті;
2. Циклденген (тұйық) тізбекті.
Ашық тізбекті схемада – тепе-теңдік жағдайда жүретін химиялық-технологиялық процестерде реагенттер толық реакцияланып, өнім шығымы жоғары дәрежеде болуы керек. Ашық тізбекті схемада реагенттер процесс жүретін аппараттан бір-ақ рет өтеді, егер шикізаттың (реагенттердің) қажетті өнімге айналуы толық болмаса, тізбекке қосымша аппарат (реактор) сияқты аппарат тізбектелінеді. Мысалы, азот қышқылын атмосфералық қысымда алу әдісінде нитроза газын екінші аппаратта абсорбциялайды.
Циклденген схемада – бір аппараттың (реактор ) өзіне реагенттер бірнеше рет қайта оралады, себебі реагенттер толық реакцяласпайды, өнім шығымы тым аз болады. Реакцияласпаған бастапқы күйіне өзгеріссіз қалған шикізат мөлшері көп.
Мысалы, аммиакты синтездеу. Аммиак шығымы 20-30%-дан аспайды, бастапқы күйінде өзгеріссіз қалған азот – сутек қоспасы 70-80% мөлшерде болғандықтан, азот-сутек қоспасы аммиактан сепараторда газ күйінде бөлініп, аммиакты синтездейтін коллоннаға ( реакторға) қайта бірнеше рет келіп түседі.
Көптеген гетерогенді процестерде құрастырылған технологиялық схема қолданылады. Реагенттердің бір фазасы барлық аппараттарды тізбектелініп өтсе, екінші фазасы кейбір аппараттарға бірнеше рет қайталанып түседі. Мысалы, газ қоспаларын абсорбция-десорбция әдістерімен күкіртті сутектен, күкірт диоксидінен, көмір диоксидінен тазарту.
Технологиялық процестер периодты (оқтын-оқтын) және үздіксіз жүретін болып екіге бөлінеді.
Периодты процесте - тиісті операция жүргеннен соң ол аппараттан өнім шығарылып, аппаратқа жаңадан реагенттер енгізіледі, осылай процестер қайталанады. Периодты технологиялық процестерге мысалы: органикалық бояулар қопарылғыш заттар немесе күрделі құрамды шикізаттардан ерекше бағалы заттар өндіретін өндірістер.
Үздіксіз технологиялық процестер - тәуліктеп, айлап, жылдап тынымсыз жүреді. Мысалы, күкірт қызқылын және азот қышқылын өндіру, аммиакты синтездеу, шойын қорыту және т.б. өндіріс орындары.
Үздіксіз жүретін технологиялық процестердің алатын орны басым, көптеген ерекшеліктері және артықшылықтары бар, олар:
1.Шикізатты аппаратқа (реакторға) енгізуге, дайын болған өнімді реактордан шығаруға технологиялық процесті тоқтатудың қажеті жоқ, процесс тоқтамайды;
2.Технологиялық процесті автоматты түрде меңгеруге мүмкіншілік мол;
3.Технологиялық процесс кезінде бөлінетін жылуды толық пайдалануға болады;
4.Технологиялық процестің режимі тұрақты (температура, қысым, көлем жылдамдылығы және т.б. ).
5.Аппаратураның көлемін кішірейтуге болады, осыған тәуелді ғимараттың алатын орны азаяды, осыған сәйкес күрделі қаржы азаяды.
Осылар сияқты тағы да басқа басымдық жағдайлар бар: осы себептен мүмкіншілік бар өндірістерінде периодтық технология процесін үздіксіз технологиялық процеске ауыстыру қажет.
Технологиялық схеманы болжағандағы жалпы пікір. Технологиялық схеманы болжағанда алдын ала сұйық және газдың аппаратынан өтетін ағын бағытын анықтау, реагенттердің әрекеттесу уақытын, процесс кезінде температураның өзгеру шамасын, аппараттардың конструкциясын және т.б. жағдайларды анықтау қажет.
Технологиялық схеманы болжағанда төмендегідей шарттар орындалуы қажет:
1.Мүмкіншілік болғанынша, шикізатты және энергияны шығынсыз толық мақсат өніміне айналыратын жағдайдағы үздіксіз технологиялық процесс болуы қажет;
2.Еңбек жағдайлары өте қолайлы және қауіпсіз, еңбек гигиенасы сақталуы қажет;
3.Күрделі қаржыны азайту мақсатына сәйкес ғимарат көлемі және аппараттар көлемі ең аз шамада болғаны дұрыс;
4.Реакцияның әр қайсысы немесе технологиялық процестің операциясы оңтайлы физика-химиялық жағдайда жүруі қажет;
5.Аппараттар ара қашықтығы мүмкіншілік болғанынша жақын болып, меңгеруге, жұмыс істеуге қолайлы болуы қажет;
6.Аппараттар конструкциясы, меңгеру жүйесі, өндіріс процесін қадағалау қарапайым түрінде болғаны орынды;
7.Сорғы, транспортерлердің, элеваторлардың және т.б. санын азайту мақсатымен мүмкіншілік болғанынша сұйық және сусыма (сыпучий) заттардың аппараттардан бір-біріне өз ағынымен ауысатын жағдай туғызу мақсатпен аппараттарды сатылап немесе тікеден-тік бірінің астына бірін орналастыру керек;
8.Күрделі, көп еңбек сіңіруді керек ететін және өте дәлдікпен орындалатын операцияларды бақылау және оларды дұрыс жолға қою үшін технологиялық процесс максималды түрде механизациялануы және автоматизациялануы қажет;
9.Ұтымды (рационалды) технологиялық процестің схеманы құрғанда ерекше ескеретін және шешуші пікір мүмкін болғанша операцияның жүру уақытын қысқарту және энергияны минимум (ең аз) мөлшерде жұмсап, өнімнің шығымын максимал (ең көп) шамаға жеткізу қажет.
Химиялық техниканың негізгі даму жолдары.Химиялық техниканы жоғары сатыға көтеру еңбек өнімін арттыруға, өнімнің сапасын жақсартуға және оның өзіндік құнын төмендтуге бағытталған. Химиялық техниканың дамуына әсер ететін өзара байланысты жолдамалар:
1. Аппараттардың кең көлемділігін (масштабын) көбейту;
2. Аппараттардың жұмысын қарқындандыру;
3. Көп еңбек етуді керек ететін процестерді механизациялау;
4. Процестерді автоматтандыру және дистанциялық (алыс қашықтықтан) меңгеру;
5. Периодтық (оқтын-оқтын) процестерді үздіксіз процестермен алмастыру;
6. Реакция жылуын пайдалану;
7. Қалдықсыз өндіріс құру.
Аппараттар масштабын көбейту нәтижесінде өнімділік көбейеді және жұмыс жағдайы жақсарады, аппаратта жұмыс істейтін жұмысшылар саны өзгермейді, жаңадан өндірістік және өндірістік емес негізгі қор жасауға немесе оның бұрынғыларын бүгінгі талапқа сай қайта құруға жұмсалған шығындардың жиынтығы – күрделі қаржы жасау азаяды. Өндірістің автоматтандыруын жеңілдетеді. Экономикалық тұрғыдан қарағанда, машиналардың және аппараттардың қуаты көбейеді. Мысалы, соңғы жиырма жыл ішінде күкірт қышқыл және аммиак өндірістерінің негізгі реакторларының қуаты 30 есе артты.
Аппараттардың жұмысын қарқындандыру – аппараттардың көлемін сол қалпында жұмыс режимін жақсарту арқылы өнімділікті арттырудың екі жолы бар:
1. Аппараттардың конструкциясын жақсарту;
2.Аппараттағы технологиялық процесті жоғары сатыға көтеру (температура, қысымды және реагенттер концентрациясын жоғарылату; компоненттердің араласуын ұлғайту, әрекеттесетін заттардың өзара жанасатын бет қабаттарын арттыру, катализаторды қолдану, т.б. - механизациялау және процестерді автоматтандыру).
Механизациялау – адамның физикалық еңбегін машинаға істету. Механизациялау аппараттың қарқындылығын арттыру және аппаратқа жұмыс істейтін штаттың қысқартылу нәтижесінде еңбек өнімділігі көтеріледі. Қазіргі кезде химия өндірістерінде көпшілік операциялар механизацияланған, бірақ шикізатты тиеу, түсіру және материалдарды тасу, әлі де болса машинамен істелінбейді.
Автоматтандыру – өндіріс процесін тікелей адамның қатынасуынсыз жүргізу, аспаптарды қолдану, адам тек қана қадағалайды, бақылаушы. Автоматтандыру механизациялаудың жоғары сатысы болып есептеледі. Автоматтандырылған өндірістік процестердің еңбек өнімділігі жоғары және өнімнің сапасы жақсы болады. Кейбір өндіріс процестерін түгел автоматтандырудың қажеті болмайды немесе мүмкіншілік жоқ болуы мүмкін, мұндай жағдайда дистанциялық меңгеруді қолданады – жұмыс режимін адам алыстан меңгеру пультімен реттейді.
Негізгі әдебиет: 1 - [18-24]; 2 - [49-53]; 3 - [57-61].
Қосымша әдебиет: 7 – [25-30]; 8–[49-57].
Бақылау сұрақтары:
1.Химиялық технология процестерінің қарқындау жолдары.
2.Өндірістік технологиялық схема.
3.Технологиялық схеманы болжағанда қандай шарттар орындалуы қажет?
4. Аппарат жұмысын қарқындандырудың қандай жолдары бар?
5 ДӘРІС.Технологиялық процестегі материалдық және энергетикалық баланс. Химиялық технология процестерінде материалдық балансты анықтаудың негізгі принциптері
Технологиялық процестегі материалдық және энергетикалық баланс.
Химиялық процестің күрделілігін анықтаудың тікелей әдісі материалдық балансты есептеу және реакцияға түсетін заттың ерекшелігін, мөлшерін анықтау болып табылады.
Материалдық баланс зат массасы сақталу заңы мен стехиометрлік қатынас заңына негізделген. Теориялық материалдық баланс реакцияның стехиометрлік теңдеуінің негізінде жасалады. Ол үшін реакция теңдеуін, реакцияға түсетін және реакциядан шығатын заттардың молекулалық массаларын білу қажет.
Химиялық реакция жүретін технологиялық процестерді қарастырғанда стехиометрлік заңдарға сүйенеді, олар: құрам тұрақтылық заңы және еселі қатынастар заңы.
Құрам тұрақтылық заңы: химиялық заттардың құрамы олардың алыну тәсілдеріне байланыссыз тұрақты болады.
Еселі қатынастар заңы: жай және күрделі заттардың молекуласына элементтер өздерінің атомдық массаларына немесе атомдық массаларының еселігіне тең мөлшерде кіреді.
Егер химиялық реакцияға газ күйіндегі заттар түсетін болса, онда олардың реакцияға жұмсалатын көлемдері бүтін сандардың қатынасындай қатынаста болады.
Материалдық баланс – зат массасы сақталу заңына негізделген.
Барлық тұйықталған жүйеде реакцияға түсетін заттың массасы реакция нәтижесінде алынған заттың массасына тең болады.
Егер осыны кез-келген технологиялық процестің материалдық балансына қолдансақ: технологиялық операцияға түсетін заттың массасы, операция нәтижесінде алынған барлық заттың массасына тең немесе заттардың кірісі оның шығысына тең.
Сонымен, материалдық баланстың теңдеуі:
∑Вкіріс = ∑Вшығыс (1)
Материалдық баланс - технологиялық процестің айнасы. Периодтық процестер үшін материалдық баланс бір операцияға есептеліп, ал үздіксіз процестер үшін бірлік уақытқа арналып жасалады. Материалдық баланс барлық процеске немесе оның жеке сатыларына құрылады. Материалдық баланс қатты, сұйық және газдың массасына жеке-жеке түрде беріледі. Сондықтан, жалпы жағдайда материалдық баланс келесі теңдеумен өрнектеледі:
Вқ + Вс + Вг = Вқ‘ + Вс’ + Bг’ (2)
мұндағы, Вқ, Вс, Вг - бірлік уақытта операцияға түсетін қатты, сұйық, газ тәрізді заттардың массасы; Вқ‘ , Вс’ , Bг’ –алынатын өнімнің массасы.
Кейбір уақытта іс жүзінде есептегенде жеке фазаларды еске алмауға тура келеді немесе бір фазаның ішінде бірнеше заттың болуын ескеруге тура келеді, сондықтан (2) теңдеу кейде азайып, кейде күрделене түседі.
Нәтижесінде бірнеше өнімдер түзілетін химиялық процестердің материалдық балансын жасаумен танысу үшін байытылған колчеданды күйдіруге арналған КС-450 пешінің қайнаушы қабатының материалдық балансын жасауды мысалға алып қарастырайық (1, 2 кесте).
Байытылған колчедан – минерал пириттен (ҒеS2) тұрады. Колчеданды күйдіргенде күкіртті ангидрид (SO2) түзіледі, ол күкірт қышқылын алу үшін шикізат болып табылады. Колчедеанды күйдіру реакциясының жалпы теңдеуі:
4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2 + 3416кДж
1-кесте
Есептеу шарттары
| Күкірт қышқылына (100% H2SO4) есептегенде КС-450 пешінің өнімділігі, кг ∙сағ-1 | B H2SO4 = 20833 |
| Колчедандағы күкіртті пайдалану дәрежесі | β = 0.885 |
| Құрғақ колчедандағы күкірт | Сs = 41 |
| Колчедандағы ылғал | Сылғ. = 6 |
| Өртендідегі күкірт | Сөрт = 1 |
| Құрғақ күйдіру газындағы SO2 | СSO2 = 14,5 |
| Құрғақ күйдіру газындағы SO3 | СSO3 = 0,1 |
| Ауаның салыстырмалы ылғалдылығы | ϕ= 50 |
Күйдіру процесінде түзілген күкіртті ангидридтің біраз мөлшері күкірт ангидридіне дейін тотығады:
SO2 + 1/2O2 ↔ SO3 + 96кДж