Теоретичні основи хімічної технології вступ

Технологія — це сукупність знань про способи і засоби проведення виробничих процесів (від грецького „техно” — мистецтво, ремесло або виробництво; „логос” — учення, наука).

Можна сформулювати технологію як науку про виробництво. За останній час з'явилися повніші визначення технології. Зокрема, технологію характеризують як науку про раціональні засоби і способи здійснення виробничих процесів або науку про раціональні методи і процеси переробки сировини в продукти споживання і засоби виробництва.

Згідно іншому визначенню, технологія — наука, що вивчає способи і процеси переробки продуктів природи (сировини) в пред-мети споживання і засоби виробництва. За характером використання вихідної речовини відрізняють хімічну технологію від механічної.

У виробничих процесах, зв'язаних із застосуванням механічної технології, у оброблюваного вихідного матеріалу відбувається в основному зміна лише зовнішньої форми. При цьому матеріал якісно не змінюється.

Хімічна технологія за рахунок реакцій приводить до якісних перетворень вихідних речовин. У ній вони проявляють свою внутрішню активність на відміну від пасивної ролі в механічній технології. Отже, в результаті хімічного процесу змінюється не тільки форма, що може бути і в будь-якому фізико-механічному процесі, не тільки агрегатний стан, що спостерігається при здійсненні фізичних процесів, але і молекулярна структура вихідних речовин. Отже, в хімічній технології перебігають перш за все процеси, що приводять до зміни складу, властивостей, внутрішньої будови і агрегатного стану вихідних речовин. Тому хімічна технологія дозволяє використовувати хімічну активність речовин для отримання нових сполук і матеріалів, які відрізняються за своїми фізико-хімічними властивостями від вихідних і можуть бути використані людиною.

Хімічна технологія може розглядатися в чотирьох аспектах: з погляду аналізу шляхів перетворення сировини в готові продукти, тобто з погляду вибору способів і методів переробки сировини на основі вивчення різних процесів;з погляду аналізу роботи типових апаратів і машин (вибору конструкцій і параметрів їх роботи) і їх взаємозв'язку між собою;з економічної і соціальної точок зору;з погляду екологічної безпеки.

Об’єкти вивчення хімічної технології-хімічні процеси і апарати для здійснення хімічних перетворень, а також хіміко-техноло-гічні виробництва в цілому.

Мета хімічної технології-опис, пояснення, прогнозування поводження об’єктів хімічної технології на основі існуючих закономірностей.

Як наука хімічна технологія базується на закономірностях загальної, органічної і фізичної хімії, фізики, математики, загальнохімічних і загальноінженерних дисциплін, а також на загальнотехнологічних закономірностях, в основу яких покладений перш за все системний підхід.

Найголовнішим завданням технології є визначення найвигідніших умов проведення технологічних процесів.

Таким чином, хімічна технологія фокусує найістотніші риси розвитку науки про виробництво. Для неї характерний також якісно вищий рівень виробничого використання самої речовини, її внутрішній активності. Крім того, хімічній технології властива можливість повнішого використання відходів виробництва за рахунок їх перетворення на цінну сировину для інших виробництв. У завдання хімічної технології в даний час входить не тільки створення необхідних видів речовин і матеріалів, але і виробництво енергії, захист навколишнього середовища і ін.

Хімічна технологія охоплює широкий круг методів і процесів, які пов'язані не тільки з молекулярною зміною вихідних продуктів, але і з фазовими переходами, які використовувані при розділенні продуктів хімічного синтезу. У зв'язку з цим, хімічна технологія як наука пов'язана з вивченням хімічних, фізико-хімічних, масо- і теплообмінних і інших процесів, з вибором методів і способів переробки вихідної сировини в продукти і предмети споживання, а також засоби виробництва і, нарешті, з вибором маршруту проходження сировини і напівпродуктів по різних апаратах, зв'язаних в єдину технологічну схему.

Основні тенденції розвитку сучасної хімічної промисловості пов'язані перш за все з вирішенням глобальних проблем людства. До них відносяться: продовольчі ресурси Землі; ресурси мінеральної сировини для промисловості; енергетичні ресурси; запобігання забрудненню біосфери. Всі ці проблеми взаємозв'язані і повинні вирішуватися комплексно. У їх рішенні істотно зростає роль біотехнології. Біотехнічні методи боротьби з токсикантами, забрудненням ґрунту, води і атмосфери, мікробіологічні методи вилучення корисних копалини, біологічні методи виробництва ферментів і біологічно активних речовин перевершують по ефективності можливості традиційних методів.

Основним шляхом збільшення виробництва продуктів харчування і поповнення харчових запасів є хімізація сільського господарства і тваринництва. Сучасний рівень хімічної технології і особливо біотехнології дозволяє отримувати в промисловому мас штабі з нехарчової рослинної сировини моносахариди, етанол, гліберин, фурфурол, рослинні дріжджі, амінокислоти, білково-вітамін-ні концентрати і інші продукти.

Одна з провідних тенденцій хімічної технології, зокрема хімії вуглеводнів і хімічної переробки вугілля і сланців, - створення великомасштабних виробництв нових видів хімічних продуктів і сировини багатоцільового призначення. Такими продуктами є молекулярний водень, аміак, гідразин, метанол, які виконують роль як хімічних компонентів, так і вторинних енергоносіїв.

Особливе значення серед цих речовин має водень, найбільш чистим і практично невичерпним джерелом якого є вода. Отримання водню з води — завдання стратегічного значення.

Найбільш перспективні технологічні процеси використання водню — синтез аміаку і метанолу, синтез рідких і газоподібних вуглеводнів (штучне рідке паливо, метан), гідрогазифікація твердих палив, пряме відновлення руд чорних і кольорових металів, спікання металевих порошків, авіаційне, автомобільне і ракетне паливо, паливо для газових турбін і магнітогідродинамічних генераторів. За наявності дешевого водню можна перетворювати оксид вуглецю (IV) невичерпних природних запасів карбонатних порід процесами гідрування в метанол, метан, оксид вуглецю (II), рідкі вуглеводні, сечовину. Намічені деякі напрями широкого використання водню, пов'язані з тим, що на нікелевих, кобальтових і рутенієвих каталізаторах взаємодія оксиду вуглецю (IV) з воднем дає метан, а на оксидних каталізаторах — метанол. У всіх розвинених країнах світу проводиться робота по дослідженню економічних способів великомасштабного виробництва водню і створенню водневої технології.

Серйозні перспективи має радіаційно-хімічний спосіб отримання водню з води, особливо у поєднанні з високотемпературним термолізом. Він орієнтований на комплексне використання випромінювання і теплоти ядерних реакторів. Із завданнями водневої енергетики тісно зв'язані і проблеми ефективного використання сонячної енергії. Істотно зростає роль хімічної енергетики, цілями якої є розробка високоефективних способів акумуляції енергії в енергоємних речовинах типу водню і метану, які легко транспортуються і здатні зберігати запасену енергію скільки завгодно довго.

Перехід на споживання водню об'єднає енергетику і хімічну технологію, побутове газопостачання і металургію, енергопостачання автомобільного і авіаційного транспорту і виробництво синтетичних вуглеводнів в єдину технологічну систему. При використанні водневої технології повністю знімаються екологічні і сировинні проблеми.

Одним з основних світових джерел енергії є атомна енергетика. На ядерну енергію доводиться майже 6% світового паливно-енергетичного балансу і 17% електроенергії, що виробляється. В світі діють 436 атомних електричних станцій (АЕС). Потужність АЕС в США перевищує 90 млн. кВт,у Франції — 45 млн. кВт, в Японії — 27 млн. кВт. У Росії на долю АЕС доводиться лише 21 млн. кВт встановленої електричної потужності. На відміну від енергетики на органічному паливі, де на нього приходиться до 60% витрат на виробництво електроенергії, витрати на ядерне паливо відносно малі (приблизно 20%), а основна частина витрат в атомній енергетиці — споруда і обслуговування — зменшується із збільшенням потужності реакторів і АЕС, що робить виробництво електроенергії на крупних АЕС домінуючим напрямом атомної енергетики.

Важливе значення для інтенсивного розвитку атомної енергетики має її відносна екологічна чистота. При спалюванні органічних палив на теплових електростанціях (ТЕС) відбувається викид в навколишнє середовище великих об'ємів оксидів азоту, сірки і вуглецю, токсичних вуглеводнів, золи і пилу і супроводжується споживанням величезної кількості кисню. На АЕС такі шкідливі викиди не утворюються, а кисень не витрачається. Безумовною перевагою атомних АЕС є і те, що навіть рівень створюваною ними надмірній радіоактивності нижче, ніж навколо вугільних ТЕС, і не вносить серйозного додаткового внеску до природного радіоактивного фону. Розвиток атомної енергетики для виробництва електричної теплової енергії дозволяє вивільнити значні кількості органічного палива для подальшої його комплексної переробки.

Принципово новий напрям великомасштабної хімічної технології заснований на використанні атомної енергії в хімічних цілях. Нова технологія базується на енергоємних терморадіаційних процесах, що відбуваються при комбінованому використанні теплової і радіаційної енергії ядерних енергоджерел (атомних реакторів, сильноточних прискорювачів). Теплота атомних реакторів використовується для проведення ендотермічних високотемпературних процесів, а енергія - випромінювання — для здійснення радіаційнохімічних процесів синтезу і модифікації матеріалів. Інтеграція хімічної технології і атомної енергетики зробить істотний вплив на прискорення науково-технічного прогресу.

В умовах обмежених ресурсів нафти величезне значення як новий вигляд сировини для хімічних і нафтохімічних продуктів набуває вугілля.

В Україні проводиться робота зі створення і освоєння економічних процесів і способів комплексної переробки вугілля і інших не нафтових видів горючих копалин в облагороджені тверді, рідкі і газоподібні види палива і хімічної сировини, по використанню продуктів переробки в енергетиці, металургії, хімії і нафтохімії, транспортуванні палива і передачі електричної енергії з метою збільшення ресурсів палива, хімічної сировини і енергії. Однією з важливих проблем є широке використання поновлюваних джерел сировини і енергії, особливо біомаси. Майже 90% біомаси біосфери складає біомаса наземних рослин; решта частини доводиться на водну рослинність і гетеротрофні організми. Загальні її запаси на Землі оцінюються в 1836 млрд. т з енерговмістом 27500 млрд. ГДж, що еквівалентно 640 млрд. т нафти. Первинним джерелом біомаси є дерева, сільськогосподарські культури і водні рослини. Біомаса за своїм складом може бути вуглецевмісною (рослинний матеріал, де-ревинна тріска, тирса, морські водорості, зерно, папір, пакувальна тара) або цукровмісною (цукровий буряк, цукровий очерет, сорго).

Біомаса є крупним поновлюваним джерелом енергії і може бути використана для отримання водню, газоподібних, рідких, ^{твердих} вуглеводнів і хімічної сировини. Щорічний приріст тільки лісів світу складає приблизно 50 млрд. т, а продукція всього річного фотосинтезу досягає 57•10¹⁵ т вуглецю в рік, що у декілька разів перевищує споживання енергії людством. Останніми роками намітилися основні шляхи хімічної і біохімічної трансформації біомаси в паливо і продукти органічного синтезу. Велика роль продукції малотоннажної хімії. Вона використовується для підвищення якості і поліпшення споживчих властивостей товарів, що випускаються, створення нового наукоємкого вигляду техніки, матеріалів і технологій, а також для вирішення екологічних проблем і питань економічної безпеки країни. До цієї групи входять продукти, що випускаються в порівняно малих кількостях методами тонкого органічного і неорганічного синтезів з особливо цінними, найчастіше заданими властивостями. Зокрема: лакофарбні матеріали, синтетичні барбники і проміжні продукти для їх виробництва, допоміжні речовини для текстильної, шкіряної, хутряної і інших галузей промисловості, хімічні реактиви і особливо чисті речовини, люмінофори, монокристали, поверхнево-активні речовини і ін. У технічно розвинених країнах випереджаючими темпами розвивається виробництво продуктів багатоцільового використання. До них відносяться, перш за все аміак і метанол. До 70% світового виробництва аміаку і 75% метанолу виробляється на базі природного газу, інша сировина — бензинові фракції і легкі вуглеводні, включаючи зріджені нафтові гази і нафтозаводський газ.

Подальша інтенсифікація розвитку економіки і підвищення її ефективності в значній мірі залежать від комплексного використання природних ресурсів, поліпшення технологічних процесів і підвищення ефективності охорони навколишнього середовища. Раціональне використання біосфери і її охорона від шкідливих техногенних процесів набувають зростаючого значення.

Хімічній технології належить вирішальна роль у вдосконаленні і розробці нових ефективних способів очищення промислових викидів від шкідливих домішок. Одне з найважливіших завдань сучасної технології — розробка технологічних процесів, що виключають шкідливі викиди в атмосферу і водоймища. Головним напрямом вирішення екологічних проблем є комплексне використання сировини і прискорене впровадження мало відхідних технологічних процесів і безвідходних виробництв. Для успішного вирішення завдань по прискореному розвитку галузей хімічного комплексу, корінному підвищенню технологічного рівня і експлуатаційної надійності хімічного устаткування потрібний випереджаючий розвиток хімічного машинобудування і, природно, підвищення рівня хіміко-технологічної підготовки у вищих учбових закладах.

Основною рисою нової технологічної ідеології є науковий системний підхід, що розглядає в єдності фізико-хімічний, фізико-математичний, інженерно-технічний, економічний, екологічний і соціальний аспекти організації виробництва. Таке розуміння повинне бути націлене на створення мало стадійних (у ідеалі одно стадійних), надійних, безпечних, енергоефективних, високопродуктивних і економічних, безперервних і безвідходних, гнучких (легко перебудованих) по сировині і цільовим продуктам виробництв. Створення таких виробництв нерозривно пов'язане зі зміною підходів до апаратурного оформлення технологічних схем, розробки новітніх принципів розділення середовищ, інтенсифікації тепло- і масообміну, а також широкому впровадженню методів математичного моделювання і оптимізації як реакторної частини технологічної схеми, так і всієї схеми в цілому.

Підприємства хімічної промисловості України можуть стати цілком конкурентноздатними з провідними зарубіжними фірмами. Інтеграція їх в світову економіку може відбутися тільки при мобілізації всіх виробничих ресурсів, впровадженні нових технологічних процесів і модернізації виробництва. Однією з умов успішного рішення цих задач є постійне вдосконалення хімічної технології, починаючи з розвитку її теоретичних основ і кінчаючи розробкою ефективних технологічних схем і створенням сучасного хімічного машинобудування.