У цьому параграфі ви дізнаєтеся:
• що є науковою основою хімічного виробництва;
• на яких процесах ґрунтується хімічне виробництво;
• на яких принципах ґрунтується хімічна технологія.
Хімія як наука виникла понад 250 років тому, у результаті визначення складу і будови речовин, залежності властивостей від складу та будови, умов і механізмів перебігу хімічних реакцій. Це дало можливість не тільки розкрити зміст і сутність хімічних процесів, а й навчитися управляти синтезом нових матеріалів і джерел енергії. Полімерні матеріали, пластичні маси, хімічні джерела енергії (гальванічні елементи, акумулятори, паливні елементи) були створені в результаті успіхів теоретичної хімії (хімічної теорії будови органічних сполук і теорії окисно-відновних процесів), а також техніки.
Українська наукова спільнота досягла важливих успіхів у створенні ще складніших хімічних систем — сплавів, напівпровідникових композицій, елементоорганічних сполук, біологічно активних сполук і сполук, які розкривають природу життя.
Сучасне життя неможливо уявити без хімічного перетворення природних речовин, яке прийшло на зміну механічному перетворенню. Щорічно вчені одержують велику кількість речовин, невідомих у природі, але з виключно цінними властивостями, наприклад деякі види полімерів, лікарських препаратів, сплавів тощо.
Використання хімічних реакцій у виробничих процесах дозволяє значно підвищити продуктивність праці та якість продукції, одержати нові матеріали. Прикладом є використання електрохімічного обробляння металів у машинобудуванні, фізико-хімічних методів одержання напівпровідників і мікросхем в електротехніці, мікро-електроніці, радіо- та обчислювальній техніці.
Розуміння законів хімії та їх використання важливі для підвищення ефективності виробництва та якості продукції, через те що в багатьох випадках погіршення якості та надійності продукції викликано небажаними хімічними процесами, а саме корозією металів, старінням полімерів тощо. Вивчення механізмів хімічних реакцій дозволяє вибрати раціональні методи охорони навколишнього середовища, створити нові, нешкідливі технологічні процеси.
Одна з найважливіших задач хімічної науки — підвищення продуктивності сільського господарства. Необхідно розробити шляхи не тільки для значного збільшення об’єму виробництва добрив, а й для підвищення середнього вмісту в них поживних елементів (Нітрогену, Фосфору, Калію).
Завдяки хімічній науці в Україні налагоджено виробництво розчинників, отрутохімікатів, мийних засобів, лікарських препаратів, полімерних матеріалів.
Розвинута переробка горючих копалин: нафти, природного газу, кам’яного вугілля, унаслідок чого є різні сорти рідкого палива, мастильних та інших матеріалів.
Переробляють сільськогосподарську продукцію на харчові продукти: маргарин, патоку, цукор.
Хімічну переробку деревини здійснюють з метою виробництва целюлози, необхідної для одержання паперу, картону, глюкози, етанолу, етанової кислоти та деяких інших продуктів.
Завдяки тонкому органічному синтезу в Україні налагоджено виробництво численних духмяних речовин, фото- і кіноматеріалів.
Науковою основою хімічного виробництва, тобто хімічної промисловості, є хімічна технологія — наука про методи та засоби хімічної переробки сировини в предмети споживання та засоби виробництва.
Хімічна технологія — це своєрідний місток, який сполучає хімію з виробництвом. Навіть великі наукові відкриття залишаються нереалізованими на практиці, якщо на їхній основі не буде розроблена й упроваджена у виробництво прийнятна технологія.
У сучасному хімічному виробництві широко використовують такі науково-технологічні принципи: неперервність процесів, утилізація теплоти реакції, комплексне використання сировини й відходів виробництва.
Хімічні процеси бувають безперервними, періодичними та циркуляційними. У безперервних процесах вихідна сировина безперервно подається в реакційний апарат, а продукти хімічної взаємодії виводяться з апарату. Цей принцип використовують у виробництві чавуну, сульфатної кислоти, синтезі амоніаку.
У періодичному процесі стадії змішування речовин, що реагують, їхня хімічна взаємодія та виділення продуктів реакції відбуваються одна за одною та періодично повторюються через певні проміжки часу. Періодичні процеси використовують у виробництві сталі, хлоридної кислоти, багатьох органічних барвників, вибухових речовин.
У сучасній хімічній промисловості прагнуть, де це можливо, перейти від періодичних до безперервних способів виробництва. Наприклад, періодичній спосіб виробництва аніліну (феніламіну) C6H5NH2, який полягав у відновлені нітробензолу C6H5NO2 суміш
шю чавунної стружки з хлоридною кислотою, замінили безперервним способом — каталітичним гідруванням нітробензолу воднем.
У циркуляційному процесі, який іще називають циклічним, реакційна суміш, що виходить з реактора, розділяється. Вихідні суміші, що не прореагували після збагачення реагентами, повертаються в реактор. Це сприяє повнішому використанню сировини та дає можливість раціональніше, тобто в більш повному обсязі, використати сировину.
Принципи, на яких ґрунтується хімічне виробництво
Принцип протитоку. Протитоком називають протилежно направлений рух речовин, що взаємодіють. Протиток застосовують для реалізації оптимальних умов масо- і теплообміну, наприклад у виробництві сульфатної кислоти.
Принцип киплячого шару. Щоб створити киплячий шар, газоподібні реагенти продувають крізь отвори внизу апарату, а тверді вихідні речовини в ньому, так би мовити, киплять, тобто весь час перебувають у завислому стані (рис. 57). Цей принцип у хімічній промисловості широко застосовують для інтенсифікації гетерогенних процесів — процесів за участі речовин з різним агрегатним станом, наприклад у виробництві сульфатної кислоти (випал піриту FeS2), крекінгу нафти — термічному розкладанні вуглеводнів, що входять до її складу, до низькомолекулярних:
Принцип утилізації теплоти реакції. Використання теплоти, що виділяється під час хімічних реакцій, для підігрівання вихідної сировини або подальшої теплової обробки утворених продуктів дозволяє різко скоротити виробничі енергетичні витрати. Наприклад, у виробництві чавуну в домну подають повітря, нагріте за рахунок теплоти хімічних реакцій.
Принцип використання виробничих відходів. Перетворення відходів на побічні продукти виробництва дозволяє повніше використати сировину, що, своєю чергою, знижує собівартість продукції і запобігає забрудненню навколишнього середовища. Наприклад, із поліметалічних руд (FeS2, CaS, NiS, ZnS, CdS та ін.)
в результаті комплексної переробки одержують кольорові метали, сірку, сульфатну кислоту та ферум(ІІІ) оксид для виплавляння чавуну.
Організація хімічного виробництва — процес дуже трудомісткий. Необхідно вирішувати багато проблем, пов’язаних з вибором сировини і способів її підготовки, визначати оптимальні фізико-хімічні параметри хіміко-технологічного процесу (температура, тиск, застосування каталізатора тощо).
Сучасне хімічне підприємство характеризується високим ступенем автоматизації.
Основні поняття. Хімічна технологія. Безперервні, періодичні та циркуляційні процеси.
Запитання та завдання
1. Що є науковою основою хімічного виробництва?
2. Що розуміють під поняттям «хімічна технологія»?
3. Які науково-технологічні принципи використовують у сучасному хімічному виробництві?
4. Якими бувають хімічні процеси?
5. У чому полягає сутність безперервного, періодичного та циркуляційного процесів у сучасній хімічній промисловості?
6. На яких принципах ґрунтуються сучасні хімічні технології?
7. У чому полягає сутність принципу: а) протитоку; б) киплячого шару; в) утилізації теплоти реакції; г) використання виробничих відходів?
Найважливіше в розділі 6
Прості речовини — це метали і неметали.
Складні речовини — оксиди, кислоти, основи, солі, спирти, карбонові кислоти, жири, білки, вуглеводи тощо. Речовини відрізняються складом і властивостями.
Хімічні знання необхідні всім людям незалежно від їхнього фаху.
Хімічна промисловість — найважливіша галузь важкої індустрії. У біосфері перебуває близько 1 млн отруйних речовин. Розв’язання проблем збереження та охорони природи можливе лише за допомогою хімії.
Хімічні процеси бувають безперервними, періодичними та циркуляційними.
Хімічна технологія — наукова основа хімічного виробництва. Хімічна технологія ґрунтується на науково-технологічних принципах протитоку, киплячого шару, утилізації теплоти реакції і комплексного використання сировини й відходів виробництва.
Це матеріал з підручника Хімія 9 клас Бутенко (поглиблений рівень)