Основы химической технологии и лесопереработки

Создание таких комплексов может не только уменьшить выбросы  в окружающую среду и напрасные  потери  энергии, но и дать существенно нелинейный синергетический эффект, который скажется на производительности подобных комплексов, на качестве продукции и на безопасности работы.

Третий «кит», о котором  шла речь, - это химизация промышленности, увеличение доли химических процессов во всех отраслях народного хозяйства. В отличие от первых двух, этот тезис практически всеми у нас принимается и воспринимается.

В валовом национальном продукте большинства стран доля химической продукции очень существенна: от 5% в США до 8% в ФРГ. В России она составляет около 7%.

Химическая промышленность нашей страны, начиная с предвоенных  лет, развивалась более быстрыми темпами, чем народное хозяйство  в целом, что соответствует общемировой  тенденции.

Естественно, что растущее значение, которое приобретают химические процессы в современных технологиях, отражаются и на экономических стимулах. В США наиболее высокая заработная плата из всех специалистов с высшим образованием установлена именно для химиков-практиков и химиков-исследователей.

Цифры развития химической промышленности и химических процессов  во всем мире за последние десятилетия  впечатляют, но это только начало процесса. В построении будущего технологического общества и химическим процессам, и  химическим подходам, и химикам вообще предстоит сыграть существенно большую роль, чем до сих пор. Ни одна крупная проблема не может быть решена без широкого использования химико-технологических процессов.

Масштаб современных  химических процессов на одно из первых мест выдвигает безопасность их проведения. Известно, что с троекратным возрастанием объема химической промышленности аварийность возросла почти на порядок и в еще большей степени – средняя стоимость каждой единичной аварии. Это связано с увеличением плотности химических предприятий, их удельной мощности и доли аварий, сопровождающихся взрывами и пожарами.

Проблема безопасности должна рассматриваться совместно  с ее экологическими аспектами на трех уровнях. Прежде всего следует  рассматривать процессы, которые  могли бы быть надежными и безопасными (используют реагенты, температуры, давления и среды, не представляющие даже потенциальной опасности для персонала и окружающего населения). Второй уровень – потенциально опасные производства, но снабженные такими техническими средствами наблюдения, которые исключили бы превращение потенциально опасной системы в систему реально опасную. На третьем уровне рассматриваются аварийные ситуации и комплекс мер, способствующих их локализации после возникновения.

Что касается экономических  аспектов химической технологии, их знание будет полезно любому образованному человеку, в особенности имеющему дело с техникой.

Будучи связанной с  целым рядом социальных и экономических  проблем, химическая технология в качестве базовой использует методологию  системного анализа, математического моделирования и оптимального управления сложными системами

Согласно методологии  системного анализа перед решением любой задачи обязателен выбор цели. Предвижу возражения: разве обязателен выбор цели для космохимика или  для химика-спектральщика? Нет, он может обследовать объект потому, что ему методически интересно испробовать данный прибор, данный метод наблюдения!.. В такой манере исследователь, связанный с прикладными задачами, с технологией работать не может.

Второй принцип системного анализа – альтернативность – также обязательный атрибут технолога. Во-первых, просто необходимо сравнить различные возможные способы производства одного и того же продукта, во-вторых, если элементы (реакторы, задвижки, системы нагревания, системы воздействия на реагирующую среду) не рассматривать в альтернативных вариантах, решение не получится экономичным. То же самое относится к математическому моделированию: создаваемые системы, как правило, очень сложны, и в большинстве случаев нереально все их испытать, проверить в натуральную величину. Поэтому математическое моделирование, результаты которого могли бы иметь предсказующий или предостерегающий характер – обязательный элемент в работе химика-исследователя, связанного с технологией

Эти методологические навыки важны для технологического образования любого химика-исследователя, который хотел бы связать свою деятельность с практическими задачами.

 

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И НАУЧНЫЕ  ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ СОВРЕМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

 

Среди других отраслей химическая промышленность занимает одно из важнейших мест. Удельный вес химической и нефтехимической отраслей в общем производстве в РФ составляет около 9%, что соизмеримо с удельным весом таких отраслей, как черная и цветная металлургия и уступает только топливной отрасли и машиностроению (около 20%).

В структуре химической промышленности выделяют отрасли широкой  специализации (горная химия, основная химия, производство органического  синтеза и т. д.) и отрасли узкой  специализации (производство минеральных  удобрений, пластмасс, синтетических каучуков, красителей и т. д.).

В отечественном производстве принята классификация, в соответствии с которой продукция химической промышленности сгруппирована в  семь классов, каждый из которых насчитывает  от сотен до тысяч различных наименований. При этом к собственно химической промышленности обычно не относят такие отрасли, как металлургия, производство силикатных материалов и некоторые другие, хотя и в них используются химические методы переработки. Эта классификация отражена на рис. 3.

В системе материального  производства химическая промышленность занимает особое место. Ее специфическими особенностями являются:

- особые методы воздействия  на предметы труда, приводящие  к химическим превращениям, что  позволяет получать новые вещества;

- разнообразие и узкая  специализация применяемых аппаратов  и другого оборудования;

- широкий спектр источников  сырья для производства одного  и того же вида продукции;

- высокая (до 85%) материалоемкость  производства;

- высокое энергопотребление, превосходящее в два раза энергопотребление промышленности в целом;

- высокая степень автоматизации  производства;

- широкое комбинирование  производств на основе единого  вида сырья и его комплексного  использования.

Перечисленные особенности  химической промышленности определяют ее высокую эффективность, способность быстро и гибко перестраиваться на производство новых видов продукции, определяют ее решающую роль в получении новых материалов.

Современное материальное производство, в том числе химическое, представляет многотоннажное специализированное производство, основанное на достижениях науки и техники. Научной основой химического производства является ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, научная дисциплина, сформировавшаяся в ее современном виде к середине ХХ века. Объекты химической технологии – ВЕЩЕСТВА и СИСТЕМЫ ВЕЩЕСТВ, участвующие в химическом производстве, процессы химической технологии – совокупность разнообразных операций, осуществляемых в ходе производства с целью превращения этих веществ в другие.

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ – это отрасль химической науки, изучающая вещества и процессы их превращений в ходе химического производства.

Наиболее емкое определение  было дано Д. И. Менделеевым более 100 лет назад: «Технология – учение о выгодных (т. е. поглощающих наименее труда людского и энергии природы) приемах переработки природных продуктов в продукты, потребные для применения в жизни людей… Дело, например, химии изучать получение железа из его руд…, а дело технолог ¤ №.и изучить выгоднейшие для этого способы, выбрать из возможностей наиболее приемлемую по выгодности – к данным условиям времени и места…» (Брокгауз Ф. А., Ефрон И. А. Энциклопедический словарь. – С.-П., 1901. – Т. 33. – С. 132). Обратите внимание, что главным является не просто получение целевого продукта, чем мог бы довольствоваться химик-исследователь, а массовое получение продукта при минимальных затратах ресурсов труда, сырья, энергии, минимальных капитальных вложениях и минимальном ущербе для человека и окружающей природной среды.

В настоящее время  под химической технологией мы понимаем важнейшую область знаний в практической деятельности, которая охватывает вопросы управления процессами химической переработки сырья в целевые продукты, выбранными на основании фундаментальных физико-химических закономерностей с учетом экономических и социальных факторов, ресурсообеспечения и необходимой безопасности производства. Длительное время считали, что основу химической технологии составляют СЫРЬЕ, ЭНЕРГИЯ и АППАРАТУРА. В настоящее время выделяют по меньшей мере 10 элементов химической технологии. К ним относятся:

1) физикохимия процесса  и поиски оптимальных физико-химических  условий его осуществления;

2) сырье, основные и  побочные продукты, отходы производства;

3) энергетика процесса, условия максимального полезного действия энергии;

4) аппаратура, среди которой  наиболее важны химические реакторы, аппараты для осуществления химико-технологических  процессов;

5) материалы аппаратуры  и средства их защиты от  коррозии, создание новых материалов;

6) аналитический контроль и управление процессом (включая автоматизацию и управление ЭВМ);

7) организация и охрана  труда;

8) защита окружающей  среды и создание  ЭКОТЕХНОЛОГИИ,  т. е. технологии при использовании  которой химическое производство  не наносит ущерба окружающей  среде;

9) экономика производства, включая капиталовложения, производительность труда и себестоимость продукции;

10) развитие принципиально  новых химико-технологических процессов,  в том числе с использованием  экстремальных воздействий (космическая  технология, радиационные, плазмохимические, криохимические процессы).

СЫРЬЕ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

 

Химическая технология изучает процессы производства продуктов  из природного сырья. Что же является сырьем для химических производств?

СЫРЬЕ – это природные  материалы, используемые в производстве промышленной продукции, на добычу и производство которых затрачен труд.

Сырье – основной элемент  производства, от которого в значительной степени зависят экономичность  производства, выбор технологии и  аппаратуры и качество производимой продукции.

В химических производствах  часто используют несколько видов  сырья, смешанных в определенных отношениях. Такая смесь твердых  материалов называется ШИХТОЙ.

По происхождению сырье  может быть минеральным, растительным или животным. В химической промышленности чаще всего используется минеральное сырье, т. е. добываемые из земных недр природные минералы. Минеральное сырье делится на рудное, нерудное и горючее.

Рудное сырье, или руда, служит для получения металлов. Например, руды железа, марганца, титана состоят главным образом из сульфидов и оксидов соответствующих металлов.

Нерудное минеральное  сырье – это горные породы или  минералы, являющиеся источником получения  неметаллических химических продуктов. К нему относят апатит, фосфорит, гипс, известняк, слюду, хлорид натрия и др.

Горючее минеральное  сырье – ископаемые, которые могут  служить в качестве топлива (каменные и бурые угли, нефть, природный  газ и т. п.). Этот вид сырья иногда называют органическим, так как оно  имеет органическое происхождение. В последние годы органическое сырье все чаще используют не в качестве топлива, а как сырье для химической промышленности.

В химическом производстве на различных стадиях переработки  можно выделить следующие материальные объекты: исходные вещества или собственно сырье, промежуточные продукты (полупродукты), побочные продукты, конечный целевой (готовый) продукт и отходы.

ПОЛУПРОДУКТОМ называется сырье, подвергшееся обработке на одной  или нескольких стадиях производства, но не потребленное в качестве готового целевого продукта. Полупродукт, полученный на предыдущей стадии производства, может быть сырьем для последующей стадии, например в цепи превращений:

Каменный уголь –  Обратный коксовый газ – Водород  – Аммиак

ПОБОЧНЫМ ПРОДУКТОМ  называется вещество, образующееся в процессе переработки сырья наряду с целевым продуктом, но не являющееся целью данного производства. Побочные продукты, образующиеся при добыче или обогащении сырья, называются ПОПУТНЫМИ ПРОДУКТАМИ.

ОТХОДАМИ ПРОИЗВОДСТВА называются остатки сырья, материалов и полупродуктов, образующихся в производстве и полностью или частично утративших свои качества.

Полупродукты, побочные продукты и отходы производства после  предварительной обработки или  без нее могут быть использованы в качестве сырья в других производствах. Например, оксид серы (IV) SO₂ является побочным продуктом при выплавке цветных металлов и промежуточным – при производстве серной кислоты. Серная кислота, будучи готовым продуктом сернокислотного производства, служит сырьем для производства минеральных удобрений (простого суперфосфата).

Сырьем для химической промышленности служат продукты горно-рудной, нефтяной, газовой, коксохимической, лесной и целлюлозно-бумажной отраслей промышленности, черной и цветной металлургии.

К веществам, используемым в качестве химического сырья, предъявляется ряд общих требований. СЫРЬЕ ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА ДОЛЖНО ОБЕСПЕЧИВАТЬ: