Программа дисциплины
"Химическая технология"

Курс химической технологии в университетском образовании является важной дисциплиной, завершающей базовую подготовку студентов по химическим наукам и раскрывающей значение химической науки и технологии в развитии производительных сил общества и решении экологических проблем. Цель курса – сформировать и развивать у студентов основы технологического и экологического мышления. В соответствии с требованиями базового высшего образования бакалавр химии должен иметь общие представления о многообразии и структуре химических производств, обладать знанием типовых химико-технологических процессов и лежащих в их основе физико-химических закономерностей, иметь представление об инженерном оформлении химико-технологических процессов и основных типах используемых в технологии конструкционных и функциональных материалах, обладать навыками оценки технологических решений по критериям эффективности использования сырья и энергоресурсов, экологической безопасности и экономической целесообразности.

Роль и масштабы использования химических процессов в различных сферах материального производства. Тенденции развития техносферы и возрастающее значение проблем обеспечения безопасности химических производств и защиты окружающей среды.

Химическое производство как сложная система. Многоуровневая структура технологических систем: молекулярные процессы – макрокинетика – аппараты- производства – межотраслевые связи. Подсистемы контроля и управления технологическими процессами. Роль математического моделирования в решении задач проектирования и эксплуатации химико-технологических систем (ХТС).

Сырьевая и энергетическая база химических производств. Материальные и энергетические балансы технологических систем. Критерии эффективности использования сырья и энергоресурсов в химико-технологических процессах. Анализ термодинамического совершенства ХТС. Основные направления повышения эффективности использования сырьевых и энергетических ресурсов. Комплексное использование сырья. Рециклы веществ и материалов. Энерготехнологические схемы производств.

Вода как сырье и компонент химического производства. Промышленная водоподготовка.

Химическая технология и материаловедение. Основные проблемы химического материаловедения и современная систематика материалов по составу, свойствам и функциональному назначению. Материалы как важнейшая категория продуктов химической технологии. Главные эксплуатационные свойства материалов (прочность, жаро- и хладостойкость, электрические, магнитные и оптические функции). Ресурс материалов – один из важнейших технологических критериев. Приоритетные направления и методология создания новых материалов с заданными свойствами.

Функциональные материалы в химической технологии. Мембраны, адсорбенты, катализаторы, датчики (сенсоры) и др. Рекордные характеристики и параметры ныне применяемых функциональных материалов.

Конструкционные материалы в химической технологии. Материал как фактор, лимитирующий применение экстремальных физических воздействий в технологии. Химическое сопротивление металлических и неметаллических материалов. Методы защиты металлов и сплавов от коррозии. Основные виды неметаллических конструкционных материалов; полимеры и специальная керамика как альтернатива традиционным конструкционным материалам. Принципы корректного сочетания материалов в технологических аппаратах и сооружениях. Роль новых материалов в синтезе эффективных технологических схем и интенсификации технологических процессов.

Экономические показатели эффективности химических производств. Основные производственные фонды, оборотные средства и трудовые ресурсы производств. Структура затрат на производство и реализацию продукции. Себестоимость продукции, прибыль и ценообразование в химической промышленности.

Типовые процессы химической технологии – элементы ХТС. Классификация процессов в зависимости от их функционального назначения и лежащих в их основе физико-химических законов, определяющих направление и скорость этих процессов. Сопряжение в химико-технологических аппаратах различных типов процессов.

Основы гидро- и газодинамики. Характеристика установившихся и неустановившихся потоков, ламинарных и турбулентных течений. Дифференциальные уравнения движения сплошной среды. Основные критерии гидродинамического подобия. Способы и устройства для измерения скорости и расхода движущейся среды. Общие сведения о насосах и компрессорных машинах. Гидравлика неподвижного и псевдоожиженного слоя зернистого материала. Методы смешения и разделения гетерогенных систем.

Роль тепловых процессов в химической технологии. Процессы распространения теплоты: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение и соответствующие уравнения теплопереноса, Технологические способы нагревания и охлаждения. Теплообменные аппараты. Моделирование теплообменных процессов. Подобие процессов теплообмена и общий вид критериальных уравнений. Пути повышения эффективности теплообменного оборудования.

Характеристика процессов массопереноса. Фазовое равновесие. Молекулярная диффузия и конвективный перенос. Уравнения межфазного переноса. Физико-химические основы и принципы организации разделения смесей веществ методами абсорбции, ректификации, экстракции. Устройство аппаратуры.

Общие сведения о процессах испарения, сублимации и конденсации.

Адсорбция и ионный обмен. Закономерности равновесия и динамики адсорбции. Характеристика адсорбентов. Области применения процессов адсорбции и ионного обмена.

Диффузия через мембраны. Равновесные и кинетические факторы, определяющие эффективность мембранного разделения смесей веществ. Конструкция мембранных аппаратов. Каскады разделительных аппаратов.

Гетерогенно-каталитические процессы в химической промышленности. Технологические характеристики катализаторов. Основные стадии и кинетические особенности гетерогенно-каталитических процессов.

Основные типы промышленных каталитических реакторов и структура протекающих в них процессов. Математическое моделирование и оптимизация каталитических реакторов.

При рассмотрении важнейших химических производств анализируются принципы организации технологической схемы, выбор технологических режимов и аппаратурного оформления процессов, использование специальных конструкционных и функциональных материалов, решение задач ресурсо- и энергосбережения, а также задач охраны окружающей среды.

В этом разделе должны быть представлены статиcтические данные о масштабах мирового производства важнейших групп химических продуктов в тоннажном и стоимостном выражении, удельном энергопотреблении, сроках службы основных видов оборудования; прогнозные данные о сырьевом обеспечении крупномасштабных промышленных химических процессов, включая переработку первичных энергоресурсов во вторичные, производство металлов и полимерных материалов, кислот и минеральных удобрений, и т.д. Общие сведения об основных источниках промышленных отходов и выбросов, их воздействие на окружающую среду. ¹

Ключевое значение технологии связывания атмосферного азота в производстве продовольствия. Альтернативные варианты перспективного решения связывания атмосферного азота. Структура современного производства аммиака из природного газа. Многоступенчатая схема приготовления и очистки азото-водородной смеси. Наиболее важные энерготехнологические узлы производства. Особенности циркуляционной схемы синтеза аммиака; физико-химические основы выбора оптимальных условий синтеза; катализаторы в производстве аммиака; утилизация "продувочных" газов.

Современная технологическая схема производства азотной кислоты. Технологические решения, способствующие высокому выходу продукта. Физико-химические основы и аппаратурное оформление процессов селективного окисления аммиака, оксидов азота и их абсорбции. Каталитическое обезвреживание отходящих газов. Концентрирование азотной кислоты.

Сопряженные с синтезом аммиака производства – получение нитрата аммония и карбамида. Технологические схемы, свойства продуктов и области их применения.

Виды фосфорсодержащего сырья: апатиты и фосфориты, мировые запасы и основные месторождения. Различия минералогического состава и свойств, определяющие выбор способа технологической переработки: кислотного, термического, гидротермического.

Современное состояние производства и потребления фосфора и фосфорных кислот. Электротермический способ получения элементарного фосфора и термической фосфорной кислоты.

Физико-химические основы разложения природных фосфатов серной, азотной и фосфорной кислотами. Экстракционная фосфорная кислота как основа производства минеральных удобрений. Совершенствование аппаратурного оформления процесса. Состав и концентрация образующейся фосфорной кислоты в зависимости от температуры и способа разложения апатита. Выделение и утилизация фтористых газов. Фосфогипс – отход производства экстракционной фосфорной кислоты – потенциальный источник сырья для получения серной кислоты и построения замкнутых циклов в производстве удобрений.

Современное состояние производства серной кислоты из различных видов сырья (природная сера, колчедан, серосодержащие отходящие газы переработки полиметаллических руд, сера и сероводород из нефтей и природного газа). Особенности технологических схем и аппаратурного оформления получения серной кислоты в эависимости от исходного сырья. Экологические проблемы в сернокислотном производстве.

Важнейшие электрохимические производства. Технологические особенности процессов электролиза водных растворов и расплавов солей. Типы промышленных электролизеров: с твердым катодом (диафрагменный и мембранный); с ртутным катодом; для электролиза расплавов хлоридов щелочных металлов.

Основные стадии производства хлора и каустической соды в диафрагменных электролизерах. Хранение и транспортировка жидкого хлора. Осушка и перекачка водорода. Выпарка и плавка каустической соды.

Уровень энергозатрат в различных технологических схемах электрохимических производств и их доля в себестоимости продукции. Экологические проблемы производства хлора и каустической соды.

Динамика использования нефти, природного газа и угля в качестве сырья химических производств. Переработка углеродсодержащего сырья на синтез-газ, олефины, парафины, ароматические углеводороды. Окислительная конденсация метана и процесс Бенсона – новые методы производства олефинов.

Мировые запасы нефти, основные показатели распространенности и потребления нефти по странам.. Основные целевые продукты нефтепереработки их очистка. Первичные и вторичные процессы нефтепереработки. Глубокая переработка нефти с использованием каталитических процессов – основа ресурсосбережения и получения высококачественных моторных топлив, смазочных масел и широкого ассортимента сырья для и микробиологического синтеза.

Каталитический крекинг – важнейший многотоннажный технологический процесс переработки нефтяных фракций. Методы подготовки сырья (гидрообессеривание и гидроочистка). Химические основы процесса и целевые продукты. Алюмосиликатные катализаторы крекинга (от природных глин до современных цеолитсодержащих синтетических катализаторов). Эволюция технологического оформления процесса каталитического крекинга. Совершенствование процесса: сопряжение каталитического крекинга с реформингом. Производство жидких топлив и масел; их эксплуатационные характеристики.

Экологические проблемы при добыче, транспорте и переработке нефти.

Производство непредельных углеводородов: этилен, пропилен и ацетилен. Термический и термоокислительный пиролиз газообразных и жидких углеводородов. Печи пиролиза. Разделение продуктов и тонкая очистка.

Производство кислородсодержащих органических соединений. Синтезы на основе оксида углерода. Получение углеводородов на основе синтез-газа. Синтез Фишера-Тропша. Оксосинтез. Производство метанола. Основные стадии процесса, катализаторы и аппаратурное оформление .Пути использования метанола в производстве спиртов, кислот; производство формальдегида, непредельных углеводородов и синтетического топлива.. Производство этилового спирта.

Пластмассы, каучуки, химические волокна и полимерные композиционные маитериалы как основные виды полимерных материалов. Доля полимерных материалов в валовой химической продукции индустриально развитых стран. Способы осуществления реакций полимеризации в газовой фазе, в растворе, в суспензии, в эмульсии и блочная полимеризация. Преимущества и недостатки этих способов. Промышленное получение полиэтилена, полипропилена, полистирола, поливинилхлорида, а также сополимеров на их основе. Сравнение различных технологических схем получения ПЭ (низкой и высокой плотности Особенности технологической схемы полимеризации этилена при низких давлениях в газовой фазе на катализаторах Циглера – Натта.

Поликонденсационные процессы и их технологическое оформление. Феноло-формальдегидные и мочевино-альдегидные, наволачные и резольные смолы. Кремнийорганические полимеры. Полиуретаны. Основные свойства и области их применения.

Химические волокна: искусственные на основе целлюлозы и синтетические. Основные приемы формования волокон из растворов и расплавов. Свойства и области применения.

Производство синтетических каучуков. Каучуки специального назначения. Переработка каучука в резину.

Создание композиционных пластмасс с заданными свойствами. Экологические аспекты производства полимерных материалов и изделий на их основе.

Роль химической технологии в организации биотехнологических производств. Биотехнология – перспективное направление технологии, базирующееся на достижениях генной инженерии, промышленной микробиологии и биокатализа. Современная биотехнологическая продукция. Технология рекомбинантных ДНК и производство белков. Биотехнология в решении проблем фиксации азота в почвах, добычи цветных металлов, переработки биомассы, очистки сточных вод.

Наукоемкие технологии - технологии будущего (термодинамически совершенные энерготехнологические процессы, биоинженерия, управление реакционной способностью веществ и селективный катализ, использование сверхкритических сред, создание наноматериалов и др.).

литература

Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: В 2 кн. М.: Химия, 1995.
Кузнецов Л.Д.,Дмитренко Л.М., Рабина П.Д., Соколинский Ю.А.. Синтез аммиака. М.: Химия, 1982.
Кутепов А.М.,Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г. Общая химическая технология. М.: Высш. шк., 1990.
Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. М.: Химия, 1988.
Основы технологии переработки пластмасс/ Под ред. В.Н.Кулезнева, В.К.Гусева. М.: Химия, 1995.

Биотехнология. Принципы и применение/ Под ред. И.Хиггинса, Д.Беста, Дж.Джорнса. М.: Мир, 1988.
Вольфкович С.И, Егоров А.П., Эпштейн Д.А. Общая химическая технология. Л.: Госхимиздат, 1953; Т.1.
Вольфкович С.И., Роговин З.А., Руденко Ю.П., Шманенков И.В. Общая химическая технология. М.: Госхимиздат, 1959; Т.2.
Избранные главы химической технологии:
вып. 1. Сафонов М.С. Критерии термодинамического совершенства технологических систем. М.: Хим. фак. МГУ, 1998;
вып. 3. Сафонов М.С. Дифференциальные уравнения сохранения массы, импульса и энергии. М.: Хим. фак. МГУ, 2001;
Якименко Л.М. Производство хлора, каустической соды и неорганических хлорпродуктов. М.: Химия, 1974.

Программу составили:
акад. А.М.Кутепов (Государственная академия химического машиностроения),
доц. З.Д.Белых (Пермский государственный университет),
проф. М.С.Сафонов, доц. Л.В.Кубасова (Московский государственный университет).