В. В. Курилкин основы химической технологии и лесопереработки конспект
| Вид материала | Конспект |
- Рабочая программа по дисциплине Ф. 13 «Системный анализ процессов химической технологии», 148.25kb.
- Основные вопросы рабочей программы по химической технологии, 282.59kb.
- Конспект лекций по курсу «Введение в специальность» направление, 941.35kb.
- М. В. Ломоносова Кафедра экономики и организации производства И. А. Назарова Основы, 599.04kb.
- Рабочая программа дисциплины компьютерные моделирующие системы в химической технологии, 239.63kb.
- Аннотации программ дисциплин Аннотация дисциплины, 62.94kb.
- Рабочая программа дисциплины инновационное развитие химической технологии модуль, 388.84kb.
- Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова, 319.7kb.
- Рабочая программа дисциплины системный анализ процессов химической технологии направление, 349.07kb.
- Физико-химические основы разделения биазеотропных смесей 05. 17. 04 Технология органических, 285.92kb.
В. В. Курилкин
ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
И
ЛЕСОПЕРЕРАБОТКИ
(конспект лекций)
Для студентов I курса инженерного факультета
специальности «Экономика и управление на предприятии (по отраслям)»
Москва
Издательство Российского университета дружбы народов
2006
Утверждено
РИС Ученого совета
Российского университета
дружбы народов
Курилкин В.В.
Основы химической технологии и лесопереработки.
Конспект лекций. – М.: Изд-во РУДН, 2006. - … с.
Конспект лекций по «Основам химической технологии и лесопереработки» подготовлен в соответствии с программой для студентов I курса инженерного факультета обучающихся по специальности «Экономика и управление на предприятии (по отраслям)»
Подготовлен на кафедре неорганической химии.
© Курилкин В.В. 2006
© Издательство Российского университета дружбы народов, 2006.
Введение в курс химической технологии
В буквальном переводе «технология» - это учение о мастерстве. Но сегодня об этом забыли. Слово «технология» понимается скорее как конкретный способ производства, производственный прием или комплекс приемов. Ныне технология – не наука, а скорее свод правил, кодекс законов, регламентирующих процедуры целенаправленного перевода материи из одного состояния в другое. Ясно, что эти процедуры базируются на достижениях фундаментальных научных дисциплин, но одновременно учитывают реальные ресурсовые возможности и достигнутый уровень мастерства исполнителей. Это заставляет технологию, в идеале, быть очень гибкой, чувствительной ко всем названным факторам. Темп этих взаимных и последовательных изменений определяет темп научно-технического прогресса.
Стало общепринятым называть общество, в котором мы сейчас живем, индустриальным. Сегодняшним студентам предстоит действовать в существенно другом обществе, которое уже официально будет именоваться технологическим. Технология вообще определяет дальнейшую эволюцию человечества. Шумно обсуждаемые в последние годы кризисы – энергетический, белковый (более известный под названием продовольственного), экологический – вызваны не обнищанием земных недр, а тем, что ныне существующая технология извлечения, переработки и использования богатств нашей планеты исчерпала свои возможности.
Только на нефти, газе и угле человечество численностью 10 млрд при сегодняшнем удельном энергопотреблении смогло бы спокойно, не заботясь об иных энергетических источниках, просуществовать 150 лет. Если добавить ядерные источники – 15000 лет. Наконец, запасы солнечной энергии практически неисчерпаемы.
Если сравнить глубины залегания полезных ископаемых наиболее употребительных ныне видов и технически доступные на сегодняшний день глубины (рис. 1), то видно, что освоенная зона составляет малую толику от того что еще предстоит освоить.
Выходит, что запасы источников энергии – полезных ископаемых на земном шаре еще толком и нетронуты. Возрастающий экспоненциально (вместе с запросами человечества) масштаб их использования требует качественно иной технологии. Причем речь идет не только о собственно добыче, но и о дальнейших операциях с ископаемым сырьем.
Потери горючих ископаемых на долгом пути до потребления представлены на рис. 2 (по самым оптимистичным оценкам). Считается, например, что при транспортировке теряется 10%. Максимальный коэффициент полезного действия при сжигании горючего в котельных сегодня составляет 40%. При передаче электроэнергии потребителю теряется еще не менее 10% и еще 10% - у потребителя (например, на станке).
 |
| Рис. 1 Глубины разведочных и эксплуатационных скважин (м) |
 |
| Рис. 2 |
Если сравнить рекордные цифры полезной работы энергоресурса на разных предприятиях в разных регионах мира с обычным для сегодняшней техники уровнем – о каком бы продукте ни шла речь, всегда выяснится, что первые в десятки, а то и в сотни раз выше вторых. Разница эта показывает сколь далеки сегодняшние энергозатраты от теоретической «линии горизонта», какой большой путь предстоит пройти технологам, чтобы приблизиться, если не к идеалу, то хотя бы к более или менее разумным цифрам. Реальна ли эта задача в самой ее постановке?
Известная английская химическая фирма ICI начала решать эту задачу. На протяжении последнего десятилетия фирма последовательно увеличивала объем выпускаемой химической продукции. Увеличивая объемы выпуска, фирма не только не увеличивала расход энергии, а примерно таким же темпом снижала его.
Расширим теперь наш пример с одной фирмы до масштабов отрасли. Возьмем производство минеральных удобрений в той же Великобритании. Среднегодовые энергозатраты здесь были снижены на 1.8 млн. т условного топлива (т у. т.). При этом лишь 200 тыс. т у. т. из них были сэкономлены благодаря бережливости (выключению светильников и вхолостую работающих насосов, рекуперации тепла и другим организационным мероприятиям). Львиная же доля экономии (1,6 млн т у. т.) была достигнута в результате перехода на новые технологические принципы.
Сказанное относится и к сырью. В подтверждение этому – другой пример. Спроектированный в начале 70-х годов японский агрегат для получения аммиака расходовал для получения тонны продукта 1300 кубометров метана. За последние пять-шесть лет на Западе удалось, не меняя конструкции основных аппаратов агрегата и его производительности, снизить эту цифру до 1000-1050. Сейчас разрабатываются технологические и конструкторские меры, которые позволят расходовать только 850-950 кубометров природного газа на тонну аммиака (для справки: теоретически необходимый расход – 850. У нас в России от проектной величины 1300 кубометров реальный расход сырья увеличился за это время до 1500 кубометров на тонну аммиака).
Увеличение масштаба производства делает экономически недопустимым использование сырья и энергии «с избытком». Это первый и важнейший критерий необходимости кардинальных технологических перемен.
Второй – экология. Экологические проблемы оказались следствием неоправданно большого расходования энергии и материалов. Эти проблемы хорошо известны, и все-таки впечатляет, когда читаешь о том, что за последние десятилетия в воздух попало свинца больше, чем за весь предшествующий период истории; кадмия, меди, цинка – больше, чем за первые 50 лет прошлого столетия. Внушительны и абсолютные цифры попадающих в атмосферу металлов: свинца – 19 млн. т, цинка – 14 млн. т, меди – более 2 млн. т. Необходимость уменьшить эти выбросы определяет требования к технологии.
Третий критерий и стимул для грядущей технологической революции – резкое, почти повсеместное повышение требований к качеству материалов.
Четвертый – чисто экономический. Темпы перестройки технологии должны соответствовать очень динамичным ныне темпам перестройки потребительского рынка.
Экономически целесообразный ресурс оборудования, как правило, 10-40 лет. До недавнего прошлого примерно таков же был и срок жизни товара. Но сегодня ситуация изменилась: все больше на мировом рынке появляется товаров, время жизни которых – пять-шесть лет и меньше. И это при том же ресурсе оборудования. Ясно, что невыгодно снижать требования к оборудованию, снижать его ресурс до нескольких лет. Но тогда это оборудование (а вместе с ним – и технология) должно быть перестраиваемым, гибким, способным производить различную продукцию по мере изменения рыночной конъюнктуры.
Создать технологию, удовлетворяющую всем этим четырем требованиям, можно, лишь опираясь на «трех китов»:
первый – достижения фундаментальных наук, перенесенные в технологические процессы;
второй – замена дифференцированной структуры производства и потребления сырья и энергии на интегрированную энерготехнологическую схему (возможны заметные синергетические эффекты, снижающие расходы сырья и энергии);
третий – резко возрастающая роль химии, химических принципов и химических процессов во всех отраслях народного хозяйства.
Несколько слов по поводу первого «кита». В нынешнюю индустриальную эпоху большинство достижений совершено силами изобретателей. Новый технологический процесс обычно появляется на свет как крупное изобретение, которое затем ученые начинают оптимизировать и совершенствовать. В технологическом обществе, то есть практически уже сейчас, такой чисто изобретательский подход становится невозможным.
Вот характерный пример. Для электротехнической промышленности важно получение особо чистого кремния, легированного (с высокой однородностью) фосфором. Никаким химическим методом, введением ли фосфора в кремний или диффузией фосфора, не удается обеспечить нужную степень однородности. Единственный технологический процесс, решающий задачу – облучение брусков кремния в канале атомного реактора однородным нейтронным потоком, под воздействием которого кремний частично превращается в фосфор. При этом месторасположение бруска кремния, интенсивность нейтронного потока и время пребывания в нем кремния однозначно определяют все необходимые параметры (концентрацию легирующих атомов, глубину их расположения и т. д.). Такой технологический процесс может родиться только на базе фундаментальных знаний как в области химии, так и в области ядерной физики, так как здесь надо подсчитать величину нейтронных потоков, знать, как ведет себя кремний и находящиеся в нем примеси под нейтронным облучением. Надо хорошо чувствовать химические и физические реакции материалов на воздействия температуры и излучения.
Вообще, «алхимия», «алхимическая» технология будут приобретать все большее значение. Интересно, что по мере развития атомной энергетики в ее отходах накапливается целый ряд искусственно получаемых материалов, среди которых палладий, рутений, платина. Концентрация их в естественных условиях существенно меньше, чем в отходах атомной энергетики. Эти рукотворные «месторождения» вполне могут удовлетворить потребности техники в этих элементах.
Знаменательно, что в наше время новые технологии для химической, электронной промышленности, ядерной энергетики, космической техники зарождаются в университетах, либо на базе университетской науки, либо с участием людей, получивших университетское образование. Это не случайно. Специалистам, получающим образование в технологических специализированных институтах, несмотря на их зачастую глубокие специальные познания, не хватает знаний базовых, широты кругозора, чтобы предложить принципиально новый подход к решению той или иной задачи, подход, основанный на совсем других принципах, на свежих достижениях фундаментальных наук. А развитие промышленной деятельности требует именно такого подхода. Поэтому роль университетского образования, университетской науки в создании того технологического общества, о котором идет речь, должна стать определяющей.
Второй «кит» (энергосырьевая интеграция) связан с поиском новых принципов построения промышленных структур. Окружающий нас живой мир демонстрирует, что наиболее компактные, наиболее гибкие системы построены из элементов, многоцелевых по своему назначению. Промышленные же структуры исторически строились, наоборот, из многофункциональных «кубиков». Макроструктура промышленности, развитой сегодня в мире, отражает этот устаревший принцип: отдельно – производство энергии, отдельно – ее транспортировка, отдельно – ее использование и т. д. Все это делает систему чрезвычайно громоздкой и создает избыточные потоки сырья и энергии.
К примеру, ядерный реактор может одновременно служить источником тепла, электроэнергии, производить при выделении энергии полезные радионуклиды, скажем, для медицинской промышленности. В ночное время, в летние сезонные «провалы» атомные электростанции могут вырабатывать тепло в своей активной зоне и передавать его на какой-либо химический процесс, который будет с его помощью либо немедленно производить товарный продукт, либо регенерировать энергию вновь, когда в ней появится потребность.
Аналогична ситуация в газовой промышленности. Сегодня требования к качеству поставляемого потребителям газа довольно привередливые. Заметная доля газа уже не используется как топливо, а идет на химические производства. Поэтому газ приходится очищать, выделять из него ценные компоненты (например, этан, гелий), отделять вредные (такие как сероводород), а затем и этот вредный компонент утилизировать, получая из него серу. Все это предопределяет последующее развитие газовой промышленности не просто как промышленности энергетической, а как промышленности энергохимической. Совмещение процедур разделения компонентов и получения из них наиболее ценных продуктов так же, как и в случае с ядерным реактором, требует грамотного, комплексного построения единой технологической цепочки, в которой энергия, выделяемая в одном процессе, тут же утилизируется в другом, а отходы, побочные продукты одного из химических реакторов, могут направляться в следующий реактор как исходное сырье следующего процесса.
Создание таких комплексов может не только уменьшить выбросы в окружающую среду и напрасные потери энергии, но и дать существенно нелинейный синергетический эффект, который скажется на производительности подобных комплексов, на качестве продукции и на безопасности работы.
Третий «кит», о котором шла речь, - это химизация промышленности, увеличение доли химических процессов во всех отраслях народного хозяйства. В отличие от первых двух, этот тезис практически всеми у нас принимается и воспринимается.
В валовом национальном продукте большинства стран доля химической продукции очень существенна: от 5% в США до 8% в ФРГ. В России она составляет около 7%.
Химическая промышленность нашей страны, начиная с предвоенных лет, развивалась более быстрыми темпами, чем народное хозяйство в целом, что соответствует общемировой тенденции.
Естественно, что растущее значение, которое приобретают химические процессы в современных технологиях, отражаются и на экономических стимулах. В США наиболее высокая заработная плата из всех специалистов с высшим образованием установлена именно для химиков-практиков и химиков-исследователей.
Цифры развития химической промышленности и химических процессов во всем мире за последние десятилетия впечатляют, но это только начало процесса. В построении будущего технологического общества и химическим процессам, и химическим подходам, и химикам вообще предстоит сыграть существенно большую роль, чем до сих пор. Ни одна крупная проблема не может быть решена без широкого использования химико-технологических процессов.
Масштаб современных химических процессов на одно из первых мест выдвигает безопасность их проведения. Известно, что с троекратным возрастанием объема химической промышленности аварийность возросла почти на порядок и в еще большей степени – средняя стоимость каждой единичной аварии. Это связано с увеличением плотности химических предприятий, их удельной мощности и доли аварий, сопровождающихся взрывами и пожарами.
Проблема безопасности должна рассматриваться совместно с ее экологическими аспектами на трех уровнях. Прежде всего следует рассматривать процессы, которые могли бы быть надежными и безопасными (используют реагенты, температуры, давления и среды, не представляющие даже потенциальной опасности для персонала и окружающего населения). Второй уровень – потенциально опасные производства, но снабженные такими техническими средствами наблюдения, которые исключили бы превращение потенциально опасной системы в систему реально опасную. На третьем уровне рассматриваются аварийные ситуации и комплекс мер, способствующих их локализации после возникновения.
Что касается экономических аспектов химической технологии, их знание будет полезно любому образованному человеку, в особенности имеющему дело с техникой.
Будучи связанной с целым рядом социальных и экономических проблем, химическая технология в качестве базовой использует методологию системного анализа, математического моделирования и оптимального управления сложными системами
Согласно методологии системного анализа перед решением любой задачи обязателен выбор цели. Предвижу возражения: разве обязателен выбор цели для космохимика или для химика-спектральщика? Нет, он может обследовать объект потому, что ему методически интересно испробовать данный прибор, данный метод наблюдения!.. В такой манере исследователь, связанный с прикладными задачами, с технологией работать не может.
Второй принцип системного анализа – альтернативность – также обязательный атрибут технолога. Во-первых, просто необходимо сравнить различные возможные способы производства одного и того же продукта, во-вторых, если элементы (реакторы, задвижки, системы нагревания, системы воздействия на реагирующую среду) не рассматривать в альтернативных вариантах, решение не получится экономичным. То же самое относится к математическому моделированию: создаваемые системы, как правило, очень сложны, и в большинстве случаев нереально все их испытать, проверить в натуральную величину. Поэтому математическое моделирование, результаты которого могли бы иметь предсказующий или предостерегающий характер – обязательный элемент в работе химика-исследователя, связанного с технологией
Эти методологические навыки важны для технологического образования любого химика-исследователя, который хотел бы связать свою деятельность с практическими задачами.
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ СОВРЕМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
Среди других отраслей химическая промышленность занимает одно из важнейших мест. Удельный вес химической и нефтехимической отраслей в общем производстве в РФ составляет около 9%, что соизмеримо с удельным весом таких отраслей, как черная и цветная металлургия и уступает только топливной отрасли и машиностроению (около 20%).
В структуре химической промышленности выделяют отрасли широкой специализации (горная химия, основная химия, производство органического синтеза и т. д.) и отрасли узкой специализации (производство минеральных удобрений, пластмасс, синтетических каучуков, красителей и т. д.).
В отечественном производстве принята классификация, в соответствии с которой продукция химической промышленности сгруппирована в семь классов, каждый из которых насчитывает от сотен до тысяч различных наименований. При этом к собственно химической промышленности обычно не относят такие отрасли, как металлургия, производство силикатных материалов и некоторые другие, хотя и в них используются химические методы переработки. Эта классификация отражена на рис. 3.
 |
- особые методы воздействия на предметы труда, приводящие к химическим превращениям, что позволяет получать новые вещества;
- разнообразие и узкая специализация применяемых аппаратов и другого оборудования;
- широкий спектр источников сырья для производства одного и того же вида продукции;
- высокая (до 85%) материалоемкость производства;
- высокое энергопотребление, превосходящее в два раза энергопотребление промышленности в целом;
- высокая степень автоматизации производства;
- широкое комбинирование производств на основе единого вида сырья и его комплексного использования.
Перечисленные особенности химической промышленности определяют ее высокую эффективность, способность быстро и гибко перестраиваться на производство новых видов продукции, определяют ее решающую роль в получении новых материалов.
Современное материальное производство, в том числе химическое, представляет многотоннажное специализированное производство, основанное на достижениях науки и техники. Научной основой химического производства является ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, научная дисциплина, сформировавшаяся в ее современном виде к середине ХХ века. Объекты химической технологии – ВЕЩЕСТВА и СИСТЕМЫ ВЕЩЕСТВ, участвующие в химическом производстве, процессы химической технологии – совокупность разнообразных операций, осуществляемых в ходе производства с целью превращения этих веществ в другие.
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ – это отрасль химической науки, изучающая вещества и процессы их превращений в ходе химического производства.
Наиболее емкое определение было дано Д. И. Менделеевым более 100 лет назад: «Технология – учение о выгодных (т. е. поглощающих наименее труда людского и энергии природы) приемах переработки природных продуктов в продукты, потребные для применения в жизни людей… Дело, например, химии изучать получение железа из его руд…, а дело технолог №.и изучить выгоднейшие для этого способы, выбрать из возможностей наиболее приемлемую по выгодности – к данным условиям времени и места…» (Брокгауз Ф. А., Ефрон И. А. Энциклопедический словарь. – С.-П., 1901. – Т. 33. – С. 132). Обратите внимание, что главным является не просто получение целевого продукта, чем мог бы довольствоваться химик-исследователь, а массовое получение продукта при минимальных затратах ресурсов труда, сырья, энергии, минимальных капитальных вложениях и минимальном ущербе для человека и окружающей природной среды.
В настоящее время под химической технологией мы понимаем важнейшую область знаний в практической деятельности, которая охватывает вопросы управления процессами химической переработки сырья в целевые продукты, выбранными на основании фундаментальных физико-химических закономерностей с учетом экономических и социальных факторов, ресурсообеспечения и необходимой безопасности производства. Длительное время считали, что основу химической технологии составляют СЫРЬЕ, ЭНЕРГИЯ и АППАРАТУРА. В настоящее время выделяют по меньшей мере 10 элементов химической технологии. К ним относятся:
1) физикохимия процесса и поиски оптимальных физико-химических условий его осуществления;
2) сырье, основные и побочные продукты, отходы производства;
3) энергетика процесса, условия максимального полезного действия энергии;
4) аппаратура, среди которой наиболее важны химические реакторы, аппараты для осуществления химико-технологических процессов;
5) материалы аппаратуры и средства их защиты от коррозии, создание новых материалов;
6) аналитический контроль и управление процессом (включая автоматизацию и управление ЭВМ);
7) организация и охрана труда;
8) защита окружающей среды и создание ЭКОТЕХНОЛОГИИ, т. е. технологии при использовании которой химическое производство не наносит ущерба окружающей среде;
9) экономика производства, включая капиталовложения, производительность труда и себестоимость продукции;
10) развитие принципиально новых химико-технологических процессов, в том числе с использованием экстремальных воздействий (космическая технология, радиационные, плазмохимические, криохимические процессы).