Хіміко-технологічним називають будь-який процес, що включає стадію хімічного перетворення, тобто в основі якого лежить конкретна хімічна реакція (або ряд реакцій). Хіміко-технологічний процес включає три основні стадії: підведення реагуючих речовин (сировини) в зону реакції; хімічні реакції; виведення одержаних продуктів із зони реакції. Схематичне зображення хіміко-технологічного процесу показано на рис. 1.

Вихідний матеріал А проходить спочатку підготовку а далі стадію хімічних перетворень. Після другої стадії одержують основний продукт R, побічні продукти S і залишається якась частина непрореагованої сировини. На третій стадії проходить їх розділення. Непрореагована сировина може бути повернута на першу стадію.

Ефективність хіміко-технологічного процесу залежить від раціонального вибору послідовності технологічних операцій і правильного вибору обладнання. Сукупність всіх апаратів для виробництва хімічних продуктів називають хіміко-технологічною системою. Між апаратами ХТС існує взаємозв'язок, який описано математичними моделями.

Послідовний опис (зображення) процесів і відповідних їм апаратів називається технологічною схемою виробництва (ТСВ). В галузях хімічної промисловості сформувались наступні технологічні схеми.

1. З відкритим ланцюгом (розімкнена).

Такі схеми складаються з апаратів, через які реагуючі речовини проходять тільки один раз (рис. 2 а). Якщо ступінь перетворення в одному апараті невеликий, то включають у схему послідовно декілька однотипних апаратів.

2. Циклічна (замкнена, кругова). При такій схемі сировина, що не прореагувала, разом із порцією свіжої повертається в зону реакції (рис. 2 б). Частина сировини циркулює в замкненому циклі. Продукт при цьому виділяється після кожного проходження суміші через реакційну зону. Реагуючі речовини багаторазово повертаються в один і той же аппарат, аж до досягнення заданого ступеня перетворення. До циркулюючої суміші додається свіжа сировина в такій кількості, що дорівнює витраті її на одержання продукту за один цикл. Циклічні схеми забезпечують більш високий ступінь використання сировини, що покращує економічні показники, в навколишнє середовище викидається значно менша кількість шкідливих речовин.

3. Комбінована схема характеризується тим, що одна із реагуючих речовин одноразово проходить апарати, а друга здійснює багаторазову циркуляцію через апарати системи (рис. 2 в).

Технологічні процеси хімічних виробництв відзначаються різноманітністю. Це пояснюється тим, що хімічні методи виробництва дозволяють одержувати різні продукти із одного вихідного матеріалу, а також використовувати різноманітну сировину для одержання одного і того ж продукту. Хіміко-технологічні процеси матеріало- й енергомісткі.

В Україні найбільше виробляють мінеральних добрив, полімерів, мінеральних кислот. Виробляють також содові продукти, спирти, фарби, лаки, фармацевтичні препарати, отрутохімікати та багато ін.

2. ТЕХНОЛОГІЇ ОКРЕМИХ ХІМІЧНИХ ПРОДУКТІВ

2.1 Неорганічні кислоти

Кислотами називають складні неорганічні й органічні речовини, що здатні у водних розчинах дисоціювати (розпадатися), утворюючи позитивно заряджені іони водню. Саме їм кислоти зобов'язані кислим смаком і самою назвою. Залежно від ступеня дисоціації молекул на іони в розчині розрізняють сильні і слабкі кислоти.

Розрізняють неорганічні (мінеральні) й органічні кислоти. До мінеральних кислот належать сірчана, соляна, азотна, фосфорна, сірчиста, сірководнева, плавикова та інші (більше 20 видів). Найбільш розповсюдженою є сірчана кислота. В Україні з усіх кислот найбільше виробляють сірчаної кислоти.

Сірчана кислота - H2S04.

Це важка масляниста рідина, що змішується з водою в будь-яких пропорціях. При цьому виділяється велика кількість теплоти. Може бути різної концентрації. Безводна сірчана кислота називається моногідратом. Сірчана кислота розчиняє оксид сірки, утворюючи олеум. Належить до сильних кислот.

Одержують сірчану кислоту нітрозним і контактним способами. Основним способом є контактний. Цим способом одержують 90% кислоти високої концентрації і якості.

Сировиною для одержання сірчаної кислоти є самородна сірка, природні сірчисті сполуки заліза, міді, цинку та ін., сірка, що входить до складу горючих матеріалів, гіпс, ангідрит. Найчастіше використовують сірчаний колчедан, в якому більше 50% сірки. При одержанні кольорових металів утворюється сірчистий газ, що також є сировиною.

Технологічний процес одержання сірчаної кислоти контактним способом включає такі стадії:

1. Одержання сірчистого газу (діоксиду сірки). Сірчистий газ утворюється при випалюванні колчедану в багатоподових печах або печах киплячого шару. Температура випалювання 500-800°С. Після випалювання утворюється сірчистий газ і твердий залишок (недогарок):

4FeS2 + 1102 > 2Fe203 + 8S02 + Q.

Недогарок містить багато заліза, а тому його використовують при одержанні чавуну, в цементній промисловості, при виготовленні барвників.

2. Очищення сірчистого газу.

Одержаний газ містить до 300г/м3 пилу, в якому є сполуки шкідливих елементів (миш'яку, селену, арсену та ін.). Ці домішки отруюють каталізатор, знижують його активність. Тому газ ретельно (в декілька стадій) очищають.

3. Окислення сірчистого газу.

Сухий очищений газ попередньо нагрівається і подається в спеціальний контактний апарат. В контактному апараті газ додатково нагрівається до 600°С і в присутності каталізатора окислюється до триоксиду сірки:

2S02 + 02 - 2S03 + Q.

Зміщення реакції вправо відбувається при зниженні температури і збільшенні тиску. Каталізатором служить контактна маса, в якій є біля 7% оксиду ванадію, оксиди лужних металів, високопористі алюмосилікати. Починається окислення при 600°С, закінчується при 400°С. Далі газ охолоджується до 60-80°С

4. Поглинання окисленого газу й утворення сірчаної кислоти.

Охолоджений газ подається в абсорбційне (поглииальне) відділення. Тут він поглинається в спеціальних баштах сірчаною кислотою (при поглинанні водою утворюється сірчанокислотний туман). В одній башті утворюється олеум, в другій - сірчана кислота:

S03 + Н20 +H2S04 + Q

Є такі сорти сірчаної кислоти: технічна кислота (купоросне масло) з концентрацією 90,5-92,5%, моногідрат (безводна кислота), баштова кислота з концентрацією 75%, акумуляторна кислота - 92-94% й олеум (низькокоицентрований містить 18,5-20% вільного триоксиду сірки, висококонцентрований -до 65% вільного триоксиду сірки).

Сфери використання.

Близько 40% сірчаної кислоти використовується для виробництва неорганічних та органічних кислот, солей, при одержанні вибухових речовин, штучних і синтетичних волокон, пластмас, отрутохімікатів, фарб, барвників, лаків, лікарських речовин, крохмалю, патоки. Сірчану кислоту використовують в металообробці для очищення від продуктів корозії, перед покриттям іншими металами. На транспорті використовують сірчанокислі акумулятори. Перевозять і зберігають сірчану кислоту у стальній і скляній тарі.

Техніко-економічні показники.

Обладнання для одержання сірчаної кислоти є високопродуктивним, окремі стадії технологічного процесу (окремі механізми) автоматизовані. При контактному способі одержують кислоту високої якості, що розширює сфери її використання. Сірчана кислота найдешевша з усіх кислот. Розбавляючи водою, можна одержувати кислоту різної (потрібної) концентрації. Виробництво вимагає дотримання норм охорони праці і техніки безпеки.

2.2 Мінеральні добрива

Мінеральними добривами називають речовини (солі), які містять елементи необхідні для нормального росту рослин. Деякі хімічні елементи потрібні рослинам у великих кількостях (азот, фосфор, калій, кальцій, магній, залізо), деякі в дуже малих кількостях (йод, бор, цинк, молібден, марганець, мідь, кобальт та ін.).

Класифікують мінеральні добрива за такими ознаками: за видом поживних елементів - азотні, фосфорні, калійні; за кількістю поживних елементів - прості (містять один поживний елемент) і комплексні (два або більше поживних елементи); за агрегатним станом - тверді й рідкі; за агрохімічною дією - прямі і непрямі. Непрямі добрива (вапняк, доломіт) вносять в грунт для поліпшення його фізичних і біохімічних властивостей.

До азотних добрив належать аміачна селітра, карбамід (сечовина), сульфат амонію, рідкий аміак, аміачна вода. Азотні добрива добре розчиняються у воді, їх найбільше застосовують у сільському господарстві (для всіх рослин і на будь-яких ґрунтах). Найбільш концентрованим азотним добривом є рідкий аміак (до 82% азоту).

До фосфорних добрив належать природні фосфати, простий і подвійний суперфосфат, преципітат. Фосфорні добрива оцінюються вмістом оксиду фосфору. Його вміст у фосфорних добривах коливається в межах 20-50%. Фосфорні добрива потрібні злаковим культурам (житу, пшениці, ячменю та ін.), технічним культурам, плодовим деревам. Водорозчинність фосфорних добрив гірша, ніж азотних.

До калійних добрив належать сильвініт, хлорид калію, сульфат калію. Без калію рослини не можуть нормально рости і розвиватися. Давно застосовували для підживлення ґрунтів золу рослин, до складу якої входить калій. При нестачі калію сповільнюється ріст рослин, жовтіє листя, плоди, стають менш солодкими фрукти, ягоди, насіння тратить схожість. Калій потрібен всім рослинам.

До комплексних добрив можуть входити всі три поживні елементи (їх тоді називають повними), або два. До них належать амофос, нітрофоска, діамофос, нітроамофоска та ін. Співвідношення поживних речовин у комплексних добривах різне. Цінність комплексних добрив насамперед в тому, що із них поживні речовини засвоюються повніше, зменшуються витрати. За способом одержання комплексні добрива можуть бути змішані і складні. Змішані одержують механічним перемішуванням частинок різних добрив, складні - хімічним способом або внаслідок сумісної кристалізації. До складу комплексних добрив часто входять мікроелементи.

Мінеральні добрива випускають найчастіше гранульованими. Це спрощує процес внесення їх у ґрунт, покращує їх зберігання, запобігає швидкому руйнуванню.

Аміачна селітра.

Із всіх азотних добрив аміачну селітру використовують найчастіше. Сировиною для її одержання є азотна кислота та аміак. Одержують її шляхом нейтралізації кислоти аміаком.

NH3 + HN03-NH4N03 +Q

Процес нейтралізації відбувається в спеціальному нейтралізаторі. Реакція йде з виділенням теплоти, тому розчин буде нагрітим. Далі розчин випарюється у вакуум-випарному апараті. Утворюється плав, який гранулюють в грануляційній башті повітряним потоком. Гранули додатково охолоджують і поділяють на фракції. При гранулюванні аміачної селітри додають негігроскопічні домішки. Одержані гранули припудрюють помеленим гіпсом, каоліном, фосфоритним або костяним борошном.

Техніко-економічні показники.

Вміст азоту в аміачній селітрі до 35%. Ефективність використання аміачної селітри зумовлюється її високою водорозчинністю і засвоюваністю рослинами. Вона потрібна всім рослинам. її легко вносити в ґрунт. Поряд з тим, це добриво при тривалому зберіганні злежується, може перекристалізовуватися із збільшенням об'єму, що приводить до руйнування тари. При підвищенні температури і вологості (під час зберігання) вибухає, що потрібно враховувати при зберіганні і транспортуванні.

2.3 Високомолекулярні сполуки

Високомолекуляршши сполуками (ВМС) називають сполуки, що мають велику молекулярну масу (великі розміри молекул). їх іще називають полімерами. В макромолекулах ВМС сотні і тисячі молекул, які пов'язані між собою. Будова макромолекул така, що в них є однотипні групи атомів (елементарні лапки), які багаторазово повторюються. Ланки з'єднані хімічними зв'язками в ланцюги. Число цих ланок називають ступенем полімеризації (n). Із збільшенням молекулярної маси поліпшуються властивості полімера.

Важливою характеристикою ВМС є їх відношення до температури. Вони здебільшого мають низьку температуростійкість. За відношенням до температури полімери є термопластичні (здатні до багаторазового нагрівання до температури плавлення і затвердіння) і термореактивні (при нагріванні плавляться, а далі твердіють безповоротно, втрачаючи здатність плавитися).

Полімери здебільшого важкорозчинні. Вони розчиняються повільно і часто спочатку набухають, тоді молекули розчинника проникають у масу полімера. Деякі полімери зовсім нерозчинні.

При класифікації полімерів до уваги приймають такі ознаки: походження (природні і синтетичні), хімічний склад головного ланцюга (карболанцюгові - головний ланцюг має лише атоми вуглецю, гетероланцюгові - присутні також кисень, азот, сірка, фосфор, кремній), структуру макромолекули (лінійні, розгалужені і тривимірні), методи одержання (полімеризаційні і поліконденсаційні), фізичні властивості.

Одержують полімери із мономерів реакціями полімеризації і поліконденсації.

Полімеризацією називають процес з'єднання молекул при розриві подвійних зв'язків. Макромолекули мають однаковий з вихідним мономером склад. Різновидністю полімеризації є сополімеризація - полімеризація двох або більше різних мономерів. Розміщення елементарних ланок в макромолекулі сополімера має випадковий характер.

Поліконденсацією називають процес утворення макромолекул з одночасним виділенням побічних низькомолекулярних сполук (води, вуглекислого газу, аміаку та ін.). Елементарний склад цих полімерів відрізняється від елементарного складу вихідних мономерів.

Сировиною для одержання полімерів є продукти переробки деревини, вугілля, нафти, природного і супутного газів. Крім того, при одержанні полімерів використовують мінеральну сировину - сірчану, азотну кислоти, хлор, оксид кальцію, а також деяку рослинну сировину - целюлозу, фурфурол та ін.

Високомолекулярні сполуки, до яких належать льон, бавовна, вовна, целюлоза, хімічні волокна, смоли, пластмаси, каучуки, лаки та ін., відіграють важливу роль у створенні різних матеріалів та виробів. Синтетичні ВМС є порівняно новими матеріалами, оскільки їх почали виробляти і використовувати лише з початку XX ст. Сьогодні полімери належать до прогресивних матеріалів і впливають на темпи розвитку науково-технічного прогресу.

Основними споживачами матеріалів та виробів на основі високомолекулярних сполук є: машино-, літако- та суднобудування, радіоелектроніка, ракетобудування, атомна промисловість, космічна техніка, хімічна промисловість, сільське господарство, харчова, легка й інші галузі промисловості.

До цінних техніко-економічних характеристик полімерів належать: порівняно висока механічна міцність, пружність та еластичність, стійкість в агресивних середовищах, зносостійкість, мала густина, висока технологічність. Крім того, для одержання полімерів є різноманітна сировина. Використання полімерів допомогло розв'язати багато актуальних народногосподарських завдань - підвищення якості, надійності і довговічності виробів, економія металів, боротьба із корозією, збільшення сільськогосподарської продукції та ін. Потреба в полімерних матеріалах сприяє розвитку прогресивних технологій їх одержання. Разом з тим, полімери володіють і негативними властивостями. Це низька температуростійкість, мала твердість, старіння (з часом їх якість знижується), висока собівартість.

Поліетилен.

Поліетилен одержують з етилену трьома способами: полімеризацією під високим тиском (100-200 МПа) і при температурі 180-200°С в присутності кисню або перекисів (кисню беруть 0,005-0,5% від кількості етилену); полімеризацією при середньому тиску (3-7 МПа) в присутності оксидних каталізаторів (оксидів хрому); при низькому тиску (0,2-0,6 МПА) в присутності металорганічних каталізаторів.

Поліетилен, одержаний при середньому і низькому тиску має лінійну будову, велику молекулярну масу (до 70000), вищу температуру плавлення. Він міцний, теплостійкий і малорозчинний. З такого поліетилену виготовляють труби, високоміцні деталі. Одночасно він важко переробляється і дорогий.

Поліетилен високого тиску виробляють за такою схемою (рис. 3). Суміш етилену і кисню подається в компресор 1, де стискається до 200 МПа. Стиснена суміш проходить через масловіддільник 2, де очищається і потрапляє в реактор 3. У верхній частині реактора стиснена суміш нагрівається до температури реакції (200°С), в нижній частині реактора етилен полімери-зується(100-125°С).

Реактор - це змійовик із труби діаметром 25 мм і загальною довжиною до 300 м. Верхня частина труб обігрівається водою, нижня нею охолоджується. За один цикл полімеризується 15-20% етилену. Із реактора реакційна суміш надходить до випарника 4, де тиск знижується до 20 МПа. Газоподібний етилен відокремлюється від поліетилену в газосепараторі 5, подається у вловлювач 6, де очищається, промивається від побічних продуктів і знову повертається в процес. Поліетилен із сепаратора 5 йде на грануляцію.

Техніко-економічні показники.

Поліетилен міцний, хімічно стійкий, водонепроникний, має діелектричні властивості, добре переробляється у вироби. На основі поліетилену виготовляють пластичні маси. При виготовленні поліетилену використовується циклічна технологічна схема, що дає можливість довести ступінь перетворення етилену в поліетилен до 96-98%. Поліетилен має дуже багато сфер використання - для виготовлення деталей і конструкцій (труби, арматура, деталі машин і приладів), для захисних покрить металевих виробів, як гідроізолятор, теплоізолятор, пакувальний матеріал, для виготовлення посуду (в тому числі хімічного), плівки, листів, стрічок, прутів та ін.

Пластичні маси.

Це високополімерні матеріали або їх композиції, що здатні при певних умовах (підвищений тиск, температура) переходити в пластичний стан і деформуватися. Одержану форму вони зберігають при охолодженні і твердінні.

За складом пластмаси поділяють на прості і композиційні. Прості пластмаси містять тільки полімер, наприклад поліетилен, поліпропілен та ін. Композиційні пластмаси - багатокомпонентні. Крім полімеру вони містять наповнювачі, пластифікатори, твердителі, стабілізатори, барвники, мастильні речовини, газоутворювачі. Кожен із цих компонентів поліпшує властивості пластмас.

Пластмаси у вироби переробляють штампуванням, пресуванням, литтям, витисканням (екструзією), вакуумним і пневматичним формуванням. їх піддають обробці різанням, зварюють, склеюють.

Використовують пластмаси в машинобудуванні, приладо-, авіа-, автомобілебудуванні, електро-, радіотехніці, для виробництва засобів зв'язку, в будівництві, у сільському господарстві, в хімічній промисловості, для одержання товарів широкого вжитку.

Техніко-економічні характеристики.

Пластичні маси мають малу об'ємну масу, високі діелектричні властивості, стійкість до корозії, низьку тепло- й електропровідність, високу пластичність, порівняно високу міцність, деякі мають оптичні властивості, легко переробляються у вироби. Разом з тим, пластмаси старіють, від цього дістають жорсткість, крихкість, знижується їх механічна міцність. Більшість пластмас розм'якшуються і деформуються при нагріванні, стають крихкими при низьких температурах. Деякі при поглинанні вологи набухають. Сьогодні одержують багато різновидів спеціальних пластмас, які замінюють металеві та інші конструкційні матеріали. Розширюється використання нафтохімічної сировини для виробництва пластмас, поліпшуються їх властивості, синтезуються нові види пластмас на основі радіаційних процесів.

Каучук.

Це полімерний матеріал, здатний до значних деформацій при відносно невисоких навантаженнях. Каучук дуже еластичний. Це пояснюється структурою його макромолекули. Макромолекули каучуку мають лінійну структуру, але при звичайних умовах зігнуті або звернуті в пружину. При розтягуванні кінці молекули розсуваються і молекули орієнтуються відносно напрямку розтягуючої сили. При знятті навантаження кінці молекул знову наближаються..

Розрізняють натуральний і синтетичний каучук. Натуральний каучук добувають з молочного соку каучуконосних рослин. Найбільш поширеним каучуконосним деревом є гевея (Бразилія). В 1932 році був одержаний синтетичний каучук із бутадієну (С. В. Лебедев). Найважливішими мономерами для одержання каучуків є бутадієн, ізопрен і стирол. Сировиною для їх одержання є деревина, нафтопродукти, природний газ, ацетилен та ін.

За призначенням каучуки поділяють на універсальні загального і спеціального призначення. Каучуки загального призначення використовують для виготовлення виробів широкого споживання (шин, транспортерних стрічок, приводних пасів, взуття тощо). Каучуки спеціального призначення - для виготовлення виробів з особливими властивостями (стійких до дії масел, бензину, хімічних речовин, морозостійких).

Техніко - економічні характеристики.

Каучуки володіють порівняно високою міцністю, пластичністю, зносостійкістю, тепло- і морозостійкістю, низькою газопроникністю, водостійкістю, стійкістю до теплового старіння, добрими електроізоляційними властивостями, здатністю до вулканізації, тобто перероблятися на гуму. Каучуки є основним вихідним матеріалом для одержання гуми.

Гума.

Це продукт переробки каучуків. Мета цього процесу - досягнення стійкості до перепаду температур від -50°С до 150°С. Для цього каучук вулканізують. Крім каучуку при виготовленні гуми використовують також інші матеріали - барвники, наповнювачі, пом'якшувачі, антистарителі, вулканізатори. Вони покращують властивості гуми, зменшують витрату каучуку.

Технологічний процес виробництва гумових виробів включає такі стадії: виготовлення сирої гуми, формування виробів та їх вулканізація.

Для одержання сирої гуми каучук розрізають на невеликі шматки і протягом 15-20 хв. пропускають через нагріті до 40-50°С вальці. Оболонки макромолекул каучуку розриваються, внутрішня структура його змінюється, він стає пластичним. У спеціальних змішувачах каучук змішують з іншими компонентами і дістають сиру гуму. Вона розчиняється в органічних розчинниках, легко обробляється тиском і при невеликому нагріванні стає липкою і клейкою.

Формують вироби прокатуванням, пресуванням, каландруванням, шприцюванням, намотуванням, литтям та ін. Деякі вироби одержують із листової гуми. Спочатку на каландрах одержують листи, з яких на різальних машинах або вирубних пресах одержують заготовки.

Процес вулканізації проводять при температурі 130-160°С. При цьому утворюються містки між лінійними молекулами каучуку, структура стає просторовою (тривимірною). Для перетворення лінійної структури молекул в просторову їх зв'язують сіркою в місцях подвійних зв'язків.

Залежно від кількості сірки, що використовується для вулканізації, одержують гуму з різними властивостями.

Гуму використовують для виготовлення шин, амортизаторів, муфт, ущільнювальних прокладок, кілець, мембран, гнучких шлангів та ін. Невулканізовану гуму використовують для виготовлення клеїв, замазок, паст для ущільнення.

Техніко-економічні характеристики.

Гума має підвищену термічну стійкість і міцність, хімічну стійкість, стійкість до дії масел, кисню, озону, високі діелектричні властивості, водо- і газонепроникність, стійкість проти стирання, руйнування при багаторазових деформаціях. Гума характеризується невисокою вартістю при достатніх якісних характеристиках.

ВИСНОВОК

В процесі написання реферату з дисципліни «Системи технологій» ми ознайомилися з основними технологіями хімічної промисловості. Ці технології мають значуще місце в житті та функціонуванні людини.

ЛІТЕРАТУРА

1. Колотило Д.М. Системи технологій і екологія промисловості - К., НМКВО, 1992 - 143 с.

2. Основы технологии важнейших отраслей промышленности. Ч.I, II/ Под ред. И.В. Ченцова - Минск, Вышейшая шк., 1989

3. Технологічні процеси галузей промисловості: Навч. посіб. / За ред.. Д.М. Колотила, А.Т. Соколовського - К, КНЕУ, 2008 - 372 с.