Файл: 1. Химическая технология научная основа химического производства.docx

1. Химическая технология - научная основа химического производства.

Химическая технология - наука о наиболее экономичных и экологически обоснованных методах химической переработки сырых природных материалов в предметы потребления и средства производства. Объекты химической технологии - вещества и системы веществ, участвующих в химическом производстве; процессы химической технологии. Процессы химической технологии - совокупность разнообразных операций, осуществляемых в ходе производства с целью превращения этих веществ в 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. Химическая технология базируется на химических науках, таких как физическая химия, химическая термодинамика и химическая кинетика.

Рост химического производства с одной стороны и развитие химических и технических наук с другой стороны позволили разработать теоретические основы химико-технологических процессов. Современное химическое производство перерабатывает гигантские объемы сырья, использует большое количество энергии различных видов, осуществляющихся при больших объемах капитальных и эксплуатационных затрат. Отсюда вытекает одно из основополагающих требований к современному производству - его экономичность.

Технологии делятся на механические и химические. В механических технологиях рассматриваются процессы, в которых изменяется форма или внешний вид и физические свойства материалов, а в химической технологии- процессы коренного изменения состава, свойств и внутреннего строения вещества.

Химическая технология отличается от теоретической химии не только необходимостью учитывать экономические требования к изучаемому ею производству. Между задачами, целями и содержанием теоретической химии и химической технологий существуют принципиальные различия, вызванные спецификой производственных процессов, что накладывает ряд дополнительных условий на методы изучения. Рассмотрим пример промышленного синтеза хлористого водорода из Cl2 и Н2 и влияние различных факторов на синтез.

Cl2 + H2 = 2HCl - H

Для осуществления этого синтеза в промышленных условиях химиксинтетик, применяя методы физической химии, должен изучить возможность подобного синтеза, изучить способы управления синтезом за счет изменения температуры, давления и концентрации компонентов, найти методы влияния на кинетику и термодинамику процесса в масштабе лабораторного эксперимента. Химик-технолог должен учитывать другие факторы: доступность и стоимость сырья и энергии, конструкцию реактора и коррозионную стойкость материалов для его изготовления, меры по защите окружающей среды и т.д. Таким образом, как химическое производство не может рассматриваться в виде некой укрупненной лабораторной установки, так и химическая технология не может быть сведена к теоретической химии.
2. Структура и состав химического производства.

Независимо от конкретного вида производственной продукции и типа процесса ее получения любое производство включает несколько обязательных элементов: сырье – объект превращения; энергию – средство воздействия на объект и аппаратуру; собственно аппаратуру, в которой это превращение осуществляется. Особое место в химической промышленности занимает вода. Она не только служит средой, в которой протекают многие химические превращения, но широко используется в процессе, как растворитель, теплоноситель, хладагент, транспортное средство. Поэтому воду можно считать четвертым обязательным элементом химического производства.

Общая структура химического производства включает в себя функциональные части, представленные на схеме



Позиции 1-3 на схеме — собственно химическое производство, в котором сырье перерабатывается в продукт. Подготовка сырья (поз. 1) включает его предварительную обработку: измельчение, очистку от примесей, смешивание компонентов, нагревание и т.д. Подготовленное сырье проходит ряд превращений - его переработку (поз. 2), в результате чего образуется основной продукт производства.

Поскольку исходное природное сырье, как правило, содержит примеси, вызывающие образование побочных продуктов, приходится выделять основной продукт из образовавшейся смеси, очищать его от примесей (поз. 3). особое внимание необходимо уделять существенным элементам химического производства — санитарной очистке и утилизации отходов (поз. 4). Энергетическая система - важный и сложный элемент химического производства (поз. 5). Расход энергии, потребляемой непосредственно для получения продукта, в несколько раз меньше расхода, обеспечивающего условия его производства. Подготовка вспомогательных материалов и особенно водоподготовка (поз. 6) — также очень важная и сложная часть химического производства. Сложное химическое производство невозможно эксплуатировать без системы управления (поз. 7). Она обеспечивает контроль состояния производства, проведение процессов при оптимальных условиях, защиту от нежелательных или аварийных ситуаций, пуск и остановку сложной системы.

Рассмотрим состав химического производства, обеспечивающий его

функционирование как производственной единицы:

• собственно химическое производство;

• хранилища сырья, продуктов и других материалов;

• система организации транспортировки сырья, продуктов,

вспомогательных материалов, промежуточных веществ, отходов;

• дополнительные здания, сооружения;

• обслуживающий персонал производственного подразделения;

• система управления, обеспечения и безопасности.
3. Компоненты химического производства.

Переменные компоненты – потребляются или образуются в производстве. К ним относятся:

• сырье, поступающее на переработку;

• вспомогательные материалы, обеспечивающие технологический процесс;

• продукты (основной и дополнительный) — как результат переработки сырья; продукты производства далее могут использоваться как продукты потребления, после чего они теряют первоначальные свойства и превращаются в отходы, и как полупродукты для их дальнейшей переработки в другие продукты;

• отходы производства — не подлежащие дальнейшей переработке вещества и материалы, удаляемые затем в окружающую среду;

• энергия, обеспечивающая функционирование производства. Постоянные компоненты закладываются в производство (оборудование, конструкции) или участвуют в нем (персонал) на весь или почти весь срок его существования. Они включают:

• аппаратуру (машины, аппараты, емкости, трубопроводы, арматура);

• устройства контроля и управления;

• строительные конструкции (здания, сооружения);

• обслуживающий персонал (рабочие, аппаратчики, инженеры и другие работники производства). Последний компонент требует особого внимания как социальная составляющая производства. В компоненты конкретного производства не входят элементы инфраструктуры, как не участвующие непосредственно в производстве продукта, но необходимые для его функционирования.

4. Сырьевые ресурсы химического производства.

Сырьем называются природные материалы, используемые в производстве промышленных продуктов.

Сырьевые ресурсы - источники сырья для переработки в промышленном производстве.

Минеральное сырьё. В химической промышленности в качестве сырья используются соединения более 80 элементов. Эти элементы, входящие в состав земной коры, которая является основным источником химического сырья, распределены в ней неравномерно по природе, концентрациям и географическому расположению. 9 элементов составляют более 98% массы земной коры: О2 - 49.13%, Si - 26%, Al - 7.45%, Fe - 4.2%, Са - 3.25%, Na - 2.4%, Мg - 2.35%,К - 2.35%,Н2 - 1% , остальные - 1.87%. Такой важный для жизни элемент, как углерод составляет 0.35%.

Минеральное сырье принято делить на три вида: рудное, нерудное и горючие ископаемые.

Рудное минеральное сырье представляет собой горные породы и минералы, содержащие извлекаемые металлы. В ходе переработки многих видов рудного сырья наряду с металлами производят также химические продукты. Классический пример — получение серной кислоты при производстве меди, цинка, никеля из серосодержащих руд.

Нерудное минеральное сырье - не содержащие металлы горные породы, или содержащие в количествах, не пригодных для получения этих металлов заводским путем. Из этого вида сырья производят используемые в производстве химические, строительные и другие материалы.

Горючее минеральное сырье содержит в своем составе углерод, поэтому его также называют углеродсодержащим. К этому виду сырья относят угли, нефть, горючие сланцы, природный газ. Они способны сгорать в кислородсодержащей среде и потому служат источниками тепловой энергии.

Нефть — смесь предельных и непредельных, алициклических и ароматических и др. углеводородов – является сырьевой базой для группы химических производств, вырабатывающих бензин, мазут, моторное и дизельное топливо, обобщенно называемых нефтепереработкой.

Воздух и вода. Компоненты воздуха — азот (его содержание около 79%) и кислород (около 21%) - используют для производства аммиака, а также во многих окислительных процессах. Вода служит источником получения водорода и кислорода. Из высококонцентрированных соляных растворов (рапы) морских заливов (лагун) получают йод и бром. Воду применяют как вспомогательный материал для приготовления растворов твердых, жидких и газообразных веществ, в качестве абсорбента при очистке газов.

Растительное и животное сырье. Растительное включает древесину, картофель, подсолнечник, сахарную свеклу, хлопок, лен, коноплю, отходы первичной обработки сельскохозяйственной продукции (подсолнечная, хлопковая лузга). Животное представляет собой шерсть, кожу, жиры.

Невозобновимое сырье не восстанавливается совсем или восстанавливается значительно медленнее, чем расходуется. К нему относится минеральное сырье, использование которого неизбежно приводит к его исчерпыванию.

Возобновимое сырье включает в себя и растительное и животное, некоторые виды минерального сырья (например, соли, осаждающиеся в озерах и морских лагунах). Растениями земного шара методом фотосинтеза ежегодно связывается 2·1011 т углерода, идущего на воспроизводство растительного и животного сырья.
5.Рациональное использование сырьевых ресурсов.

Высокая доля сырья в себестоимости химической продукции, быстрое истощение запасов сырья, удорожание процессов его добычи поставили две задачи:

 разработку объективной оценки скорости исчерпания запасов химического сырья,

 рациональное использование химического сырья. Количественной характеристикой скорости исчерпания запасов сырья предложено считать индекс исчерпания резервов (ИИР), который представляет % расходования данного вида сырья в год. Чем выше ИИР, тем больше скорость расходования сырья.

Основными направлениями рационального использования химического сырья являются:

 применение более дешевого сырья;

 использование вторичных материальных ресурсов;

 использование менее концентрированного сырья;

 комплексная переработка сырья

 замена пищевого сырья на непищевое;

 применение альтернативных материалов, изготавливаемых из сырья с более низким ИИР;

 рециркуляция сырья, т.е. вторичная переработка выработавших срок эксплуатации, вышедших из строя и морально устаревших изделий. Пример, извлечение ценных металлов из металлома.

6.Подготовка химического сырья к переработке.

Целью подготовки сырья является процесс придания ему состава и свойств, обеспечивающих оптимальное протекание химикотехнологического процесса его переработки. В комплекс операций по подготовке сырья входят: классификация, измельчение (или укрупнение), обезвоживание, обогащение.

Обогащение твердого сырья. Добываемое из недр земли сырье, кроме целевых компонентов, содержит бесполезные (пустая порода) и вредные примеси. В большинстве случаев содержание примесей относительно велико, поэтому приходится проводить обогащение сырья — отделение от него пустой породы. Оно необходимо для уменьшения затрат на переработку сырья, улучшает качество продукта и уменьшает транспортные расходы.

Измельчением называется механический процесс деления твердого тела на части за счет приложения внешних сил. Измельчение производят методами удара, раздавливания и истирания.

Мерой измельчения является степень измельчения, определяемая как

I =Dн/Dк

где Dн и Dк - средние размеры частиц до и после измельчения соответственно.

Классификацией называется процесс разделения однородных сыпучих материалов на фракции (классы) по размерам составляющих их частиц. Рассеивание осуществляется методом грохочения на металлических ситах, называемых грохотами.

Классификацию можно осуществить помимо грохочения, разделением смеси частиц по скорости их осаждения в жидкой фазе (гидравлическая классификация), разделением смеси частиц по скорости их осаждения в воздухе с помощью сепараторов (воздушная классификация).

Обезвоживание материала достигается методами стекания, отстаивания (жидкая система) и сушки.

7.Вода в химическом производстве. Качество воды.

Химическая промышленность - один из крупных потребителей воды. Вода используется почти во всех химических производствах для разнообразных целей.

В химической промышленности вода используется в следующих направлениях: Для технологических целей в качестве:

 растворителя твердых, жидких и газообразных веществ;

 среды для осуществления физических и механических процессов (флотация, транспортировка твердых материалов в виде пульпы);

 промывной жидкости для газов;

 экстрагента и абсорбента различных веществ

Вода, используемая в химической промышленности должна удовлетворять по качеству определенным требованиям. Качество воды определяется совокупностью физических и химических характеристик, к которым относятся: цвет, прозрачность, запах, общее солесодержание, жесткость, рН, окисляемость. Для промышленных вод важнейшими из этих характеристик являются солесодержание, жесткость, рН, содержание взвешенных веществ. Водооборотные циклы химико-технологических производств являются важным фактором рационального использования водных ресурсов. В этих циклах осуществляется многократное использование воды без выброса загрязненных стоков в водоемы, а потребление свежей воды для ее восполнения ограничено только технологическими превращениями и естественными потерями. В химических производствах используется три схемы водооборота в зависимости от технологических изменений, которые вода претерпевает в процессе производства.

● Вода только нагревается и должна быть перед возвратом охлаждена в бассейне или градирне.

● Вода только загрязнена и должна быть. перед возвращением очищена в специальных очистных сооружениях.

●Вода нагревается и загрязнена. Это комбинация первого и второго типа водооборотных циклов.
8.Промышленная водоподготовка.

Промышленная водоподготовка представляет собой комплекс операций, обеспечивающих очистку воды - удаление из нее вредных примесей, находящихся в молекулярно-растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии. Основные операции водоподготовки: очистка от взвешенных веществ отстаиванием и фильтрованием, умягчение, в отдельных случаях - обесцвечивание, нейтрализация, дегазация и обеззараживание. Процесс отстаивания позволяет осветлять воду вследствие удаления из нее грубодисперсных веществ, оседающих под действием силы тяжести на дно отстойника. Отстаивание воды проводится в непрерывнодействующих отстойных бетонированных резервуарах.

Для достижения полноты осветления и обесцвечивания декантируемую из отстойника воду подвергают коагуляции с последующим фильтрованием.

Коагуляция - высокоэффективный процесс разделения гетерогенных систем, в частности, выделение из воды мельчайших глинистых частиц и белковых веществ. Осуществляют коагуляцию введением в очищаемую воду небольших количеств электролитов Al2(SO4)3, FeSO4 и др. соединений, называемых коагулянтами. Дегазация — удаление из воды растворенных газов достигается химическим способом, при котором газы поглощаются химическими реагентами, например, в случае диоксида углерода:

СО2 + Са(ОН)2 = СаСО3 +Н2О,

Умягчением называется обработка воды для понижения ее жесткости, т.е. уменьшения концентрации ионов кальция и магния различными физическими, химическими и физико-химическими методами.

Обессоливание применяется в тех производствах, где к воде предъявляются особо жесткие требования по чистоте, например, при получении полупроводниковых материалов, химически чистых реактивов, фармацевтических преп.
9.Энергетика химической промышленности.

К основным видам энергии, применяемой в тех или иных химических производствах, относятся: тепловая, электрическая, механическая, световая и энергия других излучений и атомных превращений. Выбор того или иного вида энергии зависит от характера технологического процесса.

Тепловая энергия применяется:

1) для обеспечения теплового режима технологического процесса, например, для проведения эндотермических превращений;

2) для осуществления самых разнообразных тепловых процессов (нагрев, плавление, сушка, выпарка, дистилляция, тепловая десорбция);

3) для получения в паровых и газовых турбинах механической энергии.

Электрическая энергия применяется:

1) для собственно осуществления химико-технологического процесса, например, электрохимического (электролиз растворов и расплавов) или плазмохимического;

2) для обеспечения проведения некоторых технологических процессов, например, электротермических

3) для процессов, связанных с использованием электрических полей и электростатических явлений

Механическая энергия, получаемая из электрической или тепловой путем преобразования, применяется в следующих механических устройствах: дробилках, смесителях, мешалках, центрифугах, вентиляторах, насосах, транспортерах и др. Световая энергия, преобразуемая в большинстве случаев из электрической, за последнее время приобретает все большее значение для реализации фотохимических реакций