УДК 66.0(075)

ББК 35

К95

Кутепои А.М. и др.

Общая химическая технология: Учеб. для вузов/A.tvf. Ку­ тепов, Т.И. Бондарева, М.Г. Беренгартен. - 3-е изд., пере­

раб. ___:_ М.: ИКЦ <~Академкниrа>>, 2004. - 528 с.

ISBN 5-94628-079-1

Рассмотрены теоретические закономерности химических процессов и основы теории химических реакторов, общие принцилы разработки

химико-технологических процессов на основе системного подхода, ос­

новы энерготехнологии, принцилы построения безотходных и малоот­ ходных производств, перспектины процессов биотехнологии.

1-е издание вышло в 1985 г., 2-е- в 1990 г.

В настоящем издании расширен материал по теории химических

процессов и реакторов, описаны некоторые новые технологические про­

цессы современных химических производств.

Для студентов химико-технологических и технических университе­ тов, может быть полезен специалистам, занимающимся химической тех­

нологией, химическим машиностроением и охраной окружающей среды.

Учебное издание

Кутеиов Алексей Миrрофанович Бондарева Татьяна Ивановна Беренrартен Михаил Георгиевич

ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ Рецензенты акад. В.В.Лунин и проф. В.А. Шарнин

Редактор Н.Л. Немцова Художник А. С. Скороход Дизайнер А.А.Зернов Корректор В. Т. Агеева

ИД NQ 04284 ОТ 15.03.2001

Подписано в печать 12.08.04. Формат 60 х 90/16. Гарнитура Newtoв.

Печать офсетная. Печ. л. 33. Доп. тираж 1000 экз. Тип. зак.М 3394.

Международная академическая издательская компания «Наука/Интерпериодика»

Издательско-книготорrовый центр «Академкниrа•>

117997, Москва, Профсоюзная ул., 90 E-mail: bookman@maik.ru, web-site: hitp://www.maik.ru

По вопросам поставок обращаться в отдел реализации ИКЦ «Академкниrа»

Тел./факс (095) 334-73-18. E-mai1: bookrea1@maik.ru

Книгу ИКЦ «Академкнига>> можно приобрести через агентство «Почта-Сервис». Заказы направлять по адресу: 125413 г. Москва, А/Я 5.

тел.: 453-30-60, 450-60-13, факс: 453-60-13, e-тail: ageпtstvops@list.ru

Агентство «Почта-Сервис».

Отпечатано с готовых диапозитивов в ОАО <<Ивановской областной типографии»

153008. г. Иваново, ул. Типографская, 6. E-mail: 09l0l8@adminet.ivanovo.ru

© Высшая школа, 1985 © А.М. Кутепов, Т.И. Бондарева,

М.Г. Беренrартен, 2003, переработаиное

© ИКЦ <<Академкниrа•>, 2003

ВВЕДЕНИЕ

Химическая технология как наука. Под технологией в широком зна­

чении этого слова понимают научное описание методов и средств про­

изводства в какой-то отрасли промышленности. Например, методы и средства обработки металлов составляют предмет технологии ме­

таллов, методы и средства изготовления машин и аппаратов - пред­

мет технологии машиностроения. Процессы механической техно­ логии основаны преимущественно на механическом воздействии, изменяющем внешний вид или физические свойства обрабатывае­ мых веществ, но не влияющем на их химический состав. Процессы химической технологии включают в себя химическую переработку сырья, основанную на сложных по своей природе химических и фи­

зика-химических явлениях.

Химическая технология - наука о наиболее экономичных и эко­ логически обоснованных методах химической переработки сырых при­

родных материалов в предметы потребления и средства производства.

Великий русский ученый Д.И. Менделеев так определял раз­

личия между химической и механической технологией: « ... начи­

наясь с подражания, всякое механически-фабричное дело может

совершенствоваться в своих даж~амых основных принципах, если

есть только внимательность и желание, но при этом одном, без

предварительного знания, прогресс химических заводов немыслим,

не существует и существовать, наверно, никогда не будет... Все это

зависит от того, что химические превращения ... закрыты, молеку­

лярны, невидимы в своем механизме и требуют для сознательного

обладания ими такого знакомства с ними, какое возможно для

видимых механических изменений, иначе деятель будет просто слеп для той механики, которая нужна на химическом заводе>> 1• Современная химическая технология, используя достижения естественных и технических наук, изучает и разрабатывает сово­ купность физических и химических процессов, машин и аппара­

тов, оптимальные пути осуществления этих процессов и управле­

ния ими при промышленном производстве различных веществ,

продуктов, материалов, изделий.

Химическая технология базируется прежде всего на химиче­

ских науках, таких, как физическая химия, химическая термодина­

мика и химическая кинетика, но в то же время не просто повторяет,

а развивает закономерности этих наук в приложении к крупно-

1 Менделеев Д.И. Соч. Л.-М.: Изд-во АН СССР, 1950. Т. 2Ь. С. 26.

4

масштабным промышленным процессам. Выдаюшийся физика­

химик, много сделавший для развития химической технологии,

академик Д.П. Коновалов считал одной из главных задач химиче­

ской технологии, отличающих ее предмет от чистой химии, «уста­ новление наивыгоднейшего хода операции и проектирование ему соответствующих заводских приборов и вспомо1·ательных механи­ ческих устройстВ>> 1• Поэтому химическая технология немыслима без тесной связи с экономикой, физикой, математикой, киберне­ тикой, прикладной механикой, другими техническими науками.

Хи:vtическая технология на заре своего существования была на­

укой по преимущсству описательной. Многие первые учебники

ируководства по технологии служили энциклопедиями известных

вто время технологических проuессов. Развитие науки и промыш­

ленности привело к значительному росту числа химических про­

изводств. Например, сейчас только на основе нефти производят

около 80 тыс. разных химических продуктов. Рост химического

производства, с одной стороны, и развитие химических и техни­

ческих наук- с другой, позволили разработать теоретические ос­

новы хиr-.шко-технологических процессов.

По мере развития химической промышленности содержание

химической технологии обогащалось новыми сведениями, новы­

ми закономерностями, новыми обобщениями. В химической тех­

нологни произошло выделение самостоятельных научных дисцип­

лин, таких, как процессы и аппараты химической технологии, общая химическая технология, автоматизация и моделирование

химико-технологических процессов и др.

Значительный прогресс в химической технологии в последние

годы свя.зан с применением современных вычислительных средств

для решения теоретических и прикладных задач. Применение

вычислительной техники не только по.зволило ставить и решать сложные задачи, но и обогатило химическую технологию новыми

подходами к их решению, связанными с математическим модели­

рованием и системными исследованиями. Появилось и успешно

ра.звивастся новое направление в химической технологии - ки­

бернетика химико-технологи•tеских процессов.

Ра.звитие химической технологии как науки неотделимо от ее практических приложений. Химическая промышленностьодна

из ведущих отраслей материального производства. Новые откры­ тия и технологические разработки быстро становятся достоянием

1 Коновалов Д. П. Материалы и пропессы хи~1ической технологии.~ Л.: Гос. изд-во,

1924. Ч. 1. С 4.

практики, тесно связывают науку с производством. и эта юаимная

связь позволяет более рационально использовать сырье и топлив­

но-энергетические ресурсы, создавать новые безотходные произ­

водства, в которых химико-технологические процессы протекают

свысокими скоростями в оптимальных условиях, с получением

продуктов высокого качества.

Краткие сведения по истории развития химической технологии. История химической технологии неотделима от истории развития химической nро­ мышленности. Вначале ХИ\!ическая технология, возникшая с nоявлением nер­ вых химических nро:чыслов, была чисто описательным разде.1ом nриклалной

химии.

Возникновение в Евроnе мануфактур и nро\IЫСлов no nолу•Iению основ­ ных ХИ\!ИЧеских nродуктов следует отнести к XV в., когда стали nоявлнп,ся

мелкие сnениализированные nроизвоf(ства кислот, шелочей и солей, различ­

ных фарманевтических nрепаратов и некоторых органических вешеств. В Рос­ сии собственно хими•Iескими nроизволствами, nолучившими развитие в кон11е XVI - начале XVII вв., было изготовление красок, селитры, nорохов, а также

получение соды и серной кислоты.

Во второй nоловине XVIII в. началось вылеление технологии в сnени­

альную отрасль знаний, закладывались основы химической технологии как

науки и учебной дисl(иплины. Вnервые в это\! понимании термин <<техноло­ ГИЯ>> был уnотреблен в 1772 г. nрофессором Гёпингенского университета И. Бекманом, который ИЗ!\ал и первые комплексные трулы, освешающие тех­

нику многих химических производсто и явившисся одновременно первым

учебником по химической технологии. В J795 г. в Германии nоявился юзух­ томный курс И.Ф. Гмелина <<Руково!\ство по технической химии>>, изданный

в 1803 г. в русском переводе В.М. Севергина nод названием <<Хими•1еские

основания ремесел и заводов».

Химическая технология в конl(е XVIII в. стала обя:зательной учебной диснип,1иной в университетах, в высших технических у•1ебных заведениях стран Евроnы, в учили11щх коммерческого и технического nрофиля в России.

В 1803 г. в Российской Академии наук была учреждена кафедра химиче­

ской технологии. С 1804 г. в Санкт-Петербурге стал издаваться <<Технологи­

ческий журнал, или собрание сочинений, относящнхся /1,0 технологии». В эти же ГО!\Ы начинается и преподавание хими•1еской технологии в высн1их учеб­ ных завелениях России.

Профессор Московского университета И.А. Двигубскиl!. излав111ий в 1807-1808 rr. nервый русский учебник по химической технологии <<Началь­ ные основания технологии, или краткое показание работ на заводах и фабри­ ках nроизводимЫХ>>, пишет в предисловии к этой книге: «В нан1е время во

всех nочти хорошо учрежденных училинщх nреnо;(ают технологию, или науку

о ремеслах, заводах и фабриках, чтобы nосвнтившие себя наукам, обозрев

вместе и весь круг технологии, могли... теоретическими своими знаниямн

сnособствовать расnространению и усовершенствованию ремесел, заволов

ифабрик, необходимых к умножению общественного достояния».

В1828 г. проф. Ф.А. Денисовым был издан учебник «Пространное руко­

Воf(ство к общей технологии, или к познанию всех работ, срелств, орудий и машин, употребляемых в разных технических искусствах>>. Учебник явился

ботка проuессов синтеза поли:лилена высокого давления, полистирола, по­ ливинилхлорида и др. Производство пластических масс, синтетических смол

иискусственных волокон открыло новую эру в получении материалов с за­

дющьши сtюйствами.

В создание отечественной ХИ:~<1ической промышлешюсти и развитие тех­

нологических наук внесли вклад многие русские и советские ученые и ин­

женеры. Трудно переоuеюпь роль ряда крупнейших ученых дореволюцион­

ной России, прежде всего М.В. Ломоносова (1 711-1765) и Д.И. Менделеева

(1834-1907), а также Н.Н. Зинина (1812-1880), А.М. Бутлерона (1828-1886),

А.К. Крупского (1845-191 1), В.В. Марковникона (1838-1904), И.И. Андреева (1880-1919) И МНОПIХ других.

После Октябрьской революuии 1917 г. уже в конце 1917 г. был организо­ nап химический отдел при ВСНХ (Высшем Совете Народного Хозяйства), руководителем которого был назначен талантливый инженер-химик ЛЯ. Кар­ пов ( 1879-1920). В 1920-1932 гг. в СССР было построено несколько крупных предприятий по производству аммиака, азотных, калий11ых и фосфорных

удобрений, химических волокон и т. д.

В 1920 г. был создан Московский практический химико-технологический институт им. Д.И. Менделеева, состоявший из химического и механического отделений. Механическое отделение готовило механиков для химической про.'v!ышлешюсти и, что особенно важно, для заводов химического маши­ ностроения. В 1930 г. в СССР была проведена реорганизация высшего техни­

ческого образования, в результате которой в Москве и Ленинграде образава­

лись на базе химических и технологических факультетов ряда высших учебных

заведений единые химико-технологические институты. В 1931 г. они были расфор:~-1ированы. При :лом на базе Единого Московского химико-техноло­

гического института возникли МХТИ им. Д. И. Менделеева, Московский инс­ титут химического машиностроения (МИХМ), Московский институт тонкой

химической технологии им. М. В. Лшvюносова (МИТХТ), Военная химическая академия и химический факультет Московского государствешюго университета им. М.В. Ломоносова.

Сушественный вклад в развитие химической технологии, создание хими­

ческой промышлешюсти и химического машиностроения, подготовку кадров

для :лих отраслей внесли видные ученые и инженеры, такие, как И.А. Каб­ луков, Н.Д. Зелинский, Н.Н. Ворожцов, С.И. Вольфкович, И.А. Тищенко, Н.Ф. Юшкевич, А.Г. Касаткин, А.Н. Плановский, П.М. Лукьянов, Н.М. Жа­ воронков, Л.А. Костандов, Г.К. Боресков, М.М. Дубинин, Н.М. Эмаиу::ть, В.А. Легасов, В.В. Кафаров, П.Г. Романков и многие другие.

Значение химической технологии и химического машиностроения

для развития экономики. Химическая промышленность - одна из

ведущих отраслей современной экономики. Ей принадлежит оп­

ределяющая роль в ускорении научно-технического прогресса,

повышении эффективности общественного производства, матери­

ального и культурного уровней жизни народа.

Научной основой химической и смежных с ней отраслей про­

мышленности является химическая технология, а базой техниче­

ского прогресса этих отраслей - химическое машиностроение.

8

Принятая в СССР стратегия развития химической промыш­

ленности и химического машиностроения позволила создать в ко­

роткие сроки мошнуюсовременную химическую промышлснность

и стабильно обеспечивать народное хозяйство страны необходи­

мыми химическими продуктами. Химическая промышленность

СССР выпускала в 1991 г. более 50 тыс. видов продукции, вкл ю­

чая синтетические смолы и пластмассы, синтетические каучуки,

химические волокна, концентрированные сложные минеральные

удобрения, химические средства зашиты растений, продукцию

микробиологического синтеза.

Динамика выпуска основных видов химической продукции СССР

в 1960-1989 гг. (в тыс. т) показана ниже.

По развитию химической и нефтехимической промышленности Россия занимала в СССР ведушее место. На территории Российской

Федерации было сосредото•Iено более половины химических пред­

приятий и выпускалось почти две трети товарной химической про­

дукции.

Химическая и нефтехимическая промышленность России про­

должает оставаться крупным поставщиком сырья, полупродуктов,

различных материалов для всех отраслей промышленности, сельс­

кого хозяйства, сферы услуг. Ло выпуску продукции химическая

промышленность занимает ныне пятое место в структуре промыш­

ленного производства России. В ней действует 600 крупных и сред­

них предприятий, 100 научно-исследовательских и проектных ор­

ганизаций.

В то же время экономический кризис 1990-х годов привел к зна­

чительному сокращению макроэкономических показателей, опре­ деляющих возможности прогрессивного развития общества и ин­ дустриальный потенциал государства.

Динамика объемов промышленного производства в 1990-е годы (в процентах к 1990 г.) приведсна ниже.

Одним из последствий кризиса стало сокращение внутреннего

спроса на продукцию химической промышленности.

Ниже приведсны некоторые данные по использованию

мощностей химической промышленности России в 1990-1997 1т.

10

Химическая промышленность является материальной базой хи­

мизации экономики, представляюшей собой внедрение методов

химической технологии, химического сырья, материалов и изде­

лий из них в лроизводственную и непроизводственную сферы.

Цель химизации - интенсификация и повышение эффектив­

ности промышленного и сельскохозяйственного производства,

улучшение условий труда и повышение уровня медицинского,

культурного и бытового обслуживания населения. Химизация обес­

печивает: совершенствование структуры сырьевого баланса, обус­ ловленное ростом потребления прогрессивных химических мате­ риалов и экономией природных ресурсов; снижение затрат на

производство и эксплуатацию изделий; совершенствование топлив­

но-энергетической базы путем интенсификации процессов и ком­ плексной переработки нефти, природного газа, угля и сланцев, ис­

пользования теплоты реакций; усиление охраны окружающей среды. Химизация служит одним из решающих факторов повышения эффективности производства. Затраты общественного труда на

производство химических материалов значительно ниже, чем на

получение естсетвенного сырья; в 2-3 раза уменьшаются при этом

и энергетические затраты.

Одной из главных задач отраслей химического комплекса яв­

ляется развитие химического материаловедения. Создание и про­

изводство новых химических материалов, развитие технологии их

переработки радикальным образом влияют на повышение надеж­ ности и долговечности машин и оборудования, снижение их мате­

риалоемкости, энергоемкости и трудоемкости изготовления, а так­ же на экономию черных, цветных и редких металлов.

Материальной основой всех химико-технологических процес­

сов являются машины и аппараты химических производств.

Номенклатура оборудования, используемого в химико-техно­ логических процессах, насчитывает свыше 12 тыс. наименований и типоразмеров. Это аппараты и установки для разделения жид­ ких неоднородных смесей (фильтры, центрифуги, центробежные сепараторы, отстойники и др.), тепло- и массаобменные аппараты

(теплообменники, испарители, колонны, сушилки, экстракторы,

кристаллизаторы и т. п.), устройства для измельчения, классифи­

кации и дозирования материалов, смесители, оборудование для

переработки полимеров, аппараты для разделения воздуха, холо­

дильные установки, газоочист11ое и пылеулавливающее оборудо­

вание, компрессоры, насосы, арматура и т. д.

Достаточно отметить, что одна лишь установка для производ­

ства этилена и пропилена содержит до 40 различных колонн,

250 теплообменников, 50 емкостных аппаратов, печи пиролиза,

компрессорные установки, большое количество насосов, армату­ ры, различных коммуникаций, контрольно-измерительных при­ боров и средств автоматики, связанных в единую технологическую

линию.

Как показывает опыт развитых стран, одним из показателей

научно-технического прогресса является рост доли химической

продукции в общем объеме промышленного производства; при

этом в первоочередном порядке должны решаться вопросы

экологической чистоты химических производств. Чрезвычайно важ­ ное значение в реализации этих проблем принадлежит разработке эффективного оборудования, машин и аппаратов для химико-тех­

нологических процессов.

Основные тенденции развития современной химической промыш­

ленности. Основные тенденции развития современной химической

промышленности связаны прежде всего с решением глобальных проблем человечества. К ним относятся: продовольственные ре­

сурсы Земли; ресурсы минерального сырья для промышленности;

энергетические ресурсы; предотвращение загрязнения биосферы.

Все эти проблемы взаимосвязаны и должны решаться комп­ лексно. В их решении существенно возрастает роль биотехноло­

гии. Биотехнические методы борьбы с токсикантами, загрязнением

почвы, воды и атмосферы, микробиологические методы извлече­ ния полезных ископаемых, биологические методы производства ферментов и биологически активных вешеств прсвосходят по эф­

фективности возможности традиционных методов.

Основным путем увеличения произrюдства продуктов питания

и пополнения пищевых запасов является химизация сельского хо­

зяйства и животноводства.

Современный уровень химической технологии и особен но био­ технологии позволяет получать в промышленном масштабе из

непищеного растительного сырья моносахариды, этанол, глице­

рин, фурфурол, растительные дрожжи, аминокислоты, белково­

витаминные конuентрпты и другие продукты.

Одна из ведущих тенденций химической технологии , в том чис­

ле химии углеводородов и химической переработки углей и слан­

цев,- создание крупномасштабных производств новых видов хими­

ческих продуктов и сырья многоцелевого назначения. Такими nродуктам и являются молекулярный водород, аммиак, гидразин,

метанол, которые выполняют роль как химических компонентов, так

и вторичных энергоносителсй. Особое значение среди этих веществ имеет водород, наиболее чистым и практически неисчерпаемым

12

источником которого является вода. Получение водорода из

воды - задача стратегического зна•rенин.

Наиболее перспективные технологические проuессы исполь­

зования водорода - синтез аммиака и метанола, синтез жидких

и газообразных углеводородов (искусственное жидкое топливо, ме­

тан), гидрогазификаuия твердых топлив, прямое восстановление

руд черных и uветных металлов, спеканис металлических порош­

ков, авиаuионное, автомобильное и ракетное топливо, топливо для

газовых турбин и магнитагидродинамических генераторов.

При наличии дешевого водорода можно превращать диоксид углерода неисчерпаемых природных запасов карбонатных пород

проuессами гидрирования в метанол, метан, оксид углерода, жид­

кие углеводороды, мочевину. Намечены некоторые направления

широкого использования водорода, связанные с тем, что на нике­

левых, кобальтовых и рутениевых катализаторах взаимодействие

диоксида углерода с водородом дает метан, а на оксидных катали­

заторах - метанол.

Во всех развитых странах мира проводится работа по изыска­ нию экономичных способов крупномасштабного производства

водорода и созданию водородной технологии. Серьезные перспек­ тины имеет радиаuионно-химичсский способ получения водорода

из воды, особенно в сочетании с высокотемпературным термоли­ зом. Он ориентирован на комплексное использование излучения и теплоты ядерных реакторов. С задачами водородной энергетики тесно связаны и проблемы эффективного использования солнеч­

ной энер1·ии.

Существенно возрастает роль химической энергетики, uелями которой является разработка высокоэффективных способов акку­

мулирования энергии в энергоемких веществах типа водорода

и метана, которые легко транспортируются и способны хранить

запасенную энергию сколь угодно долго.

Персход на 11отрсблсние водорода объединит энергетику и хи­

ми•Iескую технологию, бытовое газоснабжение и металлургию, энергоснабжение автомобильного и авиаuионного транспорта и про­

изводство синтети•1еских углеводородов в единую технологическую

систему. При использовании водородной технологии полностью снимаются экологические и сырьевые проблемы.

Одним из основных мировых источников энергии является

атомная энергетика. На ядерную энергию приходится почти 6% мирового топливно-энергети•1еского баланса и 17% производимой электроэнергии. В мире действуст 436 атомных электрических

станuий (АЭС). Мощность АЭС в США превыщает 90 млн кВт,

во Франции - 45 млн кВт, в Я11онии - 27 млн кВт. В России на долю АЭС nриходитсилишь немнагим более 21 млн кВт установ­

ленной электрической мощности .

В отличие от энергетики на оргаюf'Iеском топливе, где на него nриходится до 60% издержек на производство электроэнергии, за­ траты на ядерное топливо относительно малы (примерно 20%),

а основная часть издержек в атомной энергетике - сооружение

и обслуживаниеуменьшается с увеличением мощности реакто­ ров и АЭС, что делает nроизводство электроэнергии на круnных

АЭС доми нирующим наnравлением атомной энергетики. Немаловажное значение для интенсивного развития атомной

энергетики имеет ее относительнан экологи•1еска$1 чистота. При

сжигании органических тоnлив на теr1ловых электростанциях

(ТЭС) nроисходит выброс в окружаюшую среду больших объемов

оксидов азота, серы и углерода, токсичных углеводородов, золы

и 11ыли и соnровождается nотреблением огромного количества кислорода . На АЭС такие вредные выбросы не образуются, а кис­

лород не расходуетси. Безусловным преимуществом атомных АЭС является и то, что даже уровень создаваемой ими избыточной

радиоактивности ниже, чем вокруг угольных ТЭС, и не вносит серьезного доnолнительного вклада в естественный радиоактив­

ный фон .

Развитие атомной энергетики для производства :_щектрической тепловой энергии nозволяет высвободить зна•1итслы1ые количе­ ства органического тоnлива для nоследуюшей его комnлексной nе­ реработки. Принципиально новое направление круiJномасштаб­

ной химической технологии основано на исnользова11ии атомной

энергии в химических целях. Новаи технология базируется на

энергоемких термарадиационных процсссах, происход;1щих nри

комбинированном использовании тепловой и радиационной энер­

гии ядерных энергоисточников (атомных рсактороu, силыiОТО'I­

ных ускорителей). Теплота атомных реакторов исnользуется для

проведе ния э ндотерм и•1еских высокотем nератур н ых процессов,

а эне ргия у-излучения- дл я осуществления радиационно-химиче­

ских npoueccoв синтеза и модифинироuания материалов. Интег­

рация хими•1еской технологии и атомной энергетики окажет су­

щественное uлияние на ускорен и е научно-технического nрогресса.

Вусловиях ограниченных ресурсов нефти щромнос значение

вкачестве новых видов сырья д;НI химических и нсфтсхими•Iеских пролуктоn r1риобретаст уголь. В России nроводится работа по со­ зданию и освоению экономичных проuессов и с11особов комплек­

сной переработки канско-ачинских углей и других ненсфтнны х

16

моделирования и оптимизаuии как реакторной части технологи­

ческой схемы, так и всей схемы в uелом.

Предприятия химической промышленности России могут стать вполне конкурентоспособными с ведущими зарубежными фирма­ ми. Интеграuия их в мировую экономику может произойти только

при мобилизаuии всех производственных ресурсов, внедрении

новых технологических проuессов и модернизаuии производства.

Одним из условий успешного решения этих задач является постоянное совершенствование химической технологии, начиная с развития ее теоретических основ и кончая разработкой эффек­

тивных технологических схем и созданием современного хими­

ческого машиностроения.

18Раздел первый. Химические процессы и реакторы

Врезультате химических реакций получают смесь продуктов (целевых, побочных, попутных) и непрореагировавших реагентов.

Заключительные операции последней стадии связаны с разделе­

нием этой смеси, для чего вновь применяют гидромеханические,

тепло- и массаобменные процессы, например фильтрование, цен­

трифугирование, ректификацию, абсорбцию, экстракцию и т. д.

Продукты реакции направляют на склад готовой продукции или на дальнейшую переработку; непрореагировавшее сырье вновь

используют в процессе, организуя его рецикл.

На всех этапах, а особенно на заключительных, проводят также

рекуперацию вторичных материальных и энергетических ресур­

сов. Потоки газообразных и жидких вешеств, попадаюших в окру­

жаюшую среду, подвергают очистке и обезвреживанию от опас­

ных примесей. Твердые отходы либо направляют на дальнейшую

переработку, либо размещают для хранения в безопасных для окру­ жающей среды условиях.

Таким образом, химико-технологический процесс в целом­

это сложная система, состоящая из единичных связанных между

собой процессов (элементов) и взаимодействующая с окружаю­

щей средой.

Элементами химико-технологической системы являются пере­ численные выше процессы тепло- и массообмена, гидромехани­ ческие, химические и т. д. Их рассматривают как единичные про­

цессы химической технологии.

Важной подсистемой сложного химико-технологического про­

цесса является химический процесс.

Химический процесс представляет собой одну или несколько хи­ мических реакций, сопровождаемых явлениями переноса теплоты,

массы и импульса, оказывающих влияние как друг на друга, так и на

протекание химической реакции.

Анализ единичных процессов, их взаимного влияния позволя­

ет разработать технологический режим.

Технологическим режимом называется совокупность технологи­ ческих параметров (температуры, давления, концентраций реагентов и т. д.), определяющих условия работы аппарата или системы аппа­

ратов (технологической схемы).

Оптимальные условия ведения нроцессаэто сочетание ос­

новных параметров (температуры, давления, состава исходной ре­ акционной смеси и т. д.), позволяющее получить наибольший выход

продукта с высокой скоростью или обеспечить наименьшую себе­ стоимость при соблюдении условий рационального использования

сырья и энергии и минимизации возможного ущерба окружаю­

щей среде.

Единичные процессы протекают в различных аппаратаххи­ мических реакторах, абсорбционных и ректификационных колон­

нах, теплообменниках и т. д. Отдельные аппараты соединены в тех­

нологическую схему процесса.

Технологическая схемарационально построенная система еди­ ничных аппаратов, соединенных различными видами связей (прямых,

обратных, последовательных, параллельных), позволяющая получить

заданный продукт заданноrо качества из природного сырья или полу­

фабрикатов.

Технологические схемы бывают открытыми и закрытыми, мо­ гут содержать байпасвые (обводные) потоки и рециклы, позволя­

юшие повышать эффективность функционирования химико-тех­

нологической системы в целом.

Разработка и построение рациональной технологической схе­ мы - важная заЛ,ача химической технологии.

§ 1.1. Классификация химических реакций,

лежащих в основе промытленных

химико-технологических процессов

В современной химии известно большое число различных хи­ мических реакций. Многие из них осушествляются в промышлен­ ных химических реакторах и, следовательно, становятся объектом

изучения химической технологии.

Чтобы облегчить изучение близких по природе явлений, в нау­ ке принято их классифицировать по обшим признакам. В зависи­

мости от того, какие признаки взяты при этом за основу, сушест­

вует несколько видов классификации химических реакций. Важным видом классификации является классификация 110

механизму осуществления реакции. Различают простые (одностадий­ ные) и сложные (многостадийные) реакции, в частности нарал­

лсльные, последовательные и послсдовательно-параллельные.

Простыми называют реакции, для осушествления которых тре­ буется преодоление лишь одного энергетического барьера (одна

стадия).

Сложные реакции включают в себя несколько параллельных

или последовательных стадий (простых реакций).

Реальные одностадийные реакции встречаются чрезвычайно

редко. Однако некоторые сложные реакции, проходяшие через ряд промежуточных стадий, удобно считать формально простыми. Это

возможно в тех случаях, когда промежуточные продукты реакции

в условиях рассматриваемой залачи 11с обнаруживаются.

Классификация реакций по молекулярностu учитывает, сколь­

ко молекул участвует в элементарном акте реакции; различают r-vюно-, би- и тримолекулярные реакции.

Вид кинеп1'Jсского уравнения (зависимости скорости реакции

от концентраl!ий реагентов) позволяет проводить классификацию по порядку реакции. Порядком реакнии называется сумма лаказате­

лей стеленей у конвентраций реагентов в кинетическом уравнении.

Существуют реакции первого, второго, третьего, дробного порядков.

Химические реакции различают также по тепловому эффекту.

При протекании экзотермических реакций, сопровождающихся выделением теллоты ( Q >0), происходит уменьшение энтальпии реакционной системы (11Н <О); при нротекании эндотермических

реакций, сопроuождающихся логлощением теплоты ( Q < 0), про­ исходит увеличение энт<иiьпии реакционной системы (!1Н> 0).

Для выбора конструкции химического реактора и способов

управления проuедением процссса существенное значение имеет

фазовый состав реакционной системы.

В заuисимости от того, одну или 11есколько фаз образуют ис­

ходньtс реагенты и продукты реакции, химические реакции делит

на гоr-vюфазньtе и гетерофазньtе.

Гамафазными называют реакции, в которых исходные реаген­

ты, стабильные промежуточные вещества и продукты рсакtrии на­ ходятся в пределах одной фазы.

Гетерафюными назыnают реакции, в которых исходные реа­ гентьt, стабильные промежуточные вещества и пролуктьi реакции образуют более чем одну фазу.

В зависимости от зоны протекания реакции делятся на гомо­

генные и гетерогенные.

Понятия <<гомогенная>> и <<гетерогенная>> реакции не совпалают с понятиями <<гомофазньtЙ>> и <<Гетерофазный>> прtщессьi. Гомоген­

ность и гетерогенность реакции отражает в определенной степени ее механизм: протекает ли реакция в объеме какой-то одной фазы

или на поверхности раздела фаз. Гомофазность и гетсрофазность про­

цесса позволяют лишь судить о фазовом сост;ше у~mстников реакции. В случае гомогенных реакций реагенты и продукты нахолятся

в одной фазе (жидкой или газообразной) и реакния протекает в объеме этой фазы. На11ример, окисление оксида азота кислоро­ дом воздуха в произnодстве азотной кислотыгазофаз11ая реак­

ции, а реакции этерификации (llолученис эфиров из органических кислот и спиртоn)- жидкофазные.

При протекании гетерогенных реакний по меньшей мере один из реагентов или продуктов нахолитсн в фазовом состоннии,