Реферат: Химическая наука и производство

Химическая наука и производство

Химическая технология - научная основа химического производства

Современное химическое производство представляет многотоннажное, автоматизированное производство, основой которого является химическая технология (от techno- искусство, мастерство + logos- учение), т.е. химическая технология - наука о наиболее экономичных и экологически обоснованных методах химической переработки сырых природных материалов в предметы потребления и средства производства. Объекты химической технологии - 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, процесса интеграции ранее самостоятельных технологий производства отдельных продуктов в результате обобщения эмпирических правил их получения.

Современная химическая технология, используя достижения естественных и технических наук, изучает и разрабатывает совокупность физических и химических процессов, машин и аппаратов, оптимальные пути осуществления этих процессов и управления ими при промышленном производстве различных веществ. Химическая технология базируется на химических науках, таких как физическая химия, химическая термодинамика и химическая кинетика. Выдающийся физхимик акад. Коновалов считал одной из главных задач химической технологии, отличающих ее предмет от чистой химии, установление наивыгоднейшего хода операции и проектирование ему соответствующих заводских приборов и вспомогательных устройств. Поэтому химическая технология немыслима без тесной взаимосвязи с экономикой, физикой, математикой и другими техническими науками. Химическая технология на заре своего существования была описательной наукой. Многие первые учебники по технологии служили энциклопедиями технологических процессов. Развитие науки и промышленности привело к значительному росту числа химических производств. Рост химического производства с одной стороны и развитие химических и технических наук с другой стороны позволили разработать теоретические основы химико-технологических процессов. Современное химическое производство перерабатывает гигантские объемы сырья, использует большое количество энергии различных видов, осуществляющихся при больших объемах капитальных и эксплуатационных затрат. Отсюда вытекает одно из основополагающих требований к современному производству - его экономичность. Эту особенность технологии отметил еще Менделеев, определив ее как: «Учение о выгодных приемах переработки природных продуктов в продукты потребления». Технология должна изучать выгоднейшие способы, выбрать из возможных наиболее приемлемую по выгодности данным условиям времени и места, чтобы придать продукту наибольшую дешевизну при желаемых свойствах и формах. Следовательно, технология это наука о наиболее экономичных методах и средствах переработки сырых природных веществ в продукты потребления. Технологии делятся на механические и химические. В механических технологиях рассматриваются процессы, в которых изменяется форма или внешний вид и физические свойства материалов, а в химической технологии- процессы коренного изменения состава, свойств и внутреннего строения вещества.

Особенности химической технологии как науки

Химическая технология отличается от теоретической химии не только необходимостью учитывать экономические требования к изучаемому ею производству. Между задачами, целями и содержанием теоретической химии и химической технологий существуют принципиальные различия, вызванные спецификой производственных процессов, что накладывает ряд дополнительных условий на метод изучения. Рассмотрим пример промышленного синтеза хлористого водорода из С1₂ и Н₂ и влияние различных факторов на синтез.

Для осуществления этого синтеза в промышленных условиях химик - неорганик учитывает саму возможность подобного синтеза, применяя методы физической химии управлять синтезом за счет изменения температуры, давления концентрации компонентов, т.е. влиять на кинетику и термодинамику процесса в масштабе лабораторного эксперимента. Химик - технолог должен учитывать другие факторы: доступность и стоимость сырья и энергии, конструкцию реактора и коррозионно-стойкие материалы для изготовления, меры по защите окружающей среды и т.д. Таким образом, как химическое производство не может рассматриваться в виде некой укрупненной лабораторной колбы, так и химическая технология не может быть сведена к теоретической химии.

Сложность такой системы как химическое производство сделало целесообразным применение для ее исследования системного подхода и введения понятия уровень протекания процесса. При подобном подходе в химическом производстве выделяются несколько последовательно возрастающей сложности подсистем - уровней, каждому из которых свойственен свой метод изучения явления. Такими уровнями в химическом производстве являются:

— молекулярный уровень, на котором механизм и кинетика химических превращений описывается как молекулярное взаимодействие (микрокинетика);

— уровень малого объема, на котором явления описываются как взаимодействие макрочастиц (гранул, капель, зерен катализатора). Для анализа явлений на этом уровне и описания химического процесса введено понятие - макрокинетика, задачей которой является изучение влияния на скорость химических превращений процессов переноса масс исходных веществ и продуктов реакции, процессов теплопередачи и влияние состава катализатора.

- уровень потока, на котором описание явлений дается как взаимодействие совокупности частиц. С учетом характера движения их в потоке и изменения температуры, концентраций реагентов по потоку;

— уровень реактора, на котором описание явления дается с учетом конструкций аппарата, в котором реализован процесс;

— уровень системы, на котором при рассмотрении явлений учитываются взаимосвязи между технологическими узлами промышленной установки и производства в целом.

Таким образом, проблема различия между теоретической химией и химической технологией есть проблема различия между фундаментальными научными исследованиями и реальным промышленным производством, на нем основанном.

Связь химической технологии с другими науками

Химическая технология как наука о крупномасштабном производстве имеет дело со значительными массами и объемами перерабатываемой и производимой продукции.

химический технология производство компонент

Для оценки работы таких крупных агрегатов необходимы крупные единицы.

Основные компоненты химического производства

Химическая технология изучает закономерности проведения химических процессов получения различных по своей природе и назначению продуктов. Независимо от конкретного вида производственной продукции и типа процесса ее получения любое производство включает несколько обязательных элементов: сырье, т.е. объект превращения; энергию, т.е. средство воздействия на объект и аппаратуру, в которой это превращение осуществляется. Особое место в химической промышленности занимает вода. Она не только служит средой, в которой протекают многие химические превращения, но широко используется в процессе, как растворитель, теплоноситель, хладагент, транспортное средство. Поэтому воду правомочно считать четвертым обязательным элементом химического производства.

Химическое сырье

Сырье - один из основных элементов технологического процесса, который определяет в значительной степени экономичность процесса, выбор технологии.

Сырьем называются природные материалы, используемые в производстве промышленных продуктов.

В химическом производстве на различных стадиях переработки можно выделить следующие материальные объекты: исходное вещество или собственно сырье, промежуточные продукты (полупродукты), побочные продукты и отходы.

Полупродуктом называется сырье, подвергшееся обработке на одной или нескольких стадиях производства, но не потребленное в качестве готового целевого продукта. Он может быть использован на последующих стадиях производства. Например,

каменный уголь е коксовый газ^ водорода аммиак.

Побочным продуктом называется вещество, образовавшееся в процессе переработки сырья, наряду с целевым продуктом, но не являющееся целью данного процесса. Например, аммиачная селитра, мел в производстве нитроаммофоски.

Отходами производства называются остатки сырья, материалов, полупродуктов, образующихся в производстве и полностью или частично утратившие свои качества. Например, фосфогипс в производстве суперфосфата.

Полупродукты, побочные продукты и отходы после предварительной обработки или без нее могут быть использованы в качестве сырья в других процессах.

Все химическое сырье классифицируется по различным признакам: по происхождению, химическому составу, запасам и агрегатному состоянию.

Химическое сырье принято делить на:

— первичное (извлекаемое из природного источника;

— вторичное (промежуточные и побочные продукты);

— природное;

— искусственное (полученное в результате переработки природного сырья).

Ценность сырья зависит от уровня развития техники. Например, хлористый калий в 19 веке был используемым 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:

— мало стадийность производственного процесса;

—агрегатное состояние системы, требующее минимальных затрат энергии для создания оптимальных условий протекания процесса;

— минимальное рассеяние подводимой энергии;

— возможно более низкие параметры процесса;

— максимальное содержание целевого продукта в реакционной смеси.

Ресурсы и рациональное использование сырья

В себестоимости химической продукции доля сырья достигает 70%. Поэтому весьма актуальна проблема ресурсов и рационального использования сырья при его переработке и добыче. В химической промышленности в качестве сырья используются соединения более 80 элементов. Эти элементы, входящие в состав земной коры, которая является основным источником химического сырья, распределены в ней неравномерно по природе, концентрациям и географическому расположению. 9 элементов составляют более 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 составляет 0.35%. 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.

Возможность использования сырья определяется его ценностью, доступностью и концентрацией полезного компонента. Доступность сырья для его добычи определяется географическим расположением запасов, глубиной залегания, разработанностью промышленных методов извлечения.

Существенное влияние на возможность использования сырья оказывает концентрация полезного элемента. Например, титан рассеян в земной коре, отнесен к редким элементам, хотя его содержание в коре 0.61%, в два раза больше углерода. В отличие от титана углерод сконцентрирован в доступных растительных, животных материалах, особенно в мощных залежах топлива и карбонатов. Не меньшее значение имеет химическая прочность соединений, в которые входят необходимые элементы. Например, алюминий связан в виде прочных химических соединений- алюмосиликатов, из которых алюминий трудно извлечь. Поэтому его производство началось лишь в конце 19 века.

В н.в. на долю РФ приходится 45% мировых запасов газа и 23% ископаемых углей. В РФ и странах СНГ сосредоточено 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 веке выросла в 3.4 раза, с/с добычи нефти выросла в 2 раза, природного газа в 2.5 раза) выдвинули две задачи:

— разработку объективной оценки скорости исчерпания запасов химического сырья,

— рациональное использование химического сырья.

— .

Подготовка химического сырья к переработке

Сырье, предназначенное для переработки в готовую продукцию, должно удовлетворять определенным требованиям. Это достигается комплексом операций, составляющих процесс подготовки сырья к переработке.

Целью подготовки сырья является процесс придания ему состава и свойств, обеспечивающих оптимальное протекание химико-технологического процесса его переработки. В комплекс операций по подготовке сырья входят: классификация, измельчение (или укрупнение), обезвоживание, обогащение.

В местах добычи сырья строят крупные обогатительные фабрики, комплексно применяющие различные методы подготовки сырья Методы обогащения различны для твердых материалов, жидкостей и газов

Минералами называются физически обособленные вещества или смеси веществ в природе. В природе насчитывается более 2500 минералов, включающие органические и неорганические вещества. Одни и те же вещества могут быть в составе разлиичных минералов.

Перед обогащением горная порода измельчается.

Измельчением называется механический процесс деления твердого тела на части за счет приложения внешних сил. Измельчение производят методами удара (1), раздавливания (2) и истирания (3). Измельчение до частиц 10^-3 называется дроблением и осуществляется в дробилках.

В отдельных случаях проводят укрупнение материала методами брикетирования или агломерации.

Далее проводят классификацию или рассеивание материала.

Классификацией называется процесс разделения однородных сыпучих материалов на фракции (классы) по размерам составляющих их частиц. Рассеивание осуществляется методом грохочения на металлических ситах, называемых грохотами.

Можно пропустить материал через несколько грохотов со все уменьшающимися отверстиями и получить несколько фракций. Рассеивание применяется и для сортировки по крупности зерен более или менее однородного состава, так делят уголь. Применяют плоские и цилиндрические грохоты. Классификацию можно осуществить помимо грохочения разделением смеси частиц по скорости их осаждения в жидкой фазе (гидравлическая классификация), разделением смеси частиц по скорости их осаждения в воздухе с помощью сепараторов (воздушная классификация).

Обезвоживание материала достигается методами стекания, отстаивания (жидкая система) и

сушки.

Обогащением называется процесс отделения полезной части сырья от пустой породы с целью повышения концентрации полезного компонента. В результате обогащения сырье разделяется на концентрат полезного компонента и хвосты с преобладанием в них пустой породы.

Количественными показателями процесса обогащения являются:

— Выход концентрата - отношение массы полученного концентрата т_к к массе обогащаемого сырья т_с

Пк =т_к /т_с

Степень извлечения полезного компонента - представляющая отношение массы полезного компонента в концентрате ткк к его массе в обогащаемом сырье.

Х _и = ткк/ткс

— Степень обогащения сырья - отношение массовой доли полезного компонента в концентрате к массовой доле его в обогащаемом сырье.

Х₀ = Ц /Ц кс

Выбор метода обогащения зависит от агрегатного состояния и различия свойств компонентов сырья.

При обогащении твердого сырья используются механические, химические и физико-химические методы.

К механическим методам обогащения относятся:

— гравитационные, основанные на различной скорости оседания частиц различной плотности и размеров в 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 способы широко применяются для обогащения сырья в производстве силикатных материалов, минеральных солей и в металлургии. Существует много типов машин мокрого гравитационного обогащения, основанного на оседании частиц в потоке: гидравлические классификаторы, гравиемойки, концентрационные столы, отсадочные машины и т.п. Очень эффективно применение центробежных гидравлических классификаторов. Примером такого классификатора может служить гидроциклон.

Электромагнитное обогащение происходит в магнитных сепараторах. Применяется для отделения магнитного железняка, хромистого железняка от пустой породы.

Электростатические сепараторы применяются для отделения электропроводных руд от диэлектрических пород: известняка, гипса и др.

Химические способы обогащения основаны на применении реагентов, которые избирательно растворяют одно из веществ, составляющих смесь, или образуют с одним из веществ соединения, легко отделяемые от других при плавлении, испарении, осаждении раствора. Пример, обжиг минералов для разложения карбонатов, удаление кристаллизационной влаги, выжигание органических примесей.

К физико-химическим методам обогащения относится наиболее распространенный метод флотации. Флотацией называется метод обогащения твердого сырья, основанный на различии в смачиваемости его компонентов. На обогатительных фабриках флотационным методом разделяют на несколько фракций полиметаллические сульфидные руды, отделяют апатит от нефелина, обогащают каменные угли.

Основным показателем смачиваемости минералов служит величина краевого угла смачивания, образующегося на твердой поверхности вдоль периметра смачивания, т.е. вдоль линейной границы раздела твердое тело - жидкость - воздух. Жидкость образует с несмачиваемой частицей тупой угол, а со смачиваемой частицей - острый. Силы поверхностного натяжения стремятся выровнять уровень жидкости, в результате этого несмачиваемая частица выталкивается, а смачиваемая погружается.

Результат флотации зависит от различия в гидрофобности компонентов обогащаемого сырья. При флотации в систему вводят флотоагенты: ПАВ, активаторы, регуляторы рН среды и т.п.

Термическое обогащение.

Основано на различной плавкости материалов, входящих в смесь. При нагревании легкоплавкие материалы вытекают из породы в жидком виде, так выплавляют серу из известняка, гипса.

Жидкости, точнее жидкие растворы, концентрируются выпариванием растворителя донасыщением раствора полезным компонентом выделением каких-либо компонентов в осадок (кристаллизация) или в газовую фазу (десорбция). Для разделения жидких смесей применяется экстракция.

Выпаривание воды применяется в производстве минеральных солей и щелочей, в цветной металлургии, для концентрирования труднолетучих кислот. Для концентрирования природных рассолов используют как испарение воды, так и вымораживание ее в зимнее время.

Газовые смеси разделяются на отдельные компоненты следующими способами:

— последовательной конденсацией газов при сжатии и понижении температуры;

— последовательным испарением газов из предварительно сжиженной их смеси;

— абсорбционно-десорбционным;

— адсорбционно-десорбционным методом.

Комплексное использование сырья является очень важной задачей.

Многие горные породы, сложные минералы, включающие многокомпонентные смеси органических веществ, подвергаются комплексной переработке. При этом из одной породы можно получить различные металлы, неметаллические элементы, кислоты, соли, строительные материалы. Таким образом, комплексная переработка приводит к комбинации различных производств. Примером может служить схема переработки апатитонефелиновой породы, громадные залежи которой имеются на Кольском полуострове. Породу измельчают и разделяют методом флотации на апатит Са₅ Б(Р0₄ )₃ и нефелин (ККа)₂ 0*А1₂ 0₃ *2БЮ₂ . Нефелиновая фракция содержит нефелин, немного апатита и титаномагнетита и небольшое количество минералов, включающих редкие металлы. Химическая переработка нефелина разработана и успешно осуществлена на металлургических заводах РФ, которые по существу являются металлургическо-химическо-цементными предприятиями. Разработаны и осуществлены на различных предприятиях отдельные операции переработки апатита.

Замена пищевого сырья не пищевым и растительного минеральным

Успехи органической химии позволяют производить ряд ценных органических веществ из разнообразного сырья. Так, например, этиловый спирт, используемый в больших количествах в производстве 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, который получают из нефти, природного газа. Из 1тонны древесины получают при гидролизе 160 кг этилового спирта, что заменяет 1.6т картофеля, 0.6т зерна, что намного дешевле. Из древесины получают глицерин, уксусную, лимонную кислоты, кормовые дрожжи. Таким образом, растительное сырье заменяется минеральным. С/С синтетического спирта из нефти в 3 раза ниже, чем из пищевого сырья.

Растительное и животное сырье 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.