Методичні вказівки до проведення змістовного модуля 4

Семінарське заняття

План

1. Загальна структура хімічної промисловості.

2. Принципова технологічна схема виробництва сірчаної кислоти.

3. Принципова технологічна схема виробництва соляної кислоти.

4. Принципова технологічна схема виробництва азотної кислоти.

5. Виробництво мінеральних добрив.

6. Основні напрямки підвищення ефективності виробництв неорганічних сполук.

7. Фракційна перегонка нафти.

8. Класифікація та властивості нафтопродуктів.

9. Крекінг нафтопродуктів.

10. Технології виробництва полімерів.

11. Основні напрямки підвищення ефективності виробництва нафтопродуктів та полімерів.

Перелік питань до самостійної роботи:

1. Технології виробництва полімерів - каучуку, гуми, пластмас та виробів із них (шин, поліетилену, хімічних волокон та ін.).

2. Технології виробництва мінеральних добрив.

Перелік питань до індивідуальної роботи:

1. Вплив контролю складу сировинних матеріалів, параметрів технологічних процесів та ступеня перетворення вихідних речовин в продукти на прибутковість хімічних підприємств.

2. Стан та перспективи хімічної промисловості України.

3. Стан та перспективи нафтопереробної галузі України.

4. Роль хімічної промисловості в економіці України.

5. Екологічні аспекти розвитку хімічної промисловості.

Підприємства хімічного комплексу належать до найскладніших міжгалузевих виробництв, що визначально впливають на розвиток більшості інших масштабних галузей: гірничо-хімічної і металургійної промисловості, енергетики і нафтопереробки, агропромислового комплексу, харчової, легкої та фармацевтичної промисловості.

Хімічна технологія —наука про найбільш економічно та екологічно обґрунтовані методи хімічної переробки сировини та напівпродуктів у засоби виробництва і предмети споживання.

Хіміко-технологічні системи - сукупність фізико-хімічних процесів і засобів для їх проведення з метою отримання продуктів заданої якості і в потрібній кількості.

Хіміко-технологічний процес - сукупність взаємопов’язаних фізичних та хімічних операцій, реалізація яких у певній послідовності дозволяє із вихідної сировини чи напівпродуктів отримати цільовий продукт.

Крім підготовки сировинних компонентів та виділення і очищення цільових продуктів, хіміко-технологічні процеси (ХТП), як правило, включають три стадії: 1) подачу реагуючих компонентів у зону реакції; 2) хімічні реакції; 3) відведення із зони реакції отриманих продуктів.

Технологічний режим - це сукупність основних факторів (параметрів), що впливають на швидкість хіміко-технологічних процесів, вихід та якість продукту.

Хімічні перетворення здійснюють у реакторах, конструкція яких розрахована на проведення процесів певного типу при параметрах, близьких до оптимальних.

Ефективність ХТП, як і будь-якого промислового процесу, визначається економічними показниками: собівартістю продукції і прибутковістю виробництва. Для оцінки ефективності окремих етапів ХТП, крім загальноекономічних показників, застосовують специфічні критерії ефективності, що повніше відображають фізико-хімічну сутність явищ в окремих технологічних апаратах: ступінь перетворення вихідних реагентів, вихід продукту та селективність.

Технології виробництва неорганічних кислот. Серед різноманітної продукції хімічної промисловості неорганічні кислоти займають провідне місце як за тоннажністю, так і щодо застосування в різних галузях виробництва.

Сульфатна кислота використовується для виробництва добрив, неорганічних і органічних кислот, солей, для одержання штучних і синтетичних волокон, вибухових речовин, отрутохімікатів, барвників, лаків, деяких лікарських речовин, при переробці харчових продуктів і т. д.

Виробляється сульфатна кислота двома способами: контактним і нітрозним (баштовим). Контактним способом одержують близько 90 % від загального обсягу виробництва кислоти, оскільки цей спосіб забезпечує більш високу концентрацію і чистоту продукту.

Як сировину для виробництва сульфатної кислоти використовують самородну сірку і сірчаний колчедан (FeS2), окрім цього, широко використовують промислові відходи, що містять сірку.

Виробництво сірчаної кислоти контактним способом (рис.82) включає чотири стадії: отримання діоксиду сірки (SO2); очищення SO2 від домішок; одержання триоксиду сірки (SO3); абсорбція триоксиду сірки.

Промисловість випускає технічну, акумуляторну і реактивну сульфатну кислоти. Ці види кислот відрізняються за призначенням та за вмістом основного компоненту і домішок.

Технологія виробництва нітратної (азотної) кислоти. Обсяг виробництва нітратної кислоти трохи менший, ніж сульфатної, по тоннажу вона є другою кислотою після сульфатної. В основному, нітратна кислота витрачається для одержання мінеральних добрив, а також у виробництві барвників, вибухових речовин, у промисловості органічного синтезу, у якості окислювача ракетного палива, у виробництві нітролаків, кіноплівки і т.п.

Сучасне виробництво нітратної кислоти засновано на процесах окиснення аміаку з наступною переробкою оксидів Нітрогену.

Способи одержання хлоридної (соляної) кислоти. Хлоридна кислота використовується для одержання хлористих солей барію, цинку, амонію, у гідрометалургії, у гальванопластиці, для виробництва органічних напівпродуктів і синтетичних барвників, оцтової кислоти, активованого вугілля, при дублінні та фарбуванні шкіри і т. п.

Основні етапи одержання хлоридної кислоти:одержання хлористого водню; абсорбція хлористого водню водою.

Технологія виробництва аміаку. При звичайних умовах аміак – безбарвний газ з характерним різким їдким запахом. При охолодженні до –33 °С він зріджується, а при –78 °С твердне, утворюючи безбарвну кристалічну масу. Розчинність аміаку у воді більша, ніж більшості звичайних газів: при 0 °С 1 об’єм води поглинає близько 1200 об’ємів аміаку, 25%-й розчин аміаку у воді називають аміачною водою або нашатирним спиртом.

Аміачне виробництво належить до досить енергоємних процесів, у собівартості аміаку 36 % складають витрати на енергію.

Технології виробництва мінеральних добрив. Мінеральні добрива класифікують за різними ознаками:

за числом живильних елементів добрива поділяють на прості, що містять один елемент (наприклад, рідкий аміак, карбамід, калій хлорид), і комплексні, що містять кілька живильних елементів (у нітрофосці їх три — Нітроген, Фосфор, Калій).

За фізіологічним впливом на ґрунт розрізняють кислі, лужні і нейтральні добрива.

За агрегатним станом добрива можуть бути твердими (порошкоподібними або гранульованими) і рідкими.

За природою основного компонента мінеральні добрива підрозділяються на азотні, фосфорні і калійні. В особливу групу виділяють мікродобрива.

Полімери – це речовини природного або штучного походження, макромолекули яких складаються з однакових, багаторазово повторюваних груп атомів, що називаються мономерними або елементарними ланками. Число елементарних ланок, що входять до складу макромолекули, може складати від l00 до 1000 і більше. Властивості полімерів залежать від хімічного складу елементарних ланок і від структури полімерів.

Розрізняють полімери лінійної, розгалуженої і тривимірної (сітчастої) структури. Полімери лінійної структури мають нерозгалужені молекули, вигнуті або згорнуті в спіралі. Полімери, що складаються з молекул лінійної будови, легко плавляться, добре розчиняються в органічних розчинниках.

До полімерів лінійної будови належать: поліетилен, полівінілхлорид, поліформальдегід, капрон і ін.

Сировину для виробництва полімерів можна умовно розділити на такі групи: коксохімічна – бензол, фенол, ксилоли, крезоли, резорцин, фенантрен, ацетанафтен, етилен, нафталін; нафтохімічна, що одержується при переробці нафти, нафтопродуктів і побічних газів нафтовидобутку, – етилен, пропілен, бутилен, ацетилен, бензол, фенол, ацетон; сировина, одержувана при переробці природного газу, – ацетилен, метанол, аміак, карбамід; мінеральна сировина – хлор, сірчана кислота, оксид кальцію; рослинна сировина – целюлоза, фурфурол і ін.

Нафтохімічна сировина і продукти переробки природних газів складають 90...95 % від загального обсягу сировини усіх видів.

Серед пластичних мас важливе місце займають пластмаси, які виробляються методом поліконденсації: фенопласти, амінопласти, поліаміди і поліуретани, а також пластмаси на основі поліефірних, епоксидних і кремнійорганічних смол.

Пластмаси – матеріали, що одержують на основі природних або синтетичних полімерів, здатні при нагріванні переходити до пластичного стану і під тиском здобувати форму, що стійко зберігається після охолодження або тужавіння і при подальшій експлуатації.

Хімічні волокна виробляють з полімерних матеріалів і залежно від вихідного полімеру, що утворює волокно, поділяють на штучні і синтетичні.

Каучуками прийнято називати полімерні матеріали, що відрізняються високою еластичністю, тобто здатністю до значних деформацій при порівняно невеликих навантаженнях. За призначенням каучуки поділяються на дві групи: універсальні загального призначення для виробництва виробів широкого вжитку і спеціального призначення, що використовуються для виробництва виробів з особливими властивостями: хімічно-, тепло-, морозо-, мастильно- і бензостійких і т. п.

Процес виробництва синтетичних каучуків складається з двох стадій: одержання мономера й одержання полімеру. Сировиною для виробництва каучуків є етиловий спирт, на зміну якому приходить нафтохімічна сировина. Для одержання виробів каучуки перетворюють на гуму.

Перетворення каучуків на гуму здійснюється внаслідок процесу вулканізації. Вулканізація – процес утворення містків між молекулами каучуку і перетворення його в тривимірну просторову молекулярну структуру. Такий каучук характеризується підвищеною термічною стійкістю і міцністю, зниженою розчинністю і хімічною стійкістю.

Нафтопереробна промисловість України. Перший нафтопереробний завод в Україні був побудований у 1816 р. у м. Дрогобичі (Львівська обл.). Органічна частина нафти складається в основному з вуглеводнів трьох рядів: парафінового (алкани), нафтенового (циклани) і ароматичного (арени).

Сірчисті та речовини, що містять кисень, є небажаними домішками нафти. Як правило, вони погіршують якість нафтопродуктів і ускладнюють їхню переробку.

Класифікація та властивості нафтопродуктів. Після переробки нафти отриману продукцію можна умовно розділити на три групи:

· палива,щоодержують з нафти, за призначенням поділяються на зріджені та стиснуті паливні гази, рідкі палива для карбюраторних двигунів (бензин, гас), для двигунів із запаленням від стиску (дизельне паливо), для реактивних двигунів (реактивне паливо), для котельних установок (котельне паливо);

· мастила розділяються на моторні, індустріальні мастила, мастила для роботи при підвищеній температурі, консистентні мастильні матеріали та спеціальні мастила;

· інші продукти – це всі продукти нафтопереробки, за винятком тих, котрі використовуються як сировина для подальшої хімічної переробки. Це розчинники, керосини для освітлення, парафін, вазелін, бітуми нафтові, пек, просочувальні матеріали, електродний кокс та сажа і т. п.

Особливу групу складають продукти, що є сировиною для органічного або нафтохімічного синтезу. До них належать низькомолекулярні насичені вуглеводні (метан, етан, пропан, бутан), низькомолекулярні ненасичені вуглеводні - олефіни (етилен, пропілен, бутилен і ін.), ароматичні вуглеводні і їхні похідні (бензол, толуол, ксилол, нафталін і ін.), сірчисті та сполуки, що містять кисень.

Для бензину найбільш важлива властивість – антидетонаційна стійкість, що визначається октановим числом. Експлуатаційні властивості бензину також залежать від його хімічної і фізичної стабільності, теплоти згоряння, температури кристалізації розчинених речовин, вмісту домішок. Ці показники нормовані за видами і марками палива.

Однією з найважливіших властивостей дизельного палива є його здатність займатись при вприскуванні в камеру згоряння, де знаходиться стиснуте повітря (цетанове число).

Мастила застосовуються у всіх двигунах, що рухаються, для зменшення тертя і відводу тепла, що досягається завдяки утворенню на поверхні тіл, що труться, масляної плівки.

Практично вся сира нафта після попереднього очищення піддається перегонці на фракції. Фракційна перегонка заснована на різниці в температурі кипіння окремих фракцій вуглеводнів, близьких за фізичними властивостями.

Кипіння суміші починається при температурі, рівній середній температурі кипіння складових частин. При цьому в пароподібну фазу переважно переходять низько киплячі компоненти, а в рідкій залишаються високо киплячі. Після конденсації пароподібної фази, що утворилася, з неї конденсується рідка фаза. У цю фазу переходять переважно високо киплячі компоненти, а в пароподібній фазі залишаться леткі компоненти.

Таким чином, з вихідної суміші одержують три фракції. Одна з них, що залишилася рідкою при кипінні, містить переважно високо киплячі компоненти; друга, що сконденсувалася, має склад, близький до складу вихідної суміші; третя, пароподібна, містить переважно низько киплячі компоненти.

За рахунок однократних або багаторазових процесів кипіння і конденсації отриманих фракцій можна домогтися досить повного поділу низько- і високо киплячих компонентів. Така перегонка дозволяє розділити нафту на фракції за температурами їхнього кипіння.

Порівняно малий вихід бензину 3—15 % при прямій перегонці нафти обумовив необхідність розробки методу одержання легких фракцій з важких з використанням крекінг-процесу. Крекінг (розщеплення, руйнування) нафтопродуктівполягає в розщепленні довгих молекул вуглеводнів, що входять у високо киплячі фракції, на більш короткі молекули легких, низько киплячих продуктів. Розрізняють два види крекінгу: термічний і каталітичний.

Продукти, що їх одержують у процесі переробки нафти, містять ряд домішок, які погіршують їхні властивості, тому більшість нафтопродуктів потрібно додатково очищати. Відомі такі способи очищення нафтопродуктів: хімічні; адсорбційні; селективні; каталітичні.

Нафтопереробне виробництво в даний час характеризується високим рівнем витрат на сировину, електроенергію, а також витрат, пов’язаних з амортизацією основних фондів. Рівень витрат істотно залежить від складу і якості підготовки нафти. Необхідно найбільш раціонально проводити глибоку переробку нафти, повніше використовувати мазут і важкі залишки, газовий конденсат, супутній і природний гази.

Контрольні питання.

1. Загальна характеристика хімічної промисловості. Підгалузі хімічної промисловості.

2. Узагальнені схеми технологічних процесів хімічної промисловості.

3. Основи технологій виробництва мінеральних добрив, аміаку, неорганічних кислот.

4. Які варіанти класифікації полімерів ви знаєте?

5. У чому полягає суть методів полімеризації і поліконденсації?

6. Назвіть області застосування пластмас.

7. Якими методами одержують вироби із пластмас?

8. Що таке каучук і гума?

9. Які ви знаєте технології виробництва гумотехнічних виробів?

10. Технології продуктів нафтоперероблення (дистиляція, термічна переробка, каталітичний крекінг та ін.).

11. Фракційна переробка нафти.

12. Вплив контролю складу сировинних матеріалів, параметрів технологічних процесів та ступеня перетворення вихідних речовин в продукти на прибутковість хімічних підприємств.

Література: основна [1-5];

Додаткова [2, 4, 8, 11, 13-16].