eng
Содержание
CОДЕРЖАНИЕ
Предисловие ...................................................................................................... 25
Введение ......................................................................................................... 27
Химия и окружающая среда ............................................................................. 27
Безопасность на химическом производстве .................................................... 28
Начальные сведения о химическом производстве .......................................... 31
Разработка химического технологического процесса ..................................... 35
ГЛАВА I. ХИМИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА .............................................................. 37
1.
Трубопроводы ...................................................................................................... 38
1.1.
Условный проход DN ................................................................................. 38
1.2.
Номинальное давление PN ........................................................................ 40
1.3.
Трубы и размеры труб, используемых для построения
трубопроводов ............................................................................................. 42
1.4.
Фасонные части трубопроводов ................................................................ 44
1.5.
Соединения труб ........................................................................................ 44
1.6.
Материалы для промышленных трубопроводов ....................................... 48
1.7.
Классы трубопроводов ............................................................................... 50
1.8.
Крепления труб .......................................................................................... 51
1.9.
Маркировка трубопроводов ....................................................................... 51
1.10.
Компенсация расширения трубопроводов .............................................. 53
1.11.
Изоляция труб .......................................................................................... 55
1.12.
Графическое представление трубопроводов ............................................ 56
2.
Арматура .............................................................................................................. 59
2.1.
Задвижки, заслонки, краны ....................................................................... 60
2.2.
Клапаны ...................................................................................................... 61
2.2.1.
Запорные и регулирующие клапаны ................................................ 61
2.2.2.
Приводы для арматуры ..................................................................... 63
2.2.3.
Регулируемые клапаны ..................................................................... 64
2.2.4.
Представление арматуры на R&I-технологических схемах ............. 65
2.3.
Монтажные прокладки для трубопроводов .............................................. 65
2.4.
Устройства блокирования обратного потока ............................................ 66
2.5.
Предохранительные клапаны .................................................................... 67
2.6.
Предохранительная разрывная мембрана ................................................ 69
2.7.
Редукционные клапаны ............................................................................. 70
2.8.
Конденсатоотводчики ................................................................................ 71
2.9.
Воздушные клапаны ................................................................................... 74
2.10.
Грязеуловители ......................................................................................... 75
3.
Гидродинамические процессы в трубопроводах ................................................ 76
3.1.
Объемный расход, массный поток, скорость течения .............................. 76
3.2.
Поток в трубе переменного диаметра ........................................................ 77
3.3.
Изменение давления у потока в трубе переменного сечения ................... 78
3.4.
Внутреннее трение, вязкость ..................................................................... 79
3.5.
Разновидности течений.............................................................................. 80
3.6.
Потеря давления в трубопроводах ............................................................. 81
3.7.
Характеристика трубопровода ................................................................... 83
3.8.
Эпюра давления в трубопроводах .............................................................. 84
4.
Транспортировка жидкостей ............................................................................... 85
4.1.
Обзор видов транспортировки ................................................................... 85
4.2.
Транспортировка насосами ........................................................................ 86
4.3.
Центробежные насосы ............................................................................... 87
4.3.1.
Конструкция и принцип действия ................................................... 87
4.3.2.
Рабочее колесо насоса ....................................................................... 88
4.3.3.
Конструктивные исполнения центробежных насосов .................... 89
4.3.4.
Уплотнение валов центробежных насосов ....................................... 90
4.3.5.
Центробежная насосная установка .................................................. 91
4.3.6.
Центробежный насос с магнитной муфтой ...................................... 92
4.3.7.
Использование центробежных насосов ........................................... 93
4.3.8.
Вихревой насос с боковым каналом ................................................. 93
4.3.9.
Пропеллерный насос ......................................................................... 94
4.4.
Рабочие характеристики центробежных насосов ..................................... 95
4.4.1.
Объемная подача и напор насоса...................................................... 95
4.4.2.
Высота подачи установки .................................................................. 95
4.4.3.
Необходимая мощность и эффективность насоса ........................... 96
4.4.4.
Характеристика центробежного насоса ........................................... 97
4.4.5.
Характеристика установки ................................................................ 97
4.4.6.
Рабочий режим работы насоса .......................................................... 98
4.4.7.
Совместное включение насосов ...................................................... 99
4.4.8.
Поля характеристик центробежных насосов ................................... 99
4.4.9.
Кавитация у центробежных насосов ................................................ 99
4.4.10.
Определение условий для безкавитационной работы
насосов, величина КВВ ..................................................................101
4.4.11.
Запуск и выключение центробежного насоса ...............................103
4.5.
Поршневые насосы ..................................................................................105
4.5.1.
Конструкция и принцип действия поршневых насосов ................105
4.5.2.
Характерные признаки и применение ............................................106
4.6.
Поршневые мембранные насосы .............................................................107
4.7.
Циркуляционные насосы ..........................................................................108
4.7.1.
Винтовой ротационный насос .........................................................108
4.7.2.
Одновинтовые насосы .....................................................................108
4.7.3.
Шестеренчатые насосы ....................................................................109
4.7.4.
Ротационные насосы ........................................................................109
4.7.5.
Рукавные насосы ..............................................................................109
4.8.
Струйные насосы ......................................................................................110
4.9.
Обзор: свойства и области применения насосов .....................................111
4.10.
Дозировка жидкостей ..............................................................................112
4.11.
Дозировка и очистка с помощью пробки ...............................................113
5.
Перемещение и сжижение газов ........................................................................116
5.1.
Закономерности изменений состояния определенного
объема газа .................................................................................................116
5.2.
Процессы при сжижении газов.................................................................118
5.3.
Транспортные устройства и компрессоры для газов ................................119
5.4.
Поршневой компрессор ............................................................................119
5.5.
Ротационно-поршневые компрессоры ....................................................123
5.6.
Турбокомпрессоры ....................................................................................124
5.7.
Воздуходувки .............................................................................................125
5.8.
Вентиляторы .............................................................................................126
6.
Создание разряжения (вакуума) ........................................................................128
6.1.
Жидкостные вакуумные насосы ...............................................................128
6.2.
Вакуумные насосы с рабочей средой ........................................................129
6.3.
Комбинированные системы струйных насосов .......................................130
6.4.
Ротационный вакуумный насос................................................................131
6.5.
Диффузионные вакуумные насосы ..........................................................133
6.6.
Турбомолекулярные насосы ......................................................................134
6.7.
Выбор подходящего вакуумного насоса ...................................................135
6.7.1.
Откачивание сухих газов ..................................................................135
6.7.2.
Откачивание паросодержащих газов ...............................................136
7.
Транспортировка твердых веществ ....................................................................137
7.1.
Описание сыпучих материалов .................................................................137
7.1.1.
Пористость и насыпная плотность ..................................................137
7.1.2.
Поведение и обращение с сыпучими грузами .................................138
7.2.
Механические конвейеры для насыпных грузов .....................................139
7.3.
Пневматические транспортеры сыпучих грузов ......................................142
7.4.
Дозаторы сыпучих материалов .................................................................144
7.5.
Транспортеры для штучных грузов ...........................................................145
7.6.
Подъемно-транспортные машины периодического действия ................147
7.7.
Обращение с сыпучими материалами и штучным грузом .......................148
8.
Оборудование для хранения материалов на химических
предприятиях .........................................................................................................151
8.1.
Склады сыпучих материалов.....................................................................152
8.2.
Хранение штучных грузов .........................................................................154
8.3.
Складирование жидкостей ........................................................................156
8.4.
Хранение и транспортировка горючих и ядовитых жидкостей ...............159
8.5.
Хранение газов ..........................................................................................161
9.
Обзор машин и аппаратов ..................................................................................165
9.1.
Электромоторы и приводы .......................................................................166
9.2.
Реакторы с мешалкой ................................................................................166
9.3.
Дробилки ...................................................................................................167
9.4.
Фильтровальные аппараты .......................................................................168
9.5.
Теплообменники .......................................................................................169
9.6.
Ректификационные колонны ...................................................................169
10.
Проектирование химических аппаратов .........................................................170
11.
Графическое представление химической установки .......................................173
11.1.
Основная технологическая схема ...........................................................173
11.2.
Блок-схема технологического химического процесса ...........................175
11.3.
Мнемосхема трубопроводов и встроенных приборов ............................177
11.4.
Примеры технологических схем пилотной установки ...........................178
11.5.
Графические символы на технологической схеме пилотной
установки (выдержка из DIN EN ISO 10628-3 (2013-07)
и DIN 2800-4, -5 (2014-07)) .....................................................................181
12.
Функционирование и эксплуатация химической установки .........................185
12.1.
Эксплуатация химической установки ....................................................185
12.2.
Поддержание установки в исправности .................................................185
12.2.1.
Техническое обслуживание ............................................................186
12.2.2.
Осмотры ..........................................................................................188
12.2.3.
Ремонт .............................................................................................190
12.2.4.
Концепции поддержания оборудования в рабочем
состоянии .......................................................................................190
13.
Техника безопасности на химической установке ............................................191
13.1.
Правила безопасной эксплуатации ........................................................192
13.2.
Концепция техники безопасности химической установки ...................193
13.3.
Защитные мероприятия на химической установке
по предотвращению взрывоопасных ситуаций ........................................197
14.
Предотвращение несчастных случаев и безопасность труда ..........................198
14.1.
Опасные участки работы .........................................................................199
14.2.
Защита от пожара и защита от взрыва ....................................................201
14.2.1.
Пожаро- и взрывоопасные вещества .............................................201
14.2.2.
Предупреждение пожаров и взрывов .............................................203
14.2.3.
Борьба с пожаром и защита от пожара ..........................................204
14.3.
Обращение с вредными для здоровья веществами ................................204
14.4.
Обозначения опасных веществ ...............................................................205
14.4.1.
Пиктограммы опасных веществ согласно GHS ............................205
14.4.2.
Н-предложения и Р-предложения .................................................205
14.4.3.
Старые символы опасных веществ ................................................206
14.5.
Виды опасных веществ ............................................................................207
14.5.1.
Едкие вещества ...............................................................................207
14.5.2.
Едкие и раздражающие газы ..........................................................208
14.5.3.
Дыхательные яды ............................................................................208
14.5.4.
Удушающие газы .............................................................................209
14.5.5.
Растворители и ядовитые жидкости ..............................................209
14.5.6.
Ядовитые твердые вещества ...........................................................210
14.5.7.
Долговременные вредные вещества ..............................................211
14.5.8.
Граничные значения производственных веществ
на рабочем месте .............................................................................212
14.6.
Избежание причинения вреда здоровью за счет физического
воздействия ................................................................................................213
14.6.1.
Защита от шума...............................................................................214
14.6.2.
Защита от облучения ......................................................................214
ГЛАВА II. ЭЛЕКТРОТЕХНИКА В ХИМИЧЕСКОМ ПРОИЗВОДСТВЕ ..........216
1.
Основы электротехники .....................................................................................216
1.1.
Использование электроэнергии ...............................................................216
1.2.
Основные понятия из области электротехники .......................................217
1.3.
Основные электрические параметры .......................................................219
1.4.
Закон Ома ..................................................................................................221
1.5.
Электрическая мощность, работа, коэффициент полезного действия ......222
1.6.
Электрические схемы включения потребителей .....................................223
1.7.
Измерение электрических параметров .....................................................225
1.8.
Род тока ......................................................................................................227
2.
Электропитание и безопасное обращение с электричеством ..........................228
2.1.
Электрическая сеть и электрическое подключение .................................228
2.2.
Электрический монтаж и подключения ...................................................229
2.3.
Меры безопасности в электрооборудовании ...........................................230
2.4.
Возможные неисправности в действующем оборудовании ....................232
2.5.
Опасность воздействия электрического тока на человека ......................233
2.6.
Техника безопасности при работе с электропроводкой
и оборудованием ........................................................................................233
2.7.
Графические изображения на электрических машинах
и устройствах ..............................................................................................234
3.
Электрические приводные механизмы в химических установках ...................235
3.1.
Электродвигатели ......................................................................................236
3.1.1.
Трехфазные электродвигатели с короткозамкнутым ротором .......236
3.1.2.
Двигатели постоянного тока ............................................................240
3.1.3.
Виды защиты двигателей .................................................................243
3.2.
Передаточные механизмы электродвигателей .........................................243
3.2.1.
Клиноременная передача .................................................................244
3.2.2.
Зубчатые передачи ............................................................................244
3.2.3.
Кулачковая передача .......................................................................246
3.2.4.
Ступенчатая дисковая передача .......................................................247
3.2.5.
Передача гибкой связью ..................................................................248
4.
Электрохимические аспекты .............................................................................249
4.1.
Гальванические элементы .........................................................................249
4.2.
Электролиз.................................................................................................252
4.2.1.
Электролиз водных растворов .........................................................252
4.2.2.
Законы Фарадея ...............................................................................253
4.2.3.
Технические способы электролиза ..................................................253
ГЛАВА III. КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ МАШИН
И АППАРАТОВ ......................................................................................................256
1.
Конструктивные элементы вращения ...............................................................256
1.1.
Валы, оси, болты .......................................................................................257
1.2.
Зубчатые колеса .........................................................................................258
1.3.
Соединение вал – ступица ........................................................................259
1.4.
Муфты валов ..............................................................................................260
2.
Подшипники ......................................................................................................261
2.1.
Подшипники скольжения .........................................................................262
2.2
Подшипники качения ................................................................................262
3.
Уплотнения .........................................................................................................263
3.1.
Уплотнение неподвижных поверхностей .................................................263
3.2.
Уплотнение валов ......................................................................................264
4.
Соединительные элементы для машин и аппаратов .........................................266
4.1.
Резьбовые соединения ..............................................................................266
4.2.
Виды винтов ..............................................................................................268
4.3.
Гайки ..........................................................................................................269
4.4.
Стопорящие элементы резьбовых соединений ........................................269
4.5.
Классы прочности винтов и гаек ..............................................................270
4.6.
Штифты .....................................................................................................270
5.
Затворы для крышек ...........................................................................................270
6.
Сварные и паяные соединения ..........................................................................272
6.1.
Ручная дуговая сварка ...............................................................................272
6.2.
Сварка в среде защитного газа ..................................................................273
6.3.
Газовая сварка ............................................................................................273
6.4.
Пайка .........................................................................................................274
7.
Гидравлические системы машин .......................................................................275
8.
Пневматические системы в химической промышленности .............................277
ГЛАВА IV. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ .........281
1.
Введение в основные и вспомогательные материалы ......................................281
2.
Свойства материалов ..........................................................................................284
2.1.
Физические свойства ................................................................................284
2.2.
Механические свойства ............................................................................285
2.3.
Химико-технологические свойства ..........................................................287
2.4.
Технологические свойства ........................................................................288
2.5.
Экологическая безопасность ....................................................................289
3.
Стали ..................................................................................................................290
3.1.
Конструкционные стали для механических нагрузок .............................290
3.2.
Конструкционные стали для механических и тепловых нагрузок ..........294
3.3.
Конструкционные стали для агрессивных сред: нержавеющие стали ......296
3.4.
Инструментальные стали ..........................................................................300
4.
Чугунное и стальное литье .................................................................................303
4.1.
Чугунное литье ...........................................................................................303
4.2.
Стальное литье ..........................................................................................304
5.
Цветные металлы ................................................................................................305
5.1.
Алюминий и алюминиевые сплавы ..........................................................306
5.2.
Медь и медные сплавы ..............................................................................307
5.3.
Никелевые материалы ...............................................................................309
5.4.
Титан (Ti) ...................................................................................................310
5.5.
Свинец (Pb) ...............................................................................................311
5.6.
Специальные металлы цирконий (Zr) и тантал (Та) ................................311
5.7.
Цинк (Zn) ..................................................................................................312
5.8.
Олово (Sn) ..................................................................................................312
6.
Коррозия и защита от коррозии ........................................................................313
6.1.
Химическая коррозия ...............................................................................313
6.2.
Электрохимическая коррозия ...................................................................314
6.3.
Формы проявления электрохимической коррозии .................................316
6.4.
Коррозионная стойкость материалов .......................................................319
6.5.
Подбор подходящих материалов ..............................................................320
6.6.
Меры защиты от коррозии ........................................................................323
6.6.1.
Покрытия для защиты от коррозии .................................................323
6.6.2.
Цинковые покрытия ........................................................................324
6.6.3.
Защита от коррозии оборудования из нержавеющей стали ...........325
6.6.4.
Снижение агрессивности действующего вещества.........................325
6.6.5.
Предотвращение появления пятен коррозии .................................326
6.6.6.
Катодная защита от коррозии стальных изделий ...........................326
6.6.7.
Защита алюминиевых компонентов от коррозии ...........................327
7.
Эксплуатационный контроль материалов и комплектующих .........................328
7.1.
Обнаружение неисправностей на химических предприятиях .................328
7.2.
Контроль коррозии ...................................................................................331
8.
Пластмассы .........................................................................................................332
8.1.
Свойства и применение ............................................................................333
8.2.
Технологическая классификация .............................................................333
8.3.
Термопластичные пластмассы .................................................................335
8.4.
Термореактивные пластмассы ..................................................................336
8.5.
Эластомеры ...............................................................................................337
8.6.
Характеристики стойкости и старение пластмасс ...................................339
8.7.
Обработка пластмасс .................................................................................339
9.
Композитные материалы ...................................................................................340
10.
Неметаллические неорганические материалы ................................................342
10.1.
Аппаратное (химическое) стекло ............................................................342
10.2.
Эмаль для химической аппаратуры ........................................................343
10.3.
Керамические материалы........................................................................343
10.4.
Стойкие к химикатам покрытия .............................................................344
10.5.
Графитовые и углеродные материалы .....................................................344
11.
Смазочные материалы ......................................................................................345
11.1.
Смазочные масла .....................................................................................345
11.2.
Пластичные смазки .................................................................................346
11.3.
Твердые смазочные материалы ...............................................................347
ГЛАВА V. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА НА ХИМИЧЕСКОМ
ПРОИЗВОДСТВЕ ..................................................................................................349
1.
Измерение температуры.....................................................................................351
1.1.
Температурные шкалы ..............................................................................352
1.2.
Механические устройства для измерения температуры ..........................353
1.3.
Термометры сопротивления (резистивные термометры) ........................354
1.4.
Термопары .................................................................................................356
1.5.
Радиационный пирометр ..........................................................................357
1.6.
Обзор: области применения приборов для измерения
температуры ...............................................................................................358
2.
Измерение давления ..........................................................................................359
2.1.
Определение, единицы, преобразование .................................................359
2.2.
Типы давления (рис. V.22) .........................................................................359
2.3.
Манометр с U-образной трубкой .............................................................360
2.4.
Пружинный манометр ..............................................................................360
2.5.
Датчики давления ......................................................................................362
2.6.
Обзор: наибольший и наименьший диапазоны измерения
манометров ................................................................................................363
2.7.
Измерение перепада давления ..................................................................363
2.8.
Мембранный повторитель давления, реле давления ...............................364
2.9.
Особенности измерения давления ...........................................................364
3.
Измерение уровня наполнения .........................................................................367
3.1.
Устройства для измерения уровня жидкостей ..........................................368
3.1.1.
Механические устройства измерения уровня .................................368
3.1.2.
Измерение гидростатического уровня ............................................370
3.1.3.
Ультразвуковое измерение уровня ...................................................371
3.1.4.
Емкостное измерение уровня ..........................................................371
3.1.5.
Измерение уровня с помощью радара .............................................371
3.2.
Предельный выключатель уровня жидкостей ..........................................372
3.3.
Устройства измерения уровня и предельные выключатели
для сыпучих продуктов ..............................................................................374
3.4.
Объемы резервуаров ..................................................................................376
3.5.
Определение количества газа в резервуаре ..............................................377
4.
Измерение расхода и количества (объема и массы)..........................................379
4.1.
Расходомер .................................................................................................380
4.1.1.
Расходомер с переменным сечением ...............................................380
4.1.2.
Расходомер с измерительным отверстием.......................................381
4.1.3.
Вихревой расходомер .......................................................................382
4.1.4.
Вибрационный расходомер .............................................................382
4.1.5.
Ультразвуковой расходомер .............................................................383
4.1.6.
Электромагнитный расходомер ......................................................384
4.1.7.
Кориолисов расходомер массы ........................................................384
4.1.8.
Тепловой расходомер массы ............................................................385
4.1.9.
Турбинный расходомер ....................................................................386
4.1.10.
Расходомер с крыльчаткой .............................................................387
4.2.
Волюметры потоков жидкости или объемные расходомеры...................387
4.3.
Индикаторы и сигнализаторы потока ......................................................389
5.
Сбор, обработка и представление данных измерений ......................................390
6.
Представление и обозначение точек измерения ...............................................394
ГЛАВА VI. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ, ПРОДУКТА
И ОКРУЖАЮЩИХ УСЛОВИЙ ...........................................................................397
1.
Взятие пробы ......................................................................................................398
1.1.
Взятие проб жидкостей .............................................................................398
1.2.
Взятие проб сухих веществ ........................................................................399
2.
Определение свойств сыпучих веществ .............................................................400
2.1.
Определение массы ...................................................................................400
2.2.
Определение плотности ............................................................................403
2.3.
Определение влажности ............................................................................404
2.4.
Определение размера частиц сыпучих материалов ..................................405
2.4.1.
Взятие пробы для ситового анализа ................................................406
2.4.2.
Ситовой анализ ................................................................................407
2.4.3.
Оценка результатов ситового анализа .............................................408
2.4.4.
Распределение частиц Розина – Раммлера (DIN 66145) ................411
3.
Измерения при анализе свойств и состава жидкостей .....................................414
3.1.
Измерение плотности жидкостей .............................................................414
3.2.
Измерение вязкости ..................................................................................416
3.3.
Измерение электропроводности ..............................................................417
3.4.
Измерение величины pH ..........................................................................418
3.5.
Измерение окислительно-восстановительного потенциала
(редокс-потенциала) ..................................................................................420
3.6.
Области применения измерения электропроводности
и величины pH ...........................................................................................420
3.7.
Определение концентрации растворенного кислород в воде .................422
3.8.
Измерение показателя мутности жидкости .............................................422
4.
Методы анализа газов и жидкостей ...................................................................423
4.1.
Метод хроматографии ...............................................................................423
4.2.
Анализ с помощью датчиков.....................................................................425
4.2.1.
Газоанализаторы инфракрасного поглощения ...............................425
4.2.2.
Термокондуктометрические газоанализаторы ................................426
4.2.3.
Каталитические газоанализаторы ...................................................426
4.2.4.
Электрохимические газоанализаторы .............................................427
4.2.5.
Промышленные газоанализаторы ...................................................427
5.
Определение состава воздуха .............................................................................428
5.1.
Содержание кислорода и загрязняющих веществ в воздухе ...................428
5.2.
Пределы взрываемости или взрывоопасные концентрации ...................429
5.3.
Измерение влажности воздуха ..................................................................429
5.4.
Измерение концентрации дыма и пыли ...................................................430
6.
Контроль качества на химическом предприятии ..............................................430
6.1.
Менеджмент качества ...............................................................................431
6.2.
Системы менеджмента ..............................................................................432
6.3.
Инструменты контроля качества ..............................................................433
6.3.1.
Чек-листы .........................................................................................433
6.3.2.
Сводная карта отказов и лист сбора данных ...................................434
6.3.3.
Гистограммы .....................................................................................435
6.3.4.
Кривая плотности распределения и статистические
показатели ........................................................................................435
6.3.5.
Предварительные расчеты для листа сбора данных ........................436
6.3.6.
Диаграмма Парето (ABC-анализ) ....................................................437
6.3.7.
Диаграмма Исикавы .........................................................................438
6.3.8.
Регулирование процесса с помощью графика контроля
качества ............................................................................................439
6.3.9.
Обзор инструментов управления качеством ...................................442
ГЛАВА VII. ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ ................................444
1.
Описание сыпучих материалов ..........................................................................445
1.1.
Размер частиц в сыпучем материале .........................................................445
1.2.
Поверхности сыпучих материалов............................................................446
1.3.
Свойства сыпучего материала из частиц разного размера .......................446
1.4.
Кривые плотности распределения сыпучих веществ ..............................448
2.
Измельчение твердых веществ ...........................................................................449
2.1.
Физические аспекты .................................................................................450
2.2.
Способы измельчения ..............................................................................452
2.3.
Дробилки ...................................................................................................452
2.4.
Мельницы ..................................................................................................454
2.5.
Ножевые дробилки, грануляторы .............................................................457
2.6.
Измельчительные установки ....................................................................458
3.
Разделение жидкостей ........................................................................................460
3.1.
Орошение, разбрызгивание ......................................................................460
3.2.
Распыление ................................................................................................460
4.
Агломерация (уплотнение) ................................................................................462
4.1.
Поверхностное гранулирование (пеллетизация) .....................................462
4.2.
Формовка ...................................................................................................464
4.3.
Спекание ....................................................................................................467
5.
Смешивание (объединение веществ) ................................................................467
5.1.
Механическое перемешивание жидкостей ..............................................469
5.1.1.
Сосуд с мешалкой (рис. VII.45) ........................................................469
5.1.2.
Механизм вращения мешалки .........................................................472
5.1.3.
Мешалки ...........................................................................................473
5.1.4.
Гидравлика потока в сосуде с мешалкой .........................................475
5.1.5.
Технологические операции на основе перемешивания ..................476
5.2.
Пневматическое перемешивание .............................................................479
5.3.
Смешение потоков ....................................................................................480
5.4.
Замешивание, втирание ............................................................................482
5.5.
Смешение твердых сыпучих материалов ..................................................485
ГЛАВА VIII. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ .................................................489
1.
Теплота – вид энергии ........................................................................................489
1.1.
Единицы количества теплоты ...................................................................489
1.2.
Количество теплоты ..................................................................................490
1.3.
Теплота фазового перехода .......................................................................490
1.4.
Общее количество теплоты при фазовом переходе .................................492
1.5.
Температуры смесей ..................................................................................493
2.
Энергоносители в химической промышленности ............................................495
2.1.
Горючие материалы ...................................................................................495
2.2.
Электрический ток ....................................................................................497
2.3.
Водяной пар ...............................................................................................498
2.4.
Топливные жидкости.................................................................................501
2.5.
Газообразные и твердые теплоносители ...................................................501
2.6.
Холодильные агенты .................................................................................502
2.7.
Сжатый воздух и вакуум ............................................................................503
3.
Теплопередача .....................................................................................................504
3.1.
Физические основы ...................................................................................504
3.2.
Теплопередача в химических аппаратах ...................................................505
3.3.
Теплопроводность .....................................................................................506
3.4.
Теплоотдача ...............................................................................................508
3.5.
Теплопроницаемость .................................................................................509
3.6.
Теплоизлучение .........................................................................................510
3.7.
Процессы в теплообменниках ..................................................................511
4.
Теплообменники.................................................................................................514
4.1.
Трубчатые теплообменники ......................................................................514
4.2.
Змеевиковый теплообменник ...................................................................516
4.3.
Теплообменник типа «труба в трубе» ........................................................517
4.4.
Спиральные теплообменники ..................................................................517
4.5.
Пластинчатые теплообменники ...............................................................518
5.
Конденсаторы .....................................................................................................518
5.1.
Поверхностные конденсаторы..................................................................519
5.2.
Конденсаторы смешения ..........................................................................520
6.
Нагревание и охлаждение в смесительных емкостях ........................................521
6.1.
Косвенная теплопередача .........................................................................521
6.2.
Прямая теплопередача ..............................................................................522
6.3.
Системы нагрева/охлаждения для смесительных
емкостей .....................................................................................................522
7.
Энергосбережение при процессах теплообмена ...............................................524
8.
Аппараты и установки охлаждения воздухом и орошением ............................526
ГЛАВА IX. МЕХАНИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ РАЗДЕЛЕНИЯ ...............................531
1.
Механические способы разделения смесей твердых веществ ..........................531
1.1.
Сортировка ................................................................................................534
1.1.1.
Сортировка по плотности ................................................................534
1.1.2.
Флотация ..........................................................................................536
1.1.3.
Магнитная сортировка .....................................................................537
1.2.
Классификация .........................................................................................538
1.2.1.
Просеивание (грохочение) ...............................................................538
1.2.2.
Просеивание (воздушная сепарация) ..............................................542
1.2.3.
Разделение в потоке (гидравлическая классификация) .................544
2.
Механические способы разделения смесей твердых веществ
и жидкостей ............................................................................................................545
2.1.
Осаждение, седиментация, флокуляция ..................................................546
2.2.
Фильтрация ................................................................................................550
2.2.1.
Принцип действия ...........................................................................550
2.2.2.
Фильтровальные аппараты периодического действия ...................552
2.2.3.
Фильтровальные аппараты непрерывного действия ......................555
2.3.
Отжим ........................................................................................................557
2.4.
Центрифугирование ..................................................................................558
2.4.1.
Принцип действия ...........................................................................558
2.4.2.
Фильтрующие центрифуги периодического действия ...................559
2.4.3.
Фильтровальные центрифуги непрерывного действия ..................561
2.4.4.
Седиментационные центрифуги .....................................................562
2.4.5.
Промышленная установка для центрифугирования ......................566
3.
Механическое разделение эмульсий .................................................................567
3.1.
Декантирование.........................................................................................568
3.2.
Центрифугирование ..................................................................................568
3.3.
Ультрафильтрация .....................................................................................569
ГЛАВА X. ПЫЛЕУДАЛЕНИЕ И ОЧИСТКА ГАЗОВ ............................................571
1.
Удаление пыли ....................................................................................................572
1.1.
Механическое обеспыливание .................................................................574
1.2.
Влажное обеспыливание ...........................................................................576
1.3.
Фильтрационное пылеулавливание ..........................................................578
1.4.
Электрообеспыливание .............................................................................580
1.5.
Система пылеудаления ..............................................................................581
2.
Осаждение тонкодисперсных капель жидкости ...............................................582
3.
Осаждение посторонних газов ...........................................................................583
3.1.
Осаждение посторонних газом путем конденсации ................................583
3.2.
Очищение газа путем абсорбции ..............................................................585
3.3.
Очищение газа путем адсорбции ..............................................................590
3.4.
Очистка газа путем испарения через паропроницаемую мембрану ........595
3.5.
Каталитическая очистка газа ....................................................................597
3.6.
Очистка отработанного воздуха путем сжигания .....................................598
ГЛАВА XI. ТЕРМИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ РАЗДЕЛЕНИЯ ..................................600
1.
Сушка ..................................................................................................................601
1.1.
Физические аспекты .................................................................................601
1.2.
Диаграмма сушки h-X ................................................................................605
1.3.
Способы сушки .........................................................................................608
1.4.
Сушилки для насыпи твердых веществ ....................................................610
1.5.
Сушилки для жидкостей и суспензий ......................................................613
1.6.
Сублимационная сушка под вакуумом .....................................................615
1.7.
Промышленная установка для центрифугирования и сушки .................618
2.
Термическое разделение растворов ...................................................................619
2.1.
Испарение ..................................................................................................620
2.1.1.
Испарение чистых растворителей ...................................................620
2.1.2.
Испарение растворов .......................................................................621
2.1.3.
Конструкция и процессы в выпарных аппаратах ...........................622
2.1.4.
Периодическое и непрерывное выпаривание .................................623
2.1.5.
Конструктивные исполнения выпарных аппаратов .......................624
2.1.6.
Выпарные установки ........................................................................626
2.2.
Кристаллизация из растворов ...................................................................629
2.2.1.
Физические аспекты ........................................................................630
2.2.2.
Способы кристаллизации ................................................................631
2.2.3.
Кристаллизаторы ..............................................................................632
2.3.
Особые способы кристаллизации: высаливание, разжижение,
выпадение в виде кристаллов ....................................................................636
2.4.
Вымораживание (холодная концентрация) .............................................638
3.
Термическое разделение смесей жидкостей ......................................................639
3.1.
Физические аспекты .................................................................................640
3.1.1.
Поведение при кипении жидкостей ................................................640
3.1.2.
Поведение жидкостей при кипении смесей ....................................641
3.1.3.
Давление пара смесей жидкостей ....................................................641
3.1.4.
Диаграмма кипения (фазовая диаграмма) ......................................643
3.1.5.
Кривая равновесия ...........................................................................644
3.2.
Дистилляция (перегонка) .........................................................................645
3.2.1.
Простая ступенчатая перегонка .......................................................645
3.2.2.
Поведение различных жидкостных смесей
при дистилляции ..............................................................................646
3.2.3.
Фракционированная ступенчатая перегонка ..................................648
3.2.4.
Простая непрерывная перегонка .....................................................649
3.2.5.
Перегонка с водяным паром ............................................................650
3.3.
Ректификация ...........................................................................................652
3.3.1.
Процессы в ректификационной колонне с колпачковыми
тарелками .........................................................................................652
3.3.2.
Ректификационные колонны с обменными тарелками ................655
3.3.3.
Изменение состава в ректификационной колонне ........................656
3.4.4.
Теоретическое число ступеней разделения .....................................657
3.3.5.
Коэффициент усиления и необходимое число обменных
тарелок..............................................................................................657
3.3.6.
Флегмовое число ..............................................................................658
3.3.7.
Ректификационные колонны с насадками и набивками ...............659
3.4.
Способы ректификации ............................................................................662
3.4.1.
Ступенчатая ректификация .............................................................662
3.4.2.
Непрерывная ректификация ...........................................................663
3.4.3.
Типы подачи смеси ...........................................................................665
3.4.4.
Определение числа ступеней разделения в непрерывной
ректификационной колонне ...........................................................666
3.4.5.
Влияние высоты подачи смеси ........................................................669
3.5.
Ректификация многокомпонентных смесей ............................................670
3.6.
Ректификация термочувствительных смесей ...........................................672
3.7.
Переработка нефти ....................................................................................673
3.8.
Ректификация азеотропных смесей и смесей с примерно равными
точками кипения .......................................................................................676
3.8.1.
Поведение при кипении азеотропных смесей ................................676
3.8.2.
Способ ректификации азеотропов двойным давлением ................678
3.8.3.
Ректификация азеотропов путем использования
вспомогательного вещества .............................................................679
3.8.4.
Экстрактивная ректификация .........................................................680
3.9.
Комбинированный способ ректификации ..............................................681
3.10.
Экономия тепловой энергии при эксплуатации
ректификационных установок ................................................................683
3.11.
Управление ректификационными установками ....................................684
ГЛАВА XII. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ РАЗДЕЛЕНИЯ ................685
1.
Экстракция твердой фазы ..................................................................................686
1.1.
Процессы и понятия .................................................................................686
1.2.
Промышленный процесс экстрагирования .............................................687
1.3.
Растворители для экстракции твердой фазы ............................................687
1.4.
Физические аспекты .................................................................................688
1.5.
Поведение веществ при экстрагировании твердой фазы ........................689
1.6.
Установки периодического действия для экстракции твердых
веществ .......................................................................................................691
1.7.
Установки непрерывного действия для экстракции твердых веществ ......693
2.
Экстракция жидкости из жидкостной смеси ....................................................696
2.1.
Физические аспекты .................................................................................697
2.2.
Установки периодического действия для экстракции жидкостей
из жидкостных смесей ...............................................................................698
2.3.
Установки непрерывного действия для экстракции жидкостей
из жидкостных смесей ...............................................................................699
2.4.
Производительность экстракционных колонн ........................................702
3.
Метод ионообмена .............................................................................................704
3.1.
Физико-химические аспекты ...................................................................704
3.2.
Полное обессоливание воды .....................................................................706
3.3.
Умягчение воды .........................................................................................707
3.4.
Обезвреживание сточных вод ...................................................................708
3.5.
Ионообменные установки ........................................................................708
4.
Технология мембранного разделения ................................................................710
4.1.
Классификация способов мембранного разделения жидкости
из жидкостной смеси .................................................................................711
4.2.
Мембранное разделение жидкости из жидкостной смеси .....................712
4.2.1.
Обратный осмос ...............................................................................712
4.2.2.
Нанофильтрация ..............................................................................713
4.2.3.
Ультрафильтрация ............................................................................713
4.2.4.
Микрофильтрация............................................................................713
4.3.
Аппараты мембранного разделения .........................................................714
4.4.
Установки для мембранного способа разделения ....................................716
4.5.
Первапорация ............................................................................................717
4.6.
Проникновение пара .................................................................................719
ГЛАВА XIII. ТЕХНИКА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ........................................................721
1.
Обзор, определения и ограничения ...................................................................721
2.
Техника автоматического регулирования .........................................................724
2.1.
Основы .......................................................................................................724
2.2.
Изображение и обозначение измерительных, управляющих
и регулирующих элементов .......................................................................727
2.3.
Примеры размещения объектов EMSR/КИП на химических
предприятиях .............................................................................................730
2.4.
Объект регулирования...............................................................................733
2.4.1.
Статическое поведение объектов управления ................................733
2.4.2.
Динамическое поведение управляемых систем ..............................734
2.5.
Представление функциональных элементов аппаратуры
управления на схемах ................................................................................736
2.6.
Регулятор ...................................................................................................739
2.6.1.
Временные характеристики регуляторов непрерывного
действия ...........................................................................................739
2.6.2.
Сравнение типов регуляторов и области их использования ..........742
2.6.3.
Дискретные регуляторы ...................................................................743
2.6.4.
Устройства регулирования ...............................................................745
2.6.5.
Регулятор без вспомогательной энергии .........................................746
2.7.
Задачи регулирования на химических предприятиях ..............................748
2.7.1.
Регулирование температуры ............................................................748
2.7.2.
Регулирование давления ..................................................................750
2.7.3.
Управление потоком ........................................................................752
2.7.4.
Регулирование количества ...............................................................753
2.7.5.
Контроль уровня ..............................................................................753
2.7.6.
Регулирование показателей анализа ...............................................754
2.7.7.
Регулирование ректификационной установки ..............................755
2.8.
Поведение контура управления и настройка регулятора ........................756
3.
Техника автоматического управления ...............................................................758
3.1.
Основы теории управления ......................................................................758
3.2.
Способы управления .................................................................................759
3.3.
Способы описания процессов управления ..............................................761
3.3.1.
Описание с помощью текста и графических схем ..........................761
3.3.2.
Представление логических функций...............................................762
3.3.3.
Временная диаграмма и схема последовательности
переключений ..................................................................................763
3.3.4.
Схема последовательности переключений в реакторах
периодического действия ................................................................763
3.4.
Основные функции обработки
двоичных сигналов ....................................................................................765
3.5.
Функциональные схемы управления последовательностью
операций с использованием языка спецификаций GRAFCET ...............768
3.5.1.
Управление последовательностью операций в установке
для смешивания ...............................................................................771
3.5.2.
Управление последовательностью операций в реакционной
установке ..........................................................................................772
3.5.3.
Управление последовательностью операций в системе
центрифугирования .........................................................................774
3.6.
Техническая реализация систем управления ...........................................776
3.6.1.
Механические системы управления ................................................776
3.6.2.
Электрические системы управления ...............................................776
3.6.3.
Электронные системы управления ..................................................777
3.6.4.
Программируемые логические контроллеры (ПЛК) ......................778
4.
Техника автоматического управления процессами ..........................................782
4.1.
Сравнение традиционных средств EMSR/КИП и систем АСУ ТП .......782
4.2.
Структура АСУ ТП ....................................................................................785
4.2.1.
Элементы АСУ ТП ...........................................................................785
4.2.2.
АСУ ТП крупного химического предприятия .................................786
4.2.3.
Блоки автоматизации .......................................................................787
4.2.4.
Блоки ввода-вывода .........................................................................788
4.2.5.
Пункт контроля и управления .........................................................789
4.2.6.
Системы шин ....................................................................................789
4.2.7.
Станция управления ........................................................................790
4.3.
Отображение технологического процесса на экране ...............................790
4.3.1.
Мнемосхемы .....................................................................................791
4.3.2.
Готовые изображения .......................................................................792
4.3.3.
Графики .............................................................................................793
4.3.4.
Наложенные изображения ...............................................................793
4.4.
Эксплуатация АСУ ТП ..............................................................................794
4.5.
Функциональные возможности АСУ ТП .................................................795
4.5.1.
Функции обработки данных измерений .........................................796
4.5.2.
Функции регулирования ..................................................................796
4.5.3.
Функции управления .......................................................................797
4.5.
Управление рецептурой при периодических процессах ..........................798
Обслуживание и контроль .........................................................................800
4.5.5.
Управление трубопроводными сетями ............................................801
4.5.6.
Функции контроля ...........................................................................802
4.5.7.
Управление техобслуживанием .......................................................803
ГЛАВА XIV. ИНЖЕНЕРИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ ..................................805
1.
Виды реакций .....................................................................................................805
2.
Факторы, определяющие протекание реакции .................................................806
3.
Периодический способ производства ...............................................................808
3.1.
Реакторы ....................................................................................................808
3.2.
Характеристики циклической работы ......................................................809
4.
Поточное производство .....................................................................................810
4.1.
Реакторы непрерывной работы ................................................................810
4.2.
Характеристика непрерывного режима....................................................811
4.3.
Непрерывная работа реактора с циркуляцией ........................................812
5.
Комбинации реакторов ......................................................................................813
6.
Реакторы высокого давления .............................................................................814
7.
Реакционные печи ..............................................................................................816
8.
Электролизеры ...................................................................................................818
9.
Показатели оценивания химических процессов ...............................................819
ГЛАВА XV. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ ХИМИЧЕСКИХ
ПРЕДПРИЯТИЙ ...................................................................................................823
1.
Химическое производство и защита окружающей среды .................................824
2.
Вода в природоохранной зоне ...........................................................................827
2.1.
Законодательные акты по сточным водам ...............................................827
2.2.
Способы очистки сточных вод .................................................................828
2.3.
Выбор подходящего процесса очистки сточных вод ...............................834
2.4.
Оборудование для очистки сточных вод химических предприятий .........835
2.5.
Механико-биологическая очистка сточных вод на городских
очистных сооружениях ..............................................................................837
2.6.
Биологическая очистка сточных вод в высотных реакторах ..................839
3.
Воздух в природоохранной зоне .......................................................................840
3.1.
Законодательные акты о выхлопных газах ...............................................841
3.2.
Комбинированное сжигание отработавших газов и очистка
отработанного воздуха ...............................................................................841
3.3.
Очистка воздуха адсорбцией и дожиганием .............................................842
3.4.
Очистка выхлопных газов топочных электростанций ............................843
4.
Утилизация химических отходов .......................................................................845
4.1.
Правовые нормы по утилизации отходов .................................................845
4.2.
Способы обработки отходов .....................................................................845
4.3.
Удаление отходов химического предприятия ...........................................846
4.4.
Крупная установка по сжиганию промышленных и бытовых
отходов .......................................................................................................847
4.5.
Хранение опасных отходов на полигонах ................................................849
5.
Комплексная охрана окружающей среды на производстве .............................850
Список терминов .....................................................................................................854
ПРИЛОЖЕНИЕ ....................................................................................................863
Очистка промышленных газовых выбросов от СО и органических
загрязнений ............................................................................................................865
Применение скрубберов Вентури с регулируемой горловиной
для очистки газа пневмотранспорта от твердых и липких компонентов
на нефтехимических производствах ......................................................................871
Ресурсосбережение на НПЗ и нефтехимических комплексах .............................877
Энергосбережение при термической обработке сухих сыпучих материалов ......882
ZLD (Zero Liquid Discharge) технология для очистки сточных вод .....................887
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящее издание «ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА» представляет собой учебник
и справочное пособие для всех, кто учится или работает в сфере проектирования
и эксплуатации объектов химической промышленности, а также для тех, кто из-
учает этот предмет, хочет расширить свои знания и продолжить образование в
этой области.
Пособие подходит для студентов профессиональных училищ, техникумов и
для освоения прикладных дисциплин в университетах, а также для обучения на
предприятиях и для самообразования.
Издание содержит обзор структур химических установок и функций их ком-
понентов, а также информацию о технологии химических процессов, включая
средства измерения, контроля, регулирования и управления технологическими
процессами. Кроме того, рассматриваются вопросы охраны окружающей среды и
техники безопасности.
В частности, оно используется в качестве учебного пособия для стажеров по
химическим специальностям на предприятиях и в школах. Например, в Герма-
нии – для получающих квалификацию техника-химика, специалиста по химиче-
скому производству, помощника химико-технического специалиста и оператора
химической технологии; в Австрии – инженера-химика, в Швейцарии – техно-
лога-химика.
Частично книга подходит для обучения специалистов по водоснабжению и
водоотведению, фармацевтов-технологов, системных механиков, строителей тру-
бопроводов и складских емкостей.
Кроме того, учебник может служить ценным подспорьем для профессионально-
го развития и роста многих сотрудников, работающих на химическом производстве,
но не имеющих профессионального образования в области химической техники.
Пособие идеально подходит для обучения промышленных мастеров в области
химии и техников-химиков промышленного и производственного инжиниринга.
Для студентов, изучающих химическую инженерию и химию, пособие станет
источником всесторонних базовых знаний в данных областях.
Книга «ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА» систематизирована и разделена на от-
дельные предметные области. Такая модульная структура позволяет рассматривать
различные темы не только в том порядке, в котором они появляются в книге, но и в
другой последовательности или по отдельности. Книга написана понятным языком.
Введены и объяснены необходимые технические термины. Важные технические
термины даны также на английском языке.
Более 2000 цветных иллюстраций, фотографий и графических изображений, а
также большое количество таблиц подобраны для пояснения и поддержки текста.
Отдельные предметные области вводятся с объяснением физических и хи-
мических основ. Затем рассматриваются процессы, а также аппараты, машины и
системы. Это способствует пониманию и осмысливанию темы.
Формальные закономерности иллюстрируются практическими примерами, а
последующие задания способствуют дальнейшему углубленному пониманию. Ос-
новные выводы излагаются в краткой и удобной форме, способствующей лучшему
запоминанию учащимися.
В конце каждой главы приведены задачи и вопросы для повторения, по кото-
рым можно прорабатывать текст книги. Задания предназначены для дальнейшего
закрепления полученных знаний, а также помогут учителям или преподавателям
разнообразить свои уроки.
В разделе 5 главы XV перечислены направления обучения химиков-технологов
в соответствии с рамочной учебной программой KMK и сделаны предложения от-
носительно содержания книги «ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА».
Предметный указатель в конце пособия позволяет быстро находить нужную
информацию. Он содержит перевод технических терминов на английский язык.
Его можно использовать как словарь ключевых слов.
Настоящее 12-е издание выходит с новым содержанием; в него также внесены
следующие дополнения: проектирование химических установок (разд. 10 главы I),
измерение температуры и давления (разд. 1.3–2.8 главы V), проведение ситового
анализа (разд. 10 главы I и далее), средства контроля качества (разд. 6.3 главы VI),
абсорбция (разд. 3.2 главы X и далее), пример задачи ректификации (разд. 3.4.4 гла-
вы XI), влияние высоты входа в ректификационных колоннах на эффект разделения
(разд. 3.4.5 главы XI), жидкостно-жидкостная экстракция (разд. 1.3–2.4 главы XII).
Автор и издатель с нетерпением ждут содержательных предложений по улуч-
шению книги по адресу lektorat@europa-lehrmittel.de.
Зима 2014/2015 г. Экхард Игнатович
ВВЕДЕНИЕ
Химия и окружающая среда
Область применения химических веществ
Сегодня мы повсеместно используем продукцию химической промышленности (рис. В.1). Среди прочего можно назвать: – предметы гигиены (мыло, моющие средства);
– одежду из синтетических волокон;
– лекарственные препараты,
косметические средства;
– красители;
– удобрения, ядохимикаты, пестициды;
– смазочные материалы, масла, ускорители отверждения,
охлаждающие средства.
Развитие производства этих и многих других изделий обеспечивает в промышленности создание новых рабочих мест, в сельском хозяйстве – рост урожайности, а в
целом, несомненно, способствует общему повышению уровня жизни
человека.
Опасность для окружающей
среды
Но процессы производства или обработки столь полезной продукции
химической промышленности неизбежно связаны с образованием
разного рода остатков, отходов, сточных вод и отработавших газов.
Их неправильная утилизация может причинить серьезный ущерб окружающей среде, привести порой к полной гибели природы и даже стать источником смертельной опасности для людей и всего живого мира (рис. В.2).
Заражение почвы и отравление грунтовых вод нередко являются следствием небрежного хранения ядовитых отходов химического производства.
Попадание сточных вод, токсичных и вредных по своему составу, в реки и озера
ставит под угрозу состояние водных ресурсов, которые уже не могут использоваться
для питьевого водоснабжения.
В результате выброса в атмосферу опасных для здоровья человека либо просто
обладающих неприятным запахом газов или облаков пыли качество воздуха иногда
ухудшается настолько, что практически все население данного района начинает
чувствовать острое недомогание.
Ответственность работников химических предприятий за состояние
окружающей среды
Каждое предприятие химической промышленности в сотрудничестве с компе-
тентными государственными органами разрабатывает соответствующие меры
экологической защиты, призванные если не исключить в полной мере, то хотя
бы снизить до минимума вредное воздействие химического производства на
окружающую среду (см. гл. XV). Чтобы такие меры оправдали себя, все занятые в
этой сфере работники должны строго соблюдать определенные нормы и правила.
В частности, они обязаны:
• следить за безотказным функционированием химических установок в со-
ответствии с разработанным производственным планом;
• немедленно устранять возможные сбои и неполадки или оповещать об этом
ответственных лиц;
• не допускать несанкционированного спуска химикатов в канализацию и
обеспечивать их грамотную утилизацию;
• для сбора и хранения вредных веществ использовать специально отведен-
ные для этой цели места, надежные сборники и коллекторы;
• по возможности снижать объем неизбежных отходов, например, за счет
многократного использования материалов на основе вторичной переработки;
• во всех сложных ситуациях прибегать к помощи специалистов-экологов.
Безопасность на химическом производстве
Место, где расположено и функционирует предприятие химической промышленности,
таит в себе массу опасностей для персонала. Помимо обычных несчастных случаев,
связанных с механическими травмами, здесь нередки сложные ситуации особого рода,
характерные именно для химического производства и возникающие, в частности,
при обращении с ядовитыми, едкими, горючими и взрывоопасными химикатами.
Поэтому все работники, и особенно новички, должны в целях собственной
безопасности строго соблюдать действующие нормы и регламенты, прислушиваясь
к советам и рекомендациям непосредственных руководителей и более опытных со-
трудников. Это послужит для них залогом сохранения не только своего здоровья,
но и жизни окружающих людей.
Обязательными для работы на химическом предприятии являются специальные
правила техники безопасности, разработанные Союзом предпринимателей химиче-
ской промышленности с учетом многолетнего опыта работы в данной отрасли. Эти
правила должны находиться в открытом доступе, внимательно изучаться и использо-
ваться как в повседневной работе, так и в случае возникновения опасных ситуаций.
Места повышенной опасности обязательно отмечаются специальными таблич-
ками, указывающими на необходимость определенного поведения в данном месте.
Такие указания подлежат безусловному и безоговорочному исполнению.
Запрещающие знаки
Эти знаки запрещают те или иные действия, обозначенные на табличке
в виде наглядного рисунка общепринятой конфигурации (рис. В.3).
Они обычно имеют круглую форму, красную окантовку и перечеркиваются красной полосой. Запрещенное действие представлено в виде черной графики на белом фоне.
Важнейшей предохранительной нормой на химическом производстве считается, естественно, общий запрет на курение и на пользование
открытым огнем.
Помещения, специально предназначенные для курения, отмечаются
особым образом.
Применение открытого огня – например, при выполнении сварочных работ – допустимо только с разрешения компетентных лиц при соблюдении всех необходимых мер
защиты.
Другие таблички касаются запретов на перемещение людей в определенном месте, тушение возгораний водой, а также на использование воды из соответствующего крана в
качестве питьевой.
Все эти запреты подлежат обязательному исполнению.
Предупреждающие знаки
Эти знаки предупреждают о возможной опасности (возгорании, взрыве),
напоминают о присутствии ядовитых или едких веществ, радиоактивного
излучения, а также указывают на угрозу со стороны подвешенных
на канатах грузов, курсирующих транспортных средств, сообщают о
наличии высокого электрического напряжения и прочих опасных моментах (рис. В.4 и В.5).
Предупреждающие знаки имеют форму треугольника с соответствующей черной
графикой на желтом фоне.
Помимо этого, опасное место может быть ограждено лентой с косыми черно-
желтыми полосками или такими же балками.
В местах, отмеченных предупреждающими знаками, необходимо строго со-
блюдать действующие правила техники безопасности.
О начале работ в такой зоне следует обязательно уведомить непосредственного
начальника и выслушать его советы и рекомендации.
Запомните: надо сначала информировать, потом действовать!
Даже если работа носит срочный характер, при ее выполнении приоритетной
всегда остается полная безопасность!
Предписывающие знаки
Такие знаки предписывают использование индивидуальных средств защиты в от-
меченной зоне (рис. В.5): это синие круги с белым графическим изображением
соответствующего оснащения.
При работе на химических установках либо при нахождении вблизи этого обо-
рудования настоятельно рекомендуется носить защитную каску и защитную обувь.
При обращении с едкими химикатами либо при работе с установками, содер-
жащими такие химикаты, описанный выше комплект следует дополнить за-
щитными очками и перчатками. При выбросе ядовитых газов или пыли
потребуется защита органов дыхания, для чего используются респираторы.
Предписывающие знаки обязывают использовать индивидуальные средства защиты.
Пути спасения при аварии
Такими знаками отмечаются пути спасения, аварийные выходы, спаса-
тельные станции и пункты скорой помощи (рис. В.6). Они представлены в виде прямо-
угольников с белым графическим символом на зеленом фоне. Их основная задача – в ава-
рийной ситуации указать ближайший путь к спасению и получению первой помощи.
Имеющиеся убежища, аварийные выходы и спасательные пункты должны
быть хорошо известны каждому работнику предприятия.
Более подробно об охране труда и нормах техники безопасности см. гл. XIV.
Знаки пожарной безопасности
Знаки пожарной безопасности обозначают место, где находятся приборы или устройства для борьбы с пожаром (рис. В.7).
Они представляют собой квадратные плакаты и содержат на красном
фоне символы, например огнетушитель. Приборы и устройства для
борьбы с пожаром нельзя накрывать или загромождать.
Пути спасения и места спасения, так же как и противопожарное оборудование
на рабочем месте, должны быть известны каждому сотруднику.
Дальнейшие разъяснения по предотвращению несчастных случаев и безопас-
ности труда см. в гл. XIV.
Начальные сведения о химическом производстве
Заявленная здесь тема является весьма обширной, и ее можно условно разделить
на несколько отраслей знаний:
• технологические способы получения химических веществ. Данную отрасль
обозначают также термином «химическая технология» (англ. unit processes);
• процессы химической технологии. Эта отрасль занимается отдельными
технологическими операциями – «базовыми процессами» (англ. unit operations),
необходимыми для технической реализации собственно химического
производства. К таким базовым технологическим операциям относятся,
например, измельчение, нагрев или охлаждение, смешивание и разделение,
причем здесь, как правило, речь идет о процессах без химического превра-
щения веществ. Но последние, тем не менее, изменяют свое состояние –
гранулометрический состав, температуру, концентрацию. В случае базовых
технологических операций обычно имеются в виду собственно физические
процессы;
• аппаратная и машинная техника. Эта отрасль посвящена аппаратам и ма-
шинам, необходимым для осуществления химических реакций и базовых
технологических операций. Так, котел с мешалкой представляет собой ап-
парат, где может протекать химическая реакция или выполняться операция
смешивания. Электродвигатель, который, например, приводит в действие
мешалку этого котла, является приводным механизмом, дающим необхо-
димую для смешивания энергию;
• контрольно-измерительные приборы и автоматические регуляторы (КИПиА).
Данная отрасль занимается устройствами для измерения, контроля и регу-
лирования параметров рабочего состояния в химической установке. Именно
благодаря их использованию химические реакции и процессы превращения
веществ протекают надежно и в оптимальных условиях. К КИПиА относятся,
в частности, приборы для измерения давления (манометры), определения
величины рН или регуляторы температуры.
Химические процессы протекают в аппаратах, где для выполнения
поставленной задачи могут быть созданы требуемые условия, на-
пример заданы соответствующие значения температуры, давления и проч. Порой для решения тех или иных химико-технических задач
нужен целый ряд аппаратов, связанных между собой специальными
подающими устройствами (типа насосов) и трубопроводами. Машины
генерируют необходимую энергию, КИПиА осуществляют контроль,
измерение и регулирование параметров состояния.
Совокупность всех этих приборов и устройств носит общее название «произ-
водственная, или химическая, установка» (рис. В.8).
Представление протекания химического процесса
Попробуем продемонстрировать на общем примере все многообразие поставленных
задач и существующих проблем, имеющих место при проведении той или иной
реакции на химическом производстве.
Итак, два вещества A и B при четко установленных рабочих условиях (опреде-
ленные температура, давление) должны вступить в реакцию с получением веществ
C и D.
В химии этот процесс представляют в виде уравнения химической реакции.
Teмпература, давление A + B C + D
Kaтализаторы
Исходные вещества Условия реакции Продукты реакции
Уравнение химической реакции описывает процесс химического превращения
веществ. В левой части оно содержит исходные вещества, в правой – продукты
реакции. Над и под стрелкой, показывающей направление протекания реакции,
приведены необходимые для проведения данной реакции условия и катализаторы.
Пример уравнения химической реакции: получение синтез-газа СО/Н2 из
метана и воды:
900 °C, 35 бар
Никель
CH4 + H2O CO + 3 H2
Подготовка исходных веществ к химической реакции и обработка продуктов
реакции в целях их дальнейшего использования при этом не находят никакого
отражения.
Часто химическая реакция протекает через промежуточные стадии. Образую-
щиеся при этом вещества называют промежуточными продуктами. Они являются
исходными продуктами для следующей ступени. Образующиеся вещества, которые
не нужны для производственного процесса, называют побочными продуктами или
отходами. В то время как побочные продукты могут быть использованы в другом
технологическом процессе, отходы должны перерабатываться или утилизироваться.
Процессы химической технологии могут быть представлены в виде техноло-
гической блок-схемы, куда заносятся не только сами используемые вещества, но
и пути их прохождения с указанием базовых операций (рис. В.9).
«Сердцем» химической установки является реактор. Именно там происходит
превращение исходных веществ в продукт реакции. Любой реакции должна пред-
шествовать определенная подготовка исходных веществ, например их измельчение
или нагревание. После химической реакции представленные иногда в виде смеси
вещества подлежат разделению, затем сырые продукты обрабатываются еще раз –
в целях приобретения качеств, необходимых для их дальнейшего применения либо
сбыта.
Схема технологического потока (также называется изображением технологического потока) представляет химический процесс производства продукта в схематической форме с использованием графических символов аппаратов и линий для потоков ве-
ществ (рис. В.10). Пример, приведенный на рис. В.10, показывает реакцию
осаждения в химическом реакторе с последующим фильтрованием суспензии и получением чистой жидкости и твердого остатка. Последние складируются в цистерну или бочку.
Символы для аппаратов нормированы, так же как и проведение линий для потоков
веществ (см. разд. 11 главы I). Характеристические условия производства
и данные по важнейшим потокам веществ дополняют схему технологического производства. Свободно составленные технологические схемы, например используемые на экранах дисплеев и мониторов в системах наблюдения за процессом, дают еще более реалистичное изображение химической установки (рис. В.11).
Типы процессов в химической промышленности
В процессах, связанных с превращением веществ, различают химические и био-
химические процессы. В то время как в химических процессах превращение ве-
ществ происходит вследствие только химических реакций, превращение веществ
в биохимических процессах осуществляется с помощью микроорганизмов, таких
как бактерии и грибы.
Технические методы основных операций подразделяют на механические ме-
тоды, как, например, измельчение, просеивание и смешение, и на термические
методы, как, например, нагревание, охлаждение, высушивание и перегонка.
В одной химической установке скомбинированы химические процессы пре-
вращения с техническими методами основных операций. Так что, например, хими-
ческое превращение в реакционном сосуде (реакторе) протекает с одновременным
перемешиванием (механическая основная операция) и нагреванием (термическая
основная операция) (рис. В.11).
При периодическом, или прерывистом, способе работы (англ. batch process), осуществляемой по мере загрузки, отдельные технологические
операции выполняются последовательно друг за другом. Установка состоит из реакционного сосуда, например мешального котла, подводящих и отводящих трубопроводов (рис. В.11). Сначала в реактор накачивается исходное вещество A с последующим нагреванием. В результате постепенного добавления исходного вещества B протекает химическая реакция, после завершения которой происходит выпуск
продукта реакции. Затем начинается новый цикл загрузки.
Такому периодическому принципу действия отдается предпочтение в случае
часто меняющихся продуктов и небольшого расхода веществ. На такой же установке
могут быть реализованы медленно протекающие реакции или отличные методы получения.
Непрерывная работа
В непрерывно работающей химической установке через аппараты и реакторы от
начала и до конца установки протекает постоянный (продолжительный) массовый
поток (рис. В.12).
В каждом отдельном аппарате протекают локальные следующие друг за другом
этапы процесса. В каждом аппарате в течение всего процесса сохраняются посто-
янными его параметры, как, например, температура, давление и состав продуктов.
Режимы работы химической установки
Химическая установка может функционировать в разных режимах.
Непрерывные химические установки используются при производстве большого
количества продукции по твердо установленному технологическому процессу.
Разработка химического технологического процесса
Прежде чем тот или иной продукт будет изготовлен в химической установке, проводится множество исследований и подготовительных работ.
Первым шагом на этом пути является доскональное изучение в химической лаборатории
соответствующего химического процесса (рис. В.13), как он описывается в уравнении хи-
мической реакции. На основе большого числа лабораторных опытов определяются за-
тем наиболее благоприятные условия протекания данной химической реакции. Далее в
лаборатории скрупулезно исследуются способы подготовки необходимых для данной реакции исходных веществ, а также операции по разделению и дополнительной обработке продуктов реакции. В химических лабораториях работают, как правило, с массами менее или чуть больше 1 кг.
Результаты лабораторных исследований служат основой для создания полупромышленной экспериментальной установки, в которой подготавливается перенос соответствующего
химического процесса в промышленные условия (рис. В.14).
Полупромышленная установка, обладая меньшими размерами, имеет, в принципе, ту же конструкцию и такую же компоновку аппаратуры, что и будущая производственная установка.
Она рассчитана таким образом, что все отдельно выполняемые технологические операции
можно контролировать, при необходимости изменять и совершенствовать. Поэтому большая часть аппаратного оборудования выполнена из стекла, что позволяет наблюдать за происходящими внутри процессами.
Подлежащие превращению вещества имеют вес обычно менее 100 кг.
Полученные благодаря работе с полупромышленной установкой сведения об
условиях протекания химических реакций и выходе продукта, а также о поведении
веществ и способах управления установкой используются для расчета и строитель-
ства полноразмерной промышленной химической производственной установки
(рис. В.15). Она конструируется с расчетом на максимально большой объем продукта
реакции с минимальными затратами на этот процесс. При этом должны учитывать-
ся, естественно, и вопросы защиты окружающей среды, ибо даже незначительные
выбросы вредных веществ при больших объемах превращения способны привести
к экологической катастрофе. Этот перенос параметров с пилотной установки на
промышленную в английском языке обозначается как scale up.
ГЛАВА I
ХИМИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
Для неспециалиста химическая установка выглядит на первый взгляд как нечто невообразимое – весьма сложное сооружение, состоящее из множества отдельных элементов (см. рис. В.15).
И только при ближайшем рассмотрении удается понять, что это множество отдельных
деталей может быть сведено к достаточно ограниченному числу основных узлов (рис. I.1).
Трубопроводы
Трубы соединяют между собой отдельные аппараты химической установки. По ним вещества передаются от одного аппарата к другому.
В большинстве случаев несколько участков труб посредством соединений монтируются в
единую трубопроводную систему.
Арматура
Арматура встроена в трубопроводы и регулирует объем протекающих по ним веществ.
Кроме того, она выполняет функции открытия и закрытия трубо проводов, а также защищает установки от перегрузок.
Реакционные аппараты
В реакторах протекают химические реакции. Реакционные аппараты выполнены таким об-
разом, что в них всегда можно поддерживать необходимые для протекания реакции условия (давление, температуру и проч.).
Технологические аппараты
Технологические аппараты служат для подготовки, нагревания или охлаждения, а также
смешивания отдельных веществ и разделения смесей. Они размещены обычно на участках
перед реактором либо после него.
Транспортное оборудование и подающие
устройства
Подающие устройства служат для транспортировки веществ к тому месту в производственной установке, где их надлежит использовать. К таким устройствам относятся, например,
ленточные транспортеры, пневматические подающие системы, а также насосы и
компрессоры.
Оборудование для хранения материалов
Необходимые для химического производства вещества должны храниться, временно
складироваться и содержаться про запас в специально предназначенных для этой
цели емкостях. Необходимый объем запасов гарантирует бесперебойное поступле-
ние требуемых исходных веществ и, следовательно, отсутствие простоев в работе.
Контрольно-измерительные и регулировочные устройства
КИПиА предназначены для контроля рабочего состояния (например давления и
температуры) в химических установках и оптимизации условий протекания про-
цесса. Системы управления процессом в химических установках действуют авто-
матически по заранее заданным программам.
1. ТРУБОПРОВОДЫ
Трубопроводы представляют собой соединения труб между элементами
установки для транспортировки необходимых химических веществ и других
материалов. В химических установках перемещение веществ осуществляется
преимущественно в закрытых трубопроводах. Поскольку речь идет об
изолированных или замкнутых в себе деталях установки, можно говорить
также о трубопроводных системах, или сетях трубопроводов (рис. I.2).
Трубопроводы состоят из трех составных
частей:
– прямые и изогнутые отрезки трубы;
– фасонные отрезки трубы;
– соединительные элементы, которые соединяют отрезки трубы между собой.
Эти конструктивные элементы изготавливаются заранее и монтируются в еди-
ную разветвленную трубопроводную систему.
Дополнительно трубопроводы могут быть оснащены необходимой изоляцией
и сопровождающим обогревом.
В соответствии с производственными требованиями выбираются размеры труб
и наиболее подходящий материал для них. В целях стандартизации размеры труб
были унифицированы и классифицированы с учетом допустимого давления.
1.1. Условный проход DN
Номинальный внутренний диаметр DN (англ. nominal diameter) является пара-
метром, который в системах трубопроводов используется как отличительный
параметр подходящих друг к другу частей, например труб, фасонных изделий
и арматуры. Он приблизительно соответствует внутреннему диаметру трубных
частей в миллиметрах.
Номинальный внутренний диаметр DN – безразмерная величина. Пример: номинальный
внутренний диаметр – DN 125.
Номинальный внутренний диаметр нельзя использовать в качестве размера в технических
чертежах (рис. I.3).
Номинальные внутренние диаметры так сгруппированы, что переход от одного значения
номинального внутреннего диаметра к другому увеличивает производительность трубопровода примерно на 60–100%.
Предпочтительные значения DN по DIN EN
ISO 6708: 10, 15, 20, 25, 32, 40, 50, 65, 80, 100, 125,
150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800,
2000, 2200, 2400, 2600, 2800, 3000, 3200, 3400, 3600, 3800, 4000.
Для всех прочих деталей трубопровода, как то: фасонных частей, соединений
труб, арматуры – действительны те же градации условных проходов. Их стандарт-
ные размеры установлены с таким расчетом, чтобы припасовка этих деталей друг
к другу не вызывала затруднений.
Условный проход определяется конструктором установки с учетом скорости
течения и объема вещества, пропускаемого по трубопроводу.
С этой целью для трубопровода вычисляется требуемый диаметр в свету d i (в мм)
по следующей формуле:
см. в книге
где – объемный расход; v – скорость течения.
В качестве условного прохода выбирают тот, что ближе всего стоит к вычис-
ленному диаметру в свету.
Пример. Вычисленный диаметр в свету d i = 37,5 мм. Выбранный условный
проход – DN 40.
Упражнение. По трубе с условным проходом DN 40 (внутренний диаметр
43,1 мм) ежечасно протекает 3,2 м3 воды. Какова скорость течения в трубе?
Основная формула:
см. в книге
Путем перестановки получаем:
Подставляем:
см. в книге
Результат v = 0,609 м/с.
Задача. Мешальный чан емкостью 1,2 м3 надо заполнить жидкостью в течение
5 мин. Скорость течения в подводящей трубе не должна превышать 1 м/с. Каким
условным проходом должна обладать подводящая труба?
Настоящее издание «ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА» представляет собой учебник
и справочное пособие для всех, кто учится или работает в сфере проектирования
и эксплуатации объектов химической промышленности, а также для тех, кто из-
учает этот предмет, хочет расширить свои знания и продолжить образование в
этой области.
Пособие подходит для студентов профессиональных училищ, техникумов и
для освоения прикладных дисциплин в университетах, а также для обучения на
предприятиях и для самообразования.
Издание содержит обзор структур химических установок и функций их ком-
понентов, а также информацию о технологии химических процессов, включая
средства измерения, контроля, регулирования и управления технологическими
процессами. Кроме того, рассматриваются вопросы охраны окружающей среды и
техники безопасности.
В частности, оно используется в качестве учебного пособия для стажеров по
химическим специальностям на предприятиях и в школах. Например, в Герма-
нии – для получающих квалификацию техника-химика, специалиста по химиче-
скому производству, помощника химико-технического специалиста и оператора
химической технологии; в Австрии – инженера-химика, в Швейцарии – техно-
лога-химика.
Частично книга подходит для обучения специалистов по водоснабжению и
водоотведению, фармацевтов-технологов, системных механиков, строителей тру-
бопроводов и складских емкостей.
Кроме того, учебник может служить ценным подспорьем для профессионально-
го развития и роста многих сотрудников, работающих на химическом производстве,
но не имеющих профессионального образования в области химической техники.
Пособие идеально подходит для обучения промышленных мастеров в области
химии и техников-химиков промышленного и производственного инжиниринга.
Для студентов, изучающих химическую инженерию и химию, пособие станет
источником всесторонних базовых знаний в данных областях.
Книга «ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА» систематизирована и разделена на от-
дельные предметные области. Такая модульная структура позволяет рассматривать
различные темы не только в том порядке, в котором они появляются в книге, но и в
другой последовательности или по отдельности. Книга написана понятным языком.
Введены и объяснены необходимые технические термины. Важные технические
термины даны также на английском языке.
Более 2000 цветных иллюстраций, фотографий и графических изображений, а
также большое количество таблиц подобраны для пояснения и поддержки текста.
Отдельные предметные области вводятся с объяснением физических и хи-
мических основ. Затем рассматриваются процессы, а также аппараты, машины и
системы. Это способствует пониманию и осмысливанию темы.
Формальные закономерности иллюстрируются практическими примерами, а
последующие задания способствуют дальнейшему углубленному пониманию. Ос-
новные выводы излагаются в краткой и удобной форме, способствующей лучшему
запоминанию учащимися.
В конце каждой главы приведены задачи и вопросы для повторения, по кото-
рым можно прорабатывать текст книги. Задания предназначены для дальнейшего
закрепления полученных знаний, а также помогут учителям или преподавателям
разнообразить свои уроки.
В разделе 5 главы XV перечислены направления обучения химиков-технологов
в соответствии с рамочной учебной программой KMK и сделаны предложения от-
носительно содержания книги «ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА».
Предметный указатель в конце пособия позволяет быстро находить нужную
информацию. Он содержит перевод технических терминов на английский язык.
Его можно использовать как словарь ключевых слов.
Настоящее 12-е издание выходит с новым содержанием; в него также внесены
следующие дополнения: проектирование химических установок (разд. 10 главы I),
измерение температуры и давления (разд. 1.3–2.8 главы V), проведение ситового
анализа (разд. 10 главы I и далее), средства контроля качества (разд. 6.3 главы VI),
абсорбция (разд. 3.2 главы X и далее), пример задачи ректификации (разд. 3.4.4 гла-
вы XI), влияние высоты входа в ректификационных колоннах на эффект разделения
(разд. 3.4.5 главы XI), жидкостно-жидкостная экстракция (разд. 1.3–2.4 главы XII).
Автор и издатель с нетерпением ждут содержательных предложений по улуч-
шению книги по адресу lektorat@europa-lehrmittel.de.
Зима 2014/2015 г. Экхард Игнатович
ВВЕДЕНИЕ
Химия и окружающая среда
Область применения химических веществ
Сегодня мы повсеместно используем продукцию химической промышленности (рис. В.1). Среди прочего можно назвать: – предметы гигиены (мыло, моющие средства);
– одежду из синтетических волокон;
– лекарственные препараты,
косметические средства;
– красители;
– удобрения, ядохимикаты, пестициды;
– смазочные материалы, масла, ускорители отверждения,
охлаждающие средства.
Развитие производства этих и многих других изделий обеспечивает в промышленности создание новых рабочих мест, в сельском хозяйстве – рост урожайности, а в
целом, несомненно, способствует общему повышению уровня жизни
человека.
Опасность для окружающей
среды
Но процессы производства или обработки столь полезной продукции
химической промышленности неизбежно связаны с образованием
разного рода остатков, отходов, сточных вод и отработавших газов.
Их неправильная утилизация может причинить серьезный ущерб окружающей среде, привести порой к полной гибели природы и даже стать источником смертельной опасности для людей и всего живого мира (рис. В.2).
Заражение почвы и отравление грунтовых вод нередко являются следствием небрежного хранения ядовитых отходов химического производства.
Попадание сточных вод, токсичных и вредных по своему составу, в реки и озера
ставит под угрозу состояние водных ресурсов, которые уже не могут использоваться
для питьевого водоснабжения.
В результате выброса в атмосферу опасных для здоровья человека либо просто
обладающих неприятным запахом газов или облаков пыли качество воздуха иногда
ухудшается настолько, что практически все население данного района начинает
чувствовать острое недомогание.
Ответственность работников химических предприятий за состояние
окружающей среды
Каждое предприятие химической промышленности в сотрудничестве с компе-
тентными государственными органами разрабатывает соответствующие меры
экологической защиты, призванные если не исключить в полной мере, то хотя
бы снизить до минимума вредное воздействие химического производства на
окружающую среду (см. гл. XV). Чтобы такие меры оправдали себя, все занятые в
этой сфере работники должны строго соблюдать определенные нормы и правила.
В частности, они обязаны:
• следить за безотказным функционированием химических установок в со-
ответствии с разработанным производственным планом;
• немедленно устранять возможные сбои и неполадки или оповещать об этом
ответственных лиц;
• не допускать несанкционированного спуска химикатов в канализацию и
обеспечивать их грамотную утилизацию;
• для сбора и хранения вредных веществ использовать специально отведен-
ные для этой цели места, надежные сборники и коллекторы;
• по возможности снижать объем неизбежных отходов, например, за счет
многократного использования материалов на основе вторичной переработки;
• во всех сложных ситуациях прибегать к помощи специалистов-экологов.
Безопасность на химическом производстве
Место, где расположено и функционирует предприятие химической промышленности,
таит в себе массу опасностей для персонала. Помимо обычных несчастных случаев,
связанных с механическими травмами, здесь нередки сложные ситуации особого рода,
характерные именно для химического производства и возникающие, в частности,
при обращении с ядовитыми, едкими, горючими и взрывоопасными химикатами.
Поэтому все работники, и особенно новички, должны в целях собственной
безопасности строго соблюдать действующие нормы и регламенты, прислушиваясь
к советам и рекомендациям непосредственных руководителей и более опытных со-
трудников. Это послужит для них залогом сохранения не только своего здоровья,
но и жизни окружающих людей.
Обязательными для работы на химическом предприятии являются специальные
правила техники безопасности, разработанные Союзом предпринимателей химиче-
ской промышленности с учетом многолетнего опыта работы в данной отрасли. Эти
правила должны находиться в открытом доступе, внимательно изучаться и использо-
ваться как в повседневной работе, так и в случае возникновения опасных ситуаций.
Места повышенной опасности обязательно отмечаются специальными таблич-
ками, указывающими на необходимость определенного поведения в данном месте.
Такие указания подлежат безусловному и безоговорочному исполнению.
Запрещающие знаки
Эти знаки запрещают те или иные действия, обозначенные на табличке
в виде наглядного рисунка общепринятой конфигурации (рис. В.3).
Они обычно имеют круглую форму, красную окантовку и перечеркиваются красной полосой. Запрещенное действие представлено в виде черной графики на белом фоне.
Важнейшей предохранительной нормой на химическом производстве считается, естественно, общий запрет на курение и на пользование
открытым огнем.
Помещения, специально предназначенные для курения, отмечаются
особым образом.
Применение открытого огня – например, при выполнении сварочных работ – допустимо только с разрешения компетентных лиц при соблюдении всех необходимых мер
защиты.
Другие таблички касаются запретов на перемещение людей в определенном месте, тушение возгораний водой, а также на использование воды из соответствующего крана в
качестве питьевой.
Все эти запреты подлежат обязательному исполнению.
Предупреждающие знаки
Эти знаки предупреждают о возможной опасности (возгорании, взрыве),
напоминают о присутствии ядовитых или едких веществ, радиоактивного
излучения, а также указывают на угрозу со стороны подвешенных
на канатах грузов, курсирующих транспортных средств, сообщают о
наличии высокого электрического напряжения и прочих опасных моментах (рис. В.4 и В.5).
Предупреждающие знаки имеют форму треугольника с соответствующей черной
графикой на желтом фоне.
Помимо этого, опасное место может быть ограждено лентой с косыми черно-
желтыми полосками или такими же балками.
В местах, отмеченных предупреждающими знаками, необходимо строго со-
блюдать действующие правила техники безопасности.
О начале работ в такой зоне следует обязательно уведомить непосредственного
начальника и выслушать его советы и рекомендации.
Запомните: надо сначала информировать, потом действовать!
Даже если работа носит срочный характер, при ее выполнении приоритетной
всегда остается полная безопасность!
Предписывающие знаки
Такие знаки предписывают использование индивидуальных средств защиты в от-
меченной зоне (рис. В.5): это синие круги с белым графическим изображением
соответствующего оснащения.
При работе на химических установках либо при нахождении вблизи этого обо-
рудования настоятельно рекомендуется носить защитную каску и защитную обувь.
При обращении с едкими химикатами либо при работе с установками, содер-
жащими такие химикаты, описанный выше комплект следует дополнить за-
щитными очками и перчатками. При выбросе ядовитых газов или пыли
потребуется защита органов дыхания, для чего используются респираторы.
Предписывающие знаки обязывают использовать индивидуальные средства защиты.
Пути спасения при аварии
Такими знаками отмечаются пути спасения, аварийные выходы, спаса-
тельные станции и пункты скорой помощи (рис. В.6). Они представлены в виде прямо-
угольников с белым графическим символом на зеленом фоне. Их основная задача – в ава-
рийной ситуации указать ближайший путь к спасению и получению первой помощи.
Имеющиеся убежища, аварийные выходы и спасательные пункты должны
быть хорошо известны каждому работнику предприятия.
Более подробно об охране труда и нормах техники безопасности см. гл. XIV.
Знаки пожарной безопасности
Знаки пожарной безопасности обозначают место, где находятся приборы или устройства для борьбы с пожаром (рис. В.7).
Они представляют собой квадратные плакаты и содержат на красном
фоне символы, например огнетушитель. Приборы и устройства для
борьбы с пожаром нельзя накрывать или загромождать.
Пути спасения и места спасения, так же как и противопожарное оборудование
на рабочем месте, должны быть известны каждому сотруднику.
Дальнейшие разъяснения по предотвращению несчастных случаев и безопас-
ности труда см. в гл. XIV.
Начальные сведения о химическом производстве
Заявленная здесь тема является весьма обширной, и ее можно условно разделить
на несколько отраслей знаний:
• технологические способы получения химических веществ. Данную отрасль
обозначают также термином «химическая технология» (англ. unit processes);
• процессы химической технологии. Эта отрасль занимается отдельными
технологическими операциями – «базовыми процессами» (англ. unit operations),
необходимыми для технической реализации собственно химического
производства. К таким базовым технологическим операциям относятся,
например, измельчение, нагрев или охлаждение, смешивание и разделение,
причем здесь, как правило, речь идет о процессах без химического превра-
щения веществ. Но последние, тем не менее, изменяют свое состояние –
гранулометрический состав, температуру, концентрацию. В случае базовых
технологических операций обычно имеются в виду собственно физические
процессы;
• аппаратная и машинная техника. Эта отрасль посвящена аппаратам и ма-
шинам, необходимым для осуществления химических реакций и базовых
технологических операций. Так, котел с мешалкой представляет собой ап-
парат, где может протекать химическая реакция или выполняться операция
смешивания. Электродвигатель, который, например, приводит в действие
мешалку этого котла, является приводным механизмом, дающим необхо-
димую для смешивания энергию;
• контрольно-измерительные приборы и автоматические регуляторы (КИПиА).
Данная отрасль занимается устройствами для измерения, контроля и регу-
лирования параметров рабочего состояния в химической установке. Именно
благодаря их использованию химические реакции и процессы превращения
веществ протекают надежно и в оптимальных условиях. К КИПиА относятся,
в частности, приборы для измерения давления (манометры), определения
величины рН или регуляторы температуры.
Химические процессы протекают в аппаратах, где для выполнения
поставленной задачи могут быть созданы требуемые условия, на-
пример заданы соответствующие значения температуры, давления и проч. Порой для решения тех или иных химико-технических задач
нужен целый ряд аппаратов, связанных между собой специальными
подающими устройствами (типа насосов) и трубопроводами. Машины
генерируют необходимую энергию, КИПиА осуществляют контроль,
измерение и регулирование параметров состояния.
Совокупность всех этих приборов и устройств носит общее название «произ-
водственная, или химическая, установка» (рис. В.8).
Представление протекания химического процесса
Попробуем продемонстрировать на общем примере все многообразие поставленных
задач и существующих проблем, имеющих место при проведении той или иной
реакции на химическом производстве.
Итак, два вещества A и B при четко установленных рабочих условиях (опреде-
ленные температура, давление) должны вступить в реакцию с получением веществ
C и D.
В химии этот процесс представляют в виде уравнения химической реакции.
Teмпература, давление A + B C + D
Kaтализаторы
Исходные вещества Условия реакции Продукты реакции
Уравнение химической реакции описывает процесс химического превращения
веществ. В левой части оно содержит исходные вещества, в правой – продукты
реакции. Над и под стрелкой, показывающей направление протекания реакции,
приведены необходимые для проведения данной реакции условия и катализаторы.
Пример уравнения химической реакции: получение синтез-газа СО/Н2 из
метана и воды:
900 °C, 35 бар
Никель
CH4 + H2O CO + 3 H2
Подготовка исходных веществ к химической реакции и обработка продуктов
реакции в целях их дальнейшего использования при этом не находят никакого
отражения.
Часто химическая реакция протекает через промежуточные стадии. Образую-
щиеся при этом вещества называют промежуточными продуктами. Они являются
исходными продуктами для следующей ступени. Образующиеся вещества, которые
не нужны для производственного процесса, называют побочными продуктами или
отходами. В то время как побочные продукты могут быть использованы в другом
технологическом процессе, отходы должны перерабатываться или утилизироваться.
Процессы химической технологии могут быть представлены в виде техноло-
гической блок-схемы, куда заносятся не только сами используемые вещества, но
и пути их прохождения с указанием базовых операций (рис. В.9).
«Сердцем» химической установки является реактор. Именно там происходит
превращение исходных веществ в продукт реакции. Любой реакции должна пред-
шествовать определенная подготовка исходных веществ, например их измельчение
или нагревание. После химической реакции представленные иногда в виде смеси
вещества подлежат разделению, затем сырые продукты обрабатываются еще раз –
в целях приобретения качеств, необходимых для их дальнейшего применения либо
сбыта.
Схема технологического потока (также называется изображением технологического потока) представляет химический процесс производства продукта в схематической форме с использованием графических символов аппаратов и линий для потоков ве-
ществ (рис. В.10). Пример, приведенный на рис. В.10, показывает реакцию
осаждения в химическом реакторе с последующим фильтрованием суспензии и получением чистой жидкости и твердого остатка. Последние складируются в цистерну или бочку.
Символы для аппаратов нормированы, так же как и проведение линий для потоков
веществ (см. разд. 11 главы I). Характеристические условия производства
и данные по важнейшим потокам веществ дополняют схему технологического производства. Свободно составленные технологические схемы, например используемые на экранах дисплеев и мониторов в системах наблюдения за процессом, дают еще более реалистичное изображение химической установки (рис. В.11).
Типы процессов в химической промышленности
В процессах, связанных с превращением веществ, различают химические и био-
химические процессы. В то время как в химических процессах превращение ве-
ществ происходит вследствие только химических реакций, превращение веществ
в биохимических процессах осуществляется с помощью микроорганизмов, таких
как бактерии и грибы.
Технические методы основных операций подразделяют на механические ме-
тоды, как, например, измельчение, просеивание и смешение, и на термические
методы, как, например, нагревание, охлаждение, высушивание и перегонка.
В одной химической установке скомбинированы химические процессы пре-
вращения с техническими методами основных операций. Так что, например, хими-
ческое превращение в реакционном сосуде (реакторе) протекает с одновременным
перемешиванием (механическая основная операция) и нагреванием (термическая
основная операция) (рис. В.11).
При периодическом, или прерывистом, способе работы (англ. batch process), осуществляемой по мере загрузки, отдельные технологические
операции выполняются последовательно друг за другом. Установка состоит из реакционного сосуда, например мешального котла, подводящих и отводящих трубопроводов (рис. В.11). Сначала в реактор накачивается исходное вещество A с последующим нагреванием. В результате постепенного добавления исходного вещества B протекает химическая реакция, после завершения которой происходит выпуск
продукта реакции. Затем начинается новый цикл загрузки.
Такому периодическому принципу действия отдается предпочтение в случае
часто меняющихся продуктов и небольшого расхода веществ. На такой же установке
могут быть реализованы медленно протекающие реакции или отличные методы получения.
Непрерывная работа
В непрерывно работающей химической установке через аппараты и реакторы от
начала и до конца установки протекает постоянный (продолжительный) массовый
поток (рис. В.12).
В каждом отдельном аппарате протекают локальные следующие друг за другом
этапы процесса. В каждом аппарате в течение всего процесса сохраняются посто-
янными его параметры, как, например, температура, давление и состав продуктов.
Режимы работы химической установки
Химическая установка может функционировать в разных режимах.
Непрерывные химические установки используются при производстве большого
количества продукции по твердо установленному технологическому процессу.
Разработка химического технологического процесса
Прежде чем тот или иной продукт будет изготовлен в химической установке, проводится множество исследований и подготовительных работ.
Первым шагом на этом пути является доскональное изучение в химической лаборатории
соответствующего химического процесса (рис. В.13), как он описывается в уравнении хи-
мической реакции. На основе большого числа лабораторных опытов определяются за-
тем наиболее благоприятные условия протекания данной химической реакции. Далее в
лаборатории скрупулезно исследуются способы подготовки необходимых для данной реакции исходных веществ, а также операции по разделению и дополнительной обработке продуктов реакции. В химических лабораториях работают, как правило, с массами менее или чуть больше 1 кг.
Результаты лабораторных исследований служат основой для создания полупромышленной экспериментальной установки, в которой подготавливается перенос соответствующего
химического процесса в промышленные условия (рис. В.14).
Полупромышленная установка, обладая меньшими размерами, имеет, в принципе, ту же конструкцию и такую же компоновку аппаратуры, что и будущая производственная установка.
Она рассчитана таким образом, что все отдельно выполняемые технологические операции
можно контролировать, при необходимости изменять и совершенствовать. Поэтому большая часть аппаратного оборудования выполнена из стекла, что позволяет наблюдать за происходящими внутри процессами.
Подлежащие превращению вещества имеют вес обычно менее 100 кг.
Полученные благодаря работе с полупромышленной установкой сведения об
условиях протекания химических реакций и выходе продукта, а также о поведении
веществ и способах управления установкой используются для расчета и строитель-
ства полноразмерной промышленной химической производственной установки
(рис. В.15). Она конструируется с расчетом на максимально большой объем продукта
реакции с минимальными затратами на этот процесс. При этом должны учитывать-
ся, естественно, и вопросы защиты окружающей среды, ибо даже незначительные
выбросы вредных веществ при больших объемах превращения способны привести
к экологической катастрофе. Этот перенос параметров с пилотной установки на
промышленную в английском языке обозначается как scale up.
ГЛАВА I
ХИМИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
Для неспециалиста химическая установка выглядит на первый взгляд как нечто невообразимое – весьма сложное сооружение, состоящее из множества отдельных элементов (см. рис. В.15).
И только при ближайшем рассмотрении удается понять, что это множество отдельных
деталей может быть сведено к достаточно ограниченному числу основных узлов (рис. I.1).
Трубопроводы
Трубы соединяют между собой отдельные аппараты химической установки. По ним вещества передаются от одного аппарата к другому.
В большинстве случаев несколько участков труб посредством соединений монтируются в
единую трубопроводную систему.
Арматура
Арматура встроена в трубопроводы и регулирует объем протекающих по ним веществ.
Кроме того, она выполняет функции открытия и закрытия трубо проводов, а также защищает установки от перегрузок.
Реакционные аппараты
В реакторах протекают химические реакции. Реакционные аппараты выполнены таким об-
разом, что в них всегда можно поддерживать необходимые для протекания реакции условия (давление, температуру и проч.).
Технологические аппараты
Технологические аппараты служат для подготовки, нагревания или охлаждения, а также
смешивания отдельных веществ и разделения смесей. Они размещены обычно на участках
перед реактором либо после него.
Транспортное оборудование и подающие
устройства
Подающие устройства служат для транспортировки веществ к тому месту в производственной установке, где их надлежит использовать. К таким устройствам относятся, например,
ленточные транспортеры, пневматические подающие системы, а также насосы и
компрессоры.
Оборудование для хранения материалов
Необходимые для химического производства вещества должны храниться, временно
складироваться и содержаться про запас в специально предназначенных для этой
цели емкостях. Необходимый объем запасов гарантирует бесперебойное поступле-
ние требуемых исходных веществ и, следовательно, отсутствие простоев в работе.
Контрольно-измерительные и регулировочные устройства
КИПиА предназначены для контроля рабочего состояния (например давления и
температуры) в химических установках и оптимизации условий протекания про-
цесса. Системы управления процессом в химических установках действуют авто-
матически по заранее заданным программам.
1. ТРУБОПРОВОДЫ
Трубопроводы представляют собой соединения труб между элементами
установки для транспортировки необходимых химических веществ и других
материалов. В химических установках перемещение веществ осуществляется
преимущественно в закрытых трубопроводах. Поскольку речь идет об
изолированных или замкнутых в себе деталях установки, можно говорить
также о трубопроводных системах, или сетях трубопроводов (рис. I.2).
Трубопроводы состоят из трех составных
частей:
– прямые и изогнутые отрезки трубы;
– фасонные отрезки трубы;
– соединительные элементы, которые соединяют отрезки трубы между собой.
Эти конструктивные элементы изготавливаются заранее и монтируются в еди-
ную разветвленную трубопроводную систему.
Дополнительно трубопроводы могут быть оснащены необходимой изоляцией
и сопровождающим обогревом.
В соответствии с производственными требованиями выбираются размеры труб
и наиболее подходящий материал для них. В целях стандартизации размеры труб
были унифицированы и классифицированы с учетом допустимого давления.
1.1. Условный проход DN
Номинальный внутренний диаметр DN (англ. nominal diameter) является пара-
метром, который в системах трубопроводов используется как отличительный
параметр подходящих друг к другу частей, например труб, фасонных изделий
и арматуры. Он приблизительно соответствует внутреннему диаметру трубных
частей в миллиметрах.
Номинальный внутренний диаметр DN – безразмерная величина. Пример: номинальный
внутренний диаметр – DN 125.
Номинальный внутренний диаметр нельзя использовать в качестве размера в технических
чертежах (рис. I.3).
Номинальные внутренние диаметры так сгруппированы, что переход от одного значения
номинального внутреннего диаметра к другому увеличивает производительность трубопровода примерно на 60–100%.
Предпочтительные значения DN по DIN EN
ISO 6708: 10, 15, 20, 25, 32, 40, 50, 65, 80, 100, 125,
150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800,
2000, 2200, 2400, 2600, 2800, 3000, 3200, 3400, 3600, 3800, 4000.
Для всех прочих деталей трубопровода, как то: фасонных частей, соединений
труб, арматуры – действительны те же градации условных проходов. Их стандарт-
ные размеры установлены с таким расчетом, чтобы припасовка этих деталей друг
к другу не вызывала затруднений.
Условный проход определяется конструктором установки с учетом скорости
течения и объема вещества, пропускаемого по трубопроводу.
С этой целью для трубопровода вычисляется требуемый диаметр в свету d i (в мм)
по следующей формуле:
см. в книге
где – объемный расход; v – скорость течения.
В качестве условного прохода выбирают тот, что ближе всего стоит к вычис-
ленному диаметру в свету.
Пример. Вычисленный диаметр в свету d i = 37,5 мм. Выбранный условный
проход – DN 40.
Упражнение. По трубе с условным проходом DN 40 (внутренний диаметр
43,1 мм) ежечасно протекает 3,2 м3 воды. Какова скорость течения в трубе?
Основная формула:
см. в книге
Путем перестановки получаем:
Подставляем:
см. в книге
Результат v = 0,609 м/с.
Задача. Мешальный чан емкостью 1,2 м3 надо заполнить жидкостью в течение
5 мин. Скорость течения в подводящей трубе не должна превышать 1 м/с. Каким
условным проходом должна обладать подводящая труба?