Презентация "Общая химическая технология" – проект, доклад

Общая химическая технология

Электронно-лекционный курс Вадим К. Хлесткин, к.х.н.

Разработан в рамках Программы развития НИУ - НГУ

15.02.2012 НГУ, 3 курс ФЕН 2 из 47

Chemical Reaction Engineering Third Edition, 1999 Octave Levenspiel Department of Chemical Engineering Oregon State University

Рекомендуемая литература

План курса ОХТ 02.10.2019

Введение. Что такое «химическая технология». Различия основного и тонкого синтеза. Компоненты химического производства. Сырье. Критерии оценки химической технологии. Элементы теории. Реакторы. Перемешивание, виды, практическая реализация. Неоднородные системы, классификация, методы разделения. Вязкость. Течение жидкостей. Основной синтез. Производство серы и серной кислоты. Параметры мирового и российского производства и потребления. Сырье. Технологии. Основные параметры процессов. Перспективы. Производство аммиака, азотной кислоты, азотных удобрений. Сырье. Технологии. Основные параметры процессов. Перспективы. Нефтепереработка. Продукты, основные процессы. Параметры мирового и российского производства и потребления. Сырье. Технологии. Основные параметры процессов. Перспективы.

План курса лекций ОХТ (продолжение)

Тонкий синтез и альтернативные технологии (в том числе на примере разработок институтов СО РАН). Новые среды (ионные и сверхкритические жидкости). Новые физические реакционные условия (микрореакторы, микроволновой нагрев, электромагнитный нагрев, механохимия). Новые подходы и работа с сырьем (растительное сырье, биопластики). Композитные материалы. Литий-ионные источники тока. Стандартизация. Защита интеллектуальной собственности.

Химическая технология — естественная прикладная наука о способах и процессах производства продуктов (предметов потребления и средств производства), осуществляемых с участием химических превращений, технически, экономически и социально целесообразным путем.

Химическая технология может быть такой

…и такой.

Химическая технология - не обязательно большие реакторы и значительные количества!

Где сейчас растущий рынок работы для химических инженеров?

Биотехнология входит в стадию реальной коммерческой активности Разработки биомедицинских устройств Выходят на рынок MEMS устройства Нанотехнологии в стадии поиска выхода на рынок «Продвинутые» материалы: полифункциональные материалы, проводящие полимеры, биоматериалы (например, инженерия органов) в процессе развития “Традиционная” нефтяная и химическая промышленность являются сложившимися отраслями, активность разработчиков смещается в сторону растущих отраслей.

Распределение выпускников – хим. инженеров в США

Northeastern University Boston, MА, 2001

Современная технология тонкого синтеза – совокупность знаний и навыков

Технология тонкого синтеза

Глубокие знания в химии и математике

Логистика Дизайн продукта

Способность руководить междисциплинарной командой

Гибкость, способность адаптироваться

Экономика, рынок, экон анализ

Материало-ведение

x

Не затрагивается в данном курсе

Различия основного и тонкого синтеза

Простор для приложения новейших достижений фундаментальной и инженерной науки, инноваций

Примеры альтернативных технологий

Новая технология производства ибупрофена Шестистадийный некаталитический синтез заменен трехстадийным каталитическим. На 20-40% сокращено потребление энергии. Почти исключены отходы. Сейчас используется на заводе BASF в Техасе.

Компоненты хим производства

Переменные Сырье Вспомогательные материалы Продукты (основной и дополнительный) Отходы Энергия

Постоянные Аппаратура Устройства контроля и управления Строительные конструкции Обслуживающий персонал

Сырье

Категории запасов сырья: А – разведанные, опробованные, готовое к переработке В – разведанные, протестированные только в лаборатории С – на основе данных георазведки, частично протестированные

Отходы Россия и СНГ

Всего четыре основных группы

Новосибирск: 2.5 млн м3 бытовых отходов в год

Традиционные критерии оценки технологии

Новые критерии оценки технологии

12 принципов «зеленой» технологии (Anastas, Warner, 1998): Предотвращение лучше не допустить отходы, чем уничтожать или очищать от них. Пример: использование технологий без растворителей. Экономия атомов Синтетические методы должны быть подобраны так, чтобы обеспечить максимальное использование всего исходного материала при превращении в конечный продукт. Пример: восстановление карбоновых кислот в альдегиды на твердом катализаторе. Безопасный синтез Должны использоваться либо получаться вещества с как можно меньшей токсичностью для человека и окружающей среды. Пример: синтез адипиновой кислоты окислением циклогексена перекисью водорода. Безопасные продукты Продукты синтеза должны нести нужные свойства, при этом обладать минимальной токсичностью. Пример: новые, менее токсичные гербициды.

Безопасные растворители и вспомогательные вещества Пример: сверхкритические жидкости Энергетическая эффективность Воздействие энергетики процесса на окружающую среду должно быть оценено и минимизировано. Идеальный процесс – при комнатной температуре и атмосферном давлении. Пример: ферментативный синтез Использование возобновляемых источников сырья Пример: ПАВ из природных соединений (масел, аминокислот, сахаров) Минимизировать использование производных Постараться обойтись без блокирующих групп, стадий защиты\снятия, временные изменения процессов.

Катализ Каталитические процессы (как можно более селективные) для стехиометрических процессов. Разработка разлагающегося продукта Химические продукты разрабатываются так, чтобы после выполнения своей функции разлагались на безвредные вещества и не накапливались в окружающей среде. Пример: биоразлагаемые полимеры Анализ в реальном времени Наблюдение и контроль должны проводиться в процессе производства, до возникновения опасных ситуаций\веществ. Пример: внедрение потоковых анализаторов сточных вод Безопасный дизайн процесса для предотвращения аварий Вещества или формы веществ в химическом процессе подбираются так, чтобы минимизирвать вероятность инцидентов, утечек, взрывов и возгораний. Пример: диметилкарбонат в качестве метилирующего агента более безопасен, чем диметилсульфат или галогениды.

Пример

Гомогенная AlCl3 > 1 экв Растворитель Нужна стадия гидролиза продукта Разделение фаз Перегонка продукта Регенерация растворителя Выход 85-95% 4.5 кг воды на кг продукта

Гетерогенная Цеолит – регенерируемый катализатор Без растворителя Не нужна вода ---- Перегонка продукта ---- Выход >95% и выше чистота 0.035 кг воды на кг продукта

Количественные критерии оценки

Е-фактор Е-фактор = Всего отходов (кг) Продукт (кг)

Применяется как к процессу производства, так и к отмывке Может разделяться на органические отходы и водные Меньше значение, меньше отходов

Экономичность по атомам (atom economy)

% Экономичность по атомам = 100 x

Мол вес продукта С

Мол вес А + мол вес В

А + В С + побочные продукты

Показывает, какое количество вещества из исходных остается в продукте Не учитывает растворители, выход, избыток реагентов Чем ближе к 100%, тем лучше

Эффективность по атомам (atom efficiency)

% Эффективность по атомам = Выход реакции (0 – 1) х % Экономичность по атомам

Может использоваться вместо выхода и экономичности по атомам Пример: экономичность по атомам может быть 100% и выход 5%, что делает процесс не очень «зеленым»

Эффективность по углероду (carbon efficiency)

% Эффективность по углероду = 100 х

Масса углерода в продукте

Масса углерода в реагентах

ЭУ = 100 х

Число молей С х число атомов углерода в С

(Число молей A х число атомов углерода в A) +

+ (Число молей В х число атомов углерода в В)

A + B C

Принимает во внимание выход и стехиометрию Напрямую связан с подсчетом парниковых газов

Эффективность всей реакционной массы (Reaction mass efficiency, RME)

RME = 100 x Масса С (кг)

Масса А (кг) + Масса В (кг)

= выход х Мол. вес С

Мол. Вес А + (мол вес В х мольное отношение В/А)

Учитывает экономичность по атомам, выход, стехиометрию реагентов

Пример 1

Пример из Journal of Green Chemistry 2002, 4, 521-7

Выход 90%

Пример 1 - продолжение

Constable at al. & Curzons at. al

Пример 2

Экономичность по атомам = 360/860 = 42%

Экономичность по атомам = 120/138 = 87%

Пример 3

Оптимизация химического процесса