Понятие химической технологии как науки. Классификация химической технологии.

Понятие химической технологии как науки. Классификация химической технологии.

Технология – наука о способах и процессах переработки сырья в предметы потребления и средства производства.

Способы и процессы переработки – ряд последовательных операций, производимых с сырьем в машинах и аппаратах с целью получения заданного продукта.

Технология:

Механическая – процессы изменения формы, внешнего вида и физических свойств материала

Химическая – наука о способах и процессах химической переработки сырья (изменение химического состава и свойств вещества).

Химическая технология – наука, изучающая такие производственные процессы переработки, которые хотя бы на одной стадии связаны с изменением состава, строения и свойства веществ, то есть с превращением их в другие вещества.

Химическая технология отличается от теоретической химии задачами и целями. Это связано со спецификой объекта изучения – производственного процесса, где возникают дополнительные условия, вытекающие из самого метода изучения.

Цель химической технологии – всестороннее изучение общих химических, физических и технологических компонентов в химическом процессе. В нем функционально связаны многочисленные параметры: температура, давление, тепловой эффект, концентрация реагентов, скорость потока реагентов, фазовое состояние реагентов, присутствие катализатора, его состояние, степень превращения сырья в конечный продукт, выход продукта, существование побочных реакций.

Классификация ХТ по отраслям:

Промышленность неорганических веществ:

основной неорганический синтез (кислоты, щелочи, соли, минеральные продукты) – крупнотоннажные производства

тонкий неорганический синтез (фармацевтика, реактивы, полупроводники, редкие элементы, материалы электроники)

ядерно-химическая технология (атомная энергетика, обогащение радиоактивных элементов, переработка отработанного ядерного топлива)

электрохимические производства (хлор, щелочи, кислород, водород)

металлургия (черная, цветная, благородных и редких металлов)

производство силикатов (вяжущие изделия, стекло, цемент, керамика)

производство минеральных красок и пигментов

Органическая промышленность:

основной органический синтез – производство органических продуктов на основе углеводородного сырья (спирты, кислоты, эфиры)

тонкий органический синтез – производство органических препаратов, реактивов, лекарственных веществ, средств защиты растений

высокомолекулярная технология – получение высокомолекулярных соединений (синтетический каучук, пластмассы, химические волокна, пленкообразующие вещества)

технология переработки растительного и животного сырья

переработка нефти и газа – первичная переработка (первичное разделение, очистка, облагораживание) газообразных, жидких и твердых природных углеводородов (ископаемого топливного сырья)

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

биотехнология – производство кормовых дрожжей, аминокислот, ферментов, антибиотиков на основе биологических процессов

полупродукты и красители

производство пищевых продуктов

В нынешних условиях важное значение приобретает повышение эффективности использования сырья и энергии, интенсификация процессов, снижение содержания вредных примесей в отходящих газах и сточных водах, содержание безотходных и малоотходных технологий, разработка малоэнерго- и малометаллоемких процессов.

Основные требования к ХТ:

- малоэнергоемкость

- использование перспективных источников энергии

- безотходность и малоотходность

- комплексное использование сырья

- соответствие технологии требованиям научно-технического прогресса

Структура и состав химического производства

Химическое производство – это совокупность функциональных подсистем, связанных между собой технологическими, электрическими, транспортными (для информации и управления) линиями связи для совместного функционирования и обеспечивающих эффективное использование материальных, энергетических ресурсов при химическом превращении реагентов в целевой продукт заданного качества, высокую производительность, управление процессами, охрану труда и окружающей среды.

Сырьевая и энергетическая подсистемы химического производства

Виды сырья:

* Минеральное сырье (полезные ископаемые):

> Рудное сырье (горные породы, из которых получают металлы);

> Нерудное сырье (песок, гравий, глины);

> Горючее минеральное сырье (угли, торф, сланцы, нефть, природные газы);

* Растительное и животное сырье:

> Пищевое;

> Техническое (хлопок, лен).

– Подготовка сырья. Включает в себя предварительную обработку сырья – измельчение, очистку от примесей, смешение компонентов и т.д. (1 пункт).

– Подготовленное сырье проходит ряд превращений, в результате чего образуется необходимый продукт. Возможно, необходимо выделение основного продукта из образовавшейся смеси, очищение его от примесей (2, 3 пункты).

Элементы 2, 3 образуют по существу основное химическое производство.

4 – Отходы производства могут содержать как вредные компоненты, которые опасно выбрасывать в окружающую среду, так и полезные, которые нецелесообразно выбрасывать. Поэтому существенным элементом химического производства является санитарная очистка и утилизация отходов производства.

Химическое производство является энергоемким.

Около15% всех энергоресурсов страны расходуется в химической промышленности. Причём, энергия не столько потребляется непосредственно для получения продукта, сколько обеспечивает условия его производства. Энергетическая система химического производства должна обеспечивать не только распределение энергии по стадиям производства, но и по возможности возвращения ее после использования в переработке сырья.

6 – Кроме энергии в химическом производстве используют вспомогательные материалы. Особое место занимает вода – она используется для охлаждения технологических потоков, выработки пара, растворения и разбавления технологических потоков и т.д.

Подготовка вспомогательных материалов и особенно водоподготовка – очень важная и сложная часть химического производства.

7 – Химическое производство невозможно эксплуатировать без системы управления. Она обеспечивает контроль состояния производства, проведение процессов при оптимальных условиях, защиту от нежелательных и аварийных ситуаций, пуск и остановку сложной системы.

состав химического производства для обеспечения его функционирования как производственной единицы, входят:

основное химическое производство;

хранилища сырья, продуктов и других материалов;

транспортировка сырья, продуктов, промежуточных веществ, отходов;

система управления, обеспечения и безопасности;

обслуживающий персонал.

Основные компоненты химического производства

В зависимости от основного назначения, в химическом производстве выделяют следующие виды типовых (основных) процессов, т.е. технологических операций, для проведения которых предназначены соответствующие аппараты и машины.

Механические и гидромеханические процессы – перемещение материалов, изменение их формы и размеров, сжатие и расширение, смешение и разделение потоков. Все они протекают без изменения химического состава и фазового состояния обрабатываемого материала. Для проведения этих процессов предназначены транспортеры, питатели, дробилки, диспергаторы, компрессоры, насосы, смесители, фильтры и т.п.

Теплообменные процессы – нагрев, охлаждение, изменение фазового состояния (кипение, конденсация). Химический состав веществ при их протекании не меняется. Они проводятся в теплообменниках, кипятильниках, конденсаторах, плавилках.

Переменные компоненты постоянно потребляются или образуются в производстве:

– сырье, поступающее на переработку;

– вспомогательные материалы;

– продукты - основной и дополнительный - как результат переработки сырья;

– отходы производства;

– энергия, обеспечивающая функционирование производства.

Постоянные компоненты закладываются в производство (оборудование, конструкции) или участвуют в нем (персонал) на весь или почти весь срок его существования:

– аппаратура (машины, аппараты, емкости, трубопроводы, арматура); устройства контроля и управления;

– строительные конструкции (здания, сооружения);

– обслуживающий персонал (рабочие, аппаратчики, инженеры и другие работники производства).

Рассмотрим состав химического производства, обеспечивающий его функционирование как производственной единицы:

– собственно химическое производство;

– хранилища сырья, продуктов и других материалов;

– транспортировка сырья, продуктов, промежуточных веществ, отходов;

– обслуживающий персонал производственного подразделения;

– система управления, обеспечения и безопасности.

В основе химического производства лежит химический процесс.

Подготовка химического сырья к переработке

Обогащение – комплекс процессов с целью повышения концентрации полезного компонента в твердом сырье.

Продукты обогащения:

1)концентрат (фракция обогащенная полезным компонентом), 2)хвосты (фракция с минимальным содержанием полезного компонента), 3) промежуточный продукт→ продукт обогащения.

Методы обогащения:

1)галургический ( основан на различной растворимости материалов в зависимости от температуры.

2) флотационный (основан на различной смачиваемости материалов),

3) гравитационное ( основан на различной плотности, крупности частиц).

Рациональное использование сырья:

1) фракционный рецикл – используют при неолном превращении исходных веществ.

2) регенерация рециклом – восстановления свойств вспомогательного материала последующим возвратом.

3) комбинированное производства – комплекс связанных х процессов для получения нескольких продуктов.

4) комплексное производство сырья – использования всех составляющих сырья, путем превращения их в полезные продукты, за счет совмещения нескольких производств внутри одного предприятия.

5) использование вторичных материальных ресурсов.

Классификация отходов

Классификация отходов:

1) класс опасности: (чрезвычайно опасный; высоко опасный; умерено опасный; малоопасный).

2) по источнику образования: технологические (образуются в основных технологических процессах); отходы вспомогательных материалов (катализаторы); тепловые (образуются из-за неполноты использования энергоресурсов); неучтенные (связанные с не усовершенствованием оборудования).

Методы обработки отходов

ХТП – совокупность химических физико-химических и механических операций проводимых с целью готового продукта из сырья.

-Химические процессы 2

-Механические процессы 1/3

-Массообменные процессы

-Теплообменные процессы.

Методы обогащения сырья

Применение концентрированного сырья упрощает и удешевляет переработку, позволяет получать конечные продукты.

Обогащение твердого сырья – совокупность физических и физико-химических методов обработки минерального сырья для удаления пустой породы и повышения содержания основного компонента в концентрате, который в результате реакции превращается в целевой продукт.

Обогащение жидкого сырья – упаривание, донасыщение, вымораживание, электролиз, ректификация.

Флотационное разделение руды основано на разной смачиваемости отдельных компонентов.

Флотация:

Пленочная

Масляная

Пенная (барботаж)

Ректификация – способ разделения жидких смесей, основанный на различных температурах кипения отдельных компонентов.

Обогащение газовых смесей

Ступенчатая конденсация или последовательное снижение температуры газовой смеси; Полное сжижение газовой смеси с последующей ректификацией; Разделение путем абсорбции с последующей десорбцией.

Кинетика ХТП

Любой термодинамический процесс рассматривается с двух точек зрения:

С точки зрения взаимодействия отдельных молекул

При рассмотрении реальных процессов, идущих в промышленных условиях, необходимо учитывать факторы, связанные с макростостоянием системы. Это такие факторы, как скорость перемешивания и тип мешалки (для жидкостных процессов), пути пересечения газовых потоков (для газовых систем), а также способы подвода и отвода тепла.

Скорость химической реакции выражается следующим уравнением

	(1)
	(2)
	(3)

где n – порядок реакции, E – энергия активации, R – универсальная газовая постоянная, T – температура, k₀ – предэкспоненциальный множитель, e – основание натурального логарифма.

Скорость зависит от температуры и концентрации реагирующих веществ.

Влияние температуры

Температура оказывает сильное влияние на скорость процесса, так как в уравнении Аррениуса входит в показатель степени.

Скорость простой необратимой реакции описывается уравнением 3. При постоянной концентрации и увеличении температуры скорость реакции возрастает по экспоненте.

При обратимой реакции зависимость скорости от температуры выражается уравнением:

r = - = K₁C_A – K₂C_R (4)

где K₁ и K₂ – константы скорости прямой и обратной реакции.

Отрицательное влияние температуры:

Увеличение потерь целевого продукта из-за испарения и образования побочных реакций;

Снижение прочности и химической стойкости материала.

Снижение равновесной степени превращения в экзотермических процессах.

С увеличением концентрации исходных реагентов скорость реакции возрастает.

Для газовых систем скорость реакции пропорциональна давлению в степени, равной порядку реакции (до определенных пределов).

Производство карбамида

CO(NH2)2: удобрение, в промышленность.

Сырье: NH3, CO2.

Химическая схема процесса: обратимая реакция 2NH3_(г)+CO2(г)↔ CO(NH2)2(ж)+↓ H2O(ж)+Q реакция протекает в 2 стадии:

2NH3+CO↔ NHCOONH+Q экзотермическая. Понижать температуру повышать давление 180⁰ С из-за скорости. Р=200 атм. выход карбоната аммония 60-75%.

NH4COONH↔ CO(NH2)+H2O-Q эндотермическая. необратимая.

Для увеличения выхода карбамида необходимо снижать концентрацию воды. Для снижения концентрации воды аммиак берут в избытке. NH+↓ H2O=NH и OH.

Принципиальная схема производства карбамида:

Производство хлорида калия

Технология калийных солей:

В основе переработке калийных руд лежит процесс обогащения.

Обогащение – совокупность процессов переработки минерального сырья с целью повышения концентрации полезного компонента.

В основе обогащения сырья, лежит различие свойств компонентов входящих состав сырья.

Методы обогащения калийных руд.

1) Галургический – основан на различной растворимости Kl и NaCl в зависимости от температуры.

2)Флотационный – основан на различной смачиваемости Kl и NaCl.

3)Комбинированный – соединения (Галургический Флотационный).

Галлургический способ

Флотационное обогащение:

Флотационные реагенты.

1)собиратели нужны для избирательной гидрофобизации материалов.

2)пенообразователи: