Химическаянаука и производство
Химическаятехнология — научная основа химического производства
Современное химическоепроизводство представляет многотоннажное, автоматизированное производство,основой которого является химическая технология (от techno-искусство, мастерство + logos-учение), т.е. химическая технология — наука о наиболее экономичных иэкологически обоснованных методах химической переработки сырых природныхматериалов в предметы потребления и средства производства. Объекты химическойтехнологии — вещества и системы веществ, участвующих в химическом производстве;процессы химической технологии — совокупность разнообразных операций,осуществляемых в ходе производства с целью превращения этих веществ в другие.Современная общая химическая технология возникла в результате закономерного,свойственного на определенном этапе развития всем отраслям науки, процессаинтеграции ранее самостоятельных технологий производства отдельных продуктов врезультате обобщения эмпирических правил их получения.
Современная химическаятехнология, используя достижения естественных и технических наук, изучает иразрабатывает совокупность физических и химических процессов, машин иаппаратов, оптимальные пути осуществления этих процессов и управления ими припромышленном производстве различных веществ. Химическая технология базируетсяна химических науках, таких как физическая химия, химическая термодинамика ихимическая кинетика. Выдающийся физхимик акад. Коновалов считал одной изглавных задач химической технологии, отличающих ее предмет от чистой химии,установление наивыгоднейшего хода операции и проектирование ему соответствующихзаводских приборов и вспомогательных устройств. Поэтому химическая технологиянемыслима без тесной взаимосвязи с экономикой, физикой, математикой и другимитехническими науками. Химическая технология на заре своего существования былаописательной наукой. Многие первые учебники по технологии служилиэнциклопедиями технологических процессов. Развитие науки и промышленностипривело к значительному росту числа химических производств. Рост химическогопроизводства с одной стороны и развитие химических и технических наук с другойстороны позволили разработать теоретические основы химико-технологическихпроцессов. Современное химическое производство перерабатывает гигантские объемысырья, использует большое количество энергии различных видов, осуществляющихсяпри больших объемах капитальных и эксплуатационных затрат. Отсюда вытекает одноиз основополагающих требований к современному производству — его экономичность.Эту особенность технологии отметил еще Менделеев, определив ее как: «Учение овыгодных приемах переработки природных продуктов в продукты потребления».Технология должна изучать выгоднейшие способы, выбрать из возможных наиболееприемлемую по выгодности данным условиям времени и места, чтобы придатьпродукту наибольшую дешевизну при желаемых свойствах и формах. Следовательно,технология это наука о наиболее экономичных методах и средствах переработкисырых природных веществ в продукты потребления. Технологии делятся намеханические и химические. В механических технологиях рассматриваютсяпроцессы, в которых изменяется форма или внешний вид и физические свойстваматериалов, а вхимической технологии- процессы коренного изменениясостава, свойств и внутреннего строения вещества.
Особенностихимической технологии как науки
Химическая технологияотличается от теоретической химии не только необходимостью учитыватьэкономические требования к изучаемому ею производству. Между задачами, целями исодержанием теоретической химии и химической технологий существуютпринципиальные различия, вызванные спецификой производственных процессов, чтонакладывает ряд дополнительных условий на метод изучения. Рассмотрим примерпромышленного синтеза хлористого водорода из С12 и Н2 ивлияние различных факторов на синтез.
/>
Для осуществления этогосинтеза в промышленных условиях химик — неорганик учитывает саму возможностьподобного синтеза, применяя методы физической химии управлять синтезом за счетизменения температуры, давления концентрации компонентов, т.е. влиять накинетику и термодинамику процесса в масштабе лабораторного эксперимента. Химик- технолог должен учитывать другие факторы: доступность и стоимость сырья иэнергии, конструкцию реактора и коррозионно-стойкие материалы для изготовления,меры по защите окружающей среды и т.д. Таким образом, как химическоепроизводство не может рассматриваться в виде некой укрупненной лабораторнойколбы, так и химическая технология не может быть сведена к теоретической химии.
Сложность такой системыкак химическое производство сделало целесообразным применение для ееисследования системного подхода и введения понятия уровень протекания процесса.При подобном подходе в химическом производстве выделяются несколькопоследовательно возрастающей сложности подсистем — уровней, каждому из которыхсвойственен свой метод изучения явления. Такими уровнями в химическомпроизводстве являются:
— молекулярный уровень, на котором механизм и кинетикахимических превращений описывается как молекулярное взаимодействие(микрокинетика);
— уровень малого объема, на котором явленияописываются как взаимодействие макрочастиц (гранул, капель, зеренкатализатора). Для анализа явлений на этом уровне и описания химическогопроцесса введено понятие — макрокинетика, задачей которой является изучениевлияния на скорость химических превращений процессов переноса масс исходныхвеществ и продуктов реакции, процессов теплопередачи и влияние состава катализатора.
- уровень потока, на котором описание явлений даетсякак взаимодействие совокупности частиц. С учетом характера движения их в потокеи изменения температуры, концентраций реагентов по потоку;
— уровеньреактора, на котором описание явления дается с учетом конструкций аппарата, вкотором реализован процесс;
— уровень системы,на котором при рассмотрении явлений учитываются взаимосвязи междутехнологическими узлами промышленной установки и производства в целом.
/>
Таким образом, проблемаразличия между теоретической химией и химической технологией есть проблемаразличия между фундаментальными научными исследованиями и реальным промышленнымпроизводством, на нем основанном.
Связьхимической технологии с другими науками
Химическая технологиякак наука о крупномасштабном производстве имеет дело со значительными массами иобъемами перерабатываемой и производимой продукции.
/>
химический технология производство компонент
Для оценки работы такихкрупных агрегатов необходимы крупные единицы. общепринятыми единицами СИ (м, Кг, сек, а, моль) используются и другие Величина обозначение наименование обозначение Масса т килограмм, тонна кг, т Энергия, работа А килоджоуль, киловатт час кДж, кВт ч Давление Р. Паскаль, мегапаскаль Па, МПС Мощность N киловатт кВт Температура Т,1 Кельвин, градус Цельсия К, ОС Время секунда, сутки, час сек, сут., ч Количество теплоты килоджоуль кДж Тепловой эффект Н килоджоуль кДж Производительность П. тонны в сутки, год т/сут, т/год Интенсивность И
килограмм на м2 час
кг/м2
Килограмм на м3 час
кг/м3 Количество вещества V килограмм моль, тонна моль кгмоль, Константа скорости К зависит от порядка реакции
моль/м3 Молярная концентрация С
моль на м3 Плотность кубическая
33
килограмм на м, тонна на м
кг/м3 Выход продукта Степень превращения Х доля единицы, процент % Расходный коэффициент РК количество сырья, энергии на единицу продукции т/т
2
м
2
м площадь Б Поверхность контакта Б
2
м
2
м Объемная доля W доля единицы
Основныекомпоненты химического производства
Химическая технологияизучает закономерности проведения химических процессов получения различных посвоей природе и назначению продуктов. Независимо от конкретного видапроизводственной продукции и типа процесса ее получения любое производствовключает несколько обязательных элементов: сырье, т.е. объект превращения;энергию, т.е. средство воздействия на объект и аппаратуру, в которой этопревращение осуществляется. Особое место в химической промышленности занимаетвода. Она не только служит средой, в которой протекают многие химическиепревращения, но широко используется в процессе, как растворитель,теплоноситель, хладагент, транспортное средство. Поэтому воду правомочносчитать четвертым обязательным элементом химического производства.
Химическоесырье
Сырье — один изосновных элементов технологического процесса, который определяет в значительнойстепени экономичность процесса, выбор технологии.
Сырьемназываются природные материалы, используемые в производстве промышленныхпродуктов.
В химическомпроизводстве на различных стадиях переработки можно выделить следующиематериальные объекты: исходное вещество или собственно сырье, промежуточныепродукты (полупродукты), побочные продукты и отходы.
/>
Полупродуктомназывается сырье, подвергшееся обработке на одной или нескольких стадияхпроизводства, но не потребленное в качестве готового целевого продукта. Онможет быть использован на последующих стадиях производства. Например,
каменный уголь екоксовый газ^ водорода аммиак.
Побочнымпродуктом называется вещество, образовавшееся в процессе переработки сырья,наряду с целевым продуктом, но не являющееся целью данного процесса. Например,аммиачная селитра, мел в производстве нитроаммофоски.
Отходамипроизводства называются остатки сырья, материалов, полупродуктов, образующихсяв производстве и полностью или частично утратившие свои качества. Например,фосфогипс в производстве суперфосфата.
Полупродукты, побочныепродукты и отходы после предварительной обработки или без нее могут бытьиспользованы в качестве сырья в других процессах.
Все химическое сырьеклассифицируется по различным признакам: по происхождению, химическому составу,запасам и агрегатному состоянию.
Химическое сырьепринято делить на:
— первичное(извлекаемое из природного источника;
— вторичное(промежуточные и побочные продукты);
— природное;
— искусственное(полученное в результате переработки природного сырья).
Ценность сырья зависитот уровня развития техники. Например, хлористый калий в 19 веке былиспользуемым отходом при извлечении хлористого натрия из сильвинита. В н.в.хлористый калий — исходное сырье в минеральных удобрениях. К веществам,используемым в качестве химического сырья, предъявляется ряд общих требований.Сырье для химического производства должно обеспечить:
— малостадийность производственного процесса;
— агрегатноесостояние системы, требующее минимальных затрат энергии для созданияоптимальных условий протекания процесса;
— минимальноерассеяние подводимой энергии;
— возможноболее низкие параметры процесса;
— максимальноесодержание целевого продукта в реакционной смеси.
/>
Ресурсыи рациональное использование сырья
В себестоимостихимической продукции доля сырья достигает 70%. Поэтому весьма актуальна проблемаресурсов и рационального использования сырья при его переработке и добыче. Вхимической промышленности в качестве сырья используются соединения более 80элементов. Эти элементы, входящие в состав земной коры, которая являетсяосновным источником химического сырья, распределены в ней неравномерно поприроде, концентрациям и географическому расположению. 9 элементов составляютболее 98% массы земной коры: О2 — 49.13%, БЮ2 -26%, А1-7.45%, Бе — 4.2%, Са — 3.25%, № -2.4%, М§-2.35%, К -2.35%, Н2 -1%,остальные — 1.87%. Такой важный для жизни элемент, как углерод составляет0.35%. 76 элементов, включая широко применяемые свинец, ртуть, мышьяк -0.06%…По степени изученности и пригодности запасы сырья делятся на три категории: А — запасы, детально разведанные, подготовленные к разработке, В — запасы,установленные в результате геолога — разведочных работ, С — запасы,определенные по результатам геофизической разведки.
Возможностьиспользования сырья определяется его ценностью, доступностью и концентрациейполезного компонента. Доступность сырья для его добычи определяетсягеографическим расположением запасов, глубиной залегания, разработанностьюпромышленных методов извлечения.
Существенное влияние навозможность использования сырья оказывает концентрация полезного элемента.Например, титан рассеян в земной коре, отнесен к редким элементам, хотя егосодержание в коре 0.61%, в два раза больше углерода. В отличие от титанауглерод сконцентрирован в доступных растительных, животных материалах, особеннов мощных залежах топлива и карбонатов. Не меньшее значение имеет химическаяпрочность соединений, в которые входят необходимые элементы. Например, алюминийсвязан в виде прочных химических соединений- алюмосиликатов, из которыхалюминий трудно извлечь. Поэтому его производство началось лишь в конце 19века.
В н.в. на долю РФприходится 45% мировых запасов газа и 23% ископаемых углей. В РФ и странах СНГсосредоточено 60% торфа, 60% калийных солей ,33% фосфора от мировых запасов.Высокая доля сырья в с/с химической продукции, быстрое истощение запасов сырья,удорожание процессов добычи его (мировая добыча минерального сырья в 20 векевыросла в 3.4 раза, с/с добычи нефти выросла в 2 раза, природного газа в 2.5раза) выдвинули две задачи:
— разработкуобъективной оценки скорости исчерпания запасов химического сырья,
— рациональноеиспользование химического сырья.
— .
Подготовкахимического сырья к переработке
Сырье, предназначенноедля переработки в готовую продукцию, должно удовлетворять определеннымтребованиям. Это достигается комплексом операций, составляющих процессподготовки сырья к переработке.
Целью подготовки сырьяявляется процесс придания ему состава и свойств, обеспечивающих оптимальноепротекание химико-технологического процесса его переработки. В комплекс операцийпо подготовке сырья входят: классификация, измельчение (или укрупнение),обезвоживание, обогащение.
В местах добычи сырьястроят крупные обогатительные фабрики, комплексно применяющие различные методыподготовки сырья Методы обогащения различны для твердых материалов, жидкостей игазов
Минераламиназываются физически обособленные вещества или смеси веществ в природе. Вприроде насчитывается более 2500 минералов, включающие органические инеорганические вещества. Одни и те же вещества могут быть в составе разлиичныхминералов.
Перед обогащениемгорная порода измельчается.
Измельчениемназывается механический процесс деления твердого тела на части за счетприложения внешних сил. Измельчение производят методами удара (1),раздавливания (2) и истирания (3). Измельчение до частиц 10-3называется дроблением и осуществляется в дробилках.
В отдельных случаяхпроводят укрупнение материала методами брикетирования или агломерации.
Далее проводятклассификацию или рассеивание материала.
Классификациейназывается процесс разделения однородных сыпучих материалов на фракции (классы)по размерам составляющих их частиц. Рассеивание осуществляется методомгрохочения на металлических ситах, называемых грохотами.
Можно пропуститьматериал через несколько грохотов со все уменьшающимися отверстиями и получитьнесколько фракций. Рассеивание применяется и для сортировки по крупности зеренболее или менее однородного состава, так делят уголь. Применяют плоские ицилиндрические грохоты. Классификацию можно осуществить помимо грохоченияразделением смеси частиц по скорости их осаждения в жидкой фазе (гидравлическаяклассификация), разделением смеси частиц по скорости их осаждения в воздухе спомощью сепараторов (воздушная классификация).
Обезвоживаниематериала достигается методами стекания, отстаивания (жидкая система) и
сушки.
Обогащениемназывается процесс отделения полезной части сырья от пустой породы с цельюповышения концентрации полезного компонента. В результате обогащения сырьеразделяется на концентрат полезного компонента и хвосты с преобладанием в нихпустой породы.
Количественнымипоказателями процесса обогащения являются:
— Выходконцентрата — отношение массы полученного концентрата тк к массеобогащаемого сырья тс
Пк =тк/тс
Степень извлеченияполезного компонента — представляющая отношение массы полезного компонента вконцентрате ткк к его массе в обогащаемом сырье.
Х и =ткк/ткс
— Степеньобогащения сырья — отношение массовой доли полезного компонента в концентрате кмассовой доле его в обогащаемом сырье.
Х0= Ц /Ц кс
Выбор метода обогащениязависит от агрегатного состояния и различия свойств компонентов сырья.
При обогащении твердогосырья используются механические, химические и физико-химические методы.
Кмеханическимметодам обогащения относятся:
— гравитационные,основанные на различной скорости оседания частиц различной плотности и размеровв потоке газа или жидкости, или в поле центробежной силы;
— электромагнитные,основанные на различной магнитной проницаемости компонентов сырья;
— электростатические,основанные на различной электрической проводимости компонентов сырья.
Гравитационные способышироко применяются для обогащения сырья в производстве силикатных материалов,минеральных солей и в металлургии. Существует много типов машин мокрогогравитационного обогащения, основанного на оседании частиц в потоке:гидравлические классификаторы, гравиемойки, концентрационные столы, отсадочныемашины и т.п. Очень эффективно применение центробежных гидравлическихклассификаторов. Примером такого классификатора может служить гидроциклон.
Электромагнитноеобогащение происходит в магнитных сепараторах. Применяется дляотделения магнитного железняка, хромистого железняка от пустой породы.
Электростатическиесепараторы применяются для отделения электропроводных руд отдиэлектрических пород: известняка, гипса и др.
Химические способыобогащения основаны на применении реагентов, которые избирательно растворяютодно из веществ, составляющих смесь, или образуют с одним из веществсоединения, легко отделяемые от других при плавлении, испарении, осаждениираствора. Пример, обжиг минералов для разложения карбонатов, удалениекристаллизационной влаги, выжигание органических примесей.
К физико-химическимметодам обогащения относится наиболее распространенныйметод флотации. Флотацией называется метод обогащения твердого сырья,основанный на различии в смачиваемости его компонентов. На обогатительныхфабриках флотационным методом разделяют на несколько фракций полиметаллическиесульфидные руды, отделяют апатит от нефелина, обогащают каменные угли.
Основным показателемсмачиваемости минералов служит величина краевого угла смачивания, образующегосяна твердой поверхности вдоль периметра смачивания, т.е. вдоль линейной границыраздела твердое тело — жидкость — воздух. Жидкость образует с несмачиваемойчастицей тупой угол, а со смачиваемой частицей — острый. Силы поверхностногонатяжения стремятся выровнять уровень жидкости, в результате этогонесмачиваемая частица выталкивается, а смачиваемая погружается.
Результат флотациизависит от различия в гидрофобности компонентов обогащаемого сырья. Прифлотации в систему вводят флотоагенты: ПАВ, активаторы, регуляторы рН среды ит.п.
Термическое обогащение.
Основано на различнойплавкости материалов, входящих в смесь. При нагревании легкоплавкие материалывытекают из породы в жидком виде, так выплавляют серу из известняка, гипса.
Жидкости,точнее жидкие растворы, концентрируются выпариванием растворителя донасыщениемраствора полезным компонентом выделением каких-либо компонентов в осадок(кристаллизация) или в газовую фазу (десорбция). Для разделения жидких смесейприменяется экстракция.
Выпариваниеводы применяется в производстве минеральных солей и щелочей, в цветнойметаллургии, для концентрирования труднолетучих кислот. Для концентрированияприродных рассолов используют как испарение воды, так и вымораживание ее взимнее время.
Газовые смесиразделяются на отдельные компоненты следующими способами:
— последовательнойконденсацией газов при сжатии и понижении температуры;
— последовательнымиспарением газов из предварительно сжиженной их смеси;
— абсорбционно-десорбционным;
— адсорбционно-десорбционнымметодом.
Комплексноеиспользование сырья является очень важной задачей.
Многие горные породы,сложные минералы, включающие многокомпонентные смеси органических веществ,подвергаются комплексной переработке. При этом из одной породы можно получитьразличные металлы, неметаллические элементы, кислоты, соли, строительныематериалы. Таким образом, комплексная переработка приводит к комбинацииразличных производств. Примером может служить схема переработкиапатитонефелиновой породы, громадные залежи которой имеются на Кольскомполуострове. Породу измельчают и разделяют методом флотации на апатит Са5Б(Р04)3и нефелин (ККа)20*А1203*2БЮ2.Нефелиновая фракция содержит нефелин, немного апатита и титаномагнетита инебольшое количество минералов, включающих редкие металлы. Химическаяпереработка нефелина разработана и успешно осуществлена на металлургическихзаводах РФ, которые по существу являются металлургическо-химическо-цементнымипредприятиями. Разработаны и осуществлены на различных предприятиях отдельныеоперации переработки апатита.
Заменапищевого сырья не пищевым и растительного минеральным
Успехи органическойхимии позволяют производить ряд ценных органических веществ из разнообразногосырья. Так, например, этиловый спирт, используемый в больших количествах впроизводстве синтетического каучука, искусственных волокон, пластмасс,взрывчатых веществ и т.п, можно получить из пищевых продуктов (зерна, картофеля,сахарной свеклы), а можно и гидролизом древесины, гидратацией этилена, которыйполучают из нефти, природного газа. Из 1тонны древесины получают при гидролизе160 кг этилового спирта, что заменяет 1.6т картофеля, 0.6т зерна, что намногодешевле. Из древесины получают глицерин, уксусную, лимонную кислоты, кормовыедрожжи. Таким образом, растительное сырье заменяется минеральным. С/Ссинтетического спирта из нефти в 3 раза ниже, чем из пищевого сырья.
Растительное и животноесырье уже вытеснено в основном в производстве красителей, лаков, пластмасс.Вытесняется растительное сырье веществами, полученными из природного газа,нефти и угля в производстве каучука, химического волокна и т. п.