Химическое производство
Термин «технология» происходит от греческого "technos" - искусство, ремесло и "logos" (логос) - понятие, учение, т.е. наука о способах получения из природных материалов (сырья) предметов потребления и средств производства. В соответствии с характером проводимых процессов можно выделить два вида технологии: механическую и химическую.
Любая технология представляет перечень отдельных операций или отдельных процессов, которые приводят к получению готового продукта.
Механическая технология изменяет физические свойства, форму и внешний вид сырья (дробление), химическая - состав сырья, его химические и физико-химические свойства или структуру. Химическая технология - объективная общность природного, научно-технического и личностно-социального компонентов, представленная множеством процессов и методов переработки сырья при коренном изменении его состава и физико-химических свойств или структуры, связанных прямыми и обратными связями материально, энергетически и информационно для получения средств производства и средств потребления.
Возникновение науки о химической технологии относится к концу XVIII века, когда после стремительного развития текстильной промышленности в последней трети века возникла потребность в химических продуктах - серной кислоте, соде, хлоре.
Первоначально наука о химической технологии представляла собой собрание рецептов и описание немногих существовавших в то время химических производств без обоснования выбранного способа производства. Затем в нее были включены описания всех производств, в которых осуществлялись химические превращения. Кроме описания технологических приемов делались попытки проанализировать некоторые физико-химические явления.
В России изучение химической технологии относится к началу XIX века. Проф. Ф.А. Денисовым (Московский университет) было издано «Пространное руководство к общей технологии или к познанию всех работ, средств, орудий и машин, употребляемых в разных технических искусствах». В руководстве в отдельную часть выделена «Общая технология»; вторая часть посвящена описанию отдельных производств «от начала до конца».
Из химической технологии в специальные науки выделены производства, в которых специфичные для них методы имели значение наряду с общими для всех химико-технологических, -например, металлургия, производство строительных материалов (цемент, стекло, керамика), текстильные отрасли (отбелка и крашение материалов), а также нефтепереработка (за исключением подготовки сырья для химических производств).
Общие закономерности для названных специальных наук по-прежнему сосредоточены в науке о химической технологии, которая в настоящее время называется общей химической технологией.
К 30-м годам XX столетия был накоплен большой фактический материал по химической технологии, и из нее в виде отдельной дисциплины были выделены физические процессы общие для многих технологических методов (транспортировка веществ, выпаривание, фильтрование и т.д.), в основе которых лежат закономерности физики. В них включены гидродинамические, тепловые, диффузионные и механические процессы. Во второй половине XX века в отдельную дисциплину выделены контрольно-измерительные приборы и автоматизация химических производств.
В настоящее время химическая технология представляет собой блок наук, изучающих процессы с химическими и физико-химическими превращениями, имеющие общие закономерности на основе химической термодинамики и кинетики.
1. КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
Необходимость классификации химических производств и тем более химико-технологических процессов очевидна из определения химической технологии как множества химико-технологических систем, состоящих из необходимого и достаточного числа химико-технологических процессов.
В технической и учебной литературе существует несколько видов классификации химических производств.
Системообразующим началом химической технологии является закон потребления. Поэтому классификация по продуктовому признаку наиболее соответствует существу химической технологии. Если при переработке сырья получают несколько продуктов, то производство называют по основному получаемому продукту. Например, при выработке серной кислоты из колчедана одновременно получают селен и мышьяк, однако производство называют сернокислотным. В некоторых случаях названия производства содержат и поясняющие слова - прямой синтез этанола, контактный способ производства серной кислоты, экстракционный способ получения фосфорной кислоты и т.д., но в любом случае это способ получения продукта.
2. СОСТАВ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
Любое химическое производство может быть представлено состоящим из трех основных технологических операций:
1 – стадия подготовки исходного сырья;
2 – стадия химического превращения;
3 – стадия разделения;
4 – стадия водоподготовки;
5 – энергия;
6 – санитарная очистка.
3 КОМПОНЕНТЫ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
Сырье
Полупродукт
Целевой продукт
Побочный продукт
Отходы
Вода
Энергия
4. ПОКАЗАТЕЛИ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
На современном уровне развития химической технологии известно множество органических и неорганических веществ, получаемых различными способами. Каждый способ состоит из нескольких этапов переработки сырья или исходного продукта. Число этапов переработки, т.е. химико-технологических процессов, m ≥ 1. Столь большое число химических производств и химико-технологических процессов возрастает еще в связи с тем, что отдельные продукты получают несколькими способами. Выбор приемлемого в том или ином случае способа предполагает сравнение этих способов на основе принятых критериев эффективности.
Для оценки химического производства и каждого этапа переработки сырья (химико-технологического процесса) выделяют 5 групп критериев эффективности:
технические показатели характеризуют общий уровень производства, его совершенство;
2. технологические (используют только для оценки эффективности химической реакции);
3. эксплуатационные;
4. технико-экономические;
5. социальные.
5. ИЕРАРХИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ХИМИЧЕСКОГО
ПРОИЗВОДСТВА
VI уровень – комбинат (производственное объединение).
V уровень – химическое производство.
IV уровень – ХТП.
III уровень – агрегат (участок цеха).
II уровень – отдельные аппараты.
I уровень – отдельные механические, физико-химические и химические процессы.
Лекция 3
ЭНЕРГЕТИКА В ХИМИЧЕСКОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Содержание лекции
1. Виды энергии, используемые в химическом производстве.
2. Классификация энергетических ресурсов.
3. Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР).
1.ВИДЫ ЭНЕРГИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ХИМИЧЕСКОМ
ПРОИЗВОДСТВЕ
Химическое производство принадлежит к числу наиболее энергоемких. Так, если в продукции всей промышленности доля затрат на энергию составляет 2,5%, то в продукции нефтехимической и химической отраслей она достигает 8,9%. Химическая отрасль промышленности, производя 6% промышленной продукции, потребляет до 12% всей вырабатываемой электроэнергии. Эта высокая энергоемкость обусловлена значительным потреблением энергии такими химическими производствами как производство аммиака, фосфора, карбида кальция, карбоната натрия, химических волокон и пластмасс, которое составляет более 60% электрической и 50% тепловой энергии всей отрасли. Энергия затрачивается не только на проведение химических реакций, но также на транспортировку материалов, дробление и измельчение твердых веществ, фильтрацию, сжатие газов и др.
Все химические процессы протекают с изменением энергии; выделением или ее поглощением, поэтому при оформлении химико-технологического процесса должно быть предусмотрено использование выделяющейся энергии для повышения экономичности. В химической промышленности применяются разнообразные виды энергии: электрическая; тепловая; топливная; механическая; ядерная энергия; химическая; энергия света.
2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ
Основными источниками энергии, потребляемой промышленностью, являются горючие ископаемые и продукты их переработки, энергия воды, биомасса и ядерное топливо. В значительно меньшей степени используется энергия ветра, солнца, приливов, геотермальная энергия.
Все энергетические ресурсы подразделяются на первичные и вторичные, возобновляемые и невозобновляемые, топливные и нетопливные.
К топливным энергетическим ресурсам относятся уголь, нефть, природный газ, сланцы, торф, биомасса и др. К нетопливным – гидроэнергия, энергия ветра, лучистая энергия Солнца, глубинная теплота Земли и др.
Выбор энергоносителя производится на основе комплексной анализа следующих совокупных взаимовлияний:
требований со стороны технологии данного производственного процесса, санитарно-гигиенических норм и охраны окружающей среды;
экономических последствий различий в конструктивном оформлении и условиях эксплуатации используемой для данного процесса системы машин и оборудования;
изменение качества и количества выпускаемой продукции потребляемого сырья и материалов, а также выхода побочных продуктов, которые могут быть использованы в этом или в других процессах;
наличия энергетического оборудования;
затрат на сравниваемые энергоносители;
фактора времени, поскольку требуется согласование всех технико-экономических показателей во времени.
Решение о предпочтительности того или иного энергоносителя может приниматься только при обязательной сопоставимости сравнимых вариантов. Для этого должны быть рассчитаны и согласованы выпуск и качество продукции, санитарно-гигиенические условия и безопасность труда, надежность энергоснабжения, уровень загрязнения окружающей среды, тарифы при исчислении всех технико-экономических показателей
3. ВТОРИЧНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ (ВЭР)
Вторичные энергетические ресурсы - это энергетический потенциал конечных, побочных и промежуточных продуктов и отходов химического производства (отходящие газы, горячие жидкости, пар и др.), используемые для энергоснабжения агрегатов и установок. Полноценное использование этого вида энергии имеет большое экономическое значение, так как влияет на снижение себестоимости готовой продукции.
СЫРЬЕ В ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Содержание лекции
Классификация сырьевых ресурсов и требования к ним.
Основные направления рационального использования сырья
Методы обогащения твердого сырья.
1. КЛАССИФИКАЦИЯ СЫРЬЕВЫХ РЕСУРСОВ
И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ
Химическая промышленность характеризуется высокой материалоемкостью производства. На 1 т готовой химической продукции расходуется, как правило, несколько тонн сырья и материалов, отсюда следует, что себестоимость химической продукции в значительной мере определяется качеством сырья, способами и стоимостью его получения и подготовки, расходами на перевозку. В химической промышленности затраты на сырье в себестоимости продукции составляют 60-70%, а в нефтехимической промышленности - более 70%.
Потребление минерального сырья мировым сообществом увеличивается стремительными темпами. Только за первую половину ХХ века оно выросло почти в 3,5 раза, а к концу столетия составило более 100 млрд т. Если погрузить все это сырье на железнодорожные платформы, понадобится состав, длина которого в 16 раз превосходит диаметр Земли по экватору. Бурный рост производительных сил сопровождается быстрым истощением природных ресурсов. По некоторым данным основные эксплуатируемые источники топлива и минерального сырья могут быть исчерпаны уже в течение ближайших 100-150 лет. Если для угля время исчерпания по разным оценкам измеряется столетиями, то для нефти и газа понадобятся для этого лишь несколько десятилетий, а запасы целого ряда металлов, например руд, содержащих Аg, Аu, Рt, Sn, Zn, РЬ, U и другие металлы, уже сегодня находятся на грани истощения. Многие промышленно развитые страны и крупные регионы остро ощущают недостаток энергетических ресурсов, некоторых важнейших видов минерального сырья и пресной воды. Так, Япония практически не располагает собственной сырьевой базой, США более чем на 75-90 % зависят от импорта по 16 видам полезных ископаемых (в том числе руд, содержащих Мn, Со, Сr, Тi, Nb, Sг, А1, Рt, Sn, Та, Sb). Россия даже после распада СССР сохранила прочные или доминирующие позиции в мире по разведанным запасам основных видов сырьевых ресурсов, необходимых для развития народного хозяйства, в том числе и химической промышленности. На территории РФ находятся до 45 % мировых запасов природного газа, больше половины запасов торфа и калийных солей, около 30 % фосфатов и древесины, более 20 % угля. Одно из первых мест принадлежит РФ по разведанным запасам многих видов рудного и нерудного сырья.
Относительно более благоприятная ситуация с состоянием сырьевых и энергетических ресурсов в нашей стране превратила вывоз этих ресурсов за рубеж начиная с 70-х годов в основную статью экспорта. По данным печати только на сооружение мощного экспортного газопровода Уренгой - Поморы -Ужгород было затрачено средств больше, чем на строительство Байкало-Амурской магистрали, Волжского, Камского автозаводов, а так;е Атоммаша вместе взятых. В то же время наметившаяся во всем мире тенденция истощения природных ресурсов не миновала и нашу страну. Так, добыча нефти в Татарстане за последние 25 лет снизилась более чем в 4 раза, Туймазинское месторождение нефти в Башкортостане выработано почти на 90 %, в Тюменской области, основном нефтедобывающем районе РФ, в различных месторождениях уже извлечено от 50 до 65 % нефти. Резко возросла стоимость добычи полезных ископаемых, в переработку вовлекаются все более бедные руды и даже отвалы. Если в 1950 г. среднее содержание железа в отечественной руде составляло 51 %, то уже к 1980 г. оно снизилось до 35 %. Аналогичная или еще более выраженная тенденция наблюдается повсеместно. Проблема, связанная с дефицитом сырья и энергии, к концу ХХ в. превратилась в одну из острейших, стоящих перед человечеством. При всей тревожности ситуации положение нельзя считать безнадежным. Прежде всего потому, что речь идет преимущественно об исчерпании относительно более доступных запасов эксплуатируемых месторождений. Имеются данные (В. А. Легасов), характеризующие средние глубины залегания полезных ископаемых в эксплуатируемых месторождениях и максимальные, технически доступные в настоящее время глубины, на которых эти ископаемые обнаруженных. Согласно этим данным, нетронутые пока ресурсы намного больше извлекаемых. Практически нетронутыми остаются богатства Мирового океана, ресурсы которого становятся доступными, а их добыча конкурентоспособной благодаря использованию современных технологий.
Потребности химической промышленности в разнообразном, доступном и дешевом сырье и развитие техники постоянно стимулируют расширение сырьевой базы. Развитие техники добычи, подготовки и обогащения сырья позволяет использовать новые виды сырья, в том числе природные материалы, содержащие сравнительно малые количества полезных компонентов.
Природное сырье подразделяют на минеральное, растительное и животное. В минеральное сырье в качестве подклассов включают:
рудное (руды тяжелых и цветных металлов) - это горные породы, из которых экономически выгодно получать металлы. При переработке некоторых видов рудного сырья наряду с металлами получают и химические продукты. Так, например, одновременно с медью, цинком, никелем при переработке сульфидных руд получают и серную кислоту.
нерудное (фосфатиты, апатиты, нефелины, калийные соли, каменная соль, сера, гипс, известняк и др.) - горные породы, используемые в производстве химических, строительных и других неметаллических материалов. К этому виду сырья относятся породы, содержащие серу, фосфаты, природные калийные соли, поваренную соль, песок, гравий, глины и др. Это сырье используется в производстве удобрений, солей, кислот, щелочей, цемента, стекла, керамических изделий и др.
горючие ископаемые (нефть, сланцы, уголь, природные газы, торф, битуминозные песчаники). Горючее минеральное сырье включает угли, нефть, торф, горючие сланцы, природный и попутный газы и др., служащие источником получения разнообразнейших продуктов. Так, при переработке угля получают сырье для производства красителей, лекарственных препаратов, химических волокон, пластических масс, удобрений и т. п.
К минеральному сырью в химической промышленности относят также воду и воздух. Воздух и вода являются самым дешевым и доступным сырьем. Воздух - практически неисчерпаемый источник дешевых азота и кислорода. Вода не только служит источником непосредственного получения из нее водорода и кислорода, но и участвует в разнообразных химических процессах, а также применяется для растворения твердых, жидких и газообразных веществ.
К растительному сырью (сельскохозяйственное и лесотехническое) относят древесину, хлопок, масличные культуры, картофель, сахарные культуры, лекарственные растения, каучуконосы, камыш, солому, шелуху семечек и т. д. Оно используется многими отраслями, в том числе химической, фармацевтической, биохимической, текстильной, пищевой и парфюмерной промышленностью. Из него вырабатывают пороха, кино-, фотопленку, бумагу, скипидар, канифоль, искусственное волокно, каучук, технические масла, глицерин, жирные кислоты, душистые вещества, лекарственные препараты и многое другое. В настоящее время одно производство бумаги приближается к 200 млн т/год. При этом только на газеты ежегодно расходуется порядка 30 млн т древесины.
Животное сырье (кости, жир) используют в производствах желатина, технического жира, мыла, твердых жирных кислот и т. д.
Синтетическое сырье для промышленного органического синтеза и полимерной химии поставляют предприятия нефте-, угле-, газоперерабатывающей промышленности (нефтехимическое, углехимическое, лесохимическое сырье), т.е. это сырье полученное в результате промышленной обработки природного сырья.
Предприятия промышленности основного неорганического синтеза используют горнохимическое, преимущественно нерудное сырье.
По агрегатному состоянию добываемое сырье подразделяется на твердое (руды, уголь, древесина), жидкое (вода, нефть, соляные рассолы) и газообразное (воздух, природные и промышленные газы).
Одной из особенностей химико-технологического процесса можно считать возможность организации производства химического продукта из разных видов сырья или из одного и того же сырья, но по разным технологическим схемам.
При выборе сырья учитывают ожидаемый объем производства, содержание полезного компонента в сырье, значение степени превращения и селективности, скорость реакции, количество побочных продуктов и их характеристики, число химических стадий, стоимость и доступность сырья, ресурсоемкость, наличие стоков и выбросов. Объем производства определяет и объем потребляемого сырья. Запасы месторождения должны обеспечить работу проектируемого производства в течение не менее 50 лет (срока полной амортизации оборудования).
