Лекция №1. Основные понятия и особенности химической технологии
I. Технология (греч. “technos” – искусство, ремесло; “logos” – наука) – дословно – наука о ремёслах.
Технология имеет три смысла: наука, учебная дисциплина, совокупность методов и процессов (материальная реализация).
Современное определение технологии как науки: технология – это наука о методах и процессах переработки сырья в предметы потребления и средства производства.
Существенно, что при реализации этих процессов изменяются состав и свойства исходных материалов. Поэтому технические процессы типа транспорта, связи и др. не относятся к области технологии.
К основным понятиям технологии относятся: способ производства, технологическая схема, процесс, операция и др.
Способ производства – совокупность всех операций, которые претерпевает сырье до получения из него готового продукта.
Способ производства слагается из отдельных последовательных операций, протекающих в соответствующих машинах и аппаратах.
Взаимосвязь между отдельными аппаратами и операциями выражается в виде технологической схемы, которая может быть представлена в виде подробного описания операций или процессов или же графическим изображением. В каждом аппарате могут протекать один или несколько процессов.
К технологическим процессам относятся: тепловые, гидравлические, диффузионные, механические, электрические и т. д.
Технология подразделяется на химическую и механическую.
Химическая технология рассматривает такие процессы, которые состоят в целенаправленном изменении состава и внутренней структуры перерабатываемых веществ. Это изменение достигается за счет химических реакций, физико-химических превращений или сочетания химических реакций и физико-химических превращений.
Химическая технология разделяется на технологию органических и неорганических веществ.
Механическая технология (физико-механическая) отличается от химической тем, что рассматривает процессы, ведущие к изменению размеров, внешнего вида, формы
Непрореагировавшую в ходе реакции азото-водородную смесь (реакция идёт не нацело) отделяют от аммиака, чтобы возвратить в производство. Для этого газовую смесь охлаждают, аммиак сжижают и отделяют от несконденсировавшихся N2 и H2. Процесс осуществляется под высоким давлением.
Здесь используются:
- химический процесс – реакция;
- физико-химический процесс – охлаждение и сжижение аммиака;
- механический процесс – сжатие газов.
Кроме химических реакций и физико-химических превращений, химическая технология использует также физико-механические процессы. Поскольку изменение химического состава – цель ХТП, химические реакции и физико-химические превращения – основные методы ХТ, а физико-механические процессы – вспомогательные методы.
Общая химическая технология (ОХТ), как учебная дисциплина, рассматривает общие принципы и закономерности наиболее важной и многообразной группы процессов, протекающих с изменением химического состава и строения, а также свойств веществ. Это рассмотрение опирается на совокупное использование фундаментальных результатов физики, физической химии, большинства разделов химии, математики и других наук.
II. Особенности ХТ.
Д. И. Менделеев: “Дело химии – получать вещества, дело технологии – производить их наилучшим способом”.
Химическая технология – наука о наиболее экономичных процессах производства необходимых продуктов, предметов и видов энергии.
Химик может синтезировать в лабораторных условиях нужный продукт в небольшом количестве и часто дорогостоящим способом. Технолог должен обеспечить безопасное производство этого продукта в промышленном масштабе и с минимумом затрат, т. е. с максимально возможной экономической эффективностью и экологической безопасностью.
Отсюда две особенности ХТ, определяющие отличие деятельности химика-технолога от химика-исследователя:
1) большой масштаб производства;
2) выбор экономических и экологических методов и способов переработки сырья.
III. Предмет, содержание и задачи ХТ как науки можно установить через историю её развития, выделив несколько последовательных периодов:
I-й период: ХТ характеризуется собранием рецептов и описанием различных процессов без обоснования причин выбора определенного способа работы (до XIX в.).
II-й период: делаются попытки обоснования причин выбора данного технологического метода производства путем использования математики, физики, химии (XIX в.).
III-й период: выделяются общие для многих методов единичные технологические процессы, которые описываются физическими законами. Появилась учебная дисциплина «Процессы и аппараты ХТ» (после I-й Мировой войны).
IV-й период: выделение процессов с химическими превращениями, не модулируемых в рамках теории подобия. В этот период химическая технология развивается, как химическая наука. Появляется учебная дисциплина «Общая химическая технология».
Предметом изучения химической технологии являются специфичные по своей сложности, многочисленности, многообразию и важности группы химических процессов и их совокупности – химические производства.
В настоящее время основной задачей химической технологии как науки становится не описание химических процессов и аппаратов, а установление точных математически оформленных данных о зависимости как отдельных стадий, так и всего процесса в целом от различных факторов.
Содержание химической технологии как науки сводится к следующему:
1) выбор параметров и конструкции аппаратов, содержания и оформления процесса в целом и всего производства химико-технологической системы (ХТС) с учетом экологической безопасности;
2) исследование и определение условий, в которых производственный процесс протекает с лучшими экономическими результатами при высокой производительности аппаратов, т. е. с оптимальными условиями (по температуре, концентрациям, давлениям, времени и др.);
3) применение техники экстремальных воздействий (низких и сверхвысоких температур, давлений, скоростей перемешивания и др.).
IV. Задачей курса ОХТ является обучение методам создания химических реакторов и химико-технологических процессов и систем и поиска оптимальных условий их работы. В связи с этим курс ОХТ включает следующие разделы:
1. Общие физико-химические закономерности промышленных ХТП.
2. Современные методы создания реакторов (теория реакторов) и технологических процессов и ХТС.
3. Типовые ХТП, рассматриваемые как примеры реализации общих закономерностей.
4. Основы создания экологически безопасных производств.
V. Значение химической промышленности определяется тем, что она обеспечивает различные производства огромным количеством продуктов, без которых была бы невозможна жизнь современного общества. Удобно рассматривать вопрос о значении химической промышленности на отдельных примерах.
VI. Основные тенденции развития ХТ определяются необходимостью решения глобальных проблем, связанных с обеспечением человечества:
1) продовольственными ресурсами;
2) ресурсами минерального сырья для промышленности;
3) энергетическими ресурсами;
4) средствами предотвращения загрязнения биосферы.
Для решения этих задач химическая технология развивается в направлениях:
По 1) – химизация сельского хозяйства и животноводства; – производство пищевых продуктов из минерального сырья с использованием биотехнологии.
По 2) – крупномасштабное производство новых видов сырья многоцелевого назначения: водорода, азота, гидразина, метанола, выполняющих роль компонентов в реакциях и энергоносителей.
По 3) – развитие ядерной энергетики, полное комплексное использование энергии, использование более эффективных способов энергообеспечения ХТП – фотохимических, лазерных, плазмо-химических, радиационно-химических и т.п.).
По 4) – создание малоотходных и безотходных технологий, эффективных систем защиты окружающей среды.
В то же время, существует целый ряд основных направлений развития химической технологии.
1) Увеличение масштабов производства и мощностей химико-технологических систем (ХТС) и отдельных аппаратов. Связано с укрупнением предприятий и их структурных подразделений. Позволяет снизить себестоимость продукции, но при этом усложняет управление производством. Наиболее эффективным в этом случае является увеличение мощности агрегатов.
2) Интенсификация работы аппаратов.
Связана с производительностью, которая в свою очередь связана с размерами аппарата. Обычно интенсивность вычисляют соотнося производительность к объему. Интенсификация обычно достигается двумя путями:
1. улучшением конструкции машин и аппаратов;
2. совершенствуя технологические процессы в данных аппаратах. Основные технологические пути интенсификации: изменение температуры, давлений процесса и концентрации реагирующих веществ.
3) Снижение энергозатрат и максимальное использование теплоты химических реакций.
Достигается:
1. снижением гидравлического сопротивления аппаратов и трубопроводов, входящих в ХТС;
2. ведением процесса перемешивания реагирующих веществ с рациональными скоростями.
Но основным является максимальное использование тепла в химических реакциях.
4) Уменьшение количества стадий производства и переход к циклическим системам. Это дает снижение затрат на строительство, эксплуатацию и уменьшение себестоимости продукции.
5) Замена периодических процессов непрерывными.
Периодические процессы – это процессы, при которых сырье загружается в аппарат, проходит в нем определенные стадии переработки, а образующийся продукт выгружается из аппарата. Во время между выгрузкой и загрузкой аппарат не работает.
Процесс имеет основные недостатки:
1. механизация загрузки и выгрузки затруднена, т.к. необходимо внедрение периодически действующих устройств большой производительности, чем в непрерывных;
2. автоматизация также затруднена, т.к. показатели процесса изменяются с течением времени в аппарате;
3. время цикла процесса (от загрузки до выгрузки) всегда больше, чем непрерывного;
4. выше энергетические затраты;
5. периодические процессы сложнее в обслуживании.
Непрерывные процессы – это процессы, в которых поступление сырья в аппарат и выдача продукта происходят непрерывно или систематическими порциями. Показатели, характеризующие данный процесс, постоянны на различных уровнях аппарата.
Преимущества:
1. технологические процессы протекают одновременно со вспомогательными и транспортными процессами;
2. производительность выше, отсутствуют простои; процессы легко механизировать и автоматизировать;
В непрерывных аппаратах лучше используется тепло химических реакций и лучше качество готовых продуктов.
6) Механизация трудоемких процессов и автоматизация производств.
Механизация – замена ручного труда машинным. Повышает производительность труда, дает сокращение штата.
Автоматизация – освобождает человека от непосредственного управления процессом с передачей этих функций автоматизированным устройствам.