Химическая технология

Химическая технология - наука о химическом производстве. Само слово "технология" состоит из греческих слов: "технос" - "искусство" или "ремесло" и "логос" - "наука".

Понятие технологии включает в себя технологию механическую и технологию химическую. Процессы, в которых обрабатываемый материал подвергается механическим воздействиям, изменяющим его внешний вид или физические свойства, но не изменяющим его структуру и химический состав, относятся к механической технологии. Процессы, которые связаны с изменением химического состава материала, относятся к химической технологии. Например, обработка дерева для получения из него стройматериалов относится к механической технологии, а обработка дерева для получения из него бумаги, уксусной кислоты и других продуктов - к химической технологии. Процессы обработки металла ковкой, литьем, прокаткой для получения различных предметов и деталей относятся к механической технологии, а получение металлов из руд - к химической технологии.

Исходное вещество в химической технологии называют сырьем. Исходя из этого определение химической технологии звучит так: химическая технология - наука, изучающая способы переработки сырья в предметы потребления с наименьшими затратами сырья и энергии.

Понятие "сырье" в химической технологии важно также и для подразделения ее на два основных раздела. Первый - химическая технология минеральных веществ, которая рассматривает процессы переработки неорганического сырья. Второй раздел - химическая технология органических веществ, которая изучает процессы переработки сырья органического происхождения, например угля и нефти, продуктов жизнедеятельности животных и растительных организмов.

Предметом изучения химической технологии являются промышленные химические процессы, но эти процессы имеют место не только в химической промышленности; они могут лежать в основе и других отраслей промышленности: металлургии, нефтепереработки, производства строительных материалов и др.

Химическая технология рассматривает множество всевозможных химических промышленных процессов, которые происходят в разных условиях, проводятся по различным технологическим схемам. В основе каждого промышленного химического процесса лежит конкретная химическая реакция (или ряд реакций). Скорость реакции и определяет характер всего процесса в целом, а отсюда - и особенность построения, создания той или иной технологической схемы.

Скорости химических реакций изучает химическая кинетика, и поэтому основные закономерности химической технологии основываются на применении законов химической кинетики. Исходя из этого, химические реакции в технологии можно классифицировать следующим образом:

1. Простые практически необратимые реакции; их равновесие (см. Равновесие химическое) смещено фактически полностью в сторону образования продуктов реакции при любых условиях, например:

горение угля: С + O₂ = СO₂ + Q,

горение серы: S + O₂ = SO₂ + Q,

обжиг колчедана (первая стадия в сернокислотном производстве):

2. Простые обратимые реакции. Например, образование оксида серы (VI) из оксида серы (IV) при получении серной кислоты:

При повышении температуры до 1100° SO₃ полностью разлагается.

3. Практически необратимые сложные реакции. Они протекают по аналогии с простыми реакциями с образованием нескольких продуктов; такие реакции могут идти как параллельно, так и последовательно. Пример - реакция окисления аммиака (использующаяся при получении азотной кислоты), которая может в зависимости от условий протекать разными путями:

4. Сложные обратимые реакции - такие же, как и простые, но идущие по разным направлениям. Здесь примерами могут служить многие органические превращения; например, при нагревании метана до высоких температур, выше 1000°, образуются кроме углерода (сажи) и водорода также и разные углеводороды, в частности ацетилен. При крекинге нефтепродуктов (см. Нефтехимия) протекает множество параллельных и последовательных реакции.

Реакции можно подразделять также на экзотермические и эндотермические (идущие с выделением или поглощением тепла); на гомогенные и гетерогенные (когда взаимодействие веществ происходит в одной фазе или в разных или на границе фаз); на каталитические и некаталитические (когда реакция может произойти в присутствии определенного вещества - катализатора (см. Катализ) - или ее протекание возможно без катализатора).

Основная задача химической технологии - осуществление химического процесса, разработанного в лаборатории, в крупном масштабе, в промышленности. Главной проблемой химической технологии всегда была и остается проблема масштабного перехода. Ясно, что условия протекания химической реакции в лаборатории (в колбе, в пробирке, в реторте) отличаются от промышленных. Поиски кратчайших путей от лабораторного опыта до производства в промышленном масштабе явились определяющими для развития химической технологии как науки.

В основу теории химической технологии легли законы химии, физики, математики, механики, гидравлики, гидродинамики, автоматики, кибернетики и других наук. Химическое производство оказывает значительное влияние на окружающую среду и человека. Поэтому химическая технология как наука неотделима от физической и экономической географии, от биологии и экологии. Вопросы охраны биосферы стоят в настоящее время особенно остро. Полностью понять закономерности, по которым развивается химическая технология, нельзя без знания экономики, общественных и производственных отношений. Наконец, химическая технология немыслима без развития соответствующей техники: техника в химическом производстве исключительно разнообразна и сложна. Таким образом, химическая технология - это наука синтетическая.

И все же главное в химической технологии - ее теоретические основы. Они позволяют осуществить химический процесс наивыгоднейшим образом: с наименьшими за-тратами энергии, материалов, с большей скоростью и с возможно большим выходом требуемого продукта. Чтобы рассчитать процесс, существует несколько методов, из которых следует выделить плодотворно развивающийся в настоящее время метод математического моделирования. Его стали применять сравнительно недавно - примерно 30 лет назад. Моделирование - изучение процессов на моделях с целью предсказать результаты их протекания в аппаратах заданной конструкции и любого масштаба. Для химической технологии моделирование - это и теоретическая основа, и метод решения проблем, связанных с разработкой химического процесса, сооружением аппаратуры, определением оптимальных условий и созданием систем комплексной автоматизации.

Главный агрегат любой химико-технологической схемы - реактор (например, печь, котел, ректификационная или поглотительная колонна, автоклав). Поэтому метод моделирования обращен в первую очередь на расчет и конструкцию такого реактора, в котором химический процесс проходил бы оптимально - в самом выгодном режиме. Химический реактор - сложная система, характеризующаяся физико-химическими, физическими и конструктивными параметрами. Разработка химических реакторов методом математического моделирования требует совместных усилий специалистов в области физической химии, химической технологии, математики, экономики и автоматизации, а также участия различных коллективов научно-исследовательских - организаций и предприятий.