2.2. Конспект лекционных занятий.

ЛЕКЦИЯ 1. Введение. Основные принципы производства.

Химическая промышленность играет большую роль в решении наиболее актуальных и перспективных проблем современного общества. К их числу относят:

1) синтез новых веществ и композиций, необходимых для решения технических задач;

2) увеличение эффективности удобрений для повышения урожайности сельскохозяйственной продукции;

3) синтез продуктов питания из несельскохозяйственного сырья;

4) разработка и создание новых источников энергии;

5) охрана окружающей среды;

6) выяснение механизма важнейших биохимических процессов и их реализации в искусственных условиях;

7) освоение огромных океанических источников сырья.

Научную основу химической промышленности составляет химическая технология. Главная задача химической технологии – это изучение, разработка и непрерывное совершенствование производств, средств производства и предметов потребления.

Стоит отметить, что основной целью является не просто получение целевого продукта, а массовое производство продукта при минимальных затратах ресурсов труда, сырья, энергии, минимальных капитальных вложениях и минимальном ущербе для человека и окружающей природной среды.

Совершенствование существующих технологических процессов и разработка принципиально новых включает следующие требования:

1. Недопустимость расходов сырья и энергии с избытком. На сегодняшний день 10% сырья идет в производство, а 90% - в отходы. Эффективность использования энергии составляет всего 30%.

2. Строгое соблюдение экологических требований, защита окружающей среды от выбрасываемых отходов производства.

3. Потребность производить материалы более высокого качества.

4. Соответствие темпа перестройки технологии производства и темпа развития рыночной конъюнктуры (ресурс и время жизни технического оборудования – 10-40 лет, технология в идеале должна быть очень гибкой, для того чтобы на одном оборудовании изготовлять разные продукты).

Создать технологию, удовлетворяющую этим требованиям, можно опираясь на следующие принципы:

1. Внедрение достижений фундаментальных наук в технологические процессы.

2. Замена и переход на новые принципы организации промышленных структур (замена дифференциальной монофункциональной структуры производства на интегральную).

3. Внедрение достижений химии во все технологические процессы (химизация хозяйства).

Таким образом, химическая технология – это наука о наиболее экономичных и экологически целесообразных способах и средствах массовой химической переработки сырья в продукты с заданными свойствами.

Основу химической технологии составляют сырье, энергия и аппаратура. В настоящее время выделяют ряд элементов химической технологии:

1. физикохимия процесса и поиск оптимальных физико-химических условий его осуществления;

2. сырье, основные и побочные продукты, отходы производства;

3. энергетика процесса, условия наиболее эффективного использования энергии;

4. материалы аппаратуры и средства их защиты от коррозии, создание новых материалов;

5. организация и охрана труда;

6. защита окружающей среды и создание экологических технологий;

7. экономика производства, включая капиталовложения, производительность труда и себестоимость продукции;

8. развитие принципиально новых химико-технологических процессов, в том числе с использованием экстремальных воздействий (космическая технология, радиационные, плазмохимические, криохимические процессы).

Основные принципы химического производства. В современных химических производствах широко используются общие технологические принципы: непрерывность процесса, противоток, кипящий слой (псевдоожижение), утилизация теплоты реакции (благодаря теплообмену), комплексное использование сырья и отходов производства.

Принцип непрерывности процесса. Процессы бывают непрерывные, периодические и циркуляционные. В непрерывных процессах исходное сырье непрерывно подается в реакционный аппарат, а продукты химического взаимодействия отводятся из аппарата. Принцип непрерывности используется в производстве чугуна, при обжиге извести, в контактном способе производства серной кислоты, при синтезе аммиака и в производстве водяного газа.

В периодическом процессе стадии смешивания реагирующих веществ, химического взаимодействия и выделения продуктов реакции, составляющие цикл, следуют друг за другом и периодически повторяются через определенные промежутки времени. В каждом цикле условия протекания реакции непрерывно изменяются, так как с течением времени концентрация исходных веществ уменьшается, что ведет к снижению скорости реакции, изменению температуры и т. д. Вследствие этого периодические процессы менее производительны. Их используют в производстве стали, кокса, соляной кислоты и др.

В современной химической промышленности стремятся (там, где это возможно) перейти от периодических к непрерывным способам производства.

В циркуляционном процессе реакционная смесь, покидающая реактор, разделяется. Непрореагировавшие исходные смеси после обогащения реагентами снова направляют в аппарат. Применение циркуляционного принципа способствует более полному использованию сырья и, позволяет значительно повысить производительность процесса.

Принцип противотока. Противотоком называется противоположно направленное движение взаимодействующих веществ. Движение веществ в одном и том же направлении носит название прямотока.

Противоток применяют для реализации оптимальных условий массо- и теплообмена (проведение химических реакций, поглощение газов, растворение твердых тел, охлаждение продуктов реакции, нагревание исходных веществ).

Принцип кипящего слоя (псевдоожижения). Для образования кипящего слоя газообразные реагенты продувают через отверстия снизу аппарата, а находящиеся в нем твердые исходные вещества при этом как бы кипят, находясь все время во взвешенном состоянии. Этот принцип получил широкое распространение в химической промышленности для интенсификации гетерогенных процессов, т.е. химического или физического взаимодействия веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях (обжиг пирита в производстве серной кислоты, каталитический крекинг нефтепродуктов, сушка влажных материалов, сорбция из газовых смесей и растворов и т.д.).

Принцип утилизации теплоты реакции. Утилизация теплоты реакции, т. е. использование выделяющейся при химических взаимодействиях теплоты для подогрева исходного сырья или дальнейшей тепловой обработки образующихся продуктов, позволяет резко снижать производственные энергетические затраты. Например, в производстве чугуна в домну подают воздух, нагретый за счет теплоты происходящих реакций.

Принцип использования производственных отходов (комплексное использование сырья, безотходная технология). Превращение отходов в побочные продукты производства позволяет полнее использовать сырье, что в свою очередь снижает стоимость продукции и предотвра­щает загрязнение окружающей среды. Например, из полиметаллических сульфидных руд при комплексной переработке получают цветные металлы, серу, серную кислоту и оксид железа (III) для выплавки чугуна. Комплексное использование сырья служит основой комбинирования предприятий. При этом возникают новые производства, перерабатывающие отходы основного предприятия, что дает высокий экономический эффект и является важнейшим элементом химизации народного хозяйства.

Современная химическая промышленность выпускает десятки тысяч продуктов. Все многообразие химико-технологических процессов можно свести к пяти основным группам: механическим, гидродинамическим, тепловым, массообменным и химическим. Механические - это процессы дробления, измельчения, агломерации, транспортирования твердых материалов, гранулирования и т.п. Гидродинамические - это процессы перемещения жидкостей и газов по трубопроводам, перемешивания, псевдоожижения, очистка газов от пыли и тумана и др. Тепловые - это процессы нагревания, охлаждения, конденсации, выпаривания и т.д. Массообменные - это процессы сорбции, ректификации, растворения, кристаллизации, сушки и т.д. Наиболее важна и многообразна группа химических процессов, связанных с изменением химического состава и свойств веществ. К ним относятся: процессы горения - сжигание топлива, серы, пирита и других веществ; пирогенные процессы - коксование углей, крекинг нефти, сухая перегонка дерева; электрохимические процессы - электролиз растворов и расплавов солей, электроосаждение металлов; электротермические процессы - получение карбида кальция, электровозгонка фосфора, плав­ка стали; процессы восстановления - получение железа и других металлов из руд и химических соединений; термическая диссоциация - получение извести и глинозема; обжиг, спекание - высокотемпературный синтез силикатов, получение цемента и керамики; синтез неорганических соединений - получение кислот, щелочей, металлических сплавов и других неорганических веществ; гидрирование - синтез аммиака, метанола, гидрогенизация жиров; основной органический синтез веществ на основе оксида углерода (II), олефинов, ацетилена и других органических соединений; полимеризация и поликонденсация - получение высокомолекулярных органических соединений и на их основе синтетических каучуков, резин, пластмасс и т.д.

Организация химического производства - процесс чрезвычайно трудоемкий. Необходимо решить много проблем, связанных с выбором сырья и способов его подготовки, а также определение оптимальных физико-химических параметров ведения химико-технологического процесса (температура, давление, применение катализатора и т.д.).