Глава 1 общие понятия о химическом производстве

Химическое производство, будучи составной частью материального производства, представляет собой многотоннажное специализированное производство и основано на достижениях науки и техники. Его научной основой является химическая технология – научная дисциплина, сформировавшаяся к середине 20 в.

Формирование химической технологии как отдельной науки вызвано особенностями материального производства в 20-м столетии. К ним относятся:

– стремительные темпы роста и постоянно меняющийся характер промышленного производства;

– успехи смежных научных дисциплин;

– многообразие ассортимента химической продукции и технологических процессов их получения;

– разработка научной классификации и создание теоретических основ хи­мических процессов.

Современная общая химическая технология возникла в результате закономерного на определенном этапе ее развития процесса интеграции ранее самостоятельных технологий производства отдельных продуктов, явив­шейся результатом обобщения эмпирических правил их получения.

Современное химическое производство перерабатывает гигантские объ­е­­мы сырья с использованием колоссального количества энергии различных видов и огромных капитальных и амортизационных затрат.

Отсюда вытекает одно из главных требований к современному произ­водству – экономичность. Эту особенность химической технологии четко определил еще Д. И. Менделеев: «Учение о выгодных (т.е. поглощающих наименее труда людского и энергии природы) приемах переработки природ­ных продуктов в продукты потребления». И еще: «Технология должна изу­чать выгоднейшие способы, выбрать из ряда возможностей наиболее прием­лемую – по выгодности данным условиям времени и места, чтобы придать продукту наибольшую дешевизну при желаемых формах и свойствах».

Развивая эту мысль Д. И. Менделеева, можно заключить, что технология, в широком смысле слова, – это наука о наиболее экономичных способах и средствах массовой переработки природного сырья в продукты пот­реб­ления и/или промежуточные продукты, применяемые в различных областях материального производства.

Химическая технология не может быть сведена только к методам хими­ческой переработки, т.к. в химическом производстве химическим превраще­ниям сопутствуют разнообразные физические, физико-химические и механи­ческие процессы.

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

1.1. Химическая технология как наука

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.

В качестве примера рассмотрим синтез НCl из Cl₂ и H₂ .

Для химика-неорганика имеет значение сама возможность синтеза по реакции

Cl₂ + H₂ = 2HCl.

Физико-химик более глубоко оценивает реакцию и записывает ее следующим образом:

Cl₂ + H₂ 2HCl – H,

на основании чего делает обобщения:

а) реакция обратима;

б) протекает с выделением тепла;

в) возможно управление синтезом путем изменения таких параметров, как температура и соотношение участников реакции.

Химик-инженер-технолог в добавление к сказанному должен учиты­вать ряд дополнительных факторов:

а) доступность и стоимость компонентов сырья, энергии;

б) конструктивные особенности реактора, вспомогательного оборудо­вания и коррозионную стойкость материалов для изготовления оборудова­ния;

в) оптимальные условия ведения процесса с точки зрения экономики;

г) минимизацию ущерба окружающей среде и др.

Сравнивая химический процесс с точек зрения исследователя и инже­не­ра-технолога, отмечаем, что между их взглядами имеется дистанция ог­ромного размера. Суть этих различий можно определить так: химическое производство нельзя рассматривать как некую укрупненную колбу, а хими­чес­кая технология как наука не может быть сведена к теоретической химии.

В средние века в эпоху господства химического ремесла и мануфак-турного производства научное и прикладное направления в химии были раз­делены, и проблемы, стоящие между наукой и производством, решались неза­висимо. В последующие века происходило постепенное сближение нау­ки и производства. На рубеже XIX и XX вв. обе ветви интегрировались в еди­ную науку. Ее целью явилось всестороннее изучение общих химических, фи­зических и технологических компонентов в такой многофакторной систе­ме, как химический процесс. В нем функционально связаны многочисленные параметры. Среди них температура, давление, тепловой эффект, концен­тра­ция реагентов, скорость потока реагентов, фазовое состояние реагентов, при­сутствие катализатора, его состояние, степень превращения сырья в коне­ч­ный продукт, выход этого продукта, существование побочных реакций и т.д.

Химическое производство – это сложное производство и для его исследования целесообразно примене­ние системного подхода и введение понятия «уро­вень протекания процесса». Такими уровнями в химическом производстве являются:

– молекулярный уровень, на котором механизм химических превраще­ний описывается как взаимодействие молекул (микрокинетика);

– уровень малого объема, на котором явления описываются как взаи­модействие частиц (гранул, капель, пузырьков газа, зерен катализатора и т.д.). Для анализа явлений на этом уровне и описания процесса применяется понятие «макрокинетика», задачей которой является изучение влияния на скорость процесса химического превращения при переносе масс исходных и конечных продуктов, процесса массопередачи и влияния состояния катализа­тора. Данный уровень можно изобразить так: