ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, раздел «Химик»
Химическая технология — наука о химическом производстве. Само слово «технология» состоит из греческих слов: «технос» — «искусство» или «ремесло» и «логос» — «наука».
Понятие технология включает в себя технологию механическую и технологию химическую. Процессы, в которых обрабатываемый материал подвергается механическим воздействиям, изменяющим его внешний вид или физические свойства, но не изменяющим его структуру и химический состав, относятся к механической технологии. Процессы, которые связаны с изменением химического состава материала, относятся к химической технологии. Например, обработка дерева для получения из него стройматериалов относится к механической технологии, а обработка дерева для получения из него бумаги, уксусной кислоты и других продуктов — к химической технологии. Процессы обработки металла ковкой, литьем, прокаткой для получения различных предметов и деталей относятся к механической технологии, а получение металлов из руд — к химической технологии.
Исходное вещество в химической технологии называют сырьем. Исходя из этого определение химической технологии звучит так: химическая технология — наука, изучающая способы переработки сырья в предметы потребления с наименьшими затратами сырья и энергии.
Понятие «сырье» в химической технологии важно также и для подразделения ее на два основных раздела. Первый — химическая технология минеральных веществ, которая рассматривает процессы переработки неорганического сырья. Второй раздел — химическая технология органических веществ, которая изучает процессы переработки сырья органического происхождения, например угля и нефти, продуктов жизнедеятельности животных и растительных организмов.
Предметом изучения химической технологии являются промышленные химические процессы, но эти процессы имеют место не только в химической промышленности, они могут лежать в основе и других отраслей промышленности: металлургии, нефтепереработки, производства строительных материалов и др.
Химическая технология рассматривает множество всевозможных химических промышленных процессов, которые происходят в разных условиях, проводятся по различным технологическим схемам. В основе каждого промышленного химического процесса лежит конкретная химическая реакция (или ряд реакций). Скорость реакции и определяет характер всего процесса в целом, а отсюда — и особенность построения, создания той или иной технологической схемы.
Скорость химических реакций изучает химическая кинетика, и поэтому основные закономерности химической технологии основываются на применении законов химической кинетики. Исходя из этого, химические реакции в технологии можно классифицировать следующим образом:
1. Простые практически необратимые реакции; их равновесие (см. Равновесие химическое) смещено фактически полностью в сторону образования продуктов реакции при любых условиях, например:
горение угля: С + O2 = СO2 +Q,
горение серы: S + O2 = SO2 + Q,
обжиг колчедана (первая стадия в сернокислотном производстве):
4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2 + Q.
2. Простые обратимые реакции. Например, образование оксида серы (VI) SO3 при получении серной кислоты:
2SO2 + O2 ↔ 2SO3 + Q
При повышении температуры до 1100° SO3 полностью разлагается.
3. Практически необратимые сложные реакции. Они протекают по аналогии с простыми реакциями с образованием нескольких продуктов; такие реакции могут идти как параллельно, так и последовательно. Пример — реакция окисления аммиака (использующаяся при получении азотной кислоты), которая может в зависимости от условий протекать разными путями:
4NH3 + SO2 = 4NO + 6H2O + Q
4NH3 + 4O2 = 2N2O + 6H2O + Q
4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6Н2O + Q
4. Сложные обратимые реакции — такие же, как и простые, но идущие по разным направлениям. Здесь примерами могут служить многие органические превращения; например, при нагревании метана до высоких температур, выше 1000°, образуются кроме углерода (сажи) и водорода также и разные углеводороды, в частности ацетилен. При крекинге нефтепродуктов (см. Нефтехимия) протекает множество параллельных и последовательных реакций.
Реакции можно подразделить также на экзотермические и эндотермические (идущие с выделением или поглощением тепла); на гомогенные и гетерогенные (когда взаимодействие веществ происходит в одной фазе, или в разных, или на границе фаз); на каталитические и некаталитические (когда реакция может произойти в присутствии определенного вещества — катализатора (см. Катализ) — или ее протекание возможно без катализатора).
Основная задача химической технологии — осуществление химического процесса, разработанного в лаборатории, в крупном масштабе, в промышленности. Главной проблемой химической технологии всегда была и остается проблема масштабного перехода. Ясно, что условия протекания химической реакции в лаборатории (в колбе, пробирке, реторте)
отличаются от промышленных. Поиски кратчайших путей от лабораторного опыта до производства в промышленном масштабе явились определяющими для развития химической технологии как науки.
В основу теории химической технологии легли законы химии, физики, математики, механики, гидравлики, гидродинамики, автоматики, кибернетики и других наук. Химическое производство оказывает значительное влияние на окружающую среду и человека. Поэтому химическая технология как наука неотделима от физической и экономической географии, от биологии и экологии. Вопросы охраны биосферы стоят в настоящее время особенно остро. Полностью понять закономерности, по которым развивается химическая технология, нельзя без знания экономики, общественных и производственных отношений. Наконец, химическая технология немыслима без развития соответствующей техники: техника в химическом производстве исключительно разнообразна и сложна. Таким образом, химическая технология — это наука синтетическая.
И все же главное в химической технологии — ее теоретические основы. Они позволяют осуществить химический процесс наивыгоднейшим образом: с наименьшими затратами энергии, материалов, с большей скоростью и с возможно большим выходом требуемого продукта. Чтобы рассчитать процесс, существует несколько методов, из которых следует выделить плодотворно развивающийся в настоящее время метод математического моделирования. Его стали применять сравнительно недавно — около 30 лет назад. Моделирование — изучение процессов на моделях с целью предсказать результаты их протекания в аппаратах заданной конструкции и любого масштаба. Для химической технологии моделирование — это и теоретическая основа, и метод решения проблем, связанных с разработкой химического процесса, сооружением аппаратуры, определением оптимальных условий и созданием систем комплексной автоматизации.
Главный агрегат любой химико-технологической схемы — реактор (например, печь, котел, ректификационная или поглотительная колонна, автоклав). Поэтому метод моделирования обращен в первую очередь на расчет и конструкцию такого реактора, в котором химический процесс проходил бы оптимально — в самом выгодном режиме. Химический реактор — сложная система, характеризующаяся физико-химическими, физическими и конструктивными параметрами. Разработка химических реакторов методом математического моделирования требует совместных усилий специалистов в области физической химии, химической технологии, математики, экономики и автоматизации, а также участия различных коллективов научно-исследовательских организаций и предприятий.
Таким образом, химическая технология использует методы и законы самых различных отраслей науки и техники.
