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.