Химическая технология как наука

Химическая технология отличается от теоретической химии задачами и целями. Это связано со спецификой объекта изучения – производственного процесса, где возникают дополнительные условия, вытекающие из самого метода изучения.

В качестве примера рассмотрим синтез НCl из Cl₂и H₂.

Для химика-неорганика имеет значение сама возможность синтеза по реакции (1.1):

Cl₂ + H₂ = 2HCl. (1.1)

Физико-химик более глубоко оценивает реакцию и записывает ее следующим образом (1.2):

Cl₂ + H₂ ↔ 2HCl – DH, (1.2)

на основании чего делает обобщения:

– реакция обратима;

– протекает с выделением тепла;

– возможно управление синтезом путем изменения таких параметров, как температура и соотношение участников реакции.

Химик-инженер-технолог в добавление к сказанному должен учитывать ряд дополнительных факторов:

– доступность и стоимость компонентов сырья, энергии;

– конструктивные особенности реактора, вспомогательного оборудования и коррозионную стойкость материалов для изготовления оборудования;

– оптимальные условия ведения процесса с точки зрения экономики;

– минимизацию ущерба окружающей среде и другие факторы.

Сравнивая химический процесс с точек зрения исследователя и инженера-технолога, отмечаем, что между их взглядами имеется дистанция огромного размера. Суть этих различий можно определить так: химическое производство нельзя рассматривать как некую укрупненную колбу, а химическая технология как наука не может быть сведена к теоретической химии.

В средние века в эпоху господства химического ремесла и мануфактурного производства научное и прикладное направления в химии были разделены, и проблемы, стоящие между наукой и производством, решались независимо. В последующие века происходило постепенное сближение науки и производства. На рубеже XIX и XX вв. обе ветви интегрировались в единую науку. Её целью явилось всестороннее изучение общих химических, физических и технологических компонентов в такой многофакторной системе как химический процесс. В нем функционально связаны многочисленные параметры. Среди них температура, давление, тепловой эффект, концентрация реагентов, скорость потока реагентов, фазовое состояние реагентов, присутствие катализатора, его состояние, степень превращения сырья в конечный продукт, выход этого продукта, существование побочных реакций.

Химическое производство – это сложное производство и для его исследования целесообразно применение системного подхода и введение понятия «уровень протекания процесса». Такими уровнями в химическом производстве являются:

– молекулярный уровень, на котором механизм химических превращений описывается как взаимодействие молекул (микрокинетика);

– уровень малого объема, на котором явления описываются как взаимодействие частиц (гранул, капель, пузырьков газа, зерен катализатора). Для анализа явлений на этом уровне и описания процесса применяется понятие «макрокинетика», задачей которой является изучение влияния на скорость процесса химического превращения при переносе масс исходных и конечных продуктов, процесса массопередачи и влияния состояния катализатора. Данный уровень можно изобразить так:

– уровень потока, на котором описание явлений дается как взаимодействие совокупности частиц, с учетом характера их движения в потоке (ламинарное, переходное, турбулентное) и изменения температуры и концентрации реагентов по фронту потока;

– уровень реактора, на котором описание явлений дается с учетом конструкции аппарата (реактора), в котором реализуется технологический процесс.

Таким образом, проблема различия между теоретической химией и химической технологией – это проблема различия фундаментальных исследований и реальных промышленных производств, на них основанных, а решение её сводится к решению задач масштабного перехода от одного объекта исследования к другому.