Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 35. Загальні наукові принципи хімічного виробництва

Загальні підходи до організації хімічного виробництва

Науку про способи виробництва промислових продуктів хімічної переробки природної сировини називають хімічною технологією. Слово «технологія» походить від грецького технос — «майстерність, мистецтво» та логос — «наука, вчення». На відміну від реакцій, що проводять у лабораторії, багатотонне промислове виробництво насамперед спрямовано на отримання прибутку, тому очевидний зв’язок хімічної технології з економікою.

На розміщення хімічних підприємств впливають такі чинники, як вартість перевезення сировини й готової продукції, витрати на паливо або електрику. Саме тому виробництва, що вимагають великої кількості електрики, розміщують поблизу гідроелектростанцій, а доменні печі — поряд із родовищами залізної руди й кам’яного вугілля.

Реагенти, які піддають хімічній переробці на заводах, називають сировиною. Наприклад, у виробництві кисню сировиною є повітря, у виробництві сульфатної кислоти — сірка або сірчаний колчедан, у чорній металургії — залізна руда.

Головний критерій під час вибору сировини — економічна ефективність її використання, що визначається простотою обробки, доступністю й дешевизною. Будь-яка сировина має використовуватися якомога повніше, тобто з мінімальною кількістю відходів. Таку переробку сировини називають комплексною.

Найважливіше завдання організації хімічного виробництва — визначення оптимальних умов, за яких хімічні реакції відбуваються з максимальними швидкостями і виходом цільового продукту. Незважаючи на відмінності, усі хімічні виробництва ґрунтуються на загальних положеннях, які називають принципами хімічної технології.

Наукові принципи хімічної технології

• Принцип безперервності виробництва. Безперервне виробництво економічно вигідніше за періодичне. Періодичні процеси здійснюються за схемою: завантаження сировини, проведення реакції, розвантаження продукту. Під час завантаження й розвантаження реактор, у якому відбувається процес, простоює і часто охолоджується. Цього можна уникнути завдяки впровадженню безперервних схем виробництва. Так організовані первинна переробка нафти, виробництво сульфатної кислоти й амоніаку.

• Використання протитечії. Рух речовин, що реагують між собою, у реакторі назустріч одна одній дозволяє прискорити швидкість реакції. Цей принцип реалізується у виробництві сульфатної кислоти на стадії поглинання сульфатного ангідриду.

• Створення оптимальних умов. Важливим завданням технолога є добір оптимальної температури й тиску, за яких реакція відбувається з достатньо високою швидкістю, а вихід цільового продукту буде найбільшим.

• Максимальне використання теплоти хімічних реакцій (теплообмін). Енергію, що виділяється в ході реакції, витрачають на підігрів реагентів, води в системах опалення. Пристрої, в яких речовини перед уведенням їх у реактор нагріваються потоком продуктів із реактора, називають теплообмінниками. Теплообмін використовують, наприклад, для підігріву газів, що надходять у контактний апарат під час окиснення сульфур(ІV) оксиду до сульфур(VІ) оксиду.

• Збільшення поверхні дотику реагентів. Подрібнення твердої сировини або палива збільшує площу поверхні, що прискорює гетерогенні реакції. Для цього тверді каталізатори також застосовують у якомога подрібненому стані. Згідно із цим принципом, найкраще використовувати гомогенні процеси, що відбуваються або в розчинах, або в газових сумішах.

• Використання каталізаторів. Каталізатор прискорює хімічні реакції або скорочує час досягнення стану хімічної рівноваги. Загальні вимоги до каталізаторів — активність, стійкість, селективність дії, тривалий термін використання, дешевизна.

• Циркуляція реагентів. У випадку, якщо реакція відбувається з маленьким виходом, речовини, що не прореагували, відокремлюють від продуктів реакції і знов повертають у реактор для подальшого використання. Такий процес називають циркуляційним.

• Автоматизація хімічного виробництва підвищує продуктивність праці. На сучасних хімічних підприємствах усі процеси повністю автоматизовані. Якщо механічними процесами керує людина за допомогою технічних пристроїв, то таку систему називають дистанційною, або телекеруванням. Телекерування належить до неповної автоматизації. За повної автоматизації всіма процесами керують електронно-обчислювальні машини за заданою програмою.

• Раціональне природокористування, охорона навколишнього середовища. Цей принцип вимагає дбайливого ставлення до всіх природних ресурсів. Так, витрати води на виробництві скорочують за рахунок її багаторазового використання або створення замкненої циркуляції води. Важливо також дбати про охорону навколишнього середовища, створювати високоефективні очисні споруди, очищувати викиди виробництва в навколишнє середовище від шкідливих речовин.

Ключова ідея

Завдання хімічної технології — поєднати хімічні знання зі знаннями з економіки й природокористування.

Запитання та завдання

201. Що є предметом вивчення хімічної технології? З якими науками вона пов'язана?

202. Що називають сировиною? Наведіть приклади сировини для різних хімічних виробництв.

203. Назвіть найважливіші наукові принципи хімічної технології. На що спрямовано їх дотримання?

204. Що називають теплообміном? Для чого використовують теплообмінники?

205. Яку переробку сировини називають комплексною?

206. Чим відрізняються безперервні та періодичні виробництва? Наведіть приклади.

207. Запропонуйте схему комплексного використання свинцево-цинкових сульфідних руд, що містять цинк сульфід та плюмбум(ІІ) сульфід. Які важливі речовини можна добути в процесі їх переробки? Складіть рівняння реакцій.