Химическая промышленность и химическая технология
Многие химические реакции, с которыми вы познакомились в лабораторных условиях, или аналогичные им осуществляют в промышленных условиях при производстве важнейшей для повседневной жизни химической продукции.
Пластмассы, синтетические волокна, фармацевтические препараты, удобрения, мыла и моющие средства, красители, пестициды, косметика и парфюмерные изделия и даже компоненты пищи — все это только некоторые виды продукции, выпуск которой полностью или частично зависит от химической промышленности. Одиннадцать первых мест по объему производства принадлежат следующим химическим веществам:H2SO4,NH3,N2,CaO,O2,C2H4,NaOH,Cl2,HCl,H3PO4,HNO3. Эти-то вещества и используются в больших количествах далее для получения столь необходимых видов продукции, названных выше.
Даже если речь идет о 100%-ном природном продукте, это означает лишь то, что в нем нет синтетических добавок, и совсем не означает, что при его получении не использовали какие-либо химические технологии.
|
|
Химическая промышленность — это отрасль народного хозяйства, производящая продукцию на основе химической переработки сырья.
Основой ее является химическая технология — наука о наиболее экономичных методах и средствах массовой химической переработки природных материалов (сырья) в продукты потребления и промежуточные продукты, применяемые в различных отраслях народного хозяйства. Главная задача химии и химической технологии — производство разнообразных веществ и материалов с определенным комплексом механических, физических, химических и биологических свойств.
Любое химическое производство создается на основе общих научных принципов.
Научные принципы организации химических производств.
Общие принципы | Частные принципы |
Создание оптимальных условий проведения химических реакций | Противоток веществ, прямоток веществ, увеличение площади поверхности соприкосновения реагирующих веществ, использование катализатора, повышение давления, повышение концентрации реагирующих веществ |
Полное и комплексное использование сырья | Циркуляция, создание смежных производств (по переработке отходов) |
Использование теплоты химических реакций | Теплообмен, утилизация теплоты реакции |
Принцип непрерывности | Механизация и автоматизация производства |
Защита окружающей среды и человека | Автоматизация вредных производств, герметизация аппаратов, утилизация отходов, нейтрализация выбросов в атмосферу |
Важнейшими составляющими химического производства являются:
- аппаратура;
- сырье;
- энергия;
- вода и другие вспомогательные мате риалы.
Сырье
|
|
Сырьем называют природные материалы (природные ресурсы), используемые в промышленности для получения различных продуктов и еще не прошедшие промышленную переработку.
Иногда используют вторичное сырье — это изделия, отслужившие свой срок, или отходы каких- либо производств, которые экономически выгодно снова переработать в химические продукты. Сырье химической промышленности классифицируют по различным признакам.
По составу сырье делят на минеральное и органическое (растительное и животное).
По агрегатному состоянию различают твердое (руды, горные породы, твердое топливо), жидкое (нефть, рассолы) и газообразное (природный и попутный газы, воздух) сырье.
К минеральному сырью относятся все виды руд (из них получают металлы), а также нерудные ископаемые: сера, фосфориты, калийные соли, поваренная соль, песок, глины, слюда (из них получают неметаллы, удобрения, соду, щелочи, кислоты, керамику, цемент, стекло и другие продукты).
К органическому сырью относится ископаемое горючее: торф, уголь, нефть, природный и попутный нефтяной газы — это ценное энергетическое сырье и сырье для химических синтезов. К органическому сырью также относится сырье растительного и животного происхождения, его дают сельское, лесное и рыбное хозяйства. В основном оно используется для производства продуктов питания, но частично, к сожалению, является и техническим сырьем. Кроме природных веществ, на химических заводах применяют полупродукты и отходы предприятий, а также вспомогательные материалы: воду, топливо, окислители, растворители, катализаторы.
В связи с бурным развитием промышленности растет и объем потребления полезных ресурсов. Это приводит к тому, что многие сырьевые источники быстро истощаются, поэтому необходимо решать проблему бережного и рационального использования сырья.
Вода
Особое место среди природных ресурсов занимает вода. Она играет важную роль в химической промышленности.
В ряде производств это сырье и реагент, непосредственно участвующий в основных химических реакциях, например, при получении водорода, серной, азотной и фосфорной кислот, щелочей; в реакциях гидратации и гидролиза.
Будучи универсальным растворителем и одним из наиболее распространенных катализаторов, вода дает возможность осуществлять многие химические реакции с большой скоростью в растворах или в присутствии ее следов. В химической, металлургической, пищевой и легкой промышленности воду используют как растворитель твердых, жидких, газообразных веществ. Часто ее применяют для перекристаллизации, очистки различных продуктов производства от примесей.
Вода используется как теплоноситель из-за ее большой теплоемкости, доступности и безопасности в применении. Ею охлаждают реагирующие массы, нагретые в результате экзотермических реакций. Водяным паром или горячей водой подогревают взаимодействующие вещества для ускорения реакций или проведения эндотермических процессов.
Современные химические комбинаты расходуют миллионы кубических метров воды в сутки. Например, для получения 1т аммиака требуется 1500м3 воды. Поэтому химические предприятия, нефтехимические заводы строят рядом с водными источниками.
Задачу сокращения расхода воды химическими предприятиями решают в трех основных направлениях: широкое применение оборотного водоснабжения (вода, используемая в теплообменных аппаратах, охлаждается и снова поступает в теплообменные аппараты, и так повторяется многократно), замена водяного охлаждения воздушным, очистка сточных вод и их повторное использование.
Энергия
Вы знаете, что большинство химических процессов требует затраты энергии. В химическом производстве энергию также расходуют на проведение вспомогательных операций: транспортировку сырья и готовой продукции, сжатие газов, дробление твердых веществ, контрольно-измерительное обслуживание и др. Химическая промышленность относится к одной из самых энергоемких. Средний расход только электрической энергии на производство 1т аммиачной селитры NH4NO3 равен 11000 кВт·ч; 1т синтетического аммиака — 3200; 1т фосфора — 16500; 1т алюминия — 19000.
|
|
В химической промышленности используют различные виды энергии: электрическую, тепловую, ядерную, химическую и световую.
Электрическую энергию используют для проведения электролиза расплавов и растворов веществ, нагревания, в операциях, связанных с электростатическими явлениями (например, в электрофильтрах при производстве серной кислоты для очистки оксида серы(IV)). Электроэнергию вырабатывают тепловые (ТЭС), атомные (АЭС) электростанции и гидроэлектростанции (ГЭС).
Тепловая энергия в химической промышленности необходима для нагревания реагирующих веществ при проведении химических реакций, а также для сушки, плавления, дистилляции, выпаривания и других операций. Ее источником в производстве цемента, стекла, керамики служат различные виды топлива (твердого, жидкого, газообразного). Большинство же химических предприятий используют тепловую энергию в виде пара, горячей воды, получаемых из котельных установок или ТЭЦ.
Ядерную энергию главным образом используют для получения электроэнергии. Но такие реакции, как полимеризация, синтезы фенола и анимина, отвердевание полимеров, проводят с помощью радиоактивного излучения.
Химическая энергия выделяется в виде теплоты в результате экзотермических реакций. Ее используют для предварительного подогрева исходных веществ, получения горячей воды, водяного пара. Химическая энергия может превращаться в электрическую, например, в аккумуляторах. А есть такие производства, в которых за счет энергии химических реакций покрывают собственные потребности, а излишки отпускают другим потребителям.
|
|
При получении 1т серной кислоты из серы выделяется 5МДж теплоты, а общие затраты на ее производство составляют всего 0.36 МДж. Излишки поступают к другим потребителям в виде пара и электроэнергии.
Световую энергию (ультрафиолетовое, инфракрасное, лазерное излучение) используют при синтезе хлороводорода, галогенировании органических веществ, реакциях изомеризации.
Ученые разрабатывают способы использования солнечной энергии, например фотохимическое разложение воды.