Химические процессы лежат в основе химической технологии, которая представляет собой науку о наиболее экономичных методах и средствах массовой химической переработки природного и сельскохозяйственного сырья в продукты потребления и продукты, применяемые в других отраслях материального производства.
Все, что связано с расходованием материальных ресурсов в народном хозяйстве, на три четверти зависит от использования химических знаний и применения химической технологии, «химических навыков». Более того, современная химическая технология, используя достижения других естественных наук ‑ прикладной механики, материаловедения и кибернетики, изучает и разрабатывает совокупность физических и химических процессов, машин и аппаратов, оптимальные пути осуществления данных процессов и управления ими во многих отраслях промышленного производства различных веществ, продуктов, материалов и изделий. Химическая технология является научной основой нефтехимической, коксохимической, целлюлозно-бумажной, пищевой, микробиологической промышленности, промышленности строительных материалов, черной и цветной металлургии и других отраслей.
В последние десятилетия химико-технологические процессы используются практически во всех отраслях промышленного производства.
Химико-технологический процесс (XTП) можно разделить на три взаимосвязанные стадии:
• подвод реагирующих веществ в зону реакции;
• собственно химические реакции;
• отвод полученных продуктов из зоны реакции.
Подвод реагирующих веществ может осуществляться абсорбцией, адсорбцией или десорбцией газов, конденсацией паров, плавлением твердых компонентов или растворением их в жидкости, испарением жидкостей или возгонкой твердых веществ.
Химические реакции как второй этап ХТП обычно протекают в несколько последовательных или параллельных стадий, приводящих к получению основного продукта, а также ряда побочных продуктов (отходов), образующихся при взаимодействии примесей с основными исходными веществами. При анализе же производственных процессов часто учитывают не все реакции, а лишь те из них, которые имеют определяющее влияние на качество и количество получаемых целевых продуктов.
Отвод полученных продуктов из зоны реакции может совершаться аналогично подводу, в том числе посредством диффузии, конвекции и перехода вещества из одной фазы (газовой, твердой, жидкой) в другую. При этом общая скорость технологического процесса определяется скоростью одного из трех составляющих элементарных процессов, протекающего медленнее других.
Различают следующие разновидности химико-технологических процессов:
• гомогенные и гетерогенные (могут быть экзотермическими и эндотермическими, обратимыми и необратимыми);
• электрохимические;
• каталитические.
Гомогенными процессами называют такие, в которых все реагирующие вещества находятся в одной какой-нибудь фазе: газовой (г), твердой (т), жидкой (ж). В этих процессах реакция обычно протекает быстрее, чем в гетерогенных. В целом механизм всего технологического процесса в гомогенных системах проще, как и управление процессом. По этой причине на практике часто стремятся к проведению именно гомогенных процессов, т.е. переводят реагирующие компоненты в какую-либо одну фазу.
В гетерогенных процессах участвуют вещества, находящиеся в разных состояниях (фазах), т.е. в двух или трех фазах. Примерами двухфазовых систем могут быть: г ‑ (несмешивающиеся); г ‑ т; ж ‑ т; т ‑ т (разновидные). В производственной практике чаще всего встречаются системы г ‑ ж, г ‑ т, ж ‑ т. Нередко процессы протекают в сложных гетерогенных системах (г ‑ ж ‑ т, г ‑ т ‑ т, ж ‑ т ‑ т).
К гетерогенным процессам относятся горение (окисление) твердых веществ и жидкостей, растворение металлов в кислотах и щелочах и др.
Все химические процессы протекают либо с выделением, либо с поглощением теплоты: первые называются экзотермическими, вторые ‑ эндотермическими. Количество выделяемой или поглощаемой при этом теплоты называют тепловым эффектом процесса (теплоты процесса).
Теоретически все химические реакции, осуществляемые в ХТП, обратимы. В зависимости от условий они могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях. Во многих случаях равновесие в реакциях полностью смещается в сторону продуктов реакции, а обратная реакция, как правило, не протекает. По этой причине технологические процессы делятся на обратимые и необратимые. Последние протекают лишь в одном направлении.
Электрохимические процессы относятся к такой науке, как электрохимия, которая рассматривает и изучает процессы превращения химической энергии в электрическую и наоборот. Поскольку электрический ток ‑ это перемещение электрических зарядов, в частности электронов, то основное внимание электрохимия сосредотачивает на реакциях, в которых электроны переходят от одного вещества к другому. Такие реакции в химии называются окислительно-восстановительными.
Примерами осуществления перехода химической энергии в электрическую могут служить гальванические элементы, предназначенные для однократного электрического разряда: непрерывного или прерывистого. После разряда они теряют работоспособность. Разновидностью гальванических элементов являются аккумуляторные батареи, например, свинцовый аккумулятор. В отличие от гальванических элементов, работоспособность аккумулятора после разряда можно восстановить путем пропускания через него постоянного тока от внешнего источника.
Процессы перехода электрической энергии в химическую называются электролизом. Согласно ионной теории электролиза, прохождение постоянного электрического тока через электролит осуществляется с помощью ионов. На электродах, подводящих электроток, происходит перенос электронов к ионам либо от них. При этом в электрическом поле положительно заряженные ионы (катионы) движутся к катоду, отрицательно заряженные (анионы) ‑ к аноду. На катоде происходит восстановление, на аноде ‑ окисление ионов или молекул, входящих в состав электрона.
Электролиз нашел широкое применение в следующих основных промышленных процессах: извлечение металлов (алюминия, цинка, частично меди); очистка (рафинирование) металлов (меди, цинка и др.); нанесение гальванических покрытий; анодирование (оксидирование) поверхностей.
Нанесение гальванических покрытий (электроосаждение) осуществляется на катоде. Катод в этом случае погружается в электролит, содержащий ионы электроосаждаемого металла. В качестве же анода используется электрод из того металла, которым наносят покрытие.
Метод электроосаждения включает гальваностегию ‑ нанесение покрытия толщиной 5‑50 мм и гальванопластику ‑ получение сравнительно толстых, но легко отделяющихся слоев.
Гальваностегию используют для защиты изделий от коррозии, повышения их износостойкости, придания им способности отражать свет, электропроводности, термостойкости, антифрикционности и других свойств, а также для декоративной отделки.
Гальванопластика позволяет получать копии, воспросизводящие мельчайшие подробности рисунка или рельефа поверхности.
Анодирование, или анодное оксидирование ‑ это образование на поверхности металла слоя его оксида при электролизе. Этому процессу обычно подвергают сплавы на основе легких металлов. Образующиеся слои оксидов могут быть тонкими, или барьерными (менее 1 мкм), и толстыми ‑ фазовыми, или эмалеподобными (десятки и сотни мкм). Структуры и химический состав оксидов зависят от природы металла, электролита и условий процесса. При этом на одном и том же металле можно получать фазовые оксиды с разной структурой, а следовательно, и с различными свойствами (твердостью, окраской, электрической проводимостью и т.д.). Тонкие слои используют в основном в радиоэлектронике. Фазовые слои защищают металл от коррозии, обеспечивают износостойкость изделий, образуют прозрачные или цветные декоративные покрытия.
Каталитические процессы, называемые катализом, осуществляются с целью изменения скорости химических реакций.
Различают положительный и отрицательный катализ, в зависимости от того, ускоряет катализатор реакцию или замедляет ее. Как правило, термин «катализ» определяется как ускорение реакции, в то время как вещества, ее замедляющие, называются ингибиторами.
Важными компонентами промышленных катализаторов являются промоторы ‑ вещества, добавление которых к катализатору в малых количествах (обычно долях процента) увеличивает его активность, селективность или устойчивость.
Вещества, действие которых на катализатор приводит к снижению его активности или полному прекращению каталитического действия, называются каталитическими ядами.
В качестве катализаторов в промышленности чаще всего применяют платину, железо, никель, кобальт и их оксиды, оксид ванадия (VdO2), алюмосиликаты, некоторые минеральные кислоты и соли; катализаторы используются как в окислительно-восстановительных, так и кислотно-основных реакциях.
Каталитические процессы, вызванные переносом электронов, относятся к окислительно-восстановительному катализу. Он применяется в производстве аммиака, азотной кислоты, серной кислоты и др.
К кислотно-основному катализу относятся каталитический крекинг, гидратация, дегидрация, многие реакции изомеризации, конденсации органических веществ.
В промышленности встречается и так называемый полифункциональный катализ, в котором имеет место совмещение рассмотренных выше двух важнейших видов катализа.
Биологические процессы в технологии. Биотехнология представляет собой совокупность промышленных методов, в которых для производства различных продуктов используются живые организмы и биологические процессы. Подобные процессы были известны еще с древних времен: хлебопечение, приготовление вина, пива, сыра, уксуса, молочных продуктов, способы обработки кожи, растительных волокон и др. Научные же основы биотехнологии были заложены в XIX в. французским ученым Л. Пастером (1822‑1895), положившим начало микробиологии.
Биопромышленность, в основе которой лежит биотехнология, производит кормовые и пищевые белки, аминокислоты, ферменты, витамины, антибиотики, этанол, органические кислоты (например, лимонную, изолимонную, уксусную и др.), регуляторы роста растений, многие пестициды, лечебные и иммунные препараты для человека и животных. Новые направления физико-химической биологии, получившие развитие во второй половине XX в., значительно расширили возможности процессов биотехнологии, особенно генной и клеточной инженерии. Последняя получила распространение в сельскохозяйственном производстве, например, при выведении безвирусных растений, получении кормов и т.д.
Достоинством биологических процессов является то, что они используют возобновляемое сырье (биомассу) и протекают в мягких условиях (при комнатной температуре, нормальном давлении), с меньшим числом технологических этапов. Их отходы доступны последующей переработке. Особенно выгодно (экономически и технологически) применение биотехнологических процессов в случае производства относительно дорогих, но малотоннажных продуктов. Они же лежат в основе пищевой промышленности.
Сегодня биотехнология рассматривается как наука, возникшая на стыке нескольких биологических дисциплин: генетики, вирусологии, микробиологии и растениеводства. Она стремительно выдвигается на передний край научно-технологического прогресса, чему способствуют два обстоятельства. С одной стороны, бурное развитие современной молекулярной биологии и генетики, опирающихся на достижения химии и физики, позволило использовать потенциал живых организмов в интересах хозяйственной деятельности человека. С другой, наблюдается острая практическая потребность в новых технологических процессах, призванных ликвидировать нехватку продовольствия, минеральных ресурсов, улучшить состояние здравоохранения и охраны окружающей среды. Биотехнология практически уже вносит и, вероятно, внесет и в будущем решающий вклад в решение этих важнейших проблем человечества.
Основным процессом, используемым в традиционной биотехнологии, является брожение.
Брожение (ферментация) ‑ процесс расщепления органических веществ, преимущественно углеводов, на более простые соединения под влиянием микроорганизмов или выделенных из них ферментов. Этот процесс может осуществляться в организме животных, растений и многих микроорганизмов как с участием кислорода (аэробный), так и без участия молекулярного кислорода (анаэробный процесс).
Известны различные типы брожения. Они классифицируются чаще всего по производимым конечным продуктам (спиртовое, молочнокислое, пропионово-кислое, метановое брожение и др.) и протекают в основном анаэробно.
Спиртовое брожение протекает в несколько стадий и используется для промышленного получения этила (в основном из зерна ржи) для алкогольных напитков, в виноделии, пивоварении и при подготовке теста в хлебопекарной промышленности.
В присутствии кислорода спиртовое брожение замедляется или вовсе прекращается.
Молочнокислое брожение имеет большое значение при получении различных молочных продуктов (кефир, простокваша и др.), квашении овощей (например, капусты), силосовании кормов для животных (в сельском хозяйстве).
Пропионово-кислое брожение используется в молочной промышленности для изготовления многих твердых сыров.
Масляно-кислое брожение приводит к порче пищевых продуктов, вспучиванию сыра и банок с консервами. Раньше оно использовалось для получения масляной кислоты, бутилового спирта и ацетона.
Метановое брожение встречается в природев заболоченных водоемах. Оно используется в промышленности и бытовых очистных сооружениях для обезвреживания органических веществ сточных вод. Образующийся при этом метан в смеси с углекислым газом используется в качестве топлива.