Министерство образования Российской Федерации

Омский государственный технический университет

Г.М. Давидан

ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Курс лекций

Омск 2003

УДК 66.01 (075)

ББК 35 а 73

Д 13

Рецензенты

В.А. Дроздов, ст. научный сотрудник ИК СО РАН, канд. хим. наук;

С.П. Шалыгин, доцент кафедры «Органическая химия и методика преподавания химии», канд. хим. наук

Давидан Г.М.

Д 13 Общая химическая технология: Курс лекций. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2003. 100 с.

В курсе лекций представлены общие понятия о химическом производстве, компонентах химического производства, критериях оценки его эффективности, теория химико-техноло-гического процесса (ХТП). Кроме того, в работе изложены общие закономерности ХТП, основы теории катализа, а также теории, проектирования и эксплуатации химических реакторов. Вторая половина курса лекций содержит примеры реализации некоторых промышленных процессов основного органического и неорганического синтеза.

Курс лекций предназначен для студентов специальности 250100 «Химическая технология органических веществ», преподавателей, специалистов, аспирантов, занимающихся вопросами химической технологии.

© Г.М. Давидан, 2003

© Омский государственный

технический университет, 2003

Предисловие

Федеральный образовательный стандарт высшего профессионального образования Российской Федерации и учебные планы инженерно-химических специальностей предусматривают преподавание дисциплины «Общая химическая технология». Этот предмет относится к циклу общепрофессиональных дисциплин (ОПД) и является одним из базовых для студентов, обучающихся по специальности 250100 «Химическая технология органических веществ».

При составлении данного курса лекций были полностью учтены требования Федерального стандарта, а также последние достижения в области химической технологии.

Предлагаемый курс лекций «Общая химическая технология» основывается на ряде ранее изученных студентами дисциплин. Среди них следует выделить такие предметы, как: «Общая химия», «Органическая химия», «Физическая химия», «Физика» и некоторые разделы курса «Высшая математика» и т.д.

Данная работа содержит вводную тему, ряд теоретических тем, касающихся компонентов химического производства, его экономики, общих закономерностей его проведения, вопросов моделирования, теории катализа, а также классификации, проектирования и эксплуатации химических реакторов. На примерах некоторых типовых промышленных процессов рассмотрены научные и практические вопросы технологического оформления химических производств.

В курсе лекций широко используется графическая интерпретация описываемых явлений и процессов, что должно способствовать лучшему усвоению студентами изучаемого материала. Текст иллюстрирован большим количеством рисунков и технологических схем производственных процессов. Приведены краткие исторические сведения о возникновении и развитии химических производств в России и за рубежом. Дана сравнительная оценка экономической эффективности различных технологических процессов производства одних и тех же продуктов. Рассмотрены перспективы совершенствования технологических процессов.

Преподавание курса лекций «Общая химическая технология» предполагает научить студентов пониманию основ и особенностей химико-технологических процессов. Другой целью преподавания этого предмета на основе данного курса лекций является лучшее понимание студентами таких дисциплин, как «Технология переработки нефти и газа», «Технология СК и полимеры», «Химия и технология органического синтеза» и др., изучение которых студентами осуществляется в последующих семестрах.

Тема 1 общие понятия о химическом производстве

Химическое производство, будучи составной частью материального производства, является многотоннажным специализированным и основано на достижениях науки и техники. Научной основой химического производства является химическая технология, научная дисциплина, сформировавшаяся к середине 20 века.

Формирование химической технологии как отдельной науки вызвано особенностями материального производства в 20 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.

Из этого 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.

Химическая технология как наука. Химическая технология отличается от теоретической химии принципиально по отношению к задачам и целям. Это связано со спецификой объекта изучения – производственного процесса, где возникают дополнительные у словия и на сам метод 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 так:

C l₂ + H₂ 2HCl - H,

на основании чего делает обобщения:

а) реакция обратима;

б) протекает с поглощением тепла;

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

Химик-инженер-технолог в дополнение 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, мы 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 мануфактурного 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. В конце 19 – начале 20 века 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. К ним относятся 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.

Сложность химического производства сделало целесообразным применение для его исследования системного подхода и введения 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 влияние состояния катализатора. Этот уровень можно изобразить так: