Общие вопросы химической технологии

Химическая технология (ХТ) – прикладная наука о способах и процессах производства различных продуктов и материалов, осуществляемых с участием химических превращений на основе рационального (экономного) использования сырья и энергии.

Своё название химическая технология берёт от трёх слов, химия, которая имеет свою этимологию, греческих «технос» - искусство, ремесло и «логос» - ученье, наука.

Как наука ХТ имеет предмет изучения – химическое производство; цель изучения – создание целесообразного способа производства необходимых человеку продуктов; методы исследования – экспериментальный, моделирования, системный анализ.

ХТ относится к естественным наукам поскольку имеет дело с материальными явлениями и объектами.

Классификация процессов ХТ

Процессы ХТ можно классифицировать по различным признакам: характеру используемых технологий, происхождению и характеру сырья, характеру и потребительским свойствам продуктов. Наиболее фундаментальным является отраслевой принцип классификации, определяющий принадлежность процессов к группам перерабатываемого сырья или потребительским свойствам производимых продуктов. В этом плане можно выделить следующие отрасли ХТ.

1. Неорганическая ХТ, включающая в себя следующие подотрасли:

а) основной неорганический синтез, включающий в себя многотоннажные производства кислот, щелочей, солей, аммиака, минеральных удобрений на их основе и других неорганических веществ.

б) тонкий неорганический синтез – малотоннажные производства, но крайне важных для самой химической промышленности неорганических веществ: катализаторов, неорганических препаратов, реактивов, редких элементов, материалов для электроники, лекарственных веществ и др.

в) ядерно-химическая технология, включающая технологии обогащения и получения радиоактивных веществ и изотопов.

г) металлургия – производства чёрных и цветных металлов.

д) технология силикатов – производство вяжущих и строительных материалов, керамических изделий, стекла.


2. Технология органических веществ, включающая в себя следующие подотрасли:

а) переработка ископаемого углеродсодержащего сырья – твёрдого топлива, нефти и газа – первичное разделение, очистка, облагораживание, конверсия углеводородного сырья в сам водород.

б) нефтехимический синтез – производство органических продуктов и полупродуктов на основе переработки газообразных, жидких и твёрдых углеводородов, а также на основе оксидов углерода и водорода.

в) основной органический синтез – производство базовых продуктов органического синтеза, дающего начало всем остальным процессам более глубокой переработки органического сырья.

г) биотехнология – производство кормовых дрожжей, аминокислот, ферментов, антибиотиков и др. на основе биологических процессов.

д) тонкий органический синтез – производство органических препаратов, реактивов, лекарственных веществ, душистых веществ, средств защиты растений и др.

е) производство органических полупродуктов и красителей.

ж) технология высокомолекулярных соединений (СК, пластмассы, химические волокна, плёнкообразующие вещества).

з) технологии переработки растительного и животного сырья.

В определённой степени приведённая классификация условна. Например, в технологии переработки растительного и животного сырья нередко используются биотехнологические методы, например, в производстве спирта, сыров, йогуртов и т.д.

В соответствии с приведённой классификацией сырьевую основу соответствующей отрасли составляют:

- в неорганической ХТ

1) Атмосферный азот и в очень ограниченной степени натриевая селитра, запасы которой (Чили, Южная Африка) быстро истощаются;

2) Водород. В промышленности производится:

а) конверсией метана


б) неполным окислением метана, который является комбинацией следующих реакций

с последующим взаимодействием СО с водяным паром

в) конверсией твёрдого углеродного топлива

г) электролиз воды или водных растворов NaCl.

3. Кислород или воздух. Если необходимо иметь чистый кислород, то его сжижают при высоких давлениях и пониженной температуре, а затем подвергают фракционной перегонке;

4. Источником получения серной кислоты и других продуктов на её основе является элементарная сера, пирит FeS2 и сульфиды цветных металлов;

5. Источником получения фосфорной кислоты и фосфат-содержащих удобрений являются фосфатные руды: апатиты и фосфориты. В этих рудах фосфор находится в нерастворимой форме, главным образом в виде фторапатита Ca5F(PO4)3 и трикальцийфосфата Ca3(PO4)2;

Апатит – минерал, входящий в состав изверженных пород. В России на Кольском полуострове имеются крупнейшие залежи апатитонефелиновой руды. Нефелин (K,Na)2O×Al2O3×2SiO2×2H2O – сырьё алюминиевой промышленности. Апатитонефелиновую породу, содержащую до 70% апатита и до 25% нефелина разделяют флотацией на апатитовый концентрат, в состав которого входит до 40% Р2О5 и нефелиновую фракцию, которая после повторного обогащения содержит до 30% Al2O3.

Фосфориты – породы … происхождения. Содержание Р2О5 в фосфоритах колеблется от 20 до 30%.

6. Первичным сырьём для производства органических веществ являются природный газ, нефть, каменный уголь, в меньшей степени горючие сланцы и торф.

Традиционные способы их первичной переработки – пиролиз. Последние годы всё большее значение приобретает синтез-газ получаемый из всех перечисленных видов сырья путём парокислородной конверсии. Это особенно важно для твёрдых горючих ископаемых, залежей которых должно хватить на несколько сотен лет. Синтез-газ является основой для получения небольшой группы базовых продуктов органического синтеза, которые в сырьевом балансе промышленных органических продуктов составляют 90%. Сюда относятся этилен, пропилен, 1,3-бутадиен, бензол, толуол и ксилолы.

7. Источником получения металлов в технически чистом виде являются природные минералы, содержащие, как правило, часть пустой породы. Минералы руд представляют в основном оксиды и сульфиды некоторых металлов (Fe3O4, Fe2O3, Cu2S, CuS, FeCuS2, ZnS и др.), содержащие оксиды соединений, составляющих пустую породу. В чёрной металлургии к ним относятся Al2O3, SiO2, CrO, MgO и т.п. В то же время некоторые из этих оксидов могут служить рудами цветных металлов (например, Al2O3 в производстве алюминия). Обобщая данные по минералам руд их можно подразделить на оксидные, сульфидные и самородные. Руды, в состав которых входят соединения разных металлов называют полиметаллическими. Типичными примерами таких руд являются медно-никелевые (содержат сульфиды свинца и цинка), свинцово-молибденовые и др.

Энергетическая база химических производств

Химическая промышленность и смежные с ней отрасли основанные на химических превращениях (нефтепереработка, нефтехимия, металлургия, целлюлозно-бумажная промышленность) являются крупнейшими потребителями энергии. Химическая промышленность и нефтеперерабатывающие производства потребляют около 20% от энергопотребления всей промышленности. По расходу тепловой энергии химическая промышленность занимает второе место среди других отраслей хозяйственной деятельности, а по расходу электроэнергии – третье.

Химические процессы подразделяются на экзо- и эндотермические. Проведение эндотермических процессов требует дополнительного подвода тепла из вне и поэтому, как правило, характеризуется гораздо большим энергопотреблением. В экзотермических процессах такого подвода обычно не требуется, так как тепло реакции может быть использовано для поддержания необходимого температурного режима. В высокоэкзотермических процессах протекающих при высоких температурах (400-6000С) часть избыточного тепла реакции может быть преобразовано в механическую энергию для транспортировки реагентов или создания повышенных давлений. Это даёт существенную экономию энергии на производстве. Помимо затрат или экономии энергии, связанной с эндо- и экзотермичностью реакций реализация любого химического производства связана с расходом энергии на проведение вспомогательных операций, таких как подготовка и транспортировка сырья, отвод продуктов, физические операции дробления, фильтрации, перемешивания, дистилляции и др.

 В химической технологии используются почти все виды энергии: электрическая, тепловая, ядерная, химическая, световая и др. Наиболее широко используются тепловая и электрическая энергия.

Hosted by uCoz