Міністерство освіти і науки України
Науково-методичний центр вищої освіти
Український державний лісотехнічний університет
Орест ТУШНИЦЬКИЙ
ЗАГАЛЬНА ХІМІЧНА ТЕХНОЛОГІЯ
Навчальний посібник
Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів
Львів
Видавничий дім "Панорама"
2003
ББК 35я73
Т-74
УДК 66(075.8)
А в т о р:
О.П. ТУШНИЦЬКИЙ, канд. техн. наук, доц. каф. хімії УкрДЛТУ
Р е ц е н з е н т и:
д-р техн. наук, проф., завідувач каф. хімії і технології неорганічних речовин НУ "Львівська політехніка", заслужений діяч науки і техніки України В.Т. ЯВОРСЬКИЙ,
д-р техн. наук, проф., завідувач каф. хімічної технології переробки деревини Українського державного лісотехнічного університету П.А. БЕХТА
Літературний редактор В.В. ДУДОК
Гриф "Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів" надано Міністерством освіти і науки України (Лист № 1/11-2857 від 09.07. 2003 р. ).
ISВN 5-7763-1381-3 О.П. Тушницький, 2003
Видавничий дім "Панорама", 2003
Зміст
ВСТУП 6
Частина І. ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ХІМІЧНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ 7
Розділ 1. ХІМІЧНА ТЕХНОЛОГІЯ І ХІМІЧНЕ ВИРОБНИЦТВО 7
1.1. Предмет і завдання хімічної технології 7
1.2. Класифікація хімічних виробництв 8
1.3. Хімічна технологія як наука 9
1.4. Значення хімічної технології, її міжгалузевий характер 10
1.5. Етапи розвитку хімічних виробництв і хімічної технології 11
1.6. Основні напрямки і перспективи розвитку хімічної технології і техніки 11
Розділ 2. ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ І ВИЗНАЧЕННЯ У ХІМІЧНІЙ ТЕХНОЛОГІЇ 14
2.1. Класифікація технологічних процесів 14
2.2. Схеми руху матеріальних та енергетичних потоків 15
2.3. Хіміко-технологічні розрахунки. Матеріальні та енергетичні баланси 16
2.4. Інтенсивність та швидкість процесів 19
2.5. Продуктивність праці 21
2.6. Роль фізико-хімічних закономірностей у хімічній технології 21
2.7. Економічні вимоги, що ставляться до раціонального виробництва 23
2.8. Науково-дослідна, експериментальна і проектна робота в хімічній промисловості 25
Розділ 3. ХІМІЧНІ ПРОЦЕСИ І РЕАКТОРИ 27
3.1. Система процесів у хімічному реакторі 27
3.2. Класифікація ХТП 27
3.3. Основні показники ефективності ХТП 29
3.4. Термодинамічні основи ХТП 29
Розділ 4. ХІМІЧНІ РЕАКТОРИ 39
4.1. Класифікація хімічних реакторів 39
4.2. Режим руху і перемішування реагентів 41
Розділ 5. ГОМОГЕННІ ХІМІКО- ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ І РЕАКТОРИ 46
5.1. Гомогенні процеси у газовій фазі 46
5.2. Гомогенні процеси у рідкій фазі 46
5.3. Вплив концентрації реагуючих речовин, тиску, температури, переміщування на швидкість гомогенних реакцій 48
5.4. Реактори для гомогенних процесів 50
Розділ 6. ГЕТЕРОГЕННІ (нЕКаТаЛіТиЧнІ) ХІміко-ТЕХНОЛОгіЧНІ ПРОЦЕСИ 52
6.1. Рівновага і швидкість гетерогенних процесів 52
6.2. Процеси і реактори у системі газ-рідина (Г–Р) 53
6.3. Процеси і реактори у системі газ-тверде тіло (Г–Т) 57
Розділ 7. КАТАЛІТИЧНІ ПРОЦЕСИ І РЕАКТОРИ 63
7.1. Суть і види каталізу 63
7.2. Гомогенний каталіз 64
7.3. Гетерогенний каталіз 66
7.4. Властивості твердих каталізаторів і їх приготування 67
7.5. Каталітичні реактори 69
Розділ 8. СИРОВИНА І ЕНЕРГІЯ ХІМІЧНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ 77
8.1. Мінеральна сировина 77
8.2. Добування і підготовка сировини до переробки 79
8.3. Сировина рослинного і тваринного походження 85
8.4. Енергія у хімічному виробництві 86
Частина II. ПРОМИСЛОВІ ХІМІЧНІ ВИРОБНИЦТВА 91
Розділ 9. ВИРОБНИЦТВО АМОНІАКУ 91
9.1. Зв'язаний азот та його значення 91
9.2. Методи зв'язування атмосферного азоту 92
9.3. Отримання та очищення азотоводневої суміші 93
9.4. Фізико-хімічні основи процесу синтезу амоніаку 95
9.5. Промислові способи виробництва синтетичного амоніаку 98
Розділ 10. ВИРОБНИЦТВО НІТРАТНОЇ КИСЛОТИ 104
10.1. Загальна характеристика нітратної кислоти 104
10.2. Фізико-хімічні основи виробництва нітратної кислоти 105
10.3. Оптимальні умови процесу окиснення амоніаку 108
10.4. Переробка нітрозних газів на розбавлену нітратну кислоту 109
10.5. Виробництво розбавленої нітратної кислоти 111
Розділ 11. ВИРОБНИЦТВО СУЛЬФАТНОЇ КИСЛОТИ 115
11.1. Основні властивості та застосування сульфатної кислоти 115
11.2. Сировинна база сульфатно-кислотного виробництва 116
11.3. Виробництво сульфітного газу 116
11.4. Контактний спосіб виробництва сульфатної кислоти з колчедану 121
11.5. Виробництво сульфатної кислоти з сірки та сірководню 125
Розділ 12. ВИРОБНИЦТВО КАЛЬЦИНОВАНОЇ СОДИ 128
12.1. Загальна характеристика содових продуктів 128
12.2. Фізико-хімічні основи виробництва кальцинованої соди 128
12.3. Принципова схема виробництва кальцинованої соди 130
12.4. Виробництво каустичної соди 135
Розділ 13. ЕЛЕКТРОХІМІЧНІ ВИРОБНИЦТВА 138
13.1. Основні закони електрохімії 138
13.2. Електроліз водних розчинів. Виробництво їдкого натру і хлору 141
13.3. Переробка електролітичного хлору. Виробництво хлоридної кислоти 144
Розділ 14. ЕЛЕКТРОТЕРМІЧНІ ВИРОБНИЦТВА 148
14.1. Основні електротермічні закони 148
14.2. Виробництво кальцію карбіду 149
14.3. Виробництво кальцію ціанаміду 150
14.4. Виробництво фосфору і фосфатної кислоти 151
Розділ 15. ОСНОВНІ ВИРОБНИЦТВА У ХІМІЧНІЙ ТЕХНОЛОГІЇ ПЕРЕРОБКИ ДЕРЕВИНИ 154
15.1. Піроліз деревини 154
15.2. Виробництво целюлози 156
15.3. Гідроліз деревини 158
15.4. Виробництво каніфолі і терпентину 159
ЛІТЕРАТУРА 164
ВСТУП
Хімічні процеси та реактори, об'єднані у хіміко-технологічні системи (ХТС), становлять основу виробництва у багатьох галузях промисловості: хімічній, нафтохімічній, мінеральних добрив, металургії, чорних і кольорових металів, целюлозній і лісохімічній, будівельних матеріалів, харчовій, фармацевтичній, фото- і кіноматеріалів.
Розвиток хімічної промисловості вимагає розробки і впровадження високоефективних енерго- і ресурсоощадних, а також екологічно чистих технологій.
Хіміко-технологічними методами отримують десятки тисяч продуктів, вивчення технології яких у загальному курсі хімічної технології неможливе. У цьому немає і необхідності, оскільки в міру розвитку хімічної технології все більш типовими стають хімічні процеси і реактори. Розроблені хіміко-технологічні системи з однотипними процесами і реакторами, які можна застосувати у виробництві багатьох хімічних продуктів. Тому інженерам з хімічної технології необхідні глибокі знання загальних закономірностей хімічної технології, найбільш типових хіміко-технологічних процесів і реакторів, принципів створення раціональних автоматизованих хіміко-технологічних систем.
Застосування загальних закономірностей до конкретних хіміко-технологічних процесів найкраще вивчати на прикладах виробництв, які базуються на типових процесах, мають велике народногосподарське значення і найбільше відповідають спеціальності, за якою ведеться підготовка фахівців.
Даний курс складається з двох частин. У першій частині подаються теоретичні основи хімічної технології, включаючи сировинну, енергетичну і екологічну проблеми. У другій частині подано приклади найважливіших виробництв, у т. ч. виробництв, які є найбільш типовими у хімічній технології переробки деревини та рослинної сировини.
Внаслідок вивчення дисципліни студент повинен знати:
основні закономірності та вплив різних чинників на перебіг хіміко-технологічних процесів;
принцип побудови хімічного виробництва;
принцип організації хімічного виробництва;
типові виробництва хімічної технології.
Автор висловлює щиру подяку доктору технічних наук, професору В.Т. Яворському, завідувачу кафедри хімії та технології неорганічних речовин Національного університету "Львівська політехніка" та доценту цієї кафедри З.О. Знаку за цінні поради та рекомендації.
Частина і. Теоретичні основи хімічної технології
Розділ 1. ХІМІЧНА ТЕХНОЛОГІЯ І ХІМІЧНЕ ВИРОБНИЦТВО
1.1. Предмет і завдання хімічної технології
Технологія – це методи і способи обробки і переробки сировини у кінцеві продукти за допомогою відповідної техніки.
Хімічна технологія – це переробка сировини із зміною складу та її властивостей.
Завданням технології є проектування, вибір фізико-хімічних умов і розробка схем виробничих процесів, а також вибір матеріалів для виготовлення апаратури.
Перед хімічною наукою і промисловістю стоять завдання:
далі розвивати синтез нових речовин і виробництво на їх основі матеріалів з наперед заданими властивостями;
удосконалювати існуючі способи отримання синтетичних речовин і матеріалів;
створювати нові способи добування речовин і матеріалів, на основі яких можна було б розробити високоекономічні промислові процеси.
Перетворення речовин потребує певних затрат енергії, тому необхідною умовою розвитку хімічної промисловості с розвиток енергетики. У собівартості таких продуктів як хлор, кальцію карбід, фосфор тощо, частка затрат на енергію становить близько 50 %.
Промисловість – це складний комплекс окремих великих спеціалізованих галузей.
Галузь – це сукупність підприємств, науково-дослідних і проектно-конструкторських організацій, які розробляють і виготовляють подібну за своїми основними властивостями і призначенням продукцію, використовуючи спеціалізоване обладнання і належну технологію.
Виробництво – це сукупність всіх операцій, які проходить сировина до отримання з неї продукту. Метод виробництва складається з послідовних операцій, які проходять у відповідних машинах і апаратах. Сукупність операцій становить хіміко-технологічну систему (ХТС). Опис ХТС називають технологічною схемою. Операція проходить в одному або кількох апаратах; вона може поєднувати різні технологічні процеси. У хімічних апаратах-реакторах, як правило, одночасно відбуваються гідравлічні, теплові, дифузійні і суто хімічні процеси.
Технологію поділяють на механічну і хімічну. У механічній технології змінюються форма, зовнішній вигляд і фізичні властивості матеріалу. У хімічній технології змінюються склад, властивості і внутрішня будова речовини. Цей поділ умовний, бо часто при зміні зовнішнього вигляду змінюються склад і хімічні властивості речовини. Наприклад, ливарне виробництво належить до механічної технології, але при литті металів відбуваються і хімічні реакції. Хімічні процеси, у свою чергу, у всіх виробництвах супроводжуються механічними.
Хімічну технологію умовно поділяють на технологію неорганічних і технологію органічних речовин.
1.2. Класифікація хімічних виробництв
Вся промисловість за економічною ознакою поділяється на:
галузі, що виробляють засоби виробництва;
галузі, які виготовляють предмети споживання.
За ознакою приналежності до предметів праці (сировини) промисловість поділена на добувну і переробну.
Хімічна промисловість складається з двох груп:
промисловість неорганічних речовин;
промисловість органічних речовин.
Але багато виробництв неорганічних і органічних речовин дуже подібні за методом добування, технологічними схемами і апаратурою і часто розміщуються на спільній території. Так, технологічні схеми, методи і апаратура для синтезу амоніаку і метанолу аналогічні; їх цехи часто розміщують на території одного заводу.
Сучасна хімічна промисловість складається з кількох великих галузей, які поділяються на підгалузі. Найголовніші з них такі:
1. Гірничо-хімічна промисловість, що займається добуванням гірничо-хімічної сировини і її підготовкою до переробки на гірничих заводах.
2. Основна хімічна промисловість, що виробляє: мінеральні добрива (тукова промисловість); сульфатну кислоту і олеум (сульфатнокислотна промисловість); хлор і каустичну соду (хлорна промисловість) та інші продукти основної хімії.
3. Промисловість основного органічного синтезу, що виробляє найважливіші органічні сполуки: насичені вуглеводні, ароматичні вуглеводні, спирти, альдегіди, кетони, кислоти, ефіри, аміни, органічні продукти, які містять хлор, фтор, фосфор, кремній та інші елементи, органічні розчинники, мономери для пластмас та синтетичних смол, миючі засоби тощо.
4. Промисловість хімічних волокон, що виробляє штучні волокна на основі целюлози (віскоза, ацетатний шовк) і синтетичні волокна (капрон, анід, нейлон, лавсан, нітрон, хлорин тощо).
5. Промисловість синтетичних смол і пластмас, а також продуктів їхньої переробки, що випускає полімерні продукти і матеріали (напівфабрикати) та вироби з них.
6. Лакофарбова промисловість, що виробляє лаки, фарби і емалі.