11. Основы технологии химических производств

11.1. Введение в химическую технологию

Химизация наряду с электрификацией, комплексной механиза­цией и автоматизацией производства является одним из основных рычагов ускорения НТП в нашей стране. Под химизацией понимают широкое ис­пользование в народном хозяйстве химических материалов и до­стижений науки.

Непрерывно усиливается влияние химической индустрии на темпы общественного производства. Во-первых, химическая техно­логия предлагает другим отраслям народного хозяйства множество уникальных материалов, способствующих их прогрессу (нитрид бора, искусственные алмазы, химические волокна, синтетические каучуки, электрокерамика, полупроводниковые материалы и т. д.). Во-вторых, химические наука и технология способствуют разви­тию других отраслей народного хозяйства за счет внедрения в них новых эффективных способов воздействия на предметы труда (гальванотехника, отбеливание тканей, биохимический синтез, обо­гащение руд, переработка топлив, электрохимическая обработка металлов и т. д.).

Химическая промышленность, являясь материально-технической базой химизации народного хозяйства, производит продукцию раз­нообразных видов: горно-химическое сырье, основные химические продукты (аммиак, неорганические кислоты, щелочи, соду, хлоропродукты, сжиженные газы и т. д.), синтетические смолы и пла­стические массы, химические волокна и нити, материалы и изде­лия из пластических масс, лакокрасочные материалы, синтетиче­ские красители, фотохимическую продукцию, товары бытовой химии и другие, без которых невозможно существование современного общества.

Основные направления развития химической промышленности:

• ускорить развитие производства современных конструкционных пластических масс и других полимерных мате­риалов,

• увеличить выпуск и расширить номенклатуру малотоннаж­ной химической продукции, прежде всего продукции тонкого орга­нического синтеза, а также заменителей растительных масел и пи­щевых продуктов, используемых для технических целей.

• предпо­лагается создание и освоение производства новых видов высоко­прочных и высокомодульных химических волокон и нитей.

• ставится задача повышения производительности труда в хими­ческой и нефтехимической промышленности при снижении себесто­имости продукции.

11.2. Понятие о химико-технологическом процессе

Химико-технологический процесс (ХТП) можно рассматривать как разновидность производственного процесса, включающего ста­дию химического превращения веществ. Любой ХТП можно пред­ставить состоящим из трех основных стадий: подготовки сырья, химического превращения и выделения целевого продукта.

Рис. 15.1. Схема химико-технологического процесса:

1—стадия подготовки сырья; 2 — стадия химического превращения; 3 — стадия выделения целевого продукта

Е сли А — исходный продукт, a R и S соответственно целевой и побочный продукты, образующиеся по простейшей схеме А , то принципиальную блок-схему такого химико-технологического процесса можно представить следующим образом (рис. 15.1). Первая и третья стадии ХТП не включают химических превращений и характеризуются различными физическими и физико-химическими явлениями при подготовке исходных реагентов к хими­ческим превращениям (стадия 1) или выделении целевого продукта из смеси веществ после химического превращения (стадия 3). Вторая стадия ХТП непременно является химическим превраще­нием, в ходе которого происходит глубокое изменение структуры, состава и свойств веществ, участвующих в нем.

Классификация химико-технологических процессов

Чаще всего основой классификации химико-технологических про­цессов является способ организации процесса, кратность обработки сырья, вид используемого сырья, тип основной химической реакции.

Т ак, по способу организации ХТП могут быть периодическими, непрерывными и комбинированными. В периодических процессах сырье вводится в реактор определенными порциями и так же дискретно из реактора извлекается целевой продукт после завер­шения цикла (рис. 15.2, а). В непрерывных процессах сырье пода­ется в реактор постоянным потоком. За время пребывания в реакторе оно превращается в целевой продукт, который непрерывно выводится из реактора (рис. 15.2,6). Комбинированные процессы могут характеризоваться непрерывным поступлением сырья и периодическим отводом продукта (рис. 15.2, г), периодическим поступлением сырья и непрерывным отводом продукта (рис. 15.2,в), периодиче­ским поступлением одного из исходных видов сырья и непрерыв­ным— другого (рис.15.2, д) и т. д.

Рис. 15.2. Схемы периодических (а), непрерывных (б) и комбинированных (в—д) ХТП, отличающихся по способу организации

По кратности обработки сырья различают процессы с разомк­нутой (открытой), замкнутой (закрытой) и комбинированной схе­мами. В процессах с открытой схемой сырье за один цикл пребы­вания в реакторе превращается в целевой продукт (рис.15.3, а). В процессах с закрытой схемой требуется многократное пребывание сырья в реакторе до того, как оно полностью превратится в конеч­ный продукт (рис. 15.3,б). В комбинированных процессах основное сырье может превращаться в целевой продукт за один цикл, а вспомогательные материалы использоваться многократно (рис. 15.3,в).

Р ис. 1.3. Схемы открытых (а), закрытых (б) и комбинированных (в) ХТП, отличающихся по кратности обработки сырья

По виду используемого сырья ХТП могут быть разделены на процессы по переработке растительного, животного и минераль­ного сырья.

Основу ХТП составляют различные химические реакции: про­стые и сложные, обратимые и необратимые, гомогенные и гетероген­ные, экзотермические и эндотермические.

Протекание простых реакций может быть описано с помощью одного уравнения, для описания сложной реакции требуются как минимум два уравнения.

К обратимым относятся реакции, протекающие в противопо­ложных направлениях со сравнимыми скоростями. Если же ско­рость реакции в одном направлении пренебрежимо мала по сравне­нию со скоростью ее протекания в обратном направлении, реакцию считают необратимой.

Гомогенными считаются реакции между веществами, находящи­мися в одной фазе, гетерогенными — между веществами в раз­личных фазах.

По условиям протекания реакции делят на высокотемператур­ные, протекающие при температуре выше 500°С; электрохимиче­ские, происходящие под действием электрического тока; фотохимические, вызываемые действием света; радиационно-химические, про­исходящие под действием ионизирующих излучений; каталитиче­ские, протекающие с участием катализатора.