Термины и определения
Первоначально сформулирую некоторые термины и их определения, которые приведены в химической энциклопедии и рекомендуемой вам литературе и будут применяться при преподавании дисциплины.
Химическая технология - наука о наиболее экономичных и экологически целесообразных методах и средствах химической переработки сырых природных материалов в продукты потребления и промежуточные продукты.
Биотехнология - совокупность промышленных методов, использующих живые организмы и биологические процессы для производства различных продуктов.
Сырьё для химической промышленности – исходные вещества для получения целевых продуктов.
Невозобновляемые сырьевые ресурсы – запасы сырья, которые не восстанавливаются в течение более миллиона лет.
Возобновляемые сырьевые ресурсы - запасы сырья, которые восстанавливаются в течение менее миллиона лет.
Комплексная переработка сырья – процессы переработки вторичного сырья, включающие использование побочных продуктов, отходов производства, отходов потребления и превращение их в полезные продукты.
Вторичное сырьё – отходы производства, отходы потребления, побочные продукты.
Отходы производства - остатки сырья, материалов и полупродуктов, образующихся в процессе производства и не соответствующие стандартам.
Отходы потребления - бывшие в употреблении изделия и вещества, восстановление которых экономически нецелесообразно.
Побочные продукты – вещества, образующиеся наряду с основными продуктами производства.
Рассмотрим некоторые современные представления о химической технологии (ХТ).
Историческая справка. Зачатки химической технологии (XТ) возникли в 15 веке, когда стали появляться мелкие специализированные производства кислот, щелочей и солей, различных фармацевтических препаратов и некоторых органических веществ. В России химическими производствами, получившими развитие в конце 16 веков, было изготовление красок, селитры, порохов, а также получение соды и серной кислоты.
Во 2-й половине 18 века началось выделение технологии в специальную отрасль знаний, закладывались основы химической технологии как науки и учебной дисциплины. И. Бекман (1772 г.) и И. Гмелин(1795 г.) в Германии, В. М. Севергин (1801 г.) в России издают первые комплексные труды, освещающие технику многих химических производств, вводят в обращение термин «технология».
С середины 19 века широко развиваются исследования в области катализа, позволившие осуществить в промышленном масштабе многие химические процессы.
В середине 19 века в результате развития работ Ю.Либиха появилась новая отрасль химической промышленности – производство минеральных удобрений, а работы Н.Н.Зинина в России легли в основу создания анилинокрасочной промышленности. Среди отечественных ученых велика роль Д.И.Менделеева в развитии различных разделов химической технологии, включая нефтехимию и нефтепереработку.
Окончательное формирование XТ как самостоятельной научной дисциплины, несмотря на глубокие исторические корни, относят к 1-му десятилетию 20 века, когда было разработано учение об основных процессах и аппаратах химических производств. Новым этапом в развитии XТ явилось проникновение в нее в конце 60-х годов 20 века идей, методов и технических средств кибернетики и, как результат, развитие методов математического моделирования, оптимизации и автоматизированного управления химико-технологическими процессами.
Основные элементы ХТ
К основным элементам ХТ можно отнести следующие:
· исходные вещества (сырье);
· химико-технологические процессы;
· аппаратура;
· продукт
Сырьё
В производствах химических продуктов различают исходные вещества (сырье), промежуточные продукты (полупродукты), которые в свою очередь служат сырьем для получения многих других веществ, готовые (целевые) продукты.
Химическая промышленность перерабатывает огромные массы сырья, расходует большие количества воды, топлива и энергии. Во многих химических производствах расходные коэффициенты сырья достигают 3-4 т на 1 т продукта, а в некоторых случаях превосходят 5-6 т.
Основные химико-технологические процессы
Химико-технологический процесс представляет собой совокупность операций, позволяющих получить целевой продукт из исходного сырья. Любое химическое производство может быть представлено в виде трех блоков: подготовки и очистки сырья, химических превращений, выделения и очистки целевых продуктов:
Эти блоки связаны между собой потоками вещества и энергии.
Химико-технологический процесс в целом - это сложная система, состоящая из единичных, связанных между собой элементов и взаимодействующая с окружающей средой. Элементами этой системы являются 5 групп процессов:
1) механические - измельчение, таблетирование, транспортирование твердых материалов, упаковка конечного продукта и др.;
2) гидромеханические – перемешивание жидкостей и газов по трубопроводам и аппаратам, пневматический транспорт, фильтрование, флотация, центрифугирование, осаждение, перемешивание, псевдоожижение и др.;
3) тепловые - испарение, конденсация, нагревание, охлаждение, выпаривание;
4) диффузионные или массобменные, связанные с переносом вещества в различных агрегатных состояниях из одной фазы в другую, - абсорбция газов, увлажнение газов и паров, адсорбция, дистилляция, ректификация, сушка; кристаллизация, сублимация, экстрагирование, жидкостная экстракция, ионный обмен, обратный осмос, электродиализ и др;
5) химические.
Единой классификации химических процессов нет. Их можноклассифицировать по различным признакам, например:
1) по сырью;
2) по потребительскому или товарному признаку (например, производство удобрений, красителей, лекарственных препаратов);
3) по группам периодической системы элементов;
4) по типам химических реакций (окислительно-восстановительные процессы, гидрирование, хлорирование, циклизация, аммонолиз и т.п.);
5) по фазам (гомогенные жидкофазные и газофазные процессы, гетерогенные процессы системах жидкость - газ, газ - твердое т.п.)
В подобного рода классификациях слово «технология» нередко употребляется в более узком смысле (например, технология неорганических веществ, аммиака, азотной кислоты, металлов, угля, нефти). В связи с этим XТ подразделяется на две части – oбщую, являющуюся фундаментом этой науки, и специальную, соответствующую отраслям промышленности с учетом их специфики.
При проектировании химического производства разрабатывают и строят различные схемы:
• Функциональные (структурные) схемы получения целевых продуктов
• Схемы материальных потоков
• Схемы тепловых потоков
• Технологические схемы производства целевых продуктов;
• и др.
Функциональная (структурная) схема:
• дает общее представление о производстве;
содержит связи (технологические потоки) между операциями.
Технологическая схема:
• дает наиболее полное качественное представление о процессах производства;
• каждый элемент процесса показан в виде условного общепринятого стандартного изображения;
• технологические связи показаны направленными линиями со стрелками;
• может содержать сведения о качестве исходного сырья, промежуточных и конечных продуктов;
• аппараты могут быть изображены с соблюдением масштаба.
В качестве примера приведу функциональную и технологическую схему производства фенолформальдегидных олигомеров (смол).
Aппapaтypa
Материальной основой химико-технологических процессов являются машины и аппараты химического производства. Номенклатура химического оборудования исключительно разнообразна:
• Химические реакторы
• Теплообменники
• Колонны (ректификационные, абсорбционные и др.)
• Мерники (объемные, весовые)
• Насосы (нагнетательные, вакуумные и др.)
• Транспортные системы
• И др.
Так, 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 процесса.
Единичные процессы протекают в различных аппаратах – химических реакторах, абсорбционных и ректификационных колоннах, теплообменниках.
Для примера приведу схемы некоторых основных химических аппаратов:
Рис. 2. Схема одношнекового экструдера