Раздел 1. Введение в курс.

1. Химическая технология как наука о промышленных способах переработки сырья в продукты потребления и средства производства. Краткие сведения об истории развития химической промышленности и химической технологии России.

Слово «технология» образовано на основе двух греческих слов: «techne» - некий гибрид искусства и ремесла, «logos» - знание, учение, наука. Таким образом, смысл слова технология означает: «наука о ремесле», «наука о производстве», «искусство что-то делать».

Технология является прикладной наукой, которая на базе достижений естественных наук решает прикладные задачи, связанные с разработкой методов, приемов, устройств для получения веществ и материалов, целевых продуктов, необходимых для удовлетворения потребностей людей.

Технологию можно условно поделить на механическую и химическую. Если понимать технологию как совокупность знаний о способах и средствах обработки веществ и материалов, то механическая технология предполагает разработку процессов без изменения состава исходных веществ (материалов), а химическая - глубокие изменения их состава и структуры. Условность этого деления в том, что ряд механических процессов протекает с участием химических превращений, например, литьё пластмасс, а любое химическое превращение на уровне производства сопровождается механическими и физическими процессами. Обязательным в химической технологии является наличие химического превращения.

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ - наука о способах переработки сырьевых и техногенных материалов в целевые продукты, реализуемых с использованием химических превращений.

Краткие сведения об истории развития химической технологии

1. Первые производства по получению химических веществ появились в Европе примерно в XV веке, в России - на рубеже XVI - XVII веков. Небольшие фабрики, производившие соду, серную кислоту, соли, краски, порох, некоторые органические вещества.

2. Слово «технология» было предложено немецким ученым И. Бекманом в 1772 г. В 1795 г. И.Ф. Гмелин подготовил и издал первый учебник по химической технологии - «Руководство по технической химии». В 1803 г. издается в России «Химические основания ремесел и заводов».

3. С начала XIX века химическая технология стала обязательным предметом, преподававшимся в высших как технических, так и в экономических учебных заведениях. Первые учебники по химической технологии представляли собой фактически набор прописей, рецептов и устройств.

4. В 1807-1808 гг. появляется первый русский учебник И.А. Двигубского «Начальные основания технологии, или краткое показание работ на заводах и фабриках производимых».

5. Первая попытка систематизировать общие приемы была осуществлена в 1828 г. Денисовым Ф.А. в учебнике «Пространное руководство к общей технологии, или к познанию всех работ, средств, орудий и машин, употребляемых в разных технических искусствах». В этом учебнике впервые были обобщены приемы и процессы.

6. В XIX веке химическая технология стала существовать как наука, обобщавшая и суммировавшая приемы, используемые для наиболее эффективного получения химических веществ.

2. Перспективы и основные направления развития химической промышленности на современном этапе: безотходные (малоотходные) производства, технологическое комбинирование, энергосберегающие технологии, агрегаты большой единичной мощности, новые методы интенсификации химико-технологических производств.

Основные тенденции развития современной химической промышленности связаны прежде всего с решением глобальных проблем человечества:

1. Продовольственные ресурсы Земли;

2. Ресурсы минерального сырья для промышленности;

3. Энергетические ресурсы;

4. Предотвращение загрязнения биосферы;

1. Для увеличения эффективности необходимо стремиться к созданию малоотходных производств, то есть уменьшению количества отходов. В идеале можно говорить о безотходных вариантах производства. Под безотходной технологией понимают такой принцип организации производства, при котором цикл: сырьевые ресурсы - производство - потребление – вторичные ресурсы построен с рациональным использованием всех компонентов сырья, всех видов энергии и без нарушения экологического равновесия.

Таким образом, безотходное производство — это производство с замкнутыми материальными и энергетическими потоками. Термин «безотходная технология» рассматривается в качестве теоретического предела, идеальной модели, которая может быть реализована лишь частично. Отсюда появляется понятие малоотходная технология – способ производства продукции, при котором вредное воздействие на окружающую среду не превышает уровня, допустимого санитарно-гигиеническими нормами, в частности, ПДК.

В химической технологии основными причинами образования отходов производства являются:

- наличие примесей в сырье;

- неполнота превращения реагентов в целевые продукты;

- протекание побочных реакций;

- образование побочных продуктов в основных реакциях.

Следовательно, для сокращения количества отходов и создания малоотходных производств необходимо максимальное совершенствование химико-технологических процессов. Одним из наиболее эффективных приемов уменьшения количества отходов является повышение эффективности каталитических процессов за счет повышения качества катализаторов.

2. Комплексное использование сырья

Переработка нефти почти совершенный процесс: практически все фракции нефти: бензин, керосин, лигроин, мазут и т.д., а также твердый остаток, находят свое применение. Но огромные объемы попутных газов в настоящее время сжигают несмотря на то, что они представляют собой ценнейшее углеводородное сырье (легкие углеводороды). Более полная переработка попутных газов может дать значительное увеличение эффективности производства и уменьшить загрязнение окружающей среды. Рудные полезные ископаемые тоже необходимо использовать в максимальной степени. Например, свинцово-цинковые руды содержат 25 элементов, и на их основе производится около 40 товарных продуктов. В медно-никелевых рудах содержатся 18 компонентов, и они тоже в основном используются. Но зачастую из руды выделяют не более 1-2 % наиболее ценных компонентов, а все остальное выбрасывают в отвалы или до «лучших» времен.

3. Совершенствование методов выделения целевых продуктов и очистки всех потоков, которые попадают в окружающую среду.

Современное экологическое законодательство достаточно жесткое, и требования к чистоте газообразных, жидких и твердых отходов все время возрастают. Если мы более полно выделяем из отходящих газов ценные компоненты, одновременно улучшается экономика процесса и уменьшается давление на окружающую среду. Например, Норильский горно-металлургический комбинат выбрасывает в атмосферу миллионы тонн сернистого ангидрида, который является причиной кислотных дождей, отравляющих земли не только в Сибири, не только в России, но и за рубежом. Утилизация этих миллионов тонн сернистого ангидрида могла бы позволить произвести почти такое же количество серной кислоты. Однако, весьма существенные дополнительные затраты, некоторые сложности технологии пока не позволяют это осуществить.

4. Комбинирование производств

Комбинирование производств возможно по нескольким принципам.

1. Первый случай комбинирования - на основе комплексного использования сырья, то есть, когда сырье имеет сложный состав и необходимо выделить и использовать максимальное количество его компонентов. В этом случае параллельно на одной производственной площадке должно быть развернуто производство целого ряда продуктов.

2. Второй случай комбинирования – последовательное комбинирование, когда при производстве какого-либо продукта на данном производстве из него производятся другие продукты (товары). Обычно на одном комбинате соединяют производства нескольких продуктов.

Это прием позволяет исключить значительные расходы на транспортные операции, на хранение, на погрузку и выгрузку.

1. Третий случай комбинирования – переработка побочных продуктов.

5. Повышение степени энергосбережения на предприятиях химической промышленности

Проблема использования энергетических ресурсов в химической промышленности имеет ресурсосберегающий, экономический и экологический аспекты.

Основными видами энергоресурсов, используемых в химической промышленности, являются:

1. тепловая энергия - 48%;

2. электроэнергия - 44%;

3. топливо прямого использования - 8%;

Экономический аспект проблемы связан с тем, что доля стоимости энергии в себестоимости химической продукции достигает в некоторых производствах 60%.

Экологический аспект проблемы связан с низким коэффициентом использования энергии (менее 40 %), что приводит к попаданию в окружающую среду ≈ 60 % потребляемой энергии (к тепловым выбросам). Потери тепла в окружающую среду через теплоизоляцию помещений, аппаратов, коммуникаций.

6. Создание агрегатов большой единичной мощности

Создание агрегатов большой единичной мощности – одно из важнейших направлений, обеспечивающих снижение капитальных вложений, эксплуатационных затрат, себестоимости продукции и обеспечение высокой степени автоматизации.

Один большой реактор, в котором непрерывно, в стационарном режиме производится большое количество продукции, более экономичен, чем, например десяток меньших, вследствие снижения, в первую очередь, доли условно-постоянных затрат.

И большой, и маленький агрегат обслуживается соизмеримым количеством работников, одинаковы затраты на содержание административного аппарата и т.п., поэтому себестоимость продукции, получаемой в агрегатах большой единичной мощности, оказывается существенно ниже.

Дополнительный выигрыш получается также в результате концентрирования энергии. Доля потерь тепла в окружающую среду для большого агрегата существенно меньше, чем для маленького, энергия меньше рассеивается и может быть более эффективно использована.

Продукция агрегата, который производит 500 тыс. тонн продукта в год, должна непрерывно отгружаться потребителю или производитель должен располагать огромными хранилищами, что не всегда реализуется в условиях меняющейся конъюктуры.

Внеплановые остановки подобных агрегатов могут привести к большим затратам средств, а залповые выбросы при продувке систем приводят к сильному отрицательному воздействию на окружающую среду. Поэтому требуется высокая степень надёжности этих агрегатов. Помимо этого, существуют определенные технические сложности производства и монтажа гигантского оборудования.

Таким образом, увеличение размеров агрегатов целесообразно до определенных пределов.

7. Интенсификация хтп

Интенсификация ХТП может реализоваться за счет использования нетрадиционных методов технологии.

1. Плазмохимические методы.

В плазме в ионизированном газе при температуре примерно 2000С могут протекать очень важные реакции, например, прямой синтез оксида азота (II):

N₂ + O₂ = 2NO

Процесс сильно эндотермический и термодинамика запрещает этот процесс при температурах до 2000С. Применение плазмохимических методов при более высоких температурах сдерживается чрезвычайной энергоемкостью эти процессов.

2. Механохимия – механическое воздействие на реагенты при протекании химической реакции. Если реагенты предварительно подвергнуть обработке в шаровой мельнице, то увеличивается скорость протекающей между ними реакции.

3. Сонохимия – применение ультразвука для интенсификации химических реакций.

4. Процессы с использованием УФ-облучения. Облучение ультрафиолетом или даже видимым светом часто приводит к инициированию процесса, получению активных частиц, например, радикалов, которые являются носителями активности. С использованием ультрафиолета процессы можно проводить при более низких температурах по сравнению с термическим инициированием.

Раздел 2. Разработка химической концепции метода.

1. Классификация химико-технологических процессов (ХТП). Критерии эффективности химического превращения: выход, степень превращения сырья (конверсия), селективность, производительность и интенсивность работы аппарата, расходные коэффициенты по сырью. Технологические параметры ХТП: время пребывания (контактирования), объемная скорость.

Химико-технологический процесс (ХТП) – это совокупность физических и химических процессов, направленных на превращение исходных реагентов (сырья) в необходимые для дальнейшей переработки или потребления (целевые) продукты. Под обозначением «ХТП» подразумевают реакционную систему.

Основными признаками химического превращения являются:

а) химизм, включающий информацию о степени сложности протекающих реакций, их количестве и стехиометрии;

б) особенности термодинамики;

в) кинетические закономерности протекания ХТП;

г) фазовая характеристика системы, в которой протекает ХТП, и локализации самого ХТП.

Классификация.

1. С точки зрения химизма ХТП делят на простые и сложные:

   1. Простой ХТП можно описать одним стехиометрическим уравнением превращения исходных реагентов, например, А и В в продукты Р и R:

аА + вВ = rR + pP, где а, в, r и p – стехиометрические коэффициенты.

При этом не все продукты основной реакции могут представлять одинаковую практическую ценность, поэтому их делят на целевые и побочные.

2. Сложный ХТП описывают более чем одним стехиометрическим уравнением, т.е. кроме основной реакции протекают параллельные, последовательные и параллельно-последовательные. Сложный ХТП всегда включает основную реакцию, дающую целевые продукты (иногда вместе с побочными) и побочные реакции, приводящие к образованию побочных продуктов.

С практической точки зрения различать простые и сложные процессы важно, поскольку для простого процесса выбор условий его проведения определяется только требованиями быстрого и полного протекания основной реакции. Для сложного процесса нужно при выборе условий в первую очередь обеспечить подавление побочных реакций при максимально возможных показателях основной реакции.

2. С термодинамической точки зрения ХТП делят на:

   1. Необратимыми (односторонними) ХТП называют процессы, равновесие основной реакции которых практически полностью смещено в сторону образования продуктов во всем доступном для ХТП диапазоне изменения температуры и давления. Константа равновесия необратимого процесса остается больше, чем 10² во всем доступном диапазоне условий. Необратимыми можно считать и процессы, равновесие которых во всём диапазоне доступных для ХТП условий практически полностью смещено в сторону исходных реагентов. Такие процессы называют запрещенными по термодинамическим соображениям.

   2. Обратимый (двухсторонний) ХТП – это процесс, на положение равновесия которого можно в заметной степени повлиять изменением условий проведения. Если в результате удается подобрать условия проведения ХТП таким образом, чтобы константа равновесия имела величину ~10² или больше, а равновесный выход целевого продукта был близок к 100% или к 1 (в долях), то процесс называют обратимым смещенным. Если константа равновесия и равновесный выход не достигают указанных значений в выбранных условиях проведения, то ХТП считают обратимым несмещенным.

3. Классификация ХТП по тепловому эффекту:

   1. Если сумма тепловых эффектов положительна, т.е. преобладают реакции, протекающие с выделением тепла, то ХТП является экзотермическим (Q>0, ΔН<0). Для экзотермических ХТП необходимо обеспечить теплоотвод при соблюдении оптимального температурного режима в реакционной зоне (или организовать автотермический режим)

   2. Если основной вклад в суммарный тепловой эффект вносят реакции, протекающие с поглощением тепла, то ХТП – эндотермический (Q<0, ΔН>0).

   3. Изотермические. Проводят при постоянной температуре, отводя тепло экзотермических реакций и подводя тепло в случае эндотермических процессов. В случае экзотермических процессов тепло расходуется на поддержание оптимальной температуры. Такие реактор и процесс называют также адиабатическими.

   4. В автотермических процессах рационально используется тепло, выделяющееся при протекании реакций, и существенно упрощается устройство реактора.

Рассмотрим основные показатели на примере реакции, которую будем считать основной реакцией ХТП.

aA + bB = pP

1. Степень превращения (степень конверсии) реагента (Х) – это отношение количества превращенного реагента к введенному в реакционную систему количеству этого реагента.