Перспективы развития и совершенствования химико-технологических процессов

К перспективным направлениям развития и совершен­ствования химико-технологических процессов относятся: переход от периодических к непрерывным процессам, применение замкнутых циркуляционных малоотходных и безотходных схем, интенсификация технологических процессов за счет освоения новых методов воздействия на вещество и перехода к малооперационной, энерго-, трудо- и ресурсосберегающей технологии.

Создание непрерывных технологических процессов является генеральным направлением совершенствования промышленного производства. Как известно, периодиче­ские процессы характеризуются излишними мате­риальными, энергетическими и трудовыми затратами, простоями оборудования, плохо приспособлены для ком­плексной автоматизации и применения вычислительной техники. Поэтому постепенная ликвидация периодиче­ских процессов с заменой их непрерывными — ведущая тенденция в совершенствовании технологии, которая осу­ществляется на практике.

Характерными примерами могут служить: разработка непрерывных процессов производства стали в металлур­гии, извлечение сока из сахарной свеклы — в пищевой промышленности, варки целлюлозы и полуцеллюлозы — в лесохимической и т. д.

Вторым важным направлением совершенствования технологических процессов являются применение замк­нутых циркуляционных схем и переход к безотходной технологии, обеспечивающие комплексное использование сырья. Замкнутые циркуляционные технологические схемы обеспечивают возможность вторичного использо­вания сырья, вспомогательных материалов и энергии. Так, отходы переработки термопластичных полимеров, лом и стружка металлов вторичной переплавкой превра­щаются в исходные промышленные материалы, отработайные смазочные масла после регенерации становятся высококачественными смазками и т. д. С помощью замк­нутых технологических схем может быть удачно утилизи­рована теплота атомных реакторов.

Третьим направлением совершенствования химико-технологических процессов является освоение новых ме­тодов воздействия на вещество за счет применения ней­тронного, лазерного, радиационного, ультразвукового, сильного магнитного облучения, сверхвысоких давлений и температур, плазмы и т. п. Но особенно эффективно применение катализаторов. Например, новые катализа­торы при производстве аммиака в сочетании с другими мероприятиями повышают производительность агрега­тов в 2 — 3 раза и снижают себестоимость продукции в 2 раза. По сравнению с традиционными биологические катализаторы обеспечивают во много раз большую скорость процесса при значительно меньших энергетиче­ских затратах. Так, ферменты, выделенные из азотфиксирующих микроорганизмов, имеют в комнатных усло­виях активность в 10 раз большую, чем активность промышленного катализатора синтеза аммиака.

Интенсификация промышленного производства мо­жет быть обеспечена также заменой некоторых многоста­дийных и энергоемких процессов одностадийными, не­прерывными, энерго- и ресурсосберегающими. Это один из путей создания и развития малооперационной техно­логии. Например, появилась уже отмеченная выше воз­можность связывания молекулярного азота до аммиака в одну стадию и к тому же в мягких условиях (при ком­натной температуре и нормальном давлении). К новым методам малооперационной технологии относится и про­грессивный способ извлечения железа из руд, исключаю­щий доменный процесс.

Глава 5. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПРОЦЕССЫ

СУЩНОСТЬ И ЗНАЧЕНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ

ПРОЦЕССОВ

Повышение температуры является важнейшим факто­ром интенсификации химических реакций, поэтому высо­котемпературные процессы с давних времен получили в промышленности широкое развитие. Большинство традиционных процессов производства промышленной про­дукции являются высокотемпературными — это про­изводство чугуна и стали, большого числа цветных металлов, различных видов искусственных топлив, строи­тельных материалов, производство минеральных удобре­ний, а также фосфора, карбидов, корунда, соляной кис­лоты и множества органических веществ, получаемых на основе высокотемпературной переработки топлива и т. д. В течение долгого времени высокотемпературная обра­ботка являлась легким, доступным, универсальным и единственным средством получения и улучшения про­мышленных материалов. По мере развития науки и тех­ники, с появлением новых видов воздействия на вещество и новых средств интенсификации химико-технологиче­ских процессов (катализ, давление, ультразвук, плазма и др.) высокотемпературные процессы, обладающие ча­сто сравнительно низкими технико-экономическими по­казателями и высокой энергоемкостью, постепенно усту­пают место более прогрессивным, например: в производ­стве цветных металлов — электрохимическим методам, в производстве неорганических кислот и переработке не­фти — каталитическим превращениям. В некоторых слу­чаях традиционные термические процессы обработки ма­териалов заменяются и дополняются в современной промышленности прогрессивными физико-термическими, электрохимическими и электрофизическими, ультразву­ковыми, плазменными, лазерными и другими методами воздействия. Примерами могут служить лазерная и плаз­менная сварка и резка металлов, кристаллизация распла­вов металлов в ультразвуковом поле, электролитическое рафинирование меди, инфракрасная, вакуумная и ультра­звуковая сушка материалов.

Значение высокотемпературных процессов в промыш­ленности и в настоящее время трудно переоценить. Боль­шинство этих процессов протекают при температурах свыше 1000 °С (коксование угля, производство чугуна, стали, цемента, стекла и т. д.). Однако ряд процессов, проходящих и при более низкой температуре (300 —500 °С), таких, как перегонка древесины, полукоксо­вание твердых топлив, термическая переработка нефти, также следует отнести к высокотемпературным, посколь­ку температура является главным фактором интенсифи­кации этих процессов для получения максимального вы­хода продукции с высокими технико-экономическими показателями. Здесь же следует подчеркнуть, что многие химико-технологические процессы, протекающие при вы­соких температурах (например, производство аммиака при 450 — 500 °С), не относят к высокотемпературным, по­скольку в этом случае решающим интенсифицирующим фактором является давление и катализатор, а не темпе­ратура.

Создание оптимального температурного режима про­цесса является универсальным средством увеличения его скорости и повышения выхода продукции. Зависимость скорости химической реакции от температуры иногда ха­рактеризуют отношением констант скорости реакции при температурах, отличающихся на 10 °С. Это отношение на­зывают температурным коэффициентом скорости реак­ции.