ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
Разработал: старший преподаватель каф. ХТ
Салаев Максим Владимирович
Нижнекамск 2015
ВВЕДЕНИЕ
Учебный курс «Общая химическая технология» входит в цикл общепрофессиональных дисциплин и представляет собой введение в химическую технологию как науку.
История химической технологии неотделима от истории развития химической промышленности.
В России химическими производствами, получившими развитие в конце 16 – начале 17 веков, было изготовление красок, селитры, порохов, получение соды и серной кислоты.
Во второй половине 18 века началось выделение технологии в специальную отрасль знаний, закладывались основы химической технологии как науки и учебной дисциплины. Впервые в этом понимании термин «технология» был употреблен в 1772 году профессором Гёттингенского университета И.Бекманом, который издал первые комплексные труды.
В 1803 году в Российской Академии наук была учреждена кафедра химической технологии.
Крупный вклад в развитие химической технологии как самостоятельной научной дисциплины внес проффесор П.А.Ильенков, издавший в 1851 году «Курс химической технологии» – своего рода энциклопедию всех существующих к тому времени крупных химических производств.
Существенный вклад в развитие химической технологии, создание химической промышленности и химического машиностроения, подготовку кадров для этих отраслей внесли видные ученые и инженеры, такие, как И.А. Каблуков, Н.Д. Зелинский, И.А. Тищенко,Н.Ф. Юшкевич, А.Г. Касаткин, В.В. Кафаров, П.Г. Романков и другие.
Современная химическая технология, используя достижения естественных и технических наук, изучает и разрабатывает совокупность физических и химических процессов, машин и аппаратов, оптимальные пути осуществления этих процессов и управления ими при промышленном производстве различных веществ, продуктов, материалов и изделий.
Тема 1. Предмет и содержание курса ОХТ.
Химическая технология (ХТ) как наука. Основные понятия ХТ.
Химическая технология – один из разделов промышленной химии.
ХТ базируется, прежде всего, на химических науках, таких, как физическая химия, химическая термодинамика и химическая кинетика, но также ХТ немыслима без тесной связи с экономикой, физикой, математикой, прикладной механикой и другими техническими науками.
Технология делится на механическую и химическую. В механической технологии рассматривают процессы, в которых изменяется форма или внешний вид и физические свойства материала, а в химической – процессы коренного изменения состава, свойств и внутреннего строения вещества.
По отраслям химическую технологию разделяют на 2 группы:
1) неорганическая ХТ:
- основной неорганический синтез – производство кислот, щелочей, солей, минеральных продуктов;
- тонкий неорганический синтез – производство неорганических препаратов, реактивов, редких элементов, материалов электроники, лекарственных веществ и др.
- ядерно-химическая технология – производство продуктов и материалов ядерно-химического комплекса;
- металлургия – производство черных и цветных металлов;
- технология силикатов – производство вяжущих материалов, керамических изделий, стекла;
2) органическая ХТ:
- переработка нефти и газа – первичное разделение, очистка и облагораживание газообразных, жидких и твердых природных ископаемых УВ;
- нефтехимический синтез – производство органических продуктов и полупродуктов из подвергнутых первичной переработке нефтепродуктов и оксидов углерода и водорода;
- основной органический синтез – производство органических продуктов на основе, главным образом, УВ сырья;
- биотехнология – производство кормовых дрожжей, аминокислот, ферментов, антибиотиков и других продуктов на основе биологических и биохимических процессов;
- тонкий органический синтез – производство органических препаратов, реактивов, лекарственных средств, средств защиты растений и др;
- высокомолекулярная технология – получение ВМС (СК, пластмассы, химические волокна, пленкообразующие вещества);
- технология переработки растительного и животного сырья.
Основные направления ХТ:
- использование новейших научно-технических достижений (лазерно-химический, плазмохимических, радиационно-химических);
- оптимальное увеличение единичной мощности аппаратов и устройств путем ускорения технологического процесса или совершенствования конструкций аппаратов;
- создание энергосберегающих технологий;
- оптимизация теплообменных процессов;
- создание экологически чистых технологических процессов, безотходных технологий.
При массовом производстве химических продуктов исключительно важное значение приобретает повышение эффективности использования сырья и энергии, интенсификация процессов и разработка новых технологических схем, а также снижение содержания вредных примесей в сточных водах и отходящих газах путем совершенствования технологических процессов. Большое практическое значение имеет разработка энерготехнологических процессов, при которых тепло химических реакций используется для получения энергии, потребляемой в самом процессе, либо выдаваемой на сторону в виде электроэнергии или энергетического пара.
Развитие ХТ как науки «неотделимо» от ее практических приложений. Развитие науки и промышленности привело к значительному росту числа химических производств. Например, сейчас только на основе нефти производят около 80 тысяч разных химических продуктов. ХТ осуществляет масштабный переход от лабораторных исследований к промышленным процессам и определяет оптимальные схемы, компоновку и размеры химической аппаратуры. Рост химического производства, с одной стороны, и развитие химических и технических наук, с другой, позволили разработать теоретические основы химико-технологических процессов.
Химическая промышленность – одна из ведущих отраслей материального производства, ей принадлежит определяющая роль в ускорении НТП, т.е. повышение производительности труда с одновременным улучшением качества продукции и снижением себестоимости.
Химическая промышленность является базовым сегментом российской экономики и поставщиком сырья, полуфабрикатов, продуктов, различных материалов и изделий практически во все отрасли промышленности и сельского хозяйства.
За последние десятилетия химическая промышленность уверенно вошла в число ведущих отраслей материального производства. Новые открытия и разработки быстро становятся достоянием практики, тесно связывают науку с производством, и эта двусторонняя связь позволяет более рационально использовать сырье и топливно-энергетические ресурсы, создавать новые безотходные производства, в которых химико-технологические процессы протекают с высокими скоростями в оптимальных условиях получением продуктов высокого качества.
Число веществ, используемых человеком в своей практической деятельности, очень велико и беспрерывно возрастает, поскольку ежедневно открываются и синтезируются все новые вещества. В настоящее время насчитывается более 3 млн. веществ; около 300 тыс. неорганических и более 2,5 млн. органических, каждое из которых отличается от другого своими свойствами. Многие из этих веществ получаются в результате химической переработки, поэтому число технологических процессов весьма велико.
Доля химического комплекса в промышленном производстве России составляет 5,5 %, в валютных поступлениях от экспорта 4,8 %.
По объему продукции в химическом и нефтехимическом производстве Россия находится на 20-ом месте в мире, а по выпуску ее на душу населения на 11 -м.
Материальной основой всех химико-технологических процессов являются машины и аппараты химических производств.
Номенклатура оборудования, используемого в химико-технологических процессах, насчитывает свыше 12 тыс. наименований и типоразмеров. Это аппараты и установки для разделения жидких неоднородных смесей (фильтры, центрифуги, центробежные сепараторы, отстойники и др.), тепло- и массообменные аппараты (теплообменники испарители, колонны, сушилки, экстракторы, кристаллизаторы и т.п.), устройства для измельчения, классификации и дозирования материалов, смесители, оборудование для переработки полимеров, аппараты для разделения воздуха, холодильные установки, газоочистное и пылеулавливающее оборудование, компрессоры, насосы, арматура.
Достаточно отметить, что одна лишь установка для производства этилена и пропилена содержит до 40 различных колонн, 250 теплообменников, 50 емкостных аппаратов, печи пиролиза, компрессорные установки, большое количество насосов, арматуры, различных коммуникаций, контрольно-измерительных приборов и средств автоматики, связанных в единую технологическую линию.
В последние годы предприятиями отрасли химического и нефтяного машиностроения создано большое количество высокопроизводительного оборудования и комплектных технологических линий и установок, осуществляется укрупнение единичных мощностей машин и аппаратов, в их числе – крупнотоннажные линии для химической, микробиологической, нефтехимической отраслей промышленности, топливно-энергетического, металлургического и агропромышленного комплексов.
ХТ (греч. technos – «искусство, ремесло», logos – «учение, наука») – наука о наиболее экономичных и экологически обоснованных методах химической переработки сырых природных материалов в предметы потребления и средства производства.
ХТ как наука имеет:
- предмет изучения – химическое производство (способы и процессы переработки исходных веществ в полезные продукты);
- цель изучения – создание целесообразных способов производства необходимых человеку продуктов;
- методы исследования – эксперименальный, моделирование и системный анализ.
Одна из главных задач ХТ (как прикладной науки) – установление наивыгоднейшего хода операций и проектирование соответствующих этому приборов и вспомогательных устройств.
Основные задачи ХТ:
1) изучение состава и структуры процессов;
2) исследование закономерностей химических превращений в условиях промышленного производства;
3) разработка оптимальной организации технологических процессов;
4) создание малотоннажных и безопасных производств.
В ХТ компоненты реагирующей системы получают технологическое наименование.
Сырье – исходный материал, поступающий на массовую переработку и имеющий определенную стоимость.
Образующиеся в ходе реакции вещества называют продуктами.
Продукт, ради которого организовано производство, называется целевым, и, соответственно, реакция, в которой он образуется, называется целевой. Все остальные продукты – побочные.
Реагент – это полезный компонент сырья, который превращается в целевой продукт.
Полупродукт (полуфабрикат) – продукт, прошедший частичную промышленную обработку. Полуфабрикат образуется в многостадийных химических синтезах, когда производство целевого продукта осуществляется на основе нескольких реакций (стадий).
Вспомогательные материалы – вещества, которые, как правило, не принимают непосредственного участия в реакции образования продукта (за исключением катализаторов, инициаторов и ингибиторов), но используются либо при разделении реакционных смесей, либо для очистки сырья или продукта от примесей.
Условия проведения процессов в ХТ называют технологическим режимом. К параметрам технологического режима относят температуру, давление, состав сырья (концентрация полезного компонента), концентрацию катализатора, скорость подачи сырья или величину его загрузки, время контакта и др.
Основные тенденции развития химической промышленности
Основные тенденции развития современной химической промышленности связаны, прежде всего, с решением глобальных проблем человечества:
1) продовольственные ресурсы Земли;
2) ресурсы минерального сырья для промышленности;
3) энергетические ресурсы;
4) предотвращение загрязнения биосферы.
Все эти проблемы взаимосвязаны и должны решаться комплексно.
Одной из ведущих тенденций ХТ, в том числе химии УВ и химической переработки углей и сланцев, является создание крупномасштабных производств новых видов химических продуктов и сырья многоцелевого назначения. Такими продуктами являются молекулярный водород, аммиак, гидразин, метанол, которые выполняют роль как химических компонентов, так и вторичных энергоносителей. Особое значение среди этих веществ имеет водород, наиболее чистым и практически неисчерпаемым источником которого является вода.
Во всех развитых странах мира ведется работа по изысканию экономичных способов крупномасштабного производства водорода и созданию водородной технологии. Серьезные перспективы имеет радиационно-химический способ получения водорода из воды, особенно в сочетании с высокотемпературным термолизом. Он ориентирован на комплексное использование излучения и теплоты ядерных реакторов. С задачами водородной энергетики тесно связаны и проблемы эффективного использования солнечной энергии.
Существенно возрастает роль химической энергетики. Ее целями является разработка высокоэффективных способов аккумулирования энергии в энергоемких веществах: водороде и метане, которые легко траспортируются и способны хранить запасенную энергию сколь угодно долго.
Переход на потребление водорода объединит энергетику и химическую технологию, бытовое газоснабжение и металлургию. Энергоснабжение автомобильного и авиационного транспорта и производство синтетических УВ в единую технологическую систему. Ресурсы водорода неограниченны и возобновляемы. При использовании водородной технологии полностью снимаются экологические. Энергетические и сырьевые проблемы.
Атомная энергетика – один из основных мировых источников энергии. Мощность АЭС в России (около 21 млн кВт), которая намного уступает мощности АЭС в США (более 90 млн. кВт), во Франции (45 млн. кВт), в Японии (27 млн. кВт).
Атомная энергетика считается относительно экологически чистой. Так при сжигании органических топлив на ТЭС происходит выброс оксидов азота, серы, углерода, токсичных УВ, золы и пыли, расходуется большое количество кислорода.
Уровень избыточной радиоактивности, создаваемой АЭС меньше, чем вокруг угольных ТЭС. Т.о., с использованием атомной энергетики происходит одновременное решение сразу двух глобальных проблем, т.к. позволяет высвободить значительные количества органического топлива для последующей его комплексной переработки.
В условиях ограничения ресурсов нефти огромное значение приобретает уголь в качестве нового вида сырья для химических и нефтехимических продуктов. В настоящее время проводится работа по созданию и освоению экономичных процессов и способов комплексной переработки углей и других ненефтяных видов горючих ископаемых в облагороженные твердые, жидкие и газообразные виды топлива и химического сырья, по использованию продуктов переработки в энергетике, металлургии, химии и нефтехимии, транспортировке топлива и передаче электрической энергии с целью увеличения ресурсов топлива, химического сырья и энергии.
Одной из важных проблем является широкое использование возобновляемых источников сырья и энергии, особенно биомассы. Около 90 % биомассы биосферы составляет биомасса наземных растений. Остальная часть приходится на водную растительность и гетеротрофные организмы. Общие запасы биомассы на Земле оцениваются в 1836 млрд. т с энергосодержанием 27 500 млрд. ГДж, что эквивалентно 640 млрд. т нефти. Первичным источником биомассы являются деревья, сельскохозяйственные культуры и водные растения. Биомасса по своему составу может быть углеродосодержащей (растительный материал, древесная щепа, опилки, морские водоросли, зерно, бумага, упаковочная тара) или сахаросодержащей (сахарная свекла, сахарный тростник, сорго). Биомасса является крупным возобновляемым источником энергии и может быть использована для получения водорода, газообразных, жидких, твердых углеводородов и химического сырья ежегодный прирост только лесов мира составляет около 50 млрд. т, а продукция всего годового фотосинтеза достигает 57 × 1015 т углерода в год, что в несколько раз превышает потребление энергии человечеством. В последние годы наметились основные пути химической и биохимической трансформации биомассы в топливо и продукты органического синтеза.
Возросшие масштабы деятельности человека становятся сопоставимыми с действием природных процессов, вызывая необратимые нарушения биосферы.
Рациональное использование биосферы и ее охрана от вредных техногенных процессов приобретает все возрастающее значение. Химической технологии принадлежит решающая роль в совершенствовании и разработке новых эффективных способов очистки промышленных выбросов от вредных примесей. Одна из важнейших задач современной технологии – разработка технологических процессов, исключающих вредные выбросы в атмосферу и водоемы. Главным направлением решения экологических проблем является комплексное использование сырья и ускоренное внедрение малоотходных технологических процессов и безотходных производств.
К важнейшим направлениям фундаментальных и прикладных исследований относятся:
♦ новые конструкционные и функциональные органические и неорганические материалы (полимерные, композиционные, керамические и металлические), эластомеры, искусственные и синтетические волокна, а также способы их защиты от коррозии и износа;
♦ химическая безопасность и охрана окружающей среды;
♦ тонкий органический, неорганический и элементоорганический синтез с целью создания новых веществ и материалов;
♦ новые высокоэффективные химико-технологические процессы, включая каталитические, мембранные, металлургические, электрохимические, а также процессы, связанные с применением высоких энергий и физических методов ускорения химических реакций;
♦ новые процессы углубленной и комплексной химической переработки минерального сырья, нефти, газа и твердых горючих ископаемых;
♦ химическая энергетика и создание новых химических источников тока и систем преобразования энергии;
♦ новые методы инструментального химического анализа, химический мониторинг и диагностика химических процессов, свойств материалов и изделий;
♦ химическая информатика.
Для успешного решения задач по ускоренному развитию отраслей химического комплекса, коренному повышению технологического уровня и эксплуатационной надежности химического оборудования требуется опережающее развитие химического машиностроения и, естественно, повышение уровня химико-технологической подготовки инженеров-механиков.
Основной чертой новой технологической идеологии является научный системный подход, рассматривающий в единстве физико-химический, физико-математический, инженерно-технический, экономический, экологический и социальный аспекты организации производства. Такое понимание должно быть нацелено на создание малостадийных (в идеале – одностадийных), надежных, безопасных, малоэнергоемких, высокопроизводительных и экономичных, непрерывных и безотходных, гибких (легко перестраиваемых) по сырью и целевым продуктам производств. Создание таких производств неразрывно связано с изменением подходов к аппаратурному оформлению технологических схем, разработке новейших принципов разделения сред, интенсификации тепло- и массообмена, а также широкому внедрению методов математического моделирования и оптимизации как реакторной части технологической схемы, так и всей схемы в целом.
Одним из условий успешного решения этих задач является постоянное совершенствование химической технологии, начиная с развития ее теоретических основ и заканчивая разработкой эффективных технологических схем и созданием современного химического машиностроения.
Роль курса "Общая химическая технология" в подготовке инженера химика-технолога.