Введение Химическая технология как наука. Этапы развития

Введение
Химическая технология как наука. Этапы развития химической технологии. Роль химической
технологии в народном хозяйстве. Основные направления развития химической технологии. Место
дисциплины «Общая химическая технология» в системе подготовки инженеров химиков-технологов и
ее структура.
1. Химическая технология – наука о способах и процессах
производства промышленных продуктов из природного сырья
1.1.
Химическая технология как наука
Технология (от греч. technos - искусство, ремесло или производство; logos – учение,
наука) - наука о способах и средствах проведения производственных процессов.
Можно определить технологию как науку о производстве. Технологию характеризуют
также как науку, изучающую способы и процессы переработки природных материалов
(сырья) в предметы потребления и средства производства.
Промышленные продукты могут служить средствами производства (например,
металлообрабатывающие станки) или предметами потребления (например, хозяйственные
изделия из пластмасс, бумага). В то же время многие промышленные продукты могут
использоваться как сырьё для других производств. Так, аммиак служит основным сырьём
в производстве азотной кислоты, которая, в свою очередь применяется для производства
минеральных удобрений, органических нитропроизводных и ряда других веществ.
Различают механическую и химическую технологию. Процессы механической технологии
основаны на механическом воздействии, изменяющем внешний вид или физические
свойства обрабатываемых веществ, но не влияющем на их химический состав. Процессы
химической технологии связаны с протеканием химических реакций, приводящих к
изменению состава, а также внутреннего строения и свойств веществ. Например,
обработка древесины для получения из неё стройматериалов относится к механической
технологии, а обработка древесины для получения из неё бумаги, уксусной кислоты и
других продуктов - к химической технологии. Процессы обработки металла ковкой,
литьем, прокаткой для получения различных предметов и деталей относятся к
механической технологии, а получение металлов из руд - к химической технологии.
Химическая технология – наука о наиболее экономичных и экологически обоснованных
методах химической переработки сырья в промышленные продукты.
Предметом изучения химической технологии являются промышленные химикотехнологические процессы, но эти процессы имеют место не только в химической
промышленности, они могут лежать в основе и других отраслей промышленности:
металлургии, нефтепереработки, производства строительных материалов и др.
1
Основной задачей химической технологии является исследование и установление
оптимальных условий осуществления химических реакций на производстве, т.е. условий,
при которых химические реакции протекают с максимальным экономическим эффектом, с
наилучшими технико-экономическими показателями. Химическая технология решает
следующие вопросы:
 выбор способов и методов переработки сырья в готовые продукты;
 выбор конструкций аппаратов, машин и параметров их работы, а также
взаимосвязь аппаратов между собой;
 управление технологическим процессом;
 экологическая безопасность производства.
Как наука химическая технология базируется, прежде всего, на химических науках, таких
как физическая химия, химическая термодинамика и химическая кинетика, а также на
закономерностях физики, математики, общехимических и общеинженерных дисциплин.
Из законов физики и химии можно выделить два закона: закон сохранения массы
вещества и закон сохранения энергии, на основе которых в химической технологии
производят расчёты технологических процессов, например, вычисляют материальный и
тепловой балансы производства, выход готовой продукции, количество необходимого
сырья и др.
В основе множества химико-технологических процессов лежат обратимые реакции.
Протекание обратимых реакций определяется законом действия масс, законом ВантГоффа, принципом Ле Шателье.
Закон действия масс устанавливает взаимосвязь между скоростью химической реакции и
концентрацией реагирующих веществ. Как следствие из закона действия масс вытекает
ряд технологических приёмов. Например, для повышения скорости реакций и смещения
равновесия обратимых реакций в сторону образования готовых продуктов используют
концентрированные растворы и систематически донасыщают их в процессе производства,
а также применяют повышенные и высокие давления (для реакций, протекающих в
газовой фазе), отводят продукты реакции из гетерогенной системы реагирующих веществ
и т.д.
Закон Вант-Гоффа устанавливает взаимосвязь между температурой и направлением
течения обратимых реакций. Он формулируется следующим образом: если температура
системы, находящейся в состоянии равновесия изменяется, то при повышении
температуры равновесие смещается в сторону процессов, идущих с поглощением тепла
(эндотермических), а при понижении температуры - в сторону процессов, идущих с
выделением тепла (экзотермических). В зависимости от того, как протекает процесс,
проводят охлаждение или нагревание реагирующей системы.
Вышеназванные два закона представляют собой частные случаи общего закона,
известного под названием принципа Ле Шателье. Принцип Ле Шателье является
теоретической основой для выбора оптимальных условий, позволяющих наиболее
экономично использовать сырьё и обеспечить максимальный выход готовой продукции
заданного качества.
В химической технологии используются и другие законы физики и химии:
2
 газовые законы для приведения объёмов реагирующих газов к нормальным
условиям и расчёта технологических процессов, протекающих в газовой фазе, либо
с образованием газов;
 законы электролиза для расчётов электрохимических процессов;
 законы термохимии для расчётов экзо- и эндотермических процессов.
Химическая технология немыслима без тесной связи с экономикой, математикой,
прикладной механикой, гидравликой и другими техническими науками, а также без
развития соответствующей техники. Химическая технология вместе с такими
дисциплинами как химическая техника, химическая кибернетика, автоматизированные
системы управления составляет научно-техническую базу химической промышленности.
На химико-технологических методах базируются многие процессы металлургии,
производства стройматериалов, пищевых продуктов, целлюлозно-бумажной, текстильной,
стекольной, фармацевтической промышленности, а также производство энергии, защита
окружающей среды и др.
Процессы химической технологии можно классифицировать по различным принципам:
1) по сырью (например, технология угля, технология нефти, технология сланцев);
2) по продуктам (например, технология аммиака, технология красителей, технология
удобрений);
3) по группам периодической системы элементов (например, технология щелочных
металлов, технология галогенов, технология редкоземельных металлов);
4) по типам химических реакций и процессов (например, технология хлорирования,
сульфирования, электролиза).
Чаще всего химико-технологические процессы классифицируют одновременно по
нескольким признакам.
Исторически химическую технологию подразделяют на технологию неорганических и
органических веществ, хотя оба раздела технологии объединяются общими принципами и
закономерностями.
К технологии неорганических веществ относят следующие производства:
1) производство основных химических веществ (неорганических кислот, щелочей,
солей и минеральных удобрений);
2) производство тонких неорганических продуктов (реактивы, редкие элементы,
фармацевтические препараты);
3) электрохимические производства (производство хлора, щелочей, водорода);
4) электротермические производства (производство фосфора, карбида кальция);
5) металлургия (производство чёрных, цветных, благородных металлов);
6) производство силикатов и связующих веществ (производство стекла, цемента,
извести, керамики);
7) производство минеральных красок и пигментов.
Технология органических веществ включает:
1) основной (тяжёлый) органический синтез (производство спиртов, органических
кислот, альдегидов, кетонов, эфиров, органических растворителей, поверхностноактивных веществ, мономеров и др.);
2) тонкий органический синтез (производство фармацевтических препаратов,
органических реактивов, красителей, душистых веществ и др.);
3
3) производство высокомолекулярных веществ (пластмасс, искусственных
синтетических волокон, каучука);
4) переработка топлив (нефти, угля, горючих сланцев);
5) производство пищевых продуктов (сахара, белков, жиров, углеводов);
6) биохимическое производство (производство спиртов, уксусной кислоты и др.).
и
С технологической точки зрения такое деление условно, так как процессы получения
неорганических и органических веществ имеют много общего. При производстве многих
химических продуктов повторяются аналогичные процессы и методы. Одни связаны с
определёнными химическими реакциями, другие – с определёнными физическими
процессами. Первые называют типичными процессами, вторые – типичными операциями.
Большинство технологических схем можно разделить на типовые процессы и операции,
которые базируются на общих принципах и закономерностях (см. табл.1*).
Таблица 1.
Типовые процессы и операции химической технологии
Типовые процессы
1. Горение
2. Окисление
3. Нейтрализация
4. Образование силикатов
5. Каустификация
6. Электролиз
7. Разложение
8. Кальцинация, дегидратация
9. Нитрование
10. Этерификация
11. Восстановление
12. Аминирование
13. Галогенирование
14. Сульфирование
15. Гидратация, гидролиз
16. Гидрирование
17. Алкилирование
18. Конденсация
19. Полимеризация
20. Диазотирование
21. Брожение
22. Пиролиз, крекинг
23. Ароматизирование
24. Изомеризация
25. Каталитический риформинг
26. Ионный обмен
Типовые операции
1. Перемещение жидкостей
2. Теплообмен
3. Испарение
4. Увлажнение
5. Абсорбция
6. Экстракция
7. Адсорбция
8. Дистилляция, сублимация
9. Сушка
10. Перемешивание
11. Классификация, осаждение
12. Фильтрование
13. Просеивание
14. Кристаллизация
15. Центрифугирование
16. Измельчение
17. Хранение материалов
*Shreve, R. Norris. Chemical Process Industries. New York: McGraw-Hill, 1956.
Теоретические основы типовых операций и соответствующую аппаратуру изучает
дисциплина «Процессы и аппараты химической технологии» или «Химическая техника».
4
Химическая технология изучает типовые химико-технологические процессы и аппараты, в
которых эти процессы осуществляют.
1.2.
Основные
тенденции
промышленности
развития
современной
химической
Химическая промышленность является одной из ведущих отраслей мировой экономики.
Ассортимент выпускаемой продукции чрезвычайно разнообразен. Важнейшими
химическими продуктами являются минеральные удобрения, ядохимикаты, кислоты и
щёлочи, лаки и краски, синтетические волокна, пластмассы, синтетический каучук,
многочисленные производные углеводородов и др. Огромное значение имеет химическая
переработка нефти, природного газа, угля, древесины и другого углеродсодержащего
сырья.
Одним из приоритетных направлений химической технологии является создание и
производство новых материалов с заданными свойствами, которые позволят повысить
надёжность и долговечность машин и оборудования, снизить их материалоёмкость,
энергоёмкость и трудоёмкость изготовления.
Одна из ведущих тенденций химической технологии, в том числе химии углеводородов и
химической переработки углей и сланцев, - создание крупномасштабных производств
новых видов химических продуктов и сырья многоцелевого назначения. Такими
продуктами являются молекулярный водород, аммиак, метанол, гидразин, которые
выполняют роль как химических компонентов, так и вторичных энергоносителей. Особое
значение среди этих веществ имеет водород. Наиболее перспективные технологические
процессы использования водорода – синтез аммиака и метанола, синтез жидких и
газообразных углеводородов (искусственное жидкое топливо, метан), гидрогазификация
твёрдых топлив, прямое восстановление руд чёрных и цветных металлов, водородная
энергетика и др.
Одной из важных проблем является широкое использование возобновляемых источников
сырья и энергии, особенно биомассы. Биомасса является крупным возобновляемым
источником энергии и может быть использована для получения водорода, газообразных и
жидких углеводородов и химического сырья.
Производство продуктов питания является важной задачей жизнеобеспечения.
Увеличение производства продуктов питания возможно за счёт применения
высокоэффективных минеральных удобрений, ядохимикатов, стимуляторов роста
растений и животных и др.
Велика роль продукции малотоннажной химии. В эту группу входят продукты,
выпускаемые в сравнительно малых количествах методами тонкого органического и
неорганического синтезов с особо ценными, чаще всего заданными свойствами. К ним
относятся, в частности: лакокрасочные материалы, синтетические красители,
вспомогательные вещества для текстильной, кожевенной, меховой и других отраслей
промышленности, химические реактивы и особо чистые вещества, поверхностноактивные вещества и др.
Получение лекарственных препаратов в значительной степени определяется успехами
органической химии и органического синтеза. Химическая (фармацевтическая)
5
промышленность выпускает огромные количества разнообразных лекарственных
препаратов – алкалоидов, гликозидов, антибиотиков, антисептиков, гормонов, витаминов
и т.п.
Химической технологии принадлежит решающая роль в совершенствовании и разработке
новых эффективных способов очистки промышленных выбросов от вредных примесей и
утилизации отходов. Одна из важнейших задач химической технологии – разработка
технологических процессов, исключающих вредные выбросы в атмосферу и водоёмы и
дающих меньше вредных отходов. Главными направлениями решения экологических
проблем являются комплексное использование сырья и внедрение малоотходных
технологических процессов.
6