Лекция 1. Предмет и задачи химической технологии. 

 

Цель: Рассмотреть сырьевые проблемы, виды и источники энергии, применяемой в химических производствах. Изучить экономию и пути рационального использования энергии и теплоты реакции.      

1.  Общие вопросы. Введение.
2. Сырьё и его подготовка.
3. Энергия, вода, воздух в промышленности. (Схема).

             Химическая технология, наука о процессах, методах и средствах массовой химической переработки сырья и промежуточных продуктов.

  Химическая технология возникла в конце 18 в. и почти до 30-х гг. 20 в. состояла из описания отдельных химических производств, их основного оборудования, материальных и энергетических балансов. По мере развития химической промышленности и возрастания числа химических производств возникла необходимость изучения и установления общих закономерностей построения оптимальных химико-технологических процессов, их промышленной реализации и рациональной эксплуатации.

Основная задача химической технологии — сочетание в единой технологической системе разнообразных химически превращений с физико-химическими и механическими процессами: измельчением и сортировкой твёрдых материалов (см., например, Дробление), образованием и разделением гетерогенных систем (см., например, Фильтрование, Центрифугирование, Отстаивание, Диспергирование), массообменом (см. Ректификация, Абсорбция, Адсорбция, Кристаллизация, Экстракция) и теплообменом, фазовыми превращениями (см. Фазовый переход), сжатием газов, созданием высоких и низких температур, электрических, магнитных, ультразвуковых полей и т.д. К химической технологии относятся также транспортировка, складирование и хранение сырья, полуфабрикатов и готовых продуктов, контроль и автоматизация производственных процессов, выбор конструкционных материалов для промышленной аппаратуры, а также типов и единичных мощностей аппаратов.

  Методы химической технологии используют не только в химической, но и во многих др. отраслях промышленности: нефтехимических, металлургических, строительных материалов, стекольной, текстильной, целлюлозно-бумажной, фармацевтической, пищевой и др.

  Теоретические основы химической технологии — учение о процессах и аппаратах и химическая кибернетика (в т. ч. математическое моделирование и оптимизация химико-технологических процессов, автоматизированные системы управления).

  Для решения задач химической технологии используются достижения в развитии всех разделов химии (особенно физической химии), физики, механики, биологии, математики, технической кибернетики (в т. ч. автоматизированных систем управления), промышленной экономики и т.д.

  Химическая технология классифицируется по различным принципам: 1) по сырью (например, технология переработки минерального, растительного или животного сырья; технология угля, нефти и т.п.); 2) по потребительскому, или товарному, признаку (например, технология удобрений, красителей, фармацевтических препаратов); 3) по группам периодической системы элементов (например, технология щелочных металлов, тяжёлых металлов и др.); 4) по типам химических реакций и процессов (технология хлорирования, сульфирования, электролиза и т.п.).

  Развитие химической технологии идёт по пути комплексного использования сырья и энергии в пределах данного производства или в кооперации с др. производствами, конструирования высокопроизводительной аппаратуры из химически стойких материалов, разработки непрерывных и замкнутых («безотходных») процессов, исключающих загрязнение воздушного и водного бассейнов вредными промышленными отходами, расширения диапазонов температур и давлений, использования каталитических реакций, применения процессов в псевдоожиженном слое, развития систем автоматизации, контрольно-измерительной техники и т.п.

Технология – наука, которая изучает способы и условия производства готовой продукции (удобрения, часы) в промышленных условиях.

Технологий много: технология производства часов, велосипедов, минеральных удобрений.

Химическая технология – изучает химические производства.

Химические производства – производства, в основе которых лежат химические превращения, химические реакции, т.е. без химических реакций эту продукцию не получить.

Все химические производства образуют химическую отрасль промышленности.

Химическую технологию дают в первую очередь технологам.

Почему учителю необходимо знать химическую технологию?

Химия – единственный предмет в школе, который даёт выход в производство, промышленность, практику. Учитель должен связать преподавание химии с практикой, жизнью.

Задачи:

1.      разработать технологическую схему производства, через какие операции можно получить продукцию, например, Н₂SO₄.

FeS₂ → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄

2.      определить оптимальные условия каждой стадии выбранной схемы (t? концентрация)

3.      разработать конструкцию аппарата, в котором протекал бы процесс (чтобы все условия соблюдались)

4.      разработать мероприятья по предотвращению загрязнения окружающей среды

Какими методами решает задачи технология?

I.Все работы, начиная с лабораторного эксперимента в НИИ, где изучают этот процесс, предварительно проводят физико-химические расчёты.

 II.Проводятся полупромышленные испытания (аппарат с уменьшенным размером), т.е. максимально приближают к промышленной установке и испытывают долгое время. За это время определяют технико-экономические показатели: удельный расход сырья, вспомогательных материалов, удельный расход энергии, себестоимость продукции.

   III.В проектных институтах заготовляется проект, по проекту строят производство.

 

Путь от лаборатории до завода очень длинный и дорогой. Нельзя ли сократить этот путь? Можно методом математического моделирования – это изучает химическая кибернетика, она позволяет сократить число опытов в десятки, тысячи раз.

А + В → С (t, p, с)

Влияние факторов изучается по одному. При математическом моделировании факторы изменяются все сразу - в комплексе. Для этого составляется уравнение регрессии, на основании именно этого уравнения находятся границы факторов. Направление нашли, далее крутое восхождение, т.е. с помощью экспериментов (5-10 опытов), идём к этому оптимуму (обычным методом необходимо провести несколько тысяч опытов).

Особенности:

1. Очень большой ассортимент выпускаемой продукции. Химическая технология разработала и внедрила 60 тыс. видов продукции.

2.    Высока рентабельность (прибыльность) производства (каждый 1 рубль даёт 1-10 рублей прибыли)

3.     Возможность комплексного использования переработки сырья.

4. Химическая продукция используется во всех сферах н/х, следовательно, химическая промышленность развивается быстрее, опережая другие отрасли (на 15-20 лет)

Компоненты химического производства:

Переменные компоненты постоянно 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 — неподлежащие 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).

Сырье (переменный компонент производства) — вещества и материалы, подвергшиеся ранее воздействию труда и предназначенные для дальнейшей переработки. Это определение можно пояснить например: нефть, прежде чем использовать ее в качестве сырья, необходимо добыть из месторождения. Сырьевые ресурсы—источники сырья для переработки в промышленном производстве. Источниками сырья для химической промышленности являются природные материалы, полупродукты и вторичное сырье. Источником природных материалов является окружающая нас среда—земные недра, гидросфера и атмосфера; растительный и животный мир. Промышленные природные материалы классифицируют:1 по происхождению: минеральные, воздух и вода, растительные и животные;

 

        Полупродукты—вещества и материалы, являющиеся продуктом в одном производстве и исходным в другом. Например, продукт производства аммиак может выступать в качестве продукта потребления—удобрения, непосредственно вносимого в почву, так и полупродукта—сырья для производства азотной кислоты. В свою очередь, азотная кислота может быть продуктом потребления, например, в текстильной промышленности, и полупродуктом-сырьем в производстве селитры. На рисунке показаны возможные пути использования аммиака, полученного из природного сырья.

© УлГПУ, кафедра химии, доцент Пестова Н. Ю., 2013