СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ХИМИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
КОКСОВЫЕ ПЕЧИ
КОМПЬЮТЕРНАЯ СИСТЕМА КАФЕДРЫМАХП
ВЫВОДЫ
ВВЕДЕНИЕ
Одним из важных видов деятельности человека является переработка сырьевых материалов и получение продуктов, которые сопровождаются изменением химического состава веществ. Именно этим и занимается химическая промышленность. Для проведения данных химических реакций необходимо соответствующее оборудование и программное обеспечение. Об этом и пойдет речь в этом документе
ХимИЧЕСКАЯ инженерия и химическая промышленность
1.1 ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Технология – наука о производствах, о тех методах и аппаратах посредством которых исходные материалы превращают в предметы потребления или в средства производства. Этот процесс называется технологическим процессом.
Технологии делятся на 2 группы:
1) Механическая
2) Химическая
Механическая – изучает процессы, в которых изменяется лишь форма (реже физические свойства) перерабатываемого материала.
Химическая – изучает процессы, связанные с изменением хим. Состава перерабатываемых материалов, а также оборудование необходимого для проведения этих процессов.
Как правило, технологический процесс разделяется на несколько стадий, которые осуществляются в различных аппаратах.
Сочетание этих стадий в определенной последовательности называется технологической схемой производства.
Продукты, получаемые на промежуточных стадиях, называются промежуточными продуктами или полупродуктами или полуфабрикатами. Продукт, получаемый на конечной стадии, называется готовым продуктом.
Наряду с готовым продуктом получаются отходы, т.е. неиспользуемые вещества.
В настоящее время организовывают безотходное производство, где отходы являются сырьем для других производств.
В химической технологии сырьем называют исходные материалы. По своему происхождению сырье делится на 3 группы:
1) Минеральное
2) Растительное
3) Животное
1) Минеральное – добываемые из земных недр природные минералы.
а) рудное
б) нерудное
в) горючее
а) служит для получения из него металлов;
б) горные породы или минералы, которые служат сырьем для химических производств:
- стройматериалы (гравий, песок, глина);
- индустриальное сырье (те минералы, которые используются практически без переработки: графит, слюда, асбест);
- химическое минеральное сырье (перерабатываемые минералы);
- драгоценное, полудрагоценное, поделочное сырье (мрамор, гранит и т.д.)
в) горючее – ископаемые, которые можно использовать в качестве топлива (нефть, газ, уголь).
Так как сырье, находящееся в земле содержит посторонние примеси, то но подвергается предварительной обработке, после которой оно должно обладать комплексом предъявляемых требований (однородность хим. состава, крупность, влажность). Как правило, предварительная обработка заключается в классификации, измельчении, укрупнении, обезвоживании и обогащении.
Классификация (сортировка) – процесс разделения сырья на отдельные сорта (классы) по определенным признакам: крупности, плотности и т.д.
Измельчение – уменьшение размеров частиц сырья до необходимых.
Укрупнение – увеличение размеров частиц сырья до необходимых (брикетирование, агломерация).
Обезвоживание – удаление излишков воды из сырья.
Обогащение – обработка сырья с целью отделения полезных компонентов от примесей.
Для проведения большинства процессов хим. технологий требуются затраты энергии. Как правило, это тепловая и электрическая энергия.
Тепловая энергия используется для ускорения хим. реакций, а также для таких процессов как сушка, плавление выпаривание и т.д.
Электроэнергия расходуется на приведение в движение машин, а также для таких технологических процессов, как электролиз, гидролиз, электростатическое осаждение и т.д.
Кроме энергии и сырья важно использование воды. В хим. производстве используется большое количество воды. При этом к воде предъявляется комплекс требований по жесткости, хим. составу, наличию примесей и т.д.
Виды технологических производств
1) Переработка углеводородов
К углеводородному сырью относят нефть, газ, уголь.
1. Нефть – маслянистая жидкость имеющая окраску от желтого до темно-коричневого цвета, легче воды. По элементарному составу нефть состоит из:
~85% C.
~15% H.
~2% O, N, S.
По компонентному составу из большого количества органических соединений (парафины, нафтены, циклоны, антрацены ит.д.)
Напрямую нефть не используется, поэтому ее перерабатывают с получением следующих продуктов: бензин, керосин, реактивное топливо, мазут, соляровое масло, дизельное топливо, смазочные масла, бензол, толуол, ксилол, гудрон, парафины, битум, нефтяной кокс и т.д.
2. Уголь – твердый минерал, состоящий из:
~80-90% C;
~4-5% H;
~2-9% O;
~2-4% S;
~1-3% примеси.
Порядка 35% добываемого угля используется в качестве топлива, оставшиеся 65% для получения хим. продуктов:
1. Кокс
2. Жидкие компоненты
3. Газообразные продукты.
Кокс – твердый остаток, состоящий из углерода и некоторых минеральных компонентов. Используется в черной металлургии для:
1) Проведения восстановительной реакции и получения железа из его оксидов.
2) Как источник тепла.
Газообразные продукты - из них получают сырой бензол (полуфабрикат для растворителей, лекарств и т.д.), аммиак (аммиачные удобрения, нашатырный спирт и т.д.).
Смолы: краски, лаки, битум, нафталин, смазочные вещества и т.д.
4. Природный газ – на 95-98% состоит из метана CH4. Используется в основном как топливо, а также для синтеза органических веществ (пластики, полимеры).
2) Получение силикатных изделий и материалов
Силикатными материалами или изделиями называется материалы или изделия, состоящие из смесей или сплавов силикатов, полисиликатов и алюмосиликатов. Все силикатные изделия делятся на 3 группы:
1. Керамические
2. Стеклянные
3. Вяжущие
Керамические – вырабатываются преимущественно из разных сортов глины, а также некоторых оксидов. К получаемым изделиям относят кирпич, кафель, фаянс, фарфор, огнеупорные материалы и футеровки, тротуарная и облицовочная плитка и т.д. Для всех керамических изделий является общим процесс их изготовления: из сырья различных марок составляется шихта (смесь), из шихты формируется изделие (в основном прессованием), изделие нагревается, часть компонентов расплавляется, обволакиет остальные компоненты, далее изделие охлаждается. В результате происходит спекание и получение готового изделия.
Стеклянные – получение отличается полным расплавлением шихты с последующим охлаждением и получением стеклообразной массы.
Вяжущие – порошкообразные продукты, которые при смешивании с водой образуют пластическую массу, которая через некоторое время загустевает, теряет текучесть и превращается в твердое тело (искусственный камень). Этот процесс называется схватыванием. Полученный искусственный камень не обладает достаточной механической прочностью, поэтому для получения готового изделия его выдерживают от нескольких дней до нескольких месяцев в определенных условиях, при которых происходит процесс твердения.
3) Минеральные удобрения и ядохимикаты
В сельском хозяйстве при выращивании растений вместе с урожаем из почвы удаляются поглощаемые растениями вещества. Если эти вещества не возобновлять, то происходит истощение почвы и урожайность сильно уменьшается. Для возобновления этих веществ служат удобрения. Растения практически на 99% состоят из 10 элементов: кислород, водород, углерод, азот, сера, фосфор, магний, кальций, калий, железо. Удобрения делятся на прямые и косвенные.
Прямые – для непосредственного питания растений.
Косвенные - для изменения структуры и состава почвы.
Прямые удобрения делятся на:
1. Органические
2. Минеральные
3. Микроудобрения
К основным минеральным удобрениям относят:
1. Азотные удобрения (основным является аммиачная селитра (нитрат аммония NH4NH3);
2. Фосфорные удобрения (основным удобрением является суперфосфат Ca(H2PO4)2, кроме того применяют двойной суперфосфат);
3. Калийные удобрения (KCl).
Ядохимикаты используются для борьбы с сельскохозяйственными вредителями. В зависимости от назначения бывают:
1. Инсектициды – хим. средства для уничтожения насекомых.
2. Фунгициды – хим. средства для борьбы с болезнями растений вызываемыми грибками, вирусами, бактериями.
3. Зооциды – хим. средства для борьбы с животными, в основном грызунами.
4. Гербициды - хим. средства для борьбы с сорняками.
4) Основной (тяжелый) органический синтез
Органический синтез первоначально возник как промышленность получения красителей. В настоящее время используется для получения лекарств, вкусовых пищевых добавок, синтетических моющих средств, спиртов и получения полимеров. Тяжелым называется, так как необходимо получение указанных продуктов в больших количествах.
В настоящее время производство полимеров выделено в отдельную отрасль.
Для проведения тяжелого органического синтеза, а так же получения удобрений и ядохимикатов требуются промежуточные и вспомогательные вещества, производство которых выделено в отдельную отрасль хим. промышленности:
1. Получение серы и серной кислоты
2. Производство азотной кислоты и аммиака
3. Получение хлора и соляной кислоты
5) Производство специальных материалов (взрывчатые вещества и пороха)
6) Наноматериалы и нанотехнологии
Все вышеперечисленные технологии химических производств на практике могут быть реализованы только в конкретном оборудовании. Поэтому основной задачей специалистов в области химической инженерии (механик хим. производств) является работа с таким оборудованием.
Особенности работы оборудования химических производств
1. Работа с повышенными (пониженными) температурами. Пониженные – от криотемператур(-273о) до ~3000оС.
2. Работа с повышенными (пониженными) давлениями. От 0 Па (вакуум) (1атм~101,3 кПа.) до ~1000 МПа.
3. Работа с веществами находящимися в газообразном, жидком, твердом и дисперсном состоянии.
4. Фазовые превращения рабочих веществ.
5. Работа с энергонасыщенными веществами (пожаро -, взрывоопасные вещества).
6. Работа с токсичными веществами.
7. Крупнотонажность химических производств.
Оборудование
В химических технологиях исходное сырье превращается в конечный продукт в результате хим. превращений, сопровождающихся не только химическими реакциями, но и изменениями физико-химических свойств сырья, изменением структуры и агрегатного состояния веществ, а также физическими, тепловыми, гидравлическими и т.п. процессы. Все это в комплексе составляет химико-технологический процесс.
В химической технологии процессы классифицируют в соответствии с законами, лежащими в их основе:
1. Гидромеханические процессы – процессы, протекающие в жидкостях, но сопровождающиеся движением перемешивания, разделения, перемещения, фильтрования и т.д.
2. Тепловые процессы – процессы, сопровождающиеся отводом (подводом) тепла. А значит это нагрев, охлаждение, испарение, конденсация и т.д.
3. Массообменные процессы – процессы обмена веществом между разными компонентами. Поглощение, экстракция, растворение, адсорбция (твердое вещество поглощает из жидкости), абсорбция (поглощение жидкостью из жидкости или газа), кристаллизация.
4. Механические процессы – процессы сопровождающиеся переработкой твердых веществ (сыпучих) (щебень, гравий). Транспортирование, смешение, разделение, дробление, прессование и т.д.
5. Химические процессы – процессы, сопровождающиеся химическими реакциями.
Реализация вышеперечисленных процессов возможна только в соответствующем оборудовании.
Все оборудование хим. производств можно разделить на 3 класса:
1. Аппараты
2. Машины
3. Транспортирующие средства.
Аппарат – техническое устройство или приспособление, предназначенное для проведения химико-технологических процессов.
Машины – устройство, выполняющее механические с целью преобразования вещества, энергии или информации.
Транспортирующие средства – оборудование (чаще всего машины), предназначенное для перемещения вещества по территории предприятия.
В зависимости от назначения оборудование хим. производств делят на:
1. Универсальное.
2. Специализированное.
3. Специальное.
Универсальное – оборудование, которое может использоваться без изменений в различных химических производствах (насосы, компрессоры, вентиляторы, центрифуги, сушилки, калориферы и т.д.).
Специализированное – оборудование, предназначенное для проведения одного процесса в разных модификациях (теплообменник, ректификационная колонна, холодильники, абсорберы и т.д.).
Специальное – оборудование, предназначенное для проведения только одного процесса (дробилка, пресс, сепаратор, сушилка, реактор и т.д.).
Все технологическое оборудование делят на основное и вспомогательное.
Основное – то оборудование, в котором получается промежуточный или целевой продукт.
Вспомогательное – оборудование, предназначенное для промежуточных, дополнительных операций (хранилища, резервуары, емкости, трубопроводы, трубопроводная арматура).
Для инженера работа с оборудованием заключается:
1. Проектирование – создание достаточного количества информации об оборудовании. Предполагает создание графической информации (чертежи, 3D-модели), и выполнение расчетов.
2. Изготовление, сборка, монтаж.
3. Эксплуатация.
4. Ремонт оборудования.
5. Материаловедение и правильный выбор материалов.
6. Выбор и использование электрооборудования.
7. Обеспечение безопасности оборудования, как при проектировании, так и при эксплуатации.
8. Обеспечение надежности оборудования.
Вся вышеперечисленная работа с оборудованием в современных условиях предполагает правильное применение компьютерной техники.
Коксовые печи
2.1 Устройство коксовой печи
Коксовая печь - технологический агрегат, в котором осуществляется коксование каменного угля. Первые коксовые печи (так называемые стойловые) стали применять в начале 19 в. Они состояли из кирпичных стенок высотой до 1,5 м и длиной до 15 м, расположенных друг от друга на расстоянии 2—2,5 м. Загруженный в пространство между стенками уголь покрывали сверху и с торцов землёй и поджигали. Коксование продолжалось 8—10 дней. В 30-х гг. 19 в. появились ульевые печи, в которых коксование протекало в закрытых куполообразных камерах с небольшим доступом воздуха. В середине 19 в. получили распространение пламенные коксовые печи с внешним обогревом. Угольную шихту загружали в выложенные из огнеупорного кирпича камеры, разделённые обогревательными простенками с вертикальными каналами, в которых сжигался коксовый газ. Важным этапом явилось создание в 70-х гг. 19 в. коксовые печи с улавливанием химических продуктов из коксового газа. В этих печах камеры коксования были отделены от отопительных простенков. Современные коксовые печи по способу загрузки угольной шихты и выдачи кокса подразделяют на горизонтальные и вертикальные. Наиболее широко распространены горизонтальные коксовые печи периодического действия. Такие коксовые печи состоят из камеры коксования, обогревательных простенков, расположенных по обе стороны камеры, регенераторов. На верху камеры коксования предусмотрены загрузочные люки, с торцов камера закрыта съёмными дверями. Длина камер достигает 13—16 м, высота 4—7 м, ширина 0,4—0,5 м. Обогрев камер осуществляется за счёт сжигания в вертикальных каналах простенков коксового, доменного или др. горючего газа. Период коксования одной угольной загрузки зависит от ширины камеры и температуры в обогревательных каналах и составляет обычно 13—18 ч. По окончании коксования раскалённый кокс выталкивают из камеры через дверные проёмы коксовыталкивателем и тушат. Для компактности коксового цеха и лучшего использования тепла коксовые печи объединяют в батареи (по 61—77 коксовых печей в каждой) с общими для всех печей системами подвода отопительного газа, подачи угля, отвода коксового газа. Все операции по обслуживанию коксовые печи (загрузка, съём и закрытие дверей и люков, выдача и тушение кокса и т.д.) механизированы и автоматизированы. Разрабатываются коксовые печи непрерывного действия, например вертикального и кольцевого типа. [1]
2.2 УСТРОЙСТВО КОКСОВЫХ ПЕЧЕЙ
Коксохимические заводы сооружаются, как правило, вблизи металлургических заводов и входят в их состав, либо как отдельные предприятия. Коксохимическая промышленность отличается высокой концентрацией производства, т. е. заводы являются весьма мощными и имеют высокую производительность.
Современные печи для коксования углей представляют собой горизонтальные прямоугольные камеры, выложенные из огнеупорного материала. Камеры печей обогреваются через боковые стены. Печи располагаются в ряд и объединяются в батареи для уменьшения потери тепла и достижения компактности. В типовую батарею печей с шириной камер 410 мм входят обычно 65 печей, а в батарею большой емкости с камерами шириною 450 мм входят 77 печей. Обычные камеры имеют полезный объем 20—21,6 м3, а печи большой емкости—30 м3. Ширина печей более 450 мм нецелесообразна из-за ухудшения качества кокса (повышения истираемости). Для облегчения выталкивания кокса из камеры коксования ширину камеры со стороны выдачи кокса делают на 40—50 мм шире, чем с машинной стороны. Таким образом, камера имеет вид конуса. За основные элементы батареи надо принять следующие: фундамент, регенераторы, корнюрную зону, зону обогревательных простенков, перекрытия простенков и перекрытия камер. [2]
Фундамент представляет собой бетонное основание, имеющее с боков железобетонные укрепления — контрфорсы, которые сдерживают перемещение кладки батареи при ее разогреве. Фундамент состоит из двух плит. На нижней плите установлены верхние сооружения батареи. В верхней плите обычно располагают борова печей. Батарея имеет четыре борова для отвода продуктов горения. Над фундаментом расположен подовый канал для подвода воздуха и бедного газа или же отвода продуктов горения из регенераторов.
Регенераторы предназначены для подогрева воздуха и бедного газа своей насадкой, предварительно нагретой теплом отходящих продуктов горения из обогревательного простенка печей.
Над регенераторами находится корнюрная зона, которая является основанием камер печей и обогревательных простенков. В ней расположены каналы для подвода коксового газа к вертикальным каналам обогревательного простенка. Эти каналы иначе называются корнюрами.
Над корнюрной зоной расположена зона обогревательных простенков, в которой находятся камеры печей для коксования углей. Наружные стены обогревательных простенков одновременно являются стенами камер печи.
Для отопления печей применяются коксовый, доменный, генераторный, обезводороженный коксовый газы и их смеси. [2]
При обогреве коксовым газом применяется так называемый «обратный коксовый газ», т. е. газ, прошедший через аппаратуру, улавливающую ряд химических продуктов. В составе обратного коксового газа содержится до 60% водорода, который целесообразно извлечь и использовать на азотнотуковых заводах для синтеза аммиака. Обезводороженный коксовый газ (не содержащий водорода) также можно применить для отопления печей. Генераторный газ применяется лишь в тех случаях, когда приходится экономить коксовый газ, который целесообразнее использовать как бытовое топливо.
2.3 ЗАГРУЗКА ПЕЧЕЙ УГОЛЬНОЙ ШИХТОЙ
Загрузка коксовых печей включает следующие этапы: набор шихты из угольной башни в загрузочный вагон, засыпка шихты в камеру коксования и выравнивание (планирование) верхнего ее слоя штангой коксовыталкивателя.
Режим загрузки оказывает существенное влияние на производительность батарей, сохранность кладки коксовых печей, качество получаемого кокса и химических продуктов, а также на степень загрязнения атмосферы газами и угольной пылью. Угольная башня обычно содержит запас угольной шихты, обеспечивающий 14—16-часовую потребность коксового блока. Башня делится на самостоятельные секции, которые закрепляются за отдельными батареями.
Бункеры загрузочного вагона наполняют шихтой из угольной башни через затворы. Количество шихты, набираемое в загрузочный вагон, определяется разовой загрузкой коксовой камеры и контролируется по весу шихты или ее объему. Весы для взвешивания устанавливают под угольной башней или на самих вагонах. Шихту загружают в печь при опущенных телескопах загрузочного вагона. Телескопы должны плотно прилегать к гнездам загрузочных люков коксовой камеры или входить в них. Поэтому перед загрузкой люки очищают от нагара. [3]
В процессе загрузки в камере образуется значительное количество газов и пыли, которые выделяются вместе с пламенем в атмосферу через открытые стояки, а часто выбиваются и из загрузочных люков. После загрузки в печь шихты ее планируют, т. е. выравнивают верхнюю часть шихты в камере планировочной штангой. Планирование продолжается 1—2 мин до обеспечения свободного прохода газа к отверстиям для выхода в стояки. Управление штангой коксовыталкивателя должно быть автоматизировано. Излишек шихты, выгребаемый из камеры при планировании, собирается в бункер коксовыталкивателя. Бункер периодически опорожняется, и шихта скиповым подъемником угольной башни подается на загрузку коксовых печей.
Температурный режим батареи печей должен обеспечивать получение кокса высокого качества и равномерного по своим свойствам. Для осуществления контроля за температурным режимом измеряют температуры в контрольных вертикалах и вертикалах по всей длине обогревательных простенков, в крайних вертикалах с коксовой и машинной сторон, по оси коксового пирога к концу периода коксования, в подсводовом пространстве камер коксования, в верхней части регенераторов, в газовоздушных клапанах и боровах батарей.
Температура батарей измеряется оптическим пирометром.
2.4 ВЫДАЧА КОКСА
Кокс из печей выдается в определенной последовательности и только при полной его готовности. Перед выдачей кокса печь отключается через стояк от газосборников вначале с машинной, а затем с коксовой стороны. Одновременно с машинной и коксовой сторон с печи снимаются двери, после этого в камеру печи подают штангу коксовыталкивателя. Согласованность работы всех машин, участвующих в выдаче кокса, осуществляется надежной блокировкой или сигнализацией между ними. Двери печей с коксовой стороны снимают и закрывают при помощи двересъемной машины. Помимо этого ее назначением является очистка рамы и двери от смоляных и графитовых отложений, направление в тушильный вагон коксового пирога, выдаваемого из печи.
Коксовыталкиватель является машиной, предназначенной помимо выталкивания пирога кокса из печи для съема и установки дверей с машинной стороны печей, очистки рам и дверей, обезграфичивания сводов камеры. Каждая типовая батарея печи (61—77 печей) обслуживается отдельным коксовыталкивателем. На блок печей из 4 батарей дается резервный коксовыталкиватель.
Кокс из печи выдают в равномерно движущийся вагон, предназначаемый для приема, перемещения кокса под башню для его тушения, для передачи к рампе и выгрузки кокса на последнюю. Выданный из печи раскаленный кокс по возможности быстро отвозят под тушильную башню для охлаждения. Кокс тушат (охлаждают) многочисленные струи воды, вытекающие из отверстий оросительного устройства башни. [3]