Раздел 1
ПОНЯТИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
Определение технологии как науки. Механическая и химическая технология
Наука, которая изучает способы и процессы переработки сырья в предметы потребления и средства производства, называется технологией.
Под понятием "способы и процессы переработки" понимают ряд последовательных операций, которые выполняют с сырьем в разнообразных машинах и аппаратах с целью получения из него необходимого продукта, который непосредственно используется человеком или служит сырьем для получения других продуктов или средств производства.
В современных условиях жизни большая часть времени тратится людьми не на духовную деятельность, а на удовлетворение своих нужд. Поскольку целью технологии является производство предметов потребления, то отсюда можно сделать важный вывод о том, что технология есть одной из важнейших научных дисциплин.
Технология делится на механическую и химическую.
Механическая технология изучает процессы, в которых изменяется форма, внешний вид или физические свойства материалов, тогда как химическая технология рассматривает процессы изменения их химического состава и свойств. К механической технологии принадлежит, например, изготовление мебели из дерева. Производства кислот, солей, щелочей, удобрений, промышленных газов, красителей, пластических масс, искусственных и синтетических волокон, каучука и т.п. принадлежат к химической технологии. Тем не менее такое разделение является в значительной мере условным, поскольку химическая технология широко использует такие механические процессы, как дробление, рассевание, транспортировка твердых материалов, гранулирование и т.п.. В свою очередь в механической технологии применяются материалы (краски, лаки, смазки и т.п.) и методы (растворение, кристаллизации, сушка и т.п.) химической технологии.
Основываясь на этом, можно сформулировать такое определение: химическая технология - это наука об экономически, экологически и социально обоснованных способах и процессах переработки сырья с изменением его состава и свойств на основании осуществления химических и физико-химических преобразований с получением продуктов потребления и средств производства.
1.2. Содержание и структура курса "общая химическая технология", его роль в химико-технологическом образовании
Курс "Общая химическая технология" излагается во ВУЗе после усвоения студентами фундаментальных дисциплин (математики, общей и неорганической, органической, аналитической и физической химии, физики и т.п.). При этом одновременно с изучением физико-химических закономерностей химико-технологических процессов, а также теории и методов расчета реакторов, в курсе "Общая химическая технология" студенты изучают методы определения оптимальных параметров технологического режима, рассматривают вопросы анализа и синтеза современного химического производства как химико-технологической системы. Итак, во время изучения курса студент впервые знакомиться с содержанием и оформлением технологического процесса в целом. Это служит фундаментом для изучения ряда следующих дисциплин, которые предполагаются общим учебным планом и охватывают определенные характерные вопросы химического производства (автоматизации, экономики производства, охраны труда и т.п.). Студенты заканчивают свое образование на специальных кафедрах, где детально изучают конкретные химико-технологические специальности (рис. 1.1).
После изучения курса "Общая химическая технология" студент далее закрепляет и расширяет свои знания и совершенствуется как специалист, но первые сведения о химическом производстве, которые более всего запоминаются, он получает во время изучения именно этого курса. В этот период студент "рождается" как будущий специалист.
В подготовке бакалавра, а потом и инженера-химика-технолога, изучение курса "Общая химическая технология" имеет определенное специфическое значение.
Много специалистов, которые закончили профильные (специальные) кафедры, работают потом не по той конкретной специальности, которую они изучили в высшем учебном заведении. Такие специалисты в своей практической деятельности используют общие теоретические сведения, полученные в ВУЗе, в частности и во время изучения курса "Общая химическая технология". На основании этих знаний, данных литературы, а потом, пройдя стажировку на определенном химическом производстве, инженер-химик-технолог может квалифицированно решать разнообразные задачи этого производства, а также других производств, охватывая и те, которые он не изучал в высшем учебном заведении. Количество химических производств достигает нескольких тысяч, в то время как на специальной кафедре студент может детально выучить лишь несколько их десятков, поэтому глубокое усвоение теоретических основ химической технологии обеспечит фундаментальную подготовку молодых специалистов, которые способны решать технологические задачи широкого круга химических производств. Для инженеров-проектировщиков, химиков-исследователей, технологов-организаторов химических производств курс "Общая химическая технология" также служит надежной базой в их практической деятельности
На основании изложенного можно утверждать, что курс "Общая химическая технология" играет одну из важнейших ролей в химико-технологическом образовании.
Рис. 1.1. Схема подготовки инженера-химика-технолога
1.3. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Основы практической химии были известные человечеству задолго до нашей эры. Еще в глубокой давности человек использовал средства химической технологии для переработки естественного сырья в продукты и предметы потребления. В древнем Египте были развиты такие отрасли, как производство стекла, крашение, обработка ценных металлов, получение соды, уксусной кислоты.
На протяжении многих столетий химические производства были отдельными ручными ремеслами, технологические особенности которых базировались преимущественно на исследовательских и случайных данных. Самое слово "технология" в переводе с греческого языка состоит из двух слов: "технос" - ремесло и "лоґос" - наука. В Киевской Руси, как и в других государствах Европы, к тому времени существовали разнообразные промыслы: плавление цветных и благородных металлов, железа, выделка кожаных изделий, производство пороха, лекарственных веществ, стекла, керамики.
Химическая технология начала формироваться в XIX ст., когда быстрый рост промышленности вызвал большой спрос на химическую продукцию. Этому благоприятствовало открытие выдающимися учеными важных законов физики и химии В начальный период формирования химической технологии большой вклад в ее развитие сделали русские ученые М.В. Ломоносов, Л.М. Бутлеров, Д.И. Менделеев и др. В Украине начала формирования химической технологии приходятся на 30-е года XIX ст., когда начинается развитие фабрично-заводского производства. На заводах в это время широко вводится машинное оборудование. Видное место в перерабатывающей промышленности заняла сахарная область. К тому времени в Украине было 160 суконных фабрик. Развивается военная, металлургическая, машиностроительная, угольная области промышленности. В 1789 г. был построен литейный завод в Херсоне, который отливал пушки и ядра для морского флота. В Николаеве и Херсоне были сооружены судостроительные заводы, которые выпускали военные и торговые корабли. Все эти предприятия остро нуждались в применении новых продуктов и методов химической технологии
Дальнейшее развитие химической технологии характеризуется углубленным использованием законов физики, химии, математики и других точных наук для усовершенствования химико-технологических процессов.
В середине XX века были сделанные первые реальные шаги к тому, чтобы точными математическими методами описать ход отдельных стадий химического процесса.
Глубокое проникновение математики в химическую технологию особенно интенсивно происходило в конце XX века и длится по настоящее время, чему оказывает содействие бурное развитие вычислительной техники, кибернетики, компьютеризации. Вследствие этого химическая технология становится точной наукой, именно это является ее характерной особенностью ныне.
1.4. МЕЖОТРАСЛЕВОЙ ХАРАКТЕР ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Химическая промышленность является одной из основных областей народного хозяйства. Ассортименты продукции, которая производится химической промышленностью, чрезвычайно широк и разнообразен: она выпускает около 50 тыс. наименований химических товаров, важнейшими из которых является удобрения, ядохимикаты, кислоты и щелочи, лаки и краски, цемент, стекло, керамические изделия, синтетические волокна, пластические массы, синтетический каучук и другие продукты. Огромное значение для народного хозяйства имеет химическая переработка нефти, природного газа, угля, дерева и других видов углеродного сырья. Быстрый рост производства химической промышленности и ее проникновение во все сферы народного хозяйства сыграли важную роль в решении важнейших социально-экономических задач: интенсификации сельскохозяйственного производства, ускорении научно-технического прогресса тяжелой промышленности, развития индустриальных методов строительства, расширении сырьевой базы легкой промышленности и производства товаров народного потребления.
Применение минеральных удобрений является наиболее эффективным средством интенсификации сельскохозяйственного производства. Принимая во внимание то, что возможности увеличения посевных площадей почти исчерпаны, а население мира беспрерывно возрастает, можно сделать вывод, что для обеспечения людей пищей необходимо значительное повышение урожайности сельскохозяйственных культур. Известно, что внесение в грунт 1 т питательных веществ (N, Р2О5, К2О) в виде минеральных удобрений (азотных, фосфорных и калийных) обеспечивает прирост урожая (в тоннах) соответственно: для сахарной свеклы- 120...140, 50...55 и 40...50; для картофеля - 100...150', 40...80 и 40...60; для пшеницы - 12...15, 7...8 и 3...4 и т.п.. Поэтому, несмотря на то, что в последние годы по ряду причин производство и внесение минеральных удобрений в Украине сократилось, альтернативы их применению нет, поэтому в дальнейшем промышленность минеральных удобрений будет усиленно развиваться.
Значительную роль в повышении производительности сельского хозяйства сыграют химические средства защиты растений (ядохимикаты, гербициды, дефолианты и т.п.), спрос на которые сейчас удовлетворяется далеко не полностью. Поэтому развитию этого направления тоже должно отводиться надлежащее внимание.
В животноводстве широко применяются разнообразные химические пищевые добавки (пищевые фосфаты, карбамид, соли кальция и т.п.), которые обеспечивают высокий прирост производительности этой области сельскохозяйственного производства. Кроме того, сельское хозяйство остро нуждается в витаминах, синтетических аминокислотах, консервантах для кормов. Нужны в больших объемах и современные полимерные материалы - для тары, изготовления парниковых пленок и т.п..
Итак, интенсивное сельскохозяйственное производство невозможно без широкого применения химической продукции, т.е. высокий уровень его развития невозможен без соответствующего состояния химической промышленности
Электротехника, электроника, авиационная и космическая техника, автомобилестроение остро нуждаются в новых материалах с особыми, часто экзотическими свойствами. Без таких материалов дальнейший прогресс в этих областях невозможен. В электротехнике, например, ныне существует проблема роста мощности электрических двигателей без увеличения их габаритов. Эта задачу невозможно решить без особо надежных изоляционных материалов, пленок и лаков с высокими диэлектрическими характеристиками.
Современная электроника по сути породила в химической промышленности новую подотрасль - производство особо чистых веществ и реактивов с содержанием примесей на молекулярном уровне. Одновременно появилась необходимость создать широкую гамму монокристаллов, пленочных резисторов и другой продукции, специальных керамических и полимерных материалов.
Авиастроение и космическая техника нуждаются в специальных композиционных материалах на базе синтетических смол, углеродных, стеклянных и синтетических волокон, в которых отношение прочности к плотности в несколько раз больше чем у стали, и традиционных для авиастроения алюминиевых сплавов.
В отличие от многих других областей народного хозяйства строительство широко использует полимерные материалы, деревоволокнистые плиты, пенопласты, изделия из минеральной ваты. Расширяется применение полимерных труб и сантехнических изделий, синтетических ковровых материалов, плитки, лаков и красок. Эти материалы как можно лучше отвечают требованиям современной строительной техники: они стойки в агрессивных средах, имеют хорошие гидроизоляционное и теплозащитные свойства. Поэтому химизация строительства - дело абсолютно необходимое и экономически обоснованное
Нельзя не вспомнить и о внедрении химических методов в деревообрабатывающую промышленность, поскольку химизация этой области дает возможность экономить дерево благодаря комплексной химической и химико-механической ее переработке и тем самым сохранять лес.
Каждый знает как глубоко химизирован сейчас наш быт, домашнее хозяйство. Синтетические моющие средства, отбеливатели, препараты для чистки, полирования и ухода за предметами домашнего быта значительно облегчают домашнюю работу, освобождают время для отдыха, обучения и т.п.
Еще важнее социальная роль новых высокоэффективных препаратов и полимерных материалов в фармацевтической промышленности, в производстве медицинских инструментов и оборудования, средств протезирования. В этом смысле можем говорить о химизации здравоохранения, очевидным следствием которого является прямое улучшение медицинского обслуживания.
Итак, передовые области промышленности - машиностроительные, электротехнические, электронные, а также сельское хозяйство, строительство, легкая, деревообрабатывающая, фармацевтическая и другие области, быт - не могут существовать без продуктов химической промышленности. А химическая промышленность, в свою очередь, получает от этих областей мощные стимулы для своего развития и прогресса. Поэтому есть основания утверждать, что химическая технология имеет межотраслевой характер.
1.5. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
Химическое производство - это совокупность большого количества взаимосвязанных технологических аппаратов, которые предназначены для переработки сырья в продукты потребления І средства производства. Это - сложный комплекс, в котором оптимальные параметры работы отдельных аппаратов преимущественно существенно отличаются. Так, например, производство сульфатной кислоты состоит из трех основных стадий, которые характеризуются разными температурными и гидродинамическими режимами: 1) выжигание серосодержащего сырья в печах, которое осуществляется за температуры 973... 1273 К; 2) окисления оксида серы (IV) до оксида серы (VI) при температуре 713...873 К в контактных аппаратах; 3) абсорбция оксида серы (VI) концентрированной серной кислотой (при этом происходит взаимодействие SОз с водой) при температуре 323 К в насадочных колонах. В этом случае мы рассматриваем довольно сложную химико-технологическую систему. Большинство современных химических предприятий - это сложные химико- технологические системы, которые состоят из большого количества аппаратов и потоков между ними. Итак, химико- технологическая система является рядом взаимосвязанных технологическими потоками и действующих как одно целое аппаратов, в которых происходят в определенной последовательности технологические операции - подготовка сырья к химическому превращению, химическое превращение, выделение и очистка конечных продуктов. Современное химическое производство - это совокупность операций, которые осуществляются в соответствующих аппаратах и машинах с получением продукта из сырья целесообразным способом.
1.5. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
Химическое производство - это совокупность большого количества взаимосвязанных технологических аппаратов, которые предназначены для переработки сырья в продукты потребления и средства производства. Это - сложный комплекс, в котором оптимальные параметры работы отдельных аппаратов преимущественно существенно отличаются. Так, например, производство серной кислоты состоит из трех основных стадий, которые характеризуются разными температурными и гидродинамическими режимами: 1) выжигание серосодержащего сырья в печах, которое осуществляется при температурах 973...1273 К; 2) окисление оксида серы (IV) в оксид серы (VI) при температурах 713...873 К в контактных аппаратах; 3) абсорбция оксида серы (VI) концентрированной серной кислотой (при этом происходит взаимодействие SО3 с водой) при температуре 323 К в насадочных колоннах. В этом случае мы рассматриваем довольно сложную химико-технологическую систему. Большинство современных химических предприятий - это сложные химико-технологические системы, которые состоят из большого количества аппаратов и потоков между ними. Итак, химико-технологическая система является рядом взаимосвязанных технологическими потоками и действующих как одно целое аппаратов, в которых происходят в определенной последовательности технологические операции - подготовка сырья к химическим превращениям, химическое превращение, выделение и очистка конечных продуктов. Современное химическое производство - это совокупность операций, которые осуществляются в соответствующих аппаратах и машинах с получением продукта из сырья целесообразным способом. Химико-технологический процесс является совокупностью физических, химических и физико-химических операций, которые выполняются с целью превращения сырья в целевые продукты.
Простейшее производство можно описать такими реакциями:
и изобразить принципиальной схемой, которая охватывает три стадии (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Принципиальная схема простейшего химического производства
1 - подготовка сырья; 2- химическое превращение сырья в целевой продукт;
З - выделение или очистка целевого продукта; R - целевой продукт;
S - побочный продукт; А - сырье
Первой стадией в химическом производстве есть подготовка сырья к осуществлению химических преобразований. Преимущественно, это физические процессы: измельчение, размалывание, растворение, нагревание, концентрирование, обогащение, очищение от примесей и т.п.. Задача первой стадии заключается в том, чтобы предоставить сырью такие свойства, которые дали бы возможность осуществить химическое превращение с наибольшей эффективностью и обеспечить по возможности полное превращение его в желательный продукт с наименьшими затратами.
После подготовки сырья осуществляется вторая стадия - химическое превращение. Она является главной в любом химическом производстве, так как именно на этой стадии ценный компонент сырья превращается в целевой продукт. Вследствие химического превращения образуется смесь, химический состав которой отличается от состава исходного сырья. Наличие стадии химического превращения является признаком того, что производство химическое.
Третья стадия - выделение целевого продукта и очистка его от примесей. Необходимость этой операции связана с тем, что во время химического превращения одновременно с целевым (R) может образовываться побочный продукт (S), а превращение сырья обычно является неполным, вследствие чего образовавшийся продукт будет загрязненным. Это требует дополнительной его очистки. Поэтому непрореагировавшее исходное вещество необходимо возвратить в технологический процесс на первую или вторую стадию химического производства.
Все три вышеупомянутых стадии являются главными составными частями каждого химического производства. Они обеспечивают выполнение основной задачи химического производства - получение продукта заданного качества в необходимом количестве и образуют главную подсистему ХТС. Но производство не может функционировать без обеспечения его энергией, оно также использует значительные объемы воды как теплоносителя, растворителя, реагента. Кроме того, развитие промышленности предъявило новые требования ко всем производствам - целью их функционирования есть не только получение продукта, но и соблюдение таких технологических принципов, как комплексное использование сырья, рациональное использование топливно-энергетических ресурсов, защита окружающей среды от вредных промышленных выбросов и стоков. Итак, в структуре каждого химического производства необходимо предусмотреть комплекс, предназначенный для утилизации отходов и очистки выбросов. Поэтому структура современного химического производства (рис. 1.3) охватывает, кроме трех стадий, указанных выше, еще и вспомогательные подсистемы: энергетическая, водоподготовки и водоочистки, утилизации отходов и очистки выбросов, а также управление.
Рис. 1.3. Структура химического производства
Главная подсистема: 1 - подготовка сырья; 2 - главный технологический процесс (химическое превращение); 3 - выделение и очистка целевого продукта; вспомогательные подсистемы: 4 - энергетическая; 5 - водоподготовка и водоочистка;6 - очистка выбросов и утилизация отходов; 7 -управление
Энергетическая подсистема предназначена для обеспечения всех технологических процессов и операций необходимой энергией, преимущественно в виде электрической и тепловой. Для этого на предприятии сооружают теплоэлектроцентрали, теплоэлектростанции, котельные, бойлерные, а также трансформаторные подстанции для превращения высокого напряжения (десятки и сотни кв), которое подается внешней энергосистемой, к потребителям: 220 и 380 В.
Подсистема водоподготовки и водоочистка предназначена для очистки вод, которые забираются из естественных водоемов, от разных примесей соответственно тому, в каком конкретном технологическом процессе они используются, а также кондиционирование воды, если она используется в закрытом технологическом цикле. Кроме того, в этой подсистеме осуществляют очистку сточных вод, которые образовались в разных технологических процессах, перед их сбрасыванием в естественные водоемы.
Подсистема очистки выбросов и утилизации отходов является обязательной в структуре современного производства. Очень часто она выглядит как отдельное производство, где из отходов или во время очистки выбросов получают дополнительный продукт. Например, из шлаков, которые образовываются после сжигания твердого топлива (уголь), изготовляют строительные материалы, а во время очистки отходящих промышленных газов от оксидов серы можно получить товарную серную кислоту.
Подсистема управления предназначена для управления отдельными подсистемами и согласование их работы. Функции этой подсистемы состоят в обеспечении оптимальных режимов работы в пределах подсистем и оперативном вмешательстве в ход технологических процессов в случае сбоев в работе оборудования или возникновении аварийных ситуаций.
1.5.1. Компоненты химического производства
В системе аппаратов химического производства перерабатываются потоки вещества и энергии, которые называют компонентами химического производства. К ним принадлежат: сырье, реагенты, вспомогательные материалы, энергия, вода, продукты, полупродукты, отходы, оборудование.
Сырье - это исходные (начальные) вещества преимущественно естественного происхождения, которые перерабатываются в целевые продукты.
Реагенты - это химические вещества высокой чистоты (кислоты, щелочи, соли, оксиды и т.п.), которые необходимые для химической переработки сырья.
Материалы - это вещества или изделия, которые используются для переработки сырья в целевой продукт, но у него не переходят. К материалам принадлежат катализаторы, растворители, фильтровальные материалы, сорбенты и т.п..
Энергия служит для осуществления разнообразных процессов химического производства. Возможное использование потоков энергии химических производств в виде вторичных энергетических ресурсов.
Вода в химических производствах служит не только хладагентом или теплоносителем, но и одним из видов сырья. Учитывая значительные объемы потребления воды в промышленных процессах, ее следует выделить как отдельный компонент производства
В химическом производстве различают целевые, приложению (сопутствующие), побочные продукты и полупродукты.
Целевой продукт - это вещество или изделие, которое имеет определенные потребительские свойства и его получение являются главной целью конкретного производства.
Дополнительный (сопутствующий) продукт образовывается одновременно с целевым продуктом и не влияет на его выход. Например, во время электролиза расплава магния хлорида целевым продуктом является металлический магний, а дополнительным (сопутствующим) - хлор.
Побочный продукт также образовывается одновременно с целевым, но при этом выход последнего уменьшается. Например, в производстве метанола из синтеза-газа (СО + 2Н2) его выход уменьшается вследствие того, что часть исходного сырья расходуется на параллельные реакции с образованием побочных продуктов - метана и формальдегида.
Полупродукт - это продукт одной из стадий многостадийного химического производства, который обязательно перерабатывается в продукт, т.е. используются как сырье для следующей стадии в этом самом производстве. Например, в производстве серной кислоты полупродуктами есть SО2 и SO3: оксид серы (IV) является продуктом окисления серы и он в дальнейшем превращается в оксид серы (VI), последний, в свою очередь, вследствие взаимодействия с водой образовывает целевой продукт- серную кислоту.
Отходы - вещества и материалы, которые образовываются в производстве и не используются по месту образования.
Оборудование предназначено для осуществления всех технологических операций от подготовки сырья к химической переработке, самой химической переработки и выделения и очистки целевого продукта. Оборудование разделяют на основное и вспомогательное. В основном оборудовании осуществляют те химические процессы, в которых образовывается целевой продукт, поэтому их называют реакторами. Вспомогательное оборудование предназначается для обеспечения функционирования основного оборудования в оптимальном технологическом режиме, а также транспортировка материальных и энергетических потоков. К нему, например, принадлежат теплообменники, мельницы, фильтры, абсорберы, адсорберы, растворители, сепараторы, компрессоры, насосы, транспортеры и т.п.
1.6. ИЕРАРХИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
Химическое производство - сложная система, где происходят химические реакции, перенос теплоты, вещества и импульса движения как на молекулярном уровне, так и в масштабе аппаратов и технологических схем. Процессы, которые происходят, имеют разный масштаб, разное место проведения, разную интенсивность. Иерархическое строение процессов химического производства приведено на рис. 1.4.
Нижний уровень этой структуры образовывают отдельные элементарные процессы, явления. Процессы могут быть механическими, физическими, химическими. Механические процессы - это перемешивание веществ, изменение формы, размеров; физические - изменение физических параметров среды, фазового состава, агрегатного состояния. Химический процесс состоит в проведении химического взаимодействия между веществами.
Следующим структурным уровнем процессов химических производств есть аппарат, в котором происходит совокупность элементарных процессов. Аппаратами, например, может быть: абсорбер, ректификационная колонна, теплообменник, насос, фильтр, реактор, контактный аппарат и т.п..
Совокупность аппаратов, которые осуществляют определенный комплекс операций, называют агрегатом - это третий уровень. Примером агрегата может быть реактор с теплообменником и смесителем, печь обжига с котлом-утилизатором, контактный аппарат с вмонтированными теплообменниками и т.п..
В совокупности аппаратов и агрегатов происходит химико-технологический процесс (ХТП) с получением определенного продукта: конечного (целевого), промежуточного, полупродукта и т.п. - это четвертый уровень. Так, производство слабой азотной кислоты можно считать химико-технологическим процессом в производстве концентрированной НNO3. В производстве аммиака можно выделить хотя бы два химико-технологических процесса - получение азотоводородной смеси как промежуточного продукта и синтез аммиака.Совокупность химико-технологических процессов образует химическое производство (ХП), в котором получают конечный продукт - это пятый уровень. Шестой уровень - это химический комбинат, завод или производственное объединение, которое является совокупностью химических, а иногда и других производств, и образует структурную экономическую единицу промышленности народного хозяйства.
Рис. ї. 4. Иерархическое строение химического производства ЭП - элементарный процесс; Ап - аппарат; Аг - агрегат; ХТП - химико-технологический процесс; ХВ - химическое производство
1.7. КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
Химических веществ, которые используются в народном хозяйстве очень много и количество их беспрерывно возрастает, поскольку ежедневно открывают и синтезируют все новые вещества. Сейчас известно свыше 3 млн. веществ: около 300 тыс. неорганических и свыше 2,5 млн. органических, каждый из которых отличается от других своими свойствами. Большинство из этих веществ получают вследствие химической переработки сырья, поэтому количество химических производств очень большое. Отсюда можно сделать вывод, детальная классификация химических производств довольно сложная и разнообразная.
Однако, используя обобщенные принципы классификации химические производства можно разделить: по продуктовыми признаками; по схожести свойств физико-химической системы и методов переработки, на которых основывается производство; по организационной структуре управления химическими отраслями промышленности и т.п..
Прежде всего химические производства можно классифицировать по тем товарным продуктам, которые это предприятие выпускает, т.е. по продуктовым признакам. Например, различают производства удобрений, силикатов, пластических масс, каучука и т.п..
Получение некоторых химических продуктов очень похоже по условиям протекания процесса или методам. Так, синтезы аммиака - неорганического продукта, и метилового спирта - органического продукта, происходят по подобным экзотермическим реакциям с уменьшением газового объема
Поэтому и условия синтеза этих веществ очень похожие. Процессы происходят под давлением, в присутствии катализаторов, при повышенной, оптимальной для этого катализатора, температуре. Такие производства, как правило, организовывают в составе одного производственного комбината, объединения или акционерного общества
Химические производства классифицируют также по принципу организационной структуры управления, т.е. по их принадлежности к тому или другого органа управления в государстве. Например, различают предприятия Министерства химической промышленности, Комитета или Министерства промышленной политики, Министерства нефтехимической или фармацевтической промышленности и т.п..
1.8. ПОКАЗАТЕЛИ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
Показатели химического производства характеризуют его технологическое и экономическое совершенство, а также экологическую и социальную безопасность. Показатели разделяют на четыре вида: технологические, экономические, эксплуатационные и социальные.
1.8.1. Технологические показатели
К технологическим показателям принадлежат производительность (мощность) производства, интенсивность работы оборудования, степень превращения компонентов начального сырья, выход продукта, селективность (интегральная и дифференциальная), расходные коэффициенты по сырью и энергии, качество полученной продукции.
Производительность производства или оборудования (П) - это объем (масса или количество) полученного продукта или переработанного сырья за единицу времени.
(1.1)
(1.2)
где N - количество (кмоль, моль) полученного продукта или объем единицы полученного продукта,; G- масса (т, кг и т.п.); τ- время, за которое получена эта продукция.
Для химических производств производительность преимущественно выражают через массу, поэтому ее размерность может быть такой: т/год, кг/ч и т.п..
Проектная производительность производства за год называется мощностью этого производства [т/год].
Интенсивность работы (И) означает полноту использования рабочего объема реактора или аппарата и определяется отношением производительности к его объему или площади поперечного сечения.
(1.3)
(1.4)
где V - объем реактора, м3; S - площадь поперечного перереза аппарата (его насадки, катализатора и т.п.), м2.
Степень превращения (ха) - это часть прореагировавшего исходного реагента. Она определяется отношением количества (массы) реагента (кг, кмоль и т.п.) вступившего в реакцию, к его начальному количеству (массы):
(1.5)
где GA,0 - начальное количество (масса) реагента; GА - количество (масса) реагента, который в химическую реакцию не вступил.
Степень превращения характеризует эффективность осуществления процесса лишь с точки зрения использования исходного сырья. Но в случае хода параллельных или последовательных реакций часть реагента превращается в побочные продукты. Поэтому используют еще один показатель эффективности процесса - выход продукта, который характеризует совершенство производства с точки зрения превращения сырья в целевой продукт.
Выход продукта (хR) - это отношение количества (массы) реально полученного продукта к максимально возможному (теоретическому) его количеству (массе). Теоретическое количество продукта рассчитывается по стехиометрическим уравнениям реакций.
(1.6)
где Оя - масса реально полученного продукта; СКі т - масса продукта, которую можно получить теоретически.
Если продукт образовывается вследствие взаимодействия двух или больше реагентов, то выход продукта можно определить за любым из реагентов. Преимущественно этот показатель определяют за основным (более ценным) реагентом. В этом случае выход продукта за конкретным реагентом определяется отношением массы практически полученного продукта к нему теоретически возможной массы, которую можно получить из этого реагента.
Для электрохимических производств или процессов применяют такую разновидность указанного выше показателя, как:
выход по току - это отношение массы практически полученного продукта к теоретически возможной массе, которую рассчитывают по закону Фарадея
(1.7)
где GR - масса вещества, которое образовалось (превратилась) во время электролиза; Э- эквивалентная масса вещества; I-сила тока; τ— продолжительность электролиза; F - постоянная Фарадея (96500 Кл/экв).
Селективность, или избирательность (s). С помощью этого показателя дается количественная характеристика использованию реагента для получения целевого продукта в случае хода параллельных или последовательных реакций, вследствие которых часть реагента расходуется на образование побочных продуктов.
В химической технологии для оценивания затрат определенного реагента (сырья), энергии или вспомогательных материалов для производства заданной массы (количества) продукта используют расходный коэффициент (Р), который определяется отношением количества (массы) израсходованного реагента (сырья), энергии или материалов к массе (количества) полученного продукта.
Расходный коэффициент по сырью рассчитывается по уравнению
(1.8)
где GА - массовый расход сырья; хА - степень превращения сырья в целевой продукт.
Различают теоретические (Pт) и практические (Pпр) расходные коэффициенты. Теоретические расходные коэффициенты определяют по стехиометрическим уравнением химической реакции получения целевого продукта. Практические расходные коэффициенты преимущественно превышают теоретические, что может быть обусловлено неполным превращением сырья, образованием побочных продуктов реакции и отходов производства, механическими потерями и т.п.. Поэтому практический расходный коэффициент вычисляют с учетом хода побочных реакций и производственных потерь (GА,ПОТ ) на всех стадиях процесса переработки сырья в целевой продукт
(1.9)
где (GА+ GА,пот ) - практический массовый расход сырья.
Качество продукции также относится к технологическим показателям, и характеризует состав и совокупность физико-химических свойств продукта, который вообще определяет его потребительскую ценность. Требования к каждому из продуктов регламентируются действующими стандартами ДСТУ(государственными, отраслевыми, предприятия и т.п.) или техническими условиями (ТУ).
1.8.2. Экономические показатели
Конкурентоспособность продукции – это совокупность ее свойств, которая отображает меру удовлетворения конкретной потребности, репрезентованной на рынке аналогичной продукции. Она определяет способность выдерживать конкуренцию на рынке, т.е. иметь какие-то весомые преимущества по сравнению с аналогичными изделиями других товаропроизводителей.
Производительностью труда как экономической категория понимается эффективность трудовых затрат, способность конкретной работы создавать за единицу времени определенный объем материальных благ.
Капитальные затраты - это затраты на сооружение производственных, административных и вспомогательных зданий и коммуникаций, приобретение оборудования.
Совокупные затраты предприятия, в зависимости от их назначения, выражаются несколькими показателями: валовые затраты, смета производства, себестоимость валовой, товарной и реализованной (проданной) продукции.
Показатель валовых затрат является сборным показателем и охватывает не только те затраты, которые формируют себестоимость продукции, а и другие. Поэтому этот показатель не входит достаточно органически в систему показателей себестоимости продукции и здесь не рассматривается.
Смета производства - это затраты предприятия, связанные с основной его деятельностью за определенный период, независимо от того, входят они в себестоимость продукции в этом периоде или нет. Итак, смета производства и себестоимость общего объема продукции, как правило, не отвечают друг другу. Смета производства составляют за экономическими элементами.
Себестоимость продукции - это денежное выражение затрат на подготовку производства, изготовление и сбыт продукции. Себестоимость продукции охватывает затраты на исследование рынка и выявление потребности в продукции; подготовка и освоение новой продукции; затраты на приобретение сырья, материалов, энергии, амортизацию оборудования и зданий; оплату труда персонала; обслуживание производственного процесса и управление им; сбыт продукции (паковка, транспортировка, реклама, комиссионные затраты и т.п.); разведывание, использование и охрану природных ресурсов (затраты на геологоразведочные работы, плата за воду, дерево, затраты на рекультивацию земель, охрану воздушного, водного бассейнов); набор и подготовку кадров; текущую рационализацию производства (усовершенствование технологии, организации производства, работы, повышение качества продукции).
Цена - это денежное выражение стоимости товара (продукции, услуги). Она всегда колеблется вокруг цены производства и отображает уровень общественно необходимых затрат работы.
1.8.3. Эксплуатационные показатели
Управляемость производства определяется его способностью как можно скорее реагировать на целенаправленное изменение технологических параметров осуществления процесса.
Чувствительность - это свойство химико-технологического процесса как системы изменять характеристики функционирования под влиянием изменения собственных параметров (параметров элементов и параметров технологического режима) и внешнего действия.
Надежность производства - это его способность вырабатывать продукцию необходимого качества с заданной производительностью и обеспечением желательных технико-экономических показателей на протяжении определенного промежутка времени.
Пожарная безопасность - это состояние промышленного объекта, у которого регламентирована вероятность невозможности возникновения и развития пожара и влияния на людей его опасных факторов.
Пожаро- и взрывоопасность производства определяется показателями пожаро- и взрывоопасности веществ и материалов и их агрегатным состоянием. К показателям пожаро- и взрывоопасности веществ и материалов принадлежат: группа горючести, температуры вспышки, загорания, самовозгорания, нижняя и верхняя концентрационные пределы воспламенения, условия теплового самовозгорания и т.п..
1.8.4. Социальные показатели
Социальные показатели характеризуют условия работы на конкретном производстве, его безвредность для работающего персонала и окружающей среду, а также степень автоматизации и механизации.
Вредность производства определяется наличием вредных веществ, которые вследствие контакта с организмом человека при условиях нарушения требований безопасности работы могут привести к производственной травме, профессиональному заболеванию или нарушениям состояния здоровья непосредственно в процессе работы, а также могут проявиться в будущих поколениях.
Химические вещества (вредные и опасные) соответственно действующему стандартам по характеру влияния на организм человека разделяют на:
- общетоксичные, вызывающие отравление всего организма (ртуть, оксиды углерода, толуол, анилин);
- раздражающие, вызывающие раздражение дыхательных путей и слизистых оболочек (хлор, аммиак, сероводород, озон);
- сенсибилизирующие, действующие как аллергены (альдегиды, растворители и лаки на основе нитросоединений);
- канцерогенные, вызывающие раковые заболевания (ароматические углеводороды, аминосоединения, асбест);
мутагенные, вызывающие изменения наследственной информации (свинец, радиоактивные вещества, формальдегид);
влияющие на репродуктивную (воспроизведение потомства) функцию (бензол, свинец, марганец, никотин).
Механизация - это замена физической работы человека техникой. Механизация повышает производительность работы вследствие интенсификации работы аппаратуры или сокращение штата обслуживающего персонала. В большинстве химических производств основные операции механизированы, но и по сей день, не всегда механизирована загрузка сырья, разгрузка продукта и транспортировка материала. Именно механизация этих стадий и является главной задачей настоящего времени.
Автоматизация - это использование приборов, которые дают возможность осуществлять производственный процесс без непосредственного участия человека, а только под ее контролем. Автоматизация - это высшую степень механизации, которая дает возможность значительно увеличить производительность труда и улучшить качество продукции при высоких экономических показателях производства. Автоматизация производства дает возможность осуществлять химико-технологический процесс в четко определенных границах технологических норм без их нарушений, которые часто возникают при условиях ручного регулирования. Производственная деятельность любого химического производства должна быть построена на использовании высокоэффективных средств и технологий, которые обеспечивают гармоническое взаимодействие человека и природы.
1.9. ОБЪЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА ОСНОВНЫХ ПРОДУКТОВ
ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ В УКРАИНЕ.
Уровень химизации народного хозяйства Украины начал интенсивно возрастать со второй половины 60-х годов XX ст., а в 70- 80-тые года досяг высочайшего уровня. В это время объемы производства и использование минеральных удобрений, химических средств защиты растений, продуктов нефтехимии, органического синтеза пластмасс, синтетических и химических волокон, красителей, синтетических моющих средств и т.п. измерялись десятками и сотнями тысяч тонн за год. В частности, в 1990 году производство составляло(тыс. т): кальцинированной соды - 1185,4; фосфорных удобрений - 300; калийных удобрений (в расчете на 100 % К2О) - 197,3; моющих средств - 300. Однако химические предприятия Украины работали, главным образом, на сырье, которое завозилось из других республик Советского Союза, использовали малоэффективные и энергоемкие технологии. Поэтому, начиная с 1991 года, после распада СССР, уровень производства и потребление продукции химической промышленности резко уменьшается. Спад производства в эти годы в значительной мере объясняется резким уменьшением покупательной платежеспособности промышленных потребителей и население. Так, в 1996 году производство составляло (тыс. т): аммиака - 3975; азотных удобрений - 905; кальцинированной соды - 600; калийных удобрений (в расчете на 100 % К2О) - 56; моющих средств и чистки - 34. Но, начиная с 1997 года, наблюдается стойкая тенденция роста производства основных продуктов химической промышленности. В 2000 г. было произведено (тыс. т): серной кислоты (в расчете на моногидрат) - 825,17; аммиака - 4100; азотных удобрений - 1926; гранулированного двойного суперфосфата - 70; моющих средств - 74. На протяжении 2001-2003 гг. продолжали увеличивать объемы выпуска продукции такие основные предприятия химического комплекса Украины, как Северодонецкое ДВП "Объединение Азот", Черкасское ОАО"Азот", Горловское ОАО"Стирол", ЗАО "Лукор" (г. Калуш Ивано-Франковской обл.), Крымская ДАК "Титан". Также продолжается рост в производстве синтетических красителей, калийных и фосфорных удобрений на ОАО"Краситель", ОАО"Краска", ДАК "Титан" и ОАО"Сумыхимпром". Наблюдается рост объемов товарного производства и в нефтехимическом секторе, который предопределяется главным образом ростом выпуска шин для грузовых автомобилей и для сельскохозяйственных машин в ОАО"Днепрошина" и связанного с этим рост производства технического углерода в ОАО"Кременчугский завод технического углерода" и в ОАО"Стахановський завод технического углерода". Также наблюдается повышающаяся тенденция в производстве резиново-асбестовых изделий. В последние годы увеличились объемы производства таких видов продукции: аммиака, серы кусковой, карбамида, аммофоса, натриевой селитры, метанола, каустической соды, этилена, пропилена, бензола нефтяного, смол синтетических и пластических масс, кислоты уксусной, капролактама и т.п..
Для улучшения технико-экономических показателей работы предприятий и резкого увеличения объема произведенной продукции, такой необходимой для народного хозяйства Украины, в последние годы усилилась работа относительно:
достижение технического прогресса в химической промышленности вследствие полного обеспечения ее областей разными видами отечественного минерального сырья, полупродуктов, материалов, катализаторов; разработки и внедрение малоотходных и безотходных технологий; снижение энерго- и водопотребления; переработки отходов производства; повышение производительности и интенсификации работы аппаратов; механизации трудоемких процессов; автоматизации и дистанционного управления процессами; улучшение социальных условий работы;
уменьшения и постепенной ликвидации зависимости Украины от импорта химического сырья, материалов и готовой продукции и одновременно создание постоянных кооперированных связей для обеспечения сырьем и полупродуктами между химическими комплексами стран Европы и мира;
улучшение экологической ситуации в Украине;
постепенного роста экспорта химической продукции.