Основные учебные курсы
для студентов Химического факультета МГУ

Курс лекций читает профессор Авдеев Виктор Васильевич

Химическая технология

Программа

Введение

Курс химической технологии в университетском образовании является важной дисциплиной, завершающей базовую подготовку студентов по химическим наукам и Ра скрывающей 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 требованиям базового высшего образования выпускник химического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова 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-технологичеких 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.

Общие вопросы химической технологии

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 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. Энерготехнические схемы производств.

Вода как сырье и компонент химического производства. Промышленная водоподготовка.

Химическая технология и материаловедение. Основные проблемы материаловедения и современная система 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 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 идентификации 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 и ценообразование в химической промышленности.

Процессы и аппараты химических производств

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

Гидромеханические процессы.

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 движущийся среды. Общие сведения о насосах и компрессорных машинах. Гидравлика неподвижного и псевдоожиженного слоя зернистого материала. Методы смешения и разделения гетерогенных систем.

Тепловые процессы.

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.

Массообменные процессы.

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.

Химические реакционные процессы.

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.

Важнейшие группы химических производств

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 статистические 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 среду¹.

Технология неорганических веществ

Технология связанного азота.

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.

Переработка фосфорсодержащего сырья

Виды фосфорсодержащего сырья: апатиты и фосфориты, мировые запасы и основные месторождении. 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.

Производство серной кислоты

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 зависимости от исходного сырья. Экологические проблемы в сернокислом производстве.

¹Полнее эти вопросы излагаются в курсах  "Охрана природы" или "Техногенные процессы и экологический риск"

Электрохимические производства

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.

Переработка углеродсодержащего сырья

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.

Переработка нефти.

Мировые запасы нефти, основные показатели распространения 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 микробиологического синтеза.

Каталитический крекинг – важнейший многотонажный 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 экстракционные характеристики.

Экологические проблемы при добыче, транспорте и переработке нефти.

Технология основного органического синтеза.

Производство непредельных углеводородов: этилен, пропилен и ацетилен. Термический и термоокисленный 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.

Технология высокомолекулярных соединений.

Пластмассы, каучики, химические волокна и полимерные композиционные материалы как основные виды полимерных материалов. Доля полимерных материалов в валовой химической продукции индустриально развитых стран. Способы  осуществления реакций полимерезации 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. Фенолоформальдегидные и мочевиноальдегидные, наволочные и резольные смолы. Кремний – органические 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.

Биотехнология

Роль химической технологии в организации биотехнологических производств. Биотехнология – перспективное направление технологии, базирующиеся 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, переработка биомассы, очистки сточных вод.

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

Методические указания

Важную функцию в изучении предмета химической технологии, помимо лекционного курса, несут лабораторный практикум по экспериментальному изучению закономерностей типовых технологических процессов на модельных установках и семинарские (расчетные) занятия по составлению и анализу материальных, энергетических и эксергетических балансов химико-технологических систем, а также по разбору наиболее сложных в теоретическом отношении вопросов лекционного курса и домашних заданий.

Самостоятельным этапом в изучении дисциплины является учебно-производственная практика студентов на химических предприятиях или открытых производствах научно-исследовательских институтов. Практика призвана закрепить знания, полученные студентами на лекционных, семинарских и лабораторных занятиях; познакомить их с реальными методами контроля и управления сложными ХТП; приблизить к актуальным проблемам действующих химических производств. На учебно-производственную практику целесообразно вынести вопросы современной экономики химических производств и маркетинга. Учебно-педагогический процесс на производственной практике строится по специальной учебной программе.

По сравнению с другими химическими дисциплинами, курс "Химическая технология" должен быть наиболее адаптирован к местным условиям университетов, их традициям и направленности подготовки выпускников, экологической и социально-экономической ситуации в регионе. Поэтому степень детализации проработки вопросов, включенных в программу, может корректироваться самими университетами.

В особенности это относится к последнему разделу  программы, посвященному изучению технологическим схемам важнейших групп химических производств. Основательное рассмотрение вопросов структуры химического производства, связей между типовыми процессо-аппаратурными модулями, общего материального и энергетического баланса производства целесообразно провести на примере некоторых из важнейших производств региона. Право выбора остается за лектором курса. Этот раздел может быть дополнен рядом других смежных производств, изучение которых необходимо студентам данного региона.

ЛИТЕРАТУРА

Основная

1. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: В 2кн. М.: Химия, 1995.
2. Кузнецов Л.Д., Дмитренко Л.М., Рабина П.Д., Соколинский Ю.А., Синтез аммиака. М.: Химия, 1982.
3. Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г., Общая химическая технология. М.: Высш. шк., 2003.
4. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтеорганического синтеза. М.: Химия, 1988.
5. Основы технологии перерабортки пластмасс/ под рад. В.Н. Кулезнева, В.К. Гусева. М.: Химия, 1995.
6. Технология пластических масс. Под редакцией В.В.Коршака. М. Химия. 1985.
7. Технология переработки нефти. Под редакцией О.Ф. Глаголевой, В.М. Капустина. М. Химия. 2006.

Дополнительная

1. Биотехнология. Принципы и применение/ Под ред. И. Хиггинса, Д.Беста, Дж. Джорнса. М.: Мир, 1988.
2. Вольфкович С.И., Егоров А.П., Эпштейн Д.А. Общая химическая технология. Л.: Госхимиздат, 1953; Т.1.
3. Вольфкович С.И., Роговин З.А., Руденко Ю.П., Шманенков И,В., Общая химическая технология, М.: Госхимиздат, 1959; Т.2.
4. 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;
5. Якименко Л.М. Производство хлора, каустической соды и неорганических хлорпродуктов. М.: 1974.