Тема 9. Производство продукции химической промышленности
План лекции:
1. Основные понятия о химико-технологических процессах
2. Производство серной кислоты
3. Производство хлора, водорода и едкого натра
4. Производство химических волокон
5. Производство бумаги
1. Основные понятия о химико-технологических процессах
Химическая технология - наука о наиболее экономически и экологически обоснованных методах химической переработки сырья и полуфабрикатов в средства производства и предметы потребления.
Современные химические технологии изучают и разрабатывают физико-химические процессы, технологические аппараты, оптимальные пути осуществления и управления этими процессами при промышленном производстве различных веществ, продуктов, материалов и изделий.
Предприятия химического комплекса Украины производят более 130000 различных химических продуктов и принадлежат к важнейшим звеньям ее производительных сил. Химическая промышленность обеспечивает другие отрасли полуфабрикатами для переработки, а население - товарами потребления.
Химические предприятия производят продукцию, которая заменяет металлы, стекло, дерево, кожу. Перерабатывая на химических предприятиях только нефть, газ и уголь, из них получают бензины и масла для двигателей, кокс, пластмассы, резины и синтетические каучуки, химические волокна и красители, взрывчатые вещества, удобрения и средства защиты растений, парфюмерию и фармпрепараты, искусственную кожу и синтетические моющие средства, тару и художественно-декоративные изделия, лаки и краски, строительные материалы, клеи и другие продукты.
Материало- и энергоемкая химическая промышленность использует разнообразное сырье: минеральные и органические полезные ископаемые, компоненты флоры и фауны, синтетические полупродукты и промышленные отходы, природные воды и воздуха.
Для развития химических производств Украина имеет достаточную сырьевую базу: уголь, нефть и газ, каменные и калийные соли, серу и графит, гипс, известняки и доломиты, глины и каолины, природные и морские воды.
Разнообразие химической продукции объясняется тем, что химические технологии дают возможность получить из одного материала несколько различных продуктов, или, наоборот, - определенный продукт - из различных видов сырья.
Согласно принятой классификации продукцию химической промышленности разделяют на 7 классов:
• продукция неорганической химии и горно-химическое сырье;
• полимеры - синтетические каучуки, пластмассы и химические волокна;
• лакокрасочные материалы и продукты;
• синтетические красители и органические полуфабрикаты;
• продукты органического синтеза (нефте-, коксо - и лесохимия);
• химические реактивы и особо чистые вещества;
• медикаменты и химико-фармацевтическая продукция.
Основу химической промышленности Украины составляет производство неорганических кислот, соды, глинозема, минеральных удобрений, продуктов нефтепереработки, полимеров, медикаментов и фармпрепаратов.
Структура химической промышленности Украины изменяется в направлении роста (в стоимостном исчислении) доли продуктов органического синтеза, нефтепереработки и полимеров.
Общей чертой химических производств является большое количество функционально отличных степеней переработки (процессов) для преобразования исходного сырья в конечный продукт. Взаимосвязанные ступенчатые преобразования образуют сложные химико-технологические системы (ХТС), в основе которых лежат химико-технологические процессы.
Химико-технологические системы - совокупность физико-химических процессов и средств для их проведения с целью получения продуктов заданного качества и в нужном количестве.
Хотя производственные процессы в различных отраслях химической промышленности и характеризуются большой сложностью и многоэтапностью, определяющую роль в них играют химико-технологические процессы (ХТП).
Химико-технологический процесс - совокупность взаимосвязанных физических и химических операций, реализация которых в определенной последовательности позволяет из исходного сырья и полуфабрикатов получить целевой продукт.
Кроме подготовки сырьевых компонентов и выделение и очистка целевых продуктов, ХТП, как правило, включает три стадии: 1) подачу реагирующих компонентов в зону реакции; 2) химические реакции; 3) отвод из зоны реакции полученных продуктов. Стадия подачи компонентов должна обеспечить их поступление в необходимых пропорциях и максимально возможную гомогенизацию их смеси. В многофазных системах на этой стадии важную роль играют процессы адсорбции - десорбции, возгонки-конденсации, плавления и растворение твердых веществ.
Химические реакции являются сердцевиной ХТП. Как правило, в системе протекает несколько последовательных или параллельных реакций с образованием целевого и побочных продуктов. Последние могут образовываться как при основной реакции наряду с целевым продуктом, так и вследствие побочных реакций между основными исходными веществами и примесями.
При анализе производственных процессов учитывают, как правило, лишь те реакции, которые имеют определяющее влияние на выход и качество целевых продуктов.
Суммарная скорость ХТП лимитируется самой медленной их стадией. Если самой медленной является подача компонентов или отвод продуктов, то процесс протекает в диффузионной области, а если химическое взаимодействие - то в кинетической. Для ускорения процессов с диффузионным контролем применяют их интенсификацию перемешиванием, гомогенизацией смесей, повышением температуры или концентрации.
Для интенсификации процессов, скорость которых лимитируется в кинетической области, регулируются те параметры, которые наиболее сильно влияют на скорость химической реакции: увеличивают температуру, концентрацию, давление или применяют катализаторы.
Знание основных закономерностей ХТП и важнейших параметров регулирования их скоростей дает возможность установить оптимальный технологический режим наиболее эффективного проведения процесса с максимальным выходом продукта высокого качества.
Технологический режим - это совокупность основных факторов (параметров), которые влияют на скорость химико-технологических процессов, выход и качество продукта.
Для большинства ХТП основными параметрами являются: температура Т, давление р, катализатор и его активность, концентрации взаимодействующих веществ (C) и их дисперсность, способ и параметры смешивания компонентов, уровень кислотности (рН) и окислительно-восстановительного потенциала (Eh) среды реакции. Оптимизация технологических параметров обеспечивает максимальную производительность труда и лучшие экономические показатели.
Характер и значение параметров технологического режима положен в основу классификации ХТП.
Самой простой является классификация ХТП по следующим критериям: 1) виду исходного сырья; 2) типу основной химической реакции; 3) способу организации процесса; 4) кратности обработки сырья.
По виду исходного сырья ХТП разделяют на процессы по переработке минерального, растительного и животного сырья.
По типу основной химической реакции ХТП разделяют на процессы, основанные на:
• простых и сложных реакциях;
• оборотных и необоротных реакциях;
• гомогенных и гетерогенных реакций;
• каталитических реакциях;
• экзотермических и эндотермических реакций;
• электрохимических реакциях;
• фотохимических реакциях;
• радиационно-химических реакциях.
По способу организации процесса: периодические, непрерывные, комбинированные.
По кратности обработки сырья процессы делятся на процессы с разомкнутой (открытой), замкнутой (закрытой) и комбинированными схемами.