124744 (Химико-технологический процесс и его содержание)

_{Химико-}технологический процесс и его содержание. Критерии эффективности химико-технологического процесса

Химическая технология - это научная основа химической промышленности.

Под технологией в широком значении понимают научное описание методов и средств производства в какой-то отрасли промышленности. Т. е. - это обоснованная последовательность операций или действий, приводящих к достижению поставленной цели.

Химическая технология - это наука о наиболее экономичных и экологически обоснованных методах химической переработки исходного сырья в предмет потребления и средства производства.

Понятие о химико-технологическом процессе

Химическая промышленность дает народному хозяйству огромное количество продуктов, без которых невозможна жизнь современного общества. Сюда входят моторные топлива, масла, горючие газы, кислоты, смолы, волокна, лаки, краски и т.д.

Важнейшая задача химической технологии - отыскание оптимальных условий для экономически целесообразного осуществления химической реакции в виде технологического процесса.

Химико-технологический процесс - это процесс получения целевого продукта начиная с этапа подготовки сырья и заканчивая выделением этого целевого продукта.

Химико-технологический процесс складывается из трех стадий:

1) подвод реагентов в зону реакции при помощи абсорбции, адсорбции, конденсации паров, плавлением, растворением и др. (осуществляется, как правило, с использованием физических процессов (механических, гидромеханических, тепловых, массообменных));

2) химические реакции - основа процесса (в ходе этого происходит глубокое изменение структуры, состава и свойств веществ, участвующих в нем);

3) отвод продуктов из зоны реакции за счет диффузии или перевода вещества из одной фазы в другую. Стадия выделения целевого продукта для большинства химических производств является необходимой. Технологический процесс, в котором достигается абсолютная селективность и 100% -ный выход целевого продукта, просто экономически невыгоден. Возрастают расходные коэффициенты, энергетические затраты, вследствие чего стоимость продукта резко возрастает, и тогда товар теряет своего потребителя.

Классификация химико-технологических процессов

Основой классификации химико-технологических процессов является:

• способ организации процесса (т.е. по параметрам технологического режима);

По способу организации химико-технологические процессы могут быть периодическими, непрерывными и комбинированными. При этом комбинированные процессы могут характеризоваться непрерывным поступлением сырья и периодическим отводом продукта или наоборот.

• кратность обработки сырья (т.е. по методам обработки);

По кратности обработки сырья различают процессы с открытой, закрытой (циркуляционной) и комбинированной схемами. В процессах с закрытой схемой требуется неоднократный возврат непрореагировавшего сырья в зону химического взаимодействия до того момента, как оно превратится в конечный продукт.

• вид используемого сырья;

По виду используемого сырья химико-технологические процессы условно подразделяют на процессы, использующие минеральное сырье или сырье животного, растительного происхождения.

• агрегатное состояние веществ, участвующих в реакции (т.е. по фазовому состоянию реагентов);

По агрегатному состоянию веществ, участвующих в химической реакции, различают гомогенные и гетерогенные химико-технологические процессы.

Гомогенными процессами называют такие, в которых все реагирующие вещества находятся в одной какой-нибудь фазе: газовой (г), твердой (т), жидкой (ж). В этих процессах реакция обычно протекает быстрее. В целом, механизм всего технологического процесса в гомогенных системах проще, соответственно проще и управление процессом. По этой причине на практике часто стремятся к гомогенным процессам, т.е. переводят реагирующие компоненты в какую-либо одну фазу.

В гетерогенных процессах участвуют вещества, находящиеся в разных состояниях (фазах), т.е. в двух и трех фазах.

К гетерогенным процессам относятся, например, горение (окисление) твердых веществ и жидкостей, растворение металлов в кислотах и щелочах и др.

• по фазовому состоянию продуктов реакции

• тепловой эффект химической реакции;

По тепловому эффекту химической реакции различают экзотермические и эндотермические процессы.

Химические процессы, которые протекают с выделением теплоты, называются экзотермическими.

Химические процессы, протекающие с поглощением теплоты, называются эндотермическими. Количество выделяемой или поглощаемой при этом теплоты называют тепловым эффектом процесса (теплотой процесса).

• направление протекания;

По направлению протекания химико-технологические процессы подразделяют на обратимые и необратимые.

Теоретически все химические реакции обратимы. В зависимости от условий они могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях.

В необратимых процессах равновесие в реакциях полностью смещается в сторону продуктов реакции, а обратная реакция, как правило, не протекает.

Во всех обратимых процессах устанавливается равновесие, при котором скорости прямого и обратного процессов уравниваются, в результате чего соотношение между компонентами во взаимодействующих системах остаются неизменными до тех пор, пока не изменятся условия протекания процесса.

• тип основной химической реакции (т.е. по характеру химических реакций);

В зависимости от типа основной реакции химико-технологические процессы подразделяют на процессы разложения (диссоциации), нейтрализации, замещения, обмена, окисления, восстановления, присоединения (синтеза).

Процессы разложения, наиболее характерные для технологии органических веществ, сопровождаются образованием более простых, чем исходное сырье веществ. Процессы нейтрализации между веществом, имеющим свойства кислоты и веществом, имеющим свойства основания, приводят к образованию веществ, теряющих характерные свойства обоих соединений. Процессы присоединения сопровождаются синтезом более сложных по сравнению с исходными веществами.

• условия протекания.

По условиям протекания химико-технологические процессы подразделяют на электрохимические, каталитические, фотохимические, радиационно-химические.

Электрохимические процессы

Электролиз нашел широкое промышленное применение: извлечение и очистка металлов, нанесение гальванических покрытий, анодирование и получение многих веществ.

Электролизом получают алюминий, цинк, частично медь и другие металлы. Медь, цинк и другие металлы можно очистить с помощью электролиза. Такой процесс называется рафинированием.

Нанесение покрытия (электроосаждение) осуществляется на катоде. Катод в этом случае погружается в электролит, содержащий ионы электроосаждаемого металла. В качестве же анода используется электрод из того металла, которым наносят покрытие.

Анодирование или анодное оксидирование - это образование на поверхности металла слоя его оксида при электролизе. Этому процессу обычно подвергают сплавы на основе легких металлов. При этом, на одном и том же металле можно получать фазовые оксиды с разной структурой, а, следовательно, и с различными свойствами (твердость, окраска, электрическая проводимость т.д.).

Каталитические процессы

Основу каталитических процессов составляет катализ - наиболее эффективное и рациональное средство ускорения многих химических реакций.

Катализом называется увеличение скорости химических реакций или их возбуждение при действии веществ-катализаторов, которые участвуют в реакции, вступая в промежуточные химические взаимодействия с реагентами, но затем восстанавливают свой химический состав после окончания акта (действия) катализа.

В качестве катализаторов в промышленности чаще всего применяют платину, железо, никель, кобальт и их оксиды, оксид ванадия (V), алюмосиликаты, некоторые минеральные кислоты и соли. Все каталитические реакции относятся к самопроизвольным процессам. Со временем катализатор изменяется и после определенного срока может полностью необратимо потерять свою активность.

Прогрессивные химико-технологические процессы

Радиационно-химическую технология.

За последние два десятилетия сформировалась новая область химической технологии - радиационно-химическая технология (РХТ). Ее предшественницей следует считать ядерную технологию, интенсивное развитие которой (с начала 40-х годов) стимулировалось необходимостью срочного решения ряда задач, связанных с практическим использованием атомной энергии.

Целью радиационно-химической технологии является разработка методов и устройств для наиболее экономичного осуществления с помощью ядерного излучения физических, химических и биологических процессов, позволяющих получать новые материалы или придавать им улучшенные свойства, а также для решения экологических проблем. Выделение этого направления в отдельную область технологии обусловлено, прежде всего, особенностью действия ионизирующего излучения на вещество.

Основные преимущества радиационно-химической технологии можно сформулировать следующим образом:

• возможность получения уникальных материалов, производство которых другими способами невозможно;

• высокая чистота получаемых продуктов;

• смягчение условий проведения процесса (температуры, давления);

• возможность регулирования скорости процесса за счет изменения интенсивности излучения и, следовательно, легкость автоматизации процесса;

• возможность замены в некоторых случаях многостадийных процессов синтеза одностадийными.

Радиационно-химические процессы обуславливаются энергией возбужденных атомов, ионов, молекул.

Энергия ионизирующего излучения превышает в сотни тысяч раз энергию химических связей. Механизм радиационно-химических процессов объясняется особенностями взаимодействия излучений с реагирующими веществами.

В качестве источников ионизирующего излучения используются потоки заряженных частиц большой энергии (электроны, частицы, нейтроны, излучение).

Выделим достоинства ионизирующего излучения:

• высокая энергетическая эффективность излучения, приводящая к тому, что по сравнению с традиционными видами технологии радиационная технология является в целом энергосберегающей;

• высокая проникающая способность излучения, исходя их этого, излучение наиболее эффективно использовать для обработки блочных материалов и изделий, при стерилизации биомедицинских материалов в упаковке, получении древесно-пластмассовых и бетонополимерных композиций;

• излучение представляет собой легко дозируемое средство обработки материалов и не загрязняет продукцию.

В настоящее время разработаны и находятся в различных стадиях опытно-промышленной реализации более пятидесяти процессов радиационно-химической технологии, например:

• радиационная полимеризация и сополимеризация, включающая получение древесно-полимерных и бетон-полимерных материалов, радиационное отверждение покрытий;

• радиационное сшивание полимеров и радиационная вулканизация эластомеров;

• радиационно-химический синтез (радиационное хлорирование, сульфохлорирование углеводородов);

• радиационное модифицирование неорганических материалов (улучшение адсорбционных и каталитических характеристик, радиационное легирование);

• радиационная очистка сточных вод.

Сегодня наблюдается явное смещение интересов использования ионизирующих излучений: от получения продуктов с уникальными и улучшенными свойствами к экономии сырья и энергии.

Фотохимические процессы

Фотохимические процессы - это химические реакции, протекающие под действием светового излучения или вызываемые им.

Механизм фотохимических процессов основан на активизации молекул, реагирующих веществ при поглощении света.

В зависимости от роли и характера влияния светового луча фотохимические процессы разделяют на три группы:

1) Реакции, которые могут самопроизвольно протекать после поглощения реагентами светового импульса. Для этих процессов свет играет роль возбудителя и инициатора. При обычных условиях эти процессы протекают крайне медленно, но световое облучение их значительно интенсифицирует.

2) Процессы, для проведения которых необходим непрерывный подвод световой энергии к реагентам.

3) Процессы, в которых световой импульс, воздействуя на катализатор, активизирует его и способствует интенсификации химической реакции.

Основные достоинства фотохимических процессов по сравнению с традиционными химическими воздействиями можно сформулировать следующим образом:

• возможность получения уникальных материалов, производство которых другими способами невозможно или экономически нецелесообразно;

• стерильность светового излучения и высокая чистота получаемых продуктов;

• смягчение условий проведения процесса (температуры, давления);

• возможность регулирования скорости процесса за счет изменения интенсивности светового потока и, следовательно, легкость автоматизации процесса;

• возможность замены в некоторых случаях многостадийных процессов синтеза одностадийными.

Фотохимические процессы находят широкое применение в органической химической технологии при синтезе новых химических соединений.

Плазменные технологии

Плазменные технологии основаны на обработке сырья и полупродуктов концентрированными потоками энергии. Ныне известно более 50 таких технологий. Сформировалась и научная база этой группы технологий - плазмохимия, изучающая процессы, протекающие при среднемассовой температуре рабочего газа 8000 - 10000°С.

Техника плазменных технологий - это генераторы низкотемпературной плазмы - плазмотроны, единственные установки, позволяющие с высоким тепловым КПД (80 - 90%) осуществлять непрерывный регулируемый нагрев газа до столь высоких температур. Химия, металлургия, машиностроение - вот основные сферы применения плазменных технологии.

Плазменные технологии в металлургии. Традиционные процессы здесь давно себя исчерпали, и ни техническое совершенствование агрегатов, ни их дальнейшее укрупнение уже не приносят сколько-нибудь существенного экономического эффекта. Вместо доменных печей для процесса восстановления железа вполне можно использовать плазмотроны. Кстати, это будут и компактные, и весьма производительные агрегаты - ведь процесс там будет идти при температуре не 800°С, а при гораздо более высокой. Добавим, что плазменные технологические процессы а отличие от традиционных экологически чистых, не выделяют в окружающую среду сернистых и иных вредных газов.

На базе плазменных методов можно организовать эффективную разработку бедных, так называемых забалансовых месторождений минеральных удобрений, в частности фосфоритов. Речь идет о способе азотнокислотной экстракции фосфоритов, причем азотную кислоту предлагается получать плазменным способом непосредственно из воздуха.