Современные проблемы химической технологии

Министерство здравохранения Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургская государственная химико фармацевтическая академия» М. П. Белов Конспект лекций по дисциплине «Информационные технологии», часть 1 СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ Санкт-Петербург 2015 1. ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Химия – наука социальная. Ее высшая цель – удовлетворять нужды каждого человека и всего общества. Наука о материалах, молекулярная биология, генная инженерия и биотехнология являются фундаментальными химическими науками. Человечество ждет от химии материалов с новыми свойствами, новых чистых и безопасных технологий, новых источников и аккумуляторов энергии и т. д. [1]. Химическая промышленность – отрасль промышленности, включающая производство продукции из минерального, углеродного и другого сырья путем его химической переработки. Химическая промышленность является одной из базовых отраслей современной экономики. Ее продукция (свыше 70 тыс. наименований) широко используется для производства разнообразных потребительских товаров, в больших объемах – в других отраслях экономики, таких как сельское хозяйство, обрабатывающая промышленность, строительство и сфера услуг. Химическая промышленность сама потребляет более 25% собственного производства химикатов. Продукцию ее делят на четыре категории: ––базовые химикаты (на них приходится примерно 35–37% мирового производства отрасли); ––продукты жизнеобеспечения (life science) – 30%; ––специальные химикаты – 20–25%; ––потребительские товары – 10%. Базовые, или «товарные», химикаты включают в себя полимеры, которые составляют 33% от общего количества базовых химикатов (все виды пластиков, химических волокон), крупнотоннажную нефтехимию, базовые промышленные химические продукты, неорганические химикаты и минеральные удобрения. Основные факторы, сдерживающие стабильное функционирование химического комплекса следующие. 1. Высокая степень физического износа оборудования и отсталость технологий. 2. Дефицит инвестиционных ресурсов. 3. Опережающие темпы роста цен и тарифов на продукцию естественных монополий. 4 4. Нестабильное обеспечение предприятий отрасли базовыми вида- ми сырья, особенно углеводородного (сжиженные газы, этан, природный газ). 5. Недостаточная емкость внутреннего рынка химической продукции. В годы экономического кризиса резко сократился внутренний рынок химикатов. В этих условиях едва ли не единственным источником доходов многих отечественных производителей стали поставки на внешние рынки. Это стало возможным из-за более низких внутренних цен на электроэнергию и природный газ, российские химические и нефтехимические товары. За счет экспорта формируется почти половина совокупной выручки предприятий отрасли, причем в отдельных секторах этот показатель превышает 80% (калийные и фосфорные удобрения, капролактам, ксилолы и др.). Главным фактором, позволившим российским химическим предприятиям выйти из затянувшегося кризиса 1998 года, была девальвация национальной валюты, которая резко повысила ценовую конкурентоспособность отечественной продукции. В настоящее время, по мнению экспертов, глобальная экономика России готова вступить в новый индустриальный цикл, что приведет к реконструкции традиционных секторов промышленности. Развитие промышленности будут определять следующие четыре основных направления. 1. Переход к управлению всем жизненным циклом изделия: от проектирования до утилизации. 2. Автоматизация проектирования и инжиниринга. 3. Использование в производстве материалов нового поколения. 4. Развертывание инфраструктур нового типа, так называемых умных сред. Первое направление – это переход к управлению всем жизненным циклом изделия. Уже на этапе проектирования продукта должны закладываться параметры расхода, связанные с его обслуживанием, а затем и с выведением его, в конечном счете, из эксплуатации. За термином «жизненный цикл» изделия скрываются два понятия: ––маркетинговый жизненный цикл, относящийся к поведению определенного вида продукции на рынке и завершаемый моральным износом и снятием с производства; ––функциональный жизненный цикл, связанный с функциональным предназначением изделия и завершаемый физическим износом и утилизацией. 5 Деятельность любого предприятия, действующего в условиях рыночной экономики, должна быть направлена на сокращение жизненного цикла своей продукции, так как это снижает сроки оборота капиталовложений. Этот цикл последовательно проходит этапы, которые могут называться по-разному, но их содержание остается одинаковым. Реализованные этапы, начиная с самых ранних, могут циклически повторяться из-за изменения требований или внешних условий, введения дополнительных ограничений и т. п., что приводит к изменениям в проектных решениях, выработанных на более ранних этапах. Исходя из необходимости массового индустриального выполнения проектов, формы организации последних подверглись типизации. Получившиеся типологии оформлены в виде стандартов управления проектами, которые поддерживаются специализированными ассоциациями, такими как PMI (project Management Institute, США), IPMA (International Project Management Association, Швейцария) и др. Структуризация проекта начинается с типологии жизненного цикла, т. е. с комбинации процессов и подпроцессов, необходимых для создания (реализации) объекта или решения. В стандарте PMI выделяют четыре основные фазы жизненного цикла реализации проекта. 1. Начальная (структурирование, инициирование): – маркетинг и изучение рынка. 2. Разработка: –  проектирование и разработка проекта, продукции, услуги, решения; – планирование и разработка процессов. 3. Реализация: – закупки материалов и комплектующих; – производство изделия/услуг; – упаковка и хранение на складе; – реализация и отправка потребителю; – установка и ввод в эксплуатацию. 4. Завершение: – техническая помощь и обслуживание; – эксплуатация или потребление; – утилизация или модернизация; – информационный поток и обратные связи. Для управления всем жизненным циклом изделия необходимо применять современные информационные технологии. Деятельность большинства производственных предприятий в большей степени зависит от 6 информированности и способности эффективно использовать имеющиеся базы знаний, необходимые для успешной деятельности. Специалисты давно предвидели, что процессы разработки, подготовки производства, изготовления, маркетинга, продажи, эксплуатации, поддержки подчиняются одним естественным законам. Технически это сдерживалось недостаточной мощностью компьютеров и средств коммуникаций. Второе направление – это глубокая автоматизация проектирования и инжиниринга. Современная рыночная экономика требует оперативного, качественного, экономичного проектирования изделий, имеющих социально-значимое значение. Технические системы создаются для удовлетворения личных или общественных потребностей. Целевое назначение системы реализуется посредством ее технических функций. Инжиниринг – это использование научного знания и метода проб и ошибок для проектирования системы. Автоматизированный инжиниринг – это использование компьютерных инструментов для выполнения технических разработок; в предельном случае – проведение детальных проработок с минимальной человеческой помощью или без нее по заданной общей спецификации. Автоматизированный инжиниринг  – специализированная форма искусственного интеллекта. В настоящее время термин «инжиниринг» (происходит от англ. «engineering», что означает – сооружать, проектировать, придумывать, изобретать) определяют как совокупность интеллектуальных видов деятельности, имеющую своей конечной целью получение наилучших (оптимальных) результатов от капиталовложений или иных затрат. Эти затраты связаны с реализацией проектов различного назначения за счет наиболее рационального подбора и эффективного использования материальных, трудовых, технологических и финансовых ресурсов в их единстве и взаимосвязи, а также методов организации и управления, на основе передовых научно-технических достижений с учетом конкурентных условий и проектов. Инжиниринг получил активное развитие примерно 50–60 лет назад, фактически после Второй мировой войны. В это время в Европе стали осуществляться крупные проекты восстановления и модернизации промышленности, а позднее началась масштабная индустриализация стран третьего мира. В связи с этим возникла необходимость в комплексных инженерных услугах и проектах «под ключ». Требовалось не только построить промышленный объект, но и помочь заказчику в обучении кадров, оказав последующее техническое содействие 7 в освоении передаваемых технологий. Поэтому услуги в области инжиниринга стали все более разнообразными, возникли национальные и международные рынки инжиниринговых услуг. В 1970–1980-е гг. с учетом новой практики понадобилось уточнить понятие инжиниринга, систематизировать его виды. Именно тогда сложилось понимание основных современных форм международной деятельности в области предоставления инженерных услуг. Европейская экономическая комиссия ООН разработала, например, Руководство по составлению международных договоров инжиниринга, Руководство по составлению международных договоров консорциума и др. Регламенты и руководства в области инжиниринга разрабатывались также национальными ассоциациями инженеров, в частности американской и английской. Работы по унификации и стандартизации деятельности в области инжиниринга были выполнены под эгидой Всемирного банка и Европейского банка реконструкции и развития, что позволило сформировать единый подход к обоснованию инвестиционных решений на базе инженерных разработок, учета экологических и социальных факторов. На рис. 1 приведены процессы создания объема инфраструктуры. Рис. 1. Ключевые процессы создания объекта инфраструктуры В общем инвестиционном процессе «инвестирование–создание объекта–эксплуатация–утилизация или реконструкция» этап создания объекта занимает почетное второе место. Здесь центральную роль играют четыре процесса: 8 – Е (engineering – проектирование); – P (procurement – комплектация); – C (construction – производство-создание объекта); – PM (project management – управление проектом). При реализации инвестиционных проектов процессы могут исполняться различными специализированными организациями как раздельно, так и комбинированно. Например, широко распространен EPC-подряд, представляющий собой комплексное исполнение работ по проектированию, организации поставок и созданию объекта: ЕРС = Е + Р + С. В подобных проектах инжиниринг играет роль стержня всего цикла  – от формирования идеи до создания объекта. Развитие инженерного проектирования (инжиниринга) предполагает обращение к активным информационным ресурсам, превращающим компьютер в активного партнера инженера. ЭВМ не только берет на себя выполнение всей рутинной работы, но и помогает принимать проектные решения, оставляя за инженером преимущественно творческие функции. Доступность к Web-ресурсу создало потенциальную возможность для принципиально иной организации процесса проектирования и инжиниринга. Производители переходят на проектирование в цифре, и без наличия цифровой модели изделие не конкурентоспособно. Компьютерное моделирование является одним из приоритетов современной промышленной политики. В настоящее время технологический инжиниринг является наукоемким продуктом, в котором необходимо применять новые технологии исследования, анализа и проектирования средств оснащения и технологических процессов, а также средств синтеза производственных процессов предприятий. Если раньше имитационное моделирование в машиностроении осуществлялось аналоговым или натурным способами, то в последние годы развивается компьютернографическая 3D симуляция процессов или объектов [2]. Это позволяет достичь столь значимого производственного эффекта, о котором ранее даже не мечталось. Однако хотя инженеры и получили в руки доступный и универсальный инструмент решения многих проектных и исследовательских задач (компьютерные 3D среды), но при отсутствии научно обоснованных подходов их использования результативность и доверие к конечным выводам резко снижается. В связи с этим актуальным является решение проблемы обоснованного применения 9 имитационного моделирования и адекватности формируемых при этом проектов (рис. 2–3). Рис. 2. Фрагменты имитационного моделирования цикла изделия в компьютерной среде Синтенз структуры производственных потоков Расстановка оборудования Проектные нормативы Экспертиза и регламентация и сертификация Промышленный модельных сред Модели информатизации маркетинг подготовки Модели АСУПП производства Модели сборки – заготовительный; – обрабатывающий; – тестирующий; – сборочный; – логистический; – технической подготовки Модели Модели транспортно- манипулирующих систем складских систем и роботизации Модели пространственного кинематического анализа II уровень – Предприятия Технологический инжиниринг по переделам: Модели систем контроля Модели систем покраски, упаковки и маркировки I уровень – Отраслевой Генподрядный строительный инжиниринг Модели формообразующих процессов III уровень – Технологической ячейки (участка) IV уровень – Операционный Модели химикотермических процессов V уровень – Производственных модулей Модели приспособлений и оснастки VI уровень – Станочный Модели размерных цепей и средств базирования Конечно-элементные модели Рис. 3. Применение компьюторнографических моделей при проектировании производства 10 VII уровень – Конечноэлементный Известно, что уровень доверия к конечным параметрам модели напрямую зависит от степени достоверности вводимой информации, а точность выходных значений не может превышать точности наиболее «слабого» звена в перечне введенной в модель информации. При решении задач имитационного моделирования подготовкой исходных данных, их статистической обработкой, структуризацией и кодификацией должны заниматься специалисты, владеющие когнитивными знаниями. Эффективность проектирования и инжиниринга зависит от уровня автоматизации информационных процессов. В связи с этим создаются информационные системы по автоматизации выполнения комплекса взаимосвязанных функций (ИС управления по сбору, подготовке, обработке данных и заданий для автоматизированного решения задач планирования и анализа производственной деятельности): MRP – Material Requirement Planning (системы планирования потребностей в материалах); MRP II – Manufacturing Resource Planning (системы планирования ресурсов производства); CRP – Computing Resource Planning (системы планирования производственных мощностей); CAE – Computing Aided Engineering (автоматизированные системы инженерного проектирования – САПР); учетные системы и т. п. Проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают путем взаимодействия человека и ЭВМ, называют автоматизированным, в отличие от ручного (без использования ЭВМ) или автоматического (без участия человека на промежуточных этапах). Последнее возможно лишь в отдельных случаях для сравнительно несложных объектов. Превалирующим в настоящее время является автоматизированное проектирование. Техническое обеспечение системы автоматизированного проектирования (САПР) включает в себя различные технические средства, используемые для выполнения автоматизированного проектирования, а именно ЭВМ, периферийные устройства, сетевое оборудование, а также оборудование некоторых вспомогательных систем (например, измерительных). Используемые в САПР технические средства должны обеспечивать: ––выполнение всех необходимых проектных процедур при наличии в САПР вычислительных машин и систем с достаточными производи11 тельностью, емкостью памяти и соответствующим программным обеспечением; ––взаимодействие между проектировщиками и ЭВМ в поддержку интерактивного режима работы, выполняемое за счет включения в САПР удобных средств ввода-вывода данных, прежде всего, устройств обмена графической информацией; ––взаимодействие между членами коллектива, выполняющими работу над общим проектом путем объединения аппаратных средств САПР в вычислительную сеть. Третье направление – это использование в производстве материалов нового поколения. Материалы – это вещества, из которых изготавливаются различные изделия и устройства (машины и самолеты, мосты и здания, космические аппараты и микроэлектронные схемы, ускорители заряженных частиц и атомные реакторы, одежда и т. д.). Для каждого вида изделий и устройств используются материалы с определенными свойствами [3]. Основные направления развития современных материалов 1. Разработка новых сплавов металлургии: высокопрочные алюминиевые сплавы, работающие при относительно невысоких температурах, титановые сплавы, применяемые при высоких температурах и обладающие высокими коррозионными свойствами. Развитие порошковой металлургии и прессование металлических порошков позволило повысить прочностные и другие свойства, а также расширить область применения прессуемых материалов. 2.  Особое внимание уделяется разработке полимерных материалов. Полимеры построены из макромолекул, состоящих из мономеров. Процесс их образования зависит от многих факторов, вариации и комбинации которых позволяют получить множество разновидностей полимерной продукции с различными свойствами, например, полимер АБС, состоящий из трех основных мономеров: акрилонитрат, бутадиен и стирол. Первый из них обеспечивает химическую стойкость, второй  – сопротивление к удару и третий – твердость и легкость к термопластической обработке. Основное значение таких полимеров – замена металлов в различных конструкциях. Использование полимеров в авиационной и ракетной технике требует повышения их термостойкости. Наиболее перспективными термостойкими материалами, эксплуатируемыми при температурах 200–400°С, оказались ароматические и гетероароматиче12 ские структуры с прочным бензольным кольцом: ароматические полиамиды, фторполимеры и т. д. В настоящее время открыты совершенно новые группы материалов, которые обладают электрической проводимостью. В полимерных проводниках большие плоские молекулы служат элементами проводящего столбика и образуют металломакроциклы, соединяющиеся друг с другом посредством ковалентно-связанных атомов кислорода. Такая химическая сконструированная молекула обладает электрической проводимостью. Атомы металла и окружающей его в плоском макроцикле группы можно заменить и модифицировать различными способами. В результате можно получить полимер с заданными электропроводящими свойствами. 3. С начала ХХ в. химические технологии стали ориентироваться на создание новых волокнистых материалов. Новшества сегодняшнего дня затронули геометрию волокон – созданы пустотелые волокна, в сечении не круглые, а овальные, что позволяет получать материалы, которые лучше противостоят холоду и облегчают удаление с кожи влаги. Такие материалы применяются для изготовления одежды космонавтов. 4. В последние десятилетия большое внимание уделяется разработке композиционных материалов, т. е. материалов, состоящих из компонентов с различными свойствами. В таких материалах содержится основа, в которой распределены усиливающие элементы: волокна, частицы и т. п. композиты могут включать стекло, металл, дерево, искусственные вещества, полимеры. Большое число возможных комбинаций компонентов позволяет получать композиционные материалы с различными свойствами. Например, при комбинировании поли- и монокристаллических нитей с полимерными матрицами (полиэфиры, фенольные и эпоксидные смолы) получают композиты, которые по прочности не уступают стали, но легче ее в 4–5 раз. Современная техника предъявляет самые разнообразные требования к полимерным композиционным материалам. Допустим, нужно повысить прочность и жесткость полимера, снизить стоимость, уменьшить плотность. Для увеличения прочности в полимер вводятся высокопрочные волокна; для уменьшения стоимости можно добавить в матрицу полимера дешевые наполнители: песок, опилки и т. д., а наполнение полимера газом позволяет решить задачу снижения плотности материала. 5. Современные химические технологии позволяют получать материалы с уникальными свойствами. Получены термостойкие материалы 13 такими перспективными способами изготовления, как имплантация ионов на поверхности; плазменный синтез; плавление и кристаллизация в отсутствие гравитации; напыление на поликристаллические, аморфные и кристаллические поверхности с помощью молекулярных пучков; химическая конденсация из газовой фазы в тлеющем плазменном разряде и т. д. Практический интерес представляет способ получения новых керамических материалов для изготовления, например, цельнокерамического блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Данный способ заключается в отливке кремнийорганического полимера в форму с заданной конфигурацией с последующим нагреванием, при котором полимер превращается в термостойкий и прочный карбид или нитрид кремния. Современная технология позволяет получить несколько слоев арсенида гелия различной толщины, выращенных на подложках из монокристаллического фосфида индия. Из полученных материалов с электрическими свойствами изготавливают рабочие узлы лазеров и лазерных дисплейных устройств, применяемые в длинноволновых оптических линиях связи. Современная технология позволяет получить материал в виде стекла, но не с диэлектрическими свойствами, а с металлической проводимостью или полупроводниковыми свойствами. Такая технология основана на быстром замораживании жидкости, конденсации газовой фазы на очень холодную поверхность или имплантации ионов на поверхность твердого вещества. Таким образом, с применением современных технологий можно получить новые материалы с необычным комплексом свойств. 6. Любая электронно-вычислительная машина, в том числе и персональный компьютер, содержит накопитель информации – запоминающее устройство, способное накапливать и хранить большой объем информации. Изготовление современных магнитных накопителей большой емкости основано на использовании тонкопленочных материалов. Благодаря применению новых магнитных материалов за относительно короткий срок поверхностная плотность записи информации увеличилась в пять раз. Запись с высокой поверхностной плотностью осуществляется на носитель, рабочий слой которого формируется из тонкопленочного кобальтсодержащего материала. При модернизации таких накопителей и внедрении новых материалов следует ожидать дальнейшего увеличения информационной плотности, что весьма важно для развития современных технических средств записи, накопления и хранения информации. 14 7. Сейчас с уверенностью можно утверждать, что одним из наиболее перспективных направлений развития современной промышленности является нанотехнология. Исходя из самого названия можно заключить, что данное направление работает с объектами, размеры которых измеряются нанометрами. Наноматериалы – материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих. Основные структурные параметры наночастиц – их форма и размер. Физические, электронные и фотофизические свойства наночастиц определяются их чрезвычайно высокой удельной поверхностью (отношением поверхности к объему). Например, если размер кристалла золота уменьшается до 5 нм, температура плавления снижается на несколько сотен градусов. Многие материалы – от металлов и керамик до биоминералов – состоят из неорганических наночастиц (оксидов, нитридов, карбидов, силикатов и т. д.) [4]. Они входят в состав наноматериалов на основе различной керамики и полимеров. Несовместимость органических и неорганических компонентов – основная проблема, которую приходится преодолевать при создании новых материалов, что предусматривает разработку и внедрение в промышленных масштабах новых технологий практически во всех подотраслях химического комплекса, а также развитие нанохимии – новой межотраслевой технологии, интегрирующей последние достижения физики, химии и биологии. Развитие химического комплекса реализуется через: ––стимулирование инвестиций в развитие химического комплекса за счет применения регулирующих функций государства на основе частно-государственного партнерства; ––повышение технико-экономического уровня производств за счет реконструкции, модернизации и нового строительства; ––расширение на территории России производства продукции химического комплекса с высокой добавленной стоимостью; ––снижение удельных расходов сырьевых, топливно-энергетических и трудовых ресурсов на производство химической и нефтехимической продукции; ––совершенствование структуры экспортных поставок в направлении повышения доли продукции глубокой переработки; ––развитие импортозамещающих производств; ––углубление переработки углеводородного и минерального сырья на основе новейших технологий, в том числе за счет эффективного использования попутного нефтяного газа; 15 ––разработку нанотехнологий и расширение их использования для получения материалов со специфическими эксплуатационными свойствами (сверхпрочность, твердость, химотермостойкость, химическая и каталитическая активность и др.), широко используемых практически во всех сферах деятельности; ––максимальное внедрение результатов отечественных разработок и использование новейшего оборудования отечественных машиностроительных предприятий при реконструкции, техническом перевооружении и строительстве новых производств; ––расширение обеспечения химических производств отечественным оборудованием посредством стимулирования создания интегрированных структур, включающих производителей оборудования, систем управления и контроля, их потребителей, профильные научно-исследовательские институты и конструкторские бюро, способных выпускать комплектное оборудование для конкретных технологических производств, осуществлять его поставку и сервисное обслуживание; ––внедрение экологически безопасных технологий с целью снижения выхода отходов и удельных выбросов вредных веществ в воздушный и водный бассейны, а также автоматизированных систем контроля за состоянием окружающей среды; ––обеспечение предприятий высококвалифицированными кадрами за счет более широкого привлечения новых специалистов и переподготовки работающих в химическом комплексе. Четвертое направление – развертывание промышленных инфраструктур нового типа, так называемых умных сред: это умные дороги, умные сети, умные производства. В настоящее время в России существует значительный потенциал развития «умных» сред, но он сдерживается сложившейся в советский период моделью производства, исчезновением исследовательских центров и конструкторских бюро в 1990-е гг., слабой развитостью электронной промышленности. Результаты опроса российских промышленных компаний показали, что хотя большинство предприятий использует программное обеспечение для управления производством, но обычно речь идет об ERP-системах, которые имеют весьма опосредованное отношение к концепции «умных» заводов. Еще хуже ситуация обстоит с промышленными роботами – они используются менее чем на трети опрошенных предприятий. ERP (Enterprise Resource Planning – планирование ресурсов предприятия) – это организационная стратегия управления трудовыми ресурса16 ми, интеграции производства и операций, финансового менеджмента и управления активами, ориентированная на непрерывную балансировку и оптимизацию ресурсов предприятия посредством специализированного интегрированного пакета прикладного программного обеспечения, который обеспечивает общую модель данных и процессов для всех сфер деятельности. На сегодняшний день существует множество концепций применения «умных» сред в различных предметных областях: «умного» производства (smart manufacturing), «умных» домов (smart houses), «умных» городов (smart cities), «умных» транспортных систем (intelligent transportation system) и т. д. Общая идея «умных» систем состоит в использовании распределенных сетей сенсоров и вычислительных устройств, взаимодействующих между собой для максимального обеспечения удобства и безопасности человека (в сфере инфраструктуры) или высокоэффективного производства (в сфере производства). Согласно определению, «умная» среда представляет собой электронную среду, способную получать и использовать информацию об окружающей реальности, а также приспосабливаться к нуждам пользователей для улучшения их взаимодействия с внешней средой. Информационные технологии (ИТ, от англ. information technology, IT) – широкий класс дисциплин и областей деятельности, относящихся к технологиям создания, сохранения, управления и обработки данных, в том числе с применением вычислительной техники. «Умные» заводы, «умные» производства, «умные» предприятия (smart factory) как термин используются в разных смыслах в зависимости от контекста. Иногда под этим понимается любая роботизированная система производства; изготовители оборудования добавляют прилагательное «умный» (intelligent, smart), когда описывают свои станки, приводя характеристики скорости работы, точности или производительности. Для достижения своих целей «умные» предприятия используют специализированное программное обеспечение, лазеры и устройства с искусственным интеллектом, встроенные в машины и инфраструктуру предприятия. Виртуальные организации задействуют для работы программное обеспечение, чтобы единообразно обеспечивать взаимодействие между распределенными в пространстве производственными активами и осуществлять управление ими; кроме того, предлагаются новые бизнес-модели и идеи создания ценности. 17 На рис. 4 представлена схема стадий технологической зрелости ИТрешений для внедрения «умных» систем (Источник: ЦСР «Северо-Запад»). Рис. 4. Стадии технологической зрелости ИТ-решений Создание «умных» сред невозможно без материалов активных и умных. Представим себе материал, который меняет свои физические характеристики в зависимости от внешних условий, в которых он находится, и если сюда добавить еще возможность программируемого управления поведением такого материала – это исключительно перспективное исследовательское поле. Идея проста: объединить в одну распределенную сеть сенсоры, актуаторы (приемно-передающие устройства) и компьютеры. В результате развития технологии MEMS (микроэлектромеханических систем) это становится возможным, что позволяет создать большое количество интегрированных сенсоров, актуаторов, компьютеров и коммутационных систем, которые могут быть встроены в другие продукты и даже размещены в окружающей среде. Ученые рассматривают MEMS-технологию как одну из наиболее рево18 люционных технологий ХХI в., поскольку она позволяет встроить вычислительные процессы в саму физическую структуру вещества. Создание «умных» материалов, т. е. превращение динамического поведения вещества в программируемое, открывает путь к созданию абсолютно нового поколения материалов, механизмов, продуктов и процессов, в которых части целого активно адаптируются к изменяющимся условиям, достигая своих целей посредством интеллектуального регулирования своего динамического поведения. На сегодняшний день гибкость и скорость внедрения инноваций являются ключевыми факторами успеха не только любого производства, но и экономики. Поэтому «умным» средам, производствам, системам принадлежит особая роль: по сути, они выполняют функцию каркаса, на который в ближайшем будущем будет крепиться, тем самым обеспечивая новое качество продукции, не только сама промышленность, но и транспортная и энергетическая инфраструктура. Для осуществления инновационного развития промышленности необходимо, прежде всего, перераспределение капитальных инвестиций в пользу инновационной сферы, повышение эффективности использования этих ресурсов, консолидация всех сил общества для построения эффективного и высокотехнологичного промышленного комплекса, а также для возобновления процесса интеграции знаний. 2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ И МЕТОДЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ По назначению производимой продукции промышленность подразделяется на отрасли, одной из которых является химическая промышленность. Удельный вес химической и нефтехимической отраслей в общем производстве РФ составляет 9%, что уступает только топливной промышленности и машиностроению (20%). Химическая промышленность подразделяется на отрасли широкой специализации (горная химия, основная химия, производство органического синтеза и т. д.) и отрасли узкой специализации (производство минеральных удобрений, пластмасс, красителей и т. д.). Продукция химической промышленности по принятой в стране классификации сгруппирована в 7 классов, в которые входят сотни тысяч различных наименований. 1-й класс: продукты неорганического синтеза. 19 2-й класс: полимерные материалы, синтетические каучуки, пластмассы, химические волокна. 3-й класс: лакокрасочные материалы. 4-й класс: синтетические красители и полупродукты. 5-й класс: продукты органического синтеза (нефте-, коксо- и лесохимия). 6-й класс: химические реактивы и чистые вещества. 7-й класс: химико-фармацевтические препараты. Эта классификация условна, так как к собственно химическим производствам не относятся металлургия и производство силикатных материалов, хотя в них используются химические методы переработки. В системе материального производства химическая промышленность занимает особое место из-за того, что имеет специфические особенности: ––особые методы воздействия на предметы труда, приводящие к химическим превращениям, что позволяет производить новые вещества; ––высокая материало- и энергоемкость; ––высокая степень автоматизации производства; ––разнообразие и узкая специализация применяемых машин и оборудования. Современное химическое производство представляет собой многотоннажное, автоматизированное производство, основой которого является химическая технология. «Химическая технология» происходит от греч. techno, которое переводится как «искусство», «мастерство» и logos – «учение», т. е. это наука о наиболее экономичных и экологически обоснованных методах химической переработки сырых природных материалов в предметы потребления и средства производства. Объекты химической технологии  – вещества и системы веществ, участвующих в химическом производстве; процессы химической технологии – совокупность разнообразных операций, осуществляемых в ходе производства с целью превращения этих веществ. Современная общая химическая технология возникла в результате закономерного, свойственного на определенном этапе развития всем отраслям науки процесса интеграции ранее самостоятельных технологий производства отдельных продуктов в результате обобщения эмпирических правил их получения. Современная химическая технология, используя достижения естественных и технических наук, изучает и разрабатывает совокупность физических и химических процессов, машин и аппаратов, оптималь20 ные пути осуществления этих процессов и управления ими при промышленном производстве различных веществ. Химическая технология базируется на химических науках, таких как физическая химия, химическая термодинамика и химическая кинетика. Поэтому химическая технология немыслима без тесной взаимосвязи с экономикой, физикой, математикой и другими техническими науками. Развитие науки и промышленности привело к значительному росту числа химических производств. Рост химического производства, с одной стороны, и развитие химических и технических наук, с другой стороны, позволили разработать теоретические основы химико-технологических процессов. Технологию можно считать наукой о наиболее экономичных методах и средствах переработки сырья природных веществ в продукты потребления. Технологии делятся на механические и химические. 2.1. Основные компоненты химического производства Химическая технология изучает закономерности проведения химических процессов получения различных по своей природе и назначению продуктов. Независимо от конкретного вида производственной продукции и типа процесса ее получения любое производство включает несколько обязательных элементов: сырье (объект превращения); энергию (средство воздействия на объект) и аппаратуру, с помощью которой это превращение осуществляется. Особое место в химической промышленности занимает вода. Она не только служит средой, в которой протекают многие химические превращения, но и широко используется в процессе как растворитель, теплоноситель, хладагент, транспортное средство, поэтому воду можно считать четвертым обязательным элементом химического производства. В химической технологии осуществляются самые разнообразные процессы производства кислот, щелочей, солей, минеральных удобрений, продуктов переработки нефти и каменного угля, многочисленных органических соединений, полимерных и многих других материалов. Однако, несмотря на огромное разнообразие химических продуктов, получение их связано с проведением ряда однотипных физических и физико-химических процессов (не более 20), таких как перемещение жидкостей и твердых материалов, нагревание и охлаждение, сушка материалов, разделение жидких и газовых неоднородных смесей, выпаривание растворов и т. д. Эти процессы составляют основу большинства 21 химических производств и поэтому называются основными (или типовыми) процессами химической технологии. Сходством характеризуются и аппараты, применяемые для одной и той же цели в различных отраслях химической технологии (например, сушку полимеров, красителей, медицинских препаратов и других веществ осуществляют в однотипных аппаратах, которые могут различаться только размерами). 2.2. Классификация процессов химической технологии Все процессы химической технологии могут быть объединены в следующие группы. 1. Гидромеханические процессы – процессы, в которых основные явления связаны с переносом импульса в жидкостных и газовых потоках, реже – в системах с твердой фазой. К этой группе примыкают механические процессы, которые описываются законами механики твердых тел. Скорость данных процессов определяется законами гидродинамики. 2. Тепловые процессы – процессы, в которых наблюдаются явления, связанные с различными формами переноса теплоты в области умеренных, низких и высоких температур. При этом приходится учитывать закономерности переноса импульса, поскольку он сопутствует переносу теплоты. Скорость данных процессов определяется законами теплопередачи. 3. Массообменные процессы – процессы, связанные с переносом одного или нескольких компонентов исходной смеси из одной фазы в другую через поверхность раздела. При этом приходится учитывать закономерности переноса импульса, а довольно часто и теплоты. 4. Химические процессы – процессы, которые сопровождаются переносом и импульса, и тепла, и массы. Они также относятся к основным, но, как и механические процессы, изучаются пока на специальных курсах. Теоретическую основу всех технологических процессов (гидромеханических, тепловых и массообменных) составляют фундаментальные законы природы, к которым относятся: законы сохранения вещества, законы термодинамического равновесия и законы переноса. 2.2.1. Законы сохранения импульса, энергии и массы Законы сохранения какого-либо объекта (импульса, энергии и массы) – это законы, допускающие протекание таких процессов, в ходе которых суммы объектов внутри системы остаются неизменными. 22 Математическим выражением этих законов сохранения выступают уравнения балансов этих веществ. Согласно закону сохранения, масса поступающих на переработку веществ ΣGn должна быть равна массе веществ, получаемых в результате проведения процесса ΣGR: ΣGn = ΣGR. Уравнение представляет собой материальный баланс. В инженерных расчетах составляется либо общий материальный баланс по всему веществу, либо частный – для одного компонента. Расчет любого химико-технологического процесса начинают с составления именно материального баланса. ––  Закон сохранения энергии (первый закон термодинамики): внутренняя энергия изолированной от внешней среды системы постоянна. На основании законов сохранения энергии составляют тепловой баланс. По аналогии с материальным тепловой баланс в общем виде выражается следующим образом: ΣQн = ΣQR + ΣQn. ––Закон сохранения импульса является общим выражением первого закона термодинамики для какого-либо объема жидкости. Законы сохранения импульса, энергии и массы рассматриваются совместно, поэтому подход к составлению балансов всех веществ идентичен и заключается в следующем: 1) определяют, для какого именно вещества необходимо записать баланс; 2) выделяют пространственный контур, для которого составляют баланс: несколько аппаратов, один аппарат или часть аппарата; 3) устанавливают временной интервал, для которого будет составлен баланс; 4) затем обозначают и выражают следующие величины: ––потоки вещества, входящие в контур (Приход – Пр) и уходящие (Уход – Ух); ––источники (Ис) вещества и его стоки (Ст) внутри контура; ––накопление (Нак) вещества или результат (Рез) в контуре за исследуемый временной интервал. Основные цели составления баланса: ––проверка сходимости баланса; ––нахождение неизвестного элемента баланса; 23 ––отыскание функциональной связи между элементами балансового соотношения. Материальные и энергетические балансы в микрообъемах при взаимодействии, например, двух фаз при тепло- и массопереносе будут зависеть от взаимного направления движения потоков. 2.2.2. Законы термодинамического равновесия Законы термодинамического равновесия определяют условия, при которых процесс переноса любого объекта приходит к своему завершению. Основная задача химико-технологических процессов состоит в направленном (заданном) изменении макроскопических свойств участвующих в этом процессе веществ: состава, агрегатного состояния, температуры, давления. Для этого на систему воздействуют подачей или отводом теплоты, внешними силовыми полями, перемещением под действием силы давления и т. п., что приводит к переносу субстанций  – энергии, массы, импульса. Предельным состоянием системы является подвижное равновесие, которое не приводит к изменению макроскопических свойств участвующих в процессе веществ во времени и пространстве. Таким образом, равновесным называют такое состояние системы, при котором перенос объекта отсутствует. Математически условия равновесия можно сформулировать как равенство нулю полного дифференциала параметров состояния, определяющих свойства вещества: dT = 0; dp = 0; dμ = 0, где равенство dT = 0 выражает условия термодинамического равновесия; dp = 0 – гидромеханического равновесия; dμ = 0 – химического равновесия. Все самопроизвольные процессы проходят в направлении приближения состояния системы к равновесному. Изменение состояния системы в противоположном направлении возможно лишь под воздействием окружающей среды, заключающемся в подводе к системе вещества или энергии. Согласно второму закону термодинамики, все самопроизвольные процессы сопровождаются увеличением энтропии системы. В изолированной системе энтропия в состоянии равновесия достигает максимального значения, поэтому для состояния равновесия справедливо равенство dS = 0. 24 Для открытой системы (способной обмениваться с окружающей средой массой и энергией) равновесное состояние может быть устойчивым лишь при ее равновесии с окружающей средой. В противном случае состояние системы будет изменяться. Так, если температура окружающей среды выше температуры системы, то к последней будет передаваться энергия в форме теплоты, при различии давлений произойдет процесс расширения или сжатия, при различии концентраций возникнет поток вещества. Отсюда следует: движущая сила процессов, приводящих к изменению макроскопических свойств системы, возникает вследствие отклонения от равновесия в самой системе или в окружающей среде. Чем меньше отклонение от состояния равновесия, тем медленнее протекает процесс. При проведении технологических процессов для осуществления процессов переноса веществ к системе подводят дополнительные неравновесные параметры (механическое воздействие или энергию). В системе, состоящей из двух и более фаз, переход данного компонента может происходить самопроизвольно только из фазы, в которой его химический потенциал больше, в фазу с меньшим химическим потенциалом. В условиях равновесия химический потенциал компонента в обеих фазах одинаков. В технических расчетах применяют не химические потенциалы, а более простые, легко определяемые величины – концентрации. Однако при равновесии разность концентраций (х–у) в общем случае не равна нулю. Поэтому движущую силу процесса массопередачи – отклонение системы от состояния равновесия – выражают как разность концентраций (Y* Y) или (X* X). Условия равновесия системы в процессах переноса массы определяются правилом фаз Гиббса: К + 2 = Ф + N, где К – количество независимых компонентов системы; Ф – число фаз системы; N – минимальное число степеней свободы (давление, температура, концентрация), которое можно изменять независимо друг от друга, не нарушая равновесия данной системы. Это правило определяет возможность сосуществования фаз, но не указывает на количественные зависимости переноса вещества между фазами. Обычно при расчете массообменных процессов фактические или рабочие концентрации распределяемого между фазами вещества указаны. 25 Зависимости между рабочей концентрацией вещества в одной фазе и равновесной в другой (равновесные зависимости) определяются экспериментальным путем и представляются в виде уравнений Y* = f (x), например: Y*= m xn, где m и n – величины, определяемые опытным путем. Зависимость равновесного распределения вещества между фазами иногда представляется в виде таблиц или графиков. Знание рабочих и равновесных концентраций позволяет определять направление и движущую силу процесса. Законы термодинамического равновесия позволяют определить условия равновесия, движущую силу процесса и направление переноса субстанции. 2.2.3. Законы переноса веществ Обычно в химико-технологических процессах все вещества находятся в движении (потоке), под которым понимают перемещение какой-либо среды в пространстве. Наиболее часто приходится иметь дело с конвективными потоками, которые характеризуются движением множества частиц под действием какой-либо силы из одного места пространства в другое. При рассмотрении малых областей пространства существенными могут быть не только конвективные, но и молекулярные составляющие потоков (диффузия при переносе массы). Протекание процессов в той или иной мере связано с переносом каких-либо объектов – количества движения (импульса), теплоты, вещества (массы), иногда нескольких веществ одновременно, поэтому для характеристики любой системы достаточно трех потоков: массы (или компонента), теплоты (или энтальпии) и импульса. Явления переноса используются направленно – осуществлять процесс (теплота для нагрева объекта) или сопровождать какой-либо процесс (отвод теплоты реакции). Законы переноса массы, энергии и импульса определяют плотность потока любых объектов в зависимости от движущей силы процесса, т. е. интенсивность химико-технологического процесса и производительность используемых для проведения этих процессов аппаратов. Интенсивность переноса характеризуется количеством веществ, переносимых в единицу времени через единицу площади поперечного сечения потока – плотностью потока веществ (q). 26 Существует несколько видов переноса. Механизмы переноса удобнее всего классифицировать по уровню или по масштабу, в котором осуществляется элементарный акт переноса: – низший уровень – квантовый: элементарный акт переноса заключается в излучении и поглощении элементарной частицы – кванта. На квантовом уровне механизм переноса тепла называется тепловым излучением: при переносе импульса – это давление света; при переносе вещества – ядерные реакции, возникающие в результате поглощения тех или иных элементарных частиц; – второй более высокий уровень связан с тепловым движением молекул. Это молекулярный уровень. Механизм переноса импульса на молекулярном уровне – трение или вязкость. Трение – это перенос количества движения (импульса) в направлении, перпендикулярном направлению движения. Импульс, переносимый в единицу времени через единицу площади, равен тангенциальному напряжению трения по величине и размерности. Закон Ньютона является основной количественной закономерностью вязкого трения. Трение – явление сопротивления относительному перемещению тел, возникающее в зоне соприкосновения их поверхностей. Вязкое трение возникает в случае, если одно из тел – жидкая или газообразная среда:  ∂t  q = –λ ⋅   ,  ∂y  y =0 A Δ где F – касательная к поверхности пластин Vсила, которой = , = K Δвектор P. S R совпадает по направлению с τвекторами v1 и v2; τS S – площадь слоя, по которому происходит сдвиг; Q M z – поперечная толщина слоя. = K Δt . = K ΔC . τS τS Коэффициент η пропорциональности называется коэффициентом динамической вязкости или просто вязкостью. Он характеризует сопротивление жидкости (газа) смещению ее слоев. Кинематической вязкостью называется отношение динамической вязкости к плотности жидкости (газа). В системе СИ единица динамической вязкости – Па*с (паскальсекунда), в СГС – пуаз (пз) (1 пз = 10  –  1 Па*с), единица измерения кинематической вязкости в СИ – м2/с, в СГС – стокс (Ст), 1 Ст = = 10  –  4 м2/с. Вязкость жидкостей и газов определяют вискозиметрами. Механизм переноса тепла на молекулярном уровне – теплопроводность. F =η v2 – v1 ,∙ S, Δz 27 Это перенос тепловой энергии за счет теплового движения молекул (в случае металлов – электронов). Перенос тепла описывается уравнением Фурье (количество тепла, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени):  ∂t  q = – λ ⋅   .,  ∂y  y =0 A Δ V , = Kпотока. ΔP. Здесь q –=плотность теплового Знак минус указывает на то, τS R τS что тепло перемещается в сторону падения температуры. Уравнение теплоотдачи выглядит следующим образом: Q M = K Δt . = K ΔC . Q = (λ/δ)(tст – tст2) Ft, τS τS 1 F =η v2 – v1 , Δz где δ – толщина стенки, м; tст1 – tст2 – разность температур поверхностей стенки, град; F – площадь поверхности стенки, м2; t – время, с. Для непрерывного процесса передачи тепла теплопроводностью при t = 1: Q = (λ/δ)(tт1 – tст2) F. Коэффициент пропорциональности λ называется коэффициентом теплопроводности, он показывает, какое количество тепла проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1 градус на единицу длины нормали к изотермической поверхности. Его величина зависит от природы, структуры, температуры вещества и некоторых других факторов. При обычных температурах и давлениях лучшими проводниками тепла являются металлы, худшими – газы. Коэффициенты теплопроводности газов возрастают с повышением температуры и незначительно зависят от давления. Высший уровень переноса связан с движением потоков. Перемещающиеся массы жидкости несут с собой и количество движения, и тепло, и вещество и таким образом переносят их. Этот механизм называется конвекцией, или конвективным переносом. В случае переноса импульса – это гидродинамический пограничный слой, в случае переноса тепла – тепловой, в случае переноса массы  – диффузионный. 28 2.2.4. Единый кинетический закон Полное математическое описание каждого отдельного процесса содержит уравнения балансов массы, энергии, действующих сил, уравнения равновесия системы и скоростей процессов переноса – его кинетики. Скорость химико-технологических процессов – это количество субстанции (А), переносимое в единицу времени (t) через единицу площади поверхности (S), нормальной к направлению переноса. Скорость процесса является важнейшей характеристикой, так как она определяет основные размеры аппарата, а следовательно, его материало- и энергоемкость, а также занимаемые им производственные площади. При высокой скорости процесса меньше размер аппарата, в котором протекает данный процесс, и, следовательно, меньше затраты. В виде закона формулируются общие кинетические закономерности процессов химической технологии: скорость процесса прямо пропорциональна градиенту соответствующего потенциала (движущей силе процесса) и обратно пропорциональна сопротивлению переноса. Общее кинетическое уравнение для химико-технологических  ∂t  v – всех v q = –λ ⋅   , F =η 2 1, процессов имеет вид: Δz  ∂y  y =0 A Δ = , τS R где ∆ – движущая сила процесса;Q = K Δt . R – сопротивление; τS 1/R = K – коэффициент скорости процесса.  ∂t  v2 – v1 F =η , q = –λ ⋅   , В случае переноса импульса А = V, Δz ∂yv= ∆P v –∆ F = η 2 1,y =0 Δz V A Δ = K ΔP. = , τA S Δ τS R = , τS R В случаеQпереноса v – v тепла А =MQ, ∆ = ∂∆t t q = =– λK⋅Δ C.  , F ==ηK2Δt. 1 , y ∂ Δz τS τQ S  t.  y = 0 = KΔ τS A Δ V = , = K ΔP. τS R τS В случае переноса вещества А = M, ∆ = ∆C Q = K Δt . τS M = K ΔC . τS 29 V = K ΔP. τS M = K ΔC . τS  ∂t  q = –λ ⋅   ,  ∂y  y =0 V = K ΔP. τS M = K ΔC . τS 2.3. Общие принципы расчета Расчет процессов и аппаратов химической технологии необходим для определения материальных и энергетических затрат на проведение процесса, оптимальных условий протекания процесса и основных размеров аппаратов, применяемых для их осуществления. Порядок расчета: – исходя из законов гидродинамики и термодинамики, выявляют условия равновесия и определяют направление течения процесса; – по данным о равновесии устанавливают начальные и конечные значения процессов; – на основании законов сохранения составляют материальный и тепловой балансы; – по величинам, характеризующим рабочие и равновесные параметры, определяют движущую силу процесса; – на основании законов кинетики находят коэффициент скорости процесса; – по полученным данным определяют основной размер аппарата (площадь поперечного сечения, поверхность нагрева, поверхность контакта фаз). Используют единый кинетический закон. 2.4. Лимитирующие стадии процессов Процессы химической технологии многостадийны, т. е. распадаются на ряд этапов (путей). Обычно одна из стадий лимитирует процесс. Если необходимо изменить течение процесса, то оказывать воздействие следует именно на лимитирующую стадию. То, какая именно стадия лимитирует процесс, определяется, с одной стороны, соотношением скоростей разных стадий, а с другой – их взаимным расположением. Процесс, осуществляемый двумя или более различными способами, будет лимитироваться тем способом, который обеспечивает наибольшую скорость (интенсивность). И наоборот, если процесс распадается на последовательные стадии, которые он должен пройти, то лимитировать процесс будет самая медленная, длительная стадия. Лимитирующая стадия – та, которая определяет общую скорость многостадийного процесса; определяется взаимным расположением стадий и соотношением их скоростей. Встречаются процессы, когда ни медленная, ни быстрая стадия не могут лимитировать процесс. 30 Интенсификация процессов – это увеличение скорости переноса веществ. Известно, что скорость переноса пропорциональна движущей силе процесса и обратно пропорциональна сопротивлению. Сопротивление в значительной степени определяется механизмом переноса. Движущая сила определяется степенью отклонения реального состояния от равновесного и гидродинамическими условиями протекания процесса. Скорость многостадийного процесса определяется лимитирующей стадией. Перенос веществ через пограничный слой осуществляется самым медленным механизмом – молекулярным, поэтому эта стадия является лимитирующей. Технологические и конструктивные методы приводят к уменьшению толщины пограничного слоя, что увеличивает скорость этой стадии, а следовательно, и всего процесса переноса веществ в целом. 3. Химико-технологические процессы и системы Химическая технология – наука о химическом производстве. Слово «технология» содержит в своем составе греческие слова: «технос»  – «ремесло» и «логос» – «наука». Понятие «технология» включает: технологию механическую и технологию химическую. К первой относят процессы, в которых обрабатываемые материалы подвергаются механическим воздействиям, изменяющим их внешний вид или физические свойства, но не изменяют его структуру и химический состав. К химической технологии относят процессы, которые связаны с изменением химического состава материала. В основе любых процессов лежат физические, химические, биологические процессы, различающиеся характером количественных и качественных изменений сырья в период его переработки. В основе химического производства лежит химико-технологический процесс, который представляет последовательность этапов целенаправленной переработки исходных веществ в продукты, в результате химических и физико-химических процессов и их сочетаний. Соответствующим образом подготовленные реагенты подвергают химическому взаимодействию, включающему несколько стадий. Важнейшая задача химической технологии – найти оптимальные условия для эко31 номически целесообразного осуществления химической реакции в виде технологического процесса [5–7]. На рис. 5 представлена схема химико-технологического процесса. 1 2 3 Рис. 5. Химико-технологический процесс Химико-технологический процесс складывается из трех стадий: 1) подвод реагентов в зону реакции при помощи абсорбции, адсорбции, конденсации паров, плавления, растворения и др.; осуществляется, как правило, с использованием физических процессов (механических, гидромеханических, тепловых, массообменных). Некоторые из этих операций необходимы для подготовки исходных реагентов; 2) химические реакции – основа процесса (в ходе этого происходит глубокое изменение структуры, состава и свойств участвующих веществ); 3) отвод продуктов из зоны реакции за счет диффузии или перевода вещества из одной фазы в другую. Стадия выделения целевого продукта для большинства химических производств является необходимой. Технологический процесс, в котором не достигается абсолютная селективность и 100%-ный выход целевого продукта, просто экономически невыгоден. Возрастают расходные коэффициенты и энергетические затраты, вследствие чего растет стоимость продукта. Основу классификации химико-технологических процессов составляют: – способ организации процесса (т. е. по параметрам технологического режима). По способу организации химико-технологические процессы могут быть периодическими, непрерывными и комбинированными. При этом комбинированные процессы могут характеризоваться непрерывным поступлением сырья и периодическим отводом продукта или наоборот. 32 – Кратность обработки сырья (т. е. методом обработки). По кратности обработки сырья различают процессы с открытой, закрытой (циркуляционной) и комбинированной схемами. В процессах с закрытой схемой необходим неоднократный возврат непрореагировавшего сырья в зону химического взаимодействия до того момента, как оно превратится в конечный продукт. – Вид используемого сырья. По виду используемого сырья химико-технологические процессы условно подразделяют на процессы, использующие минеральное сырье, и процессы, применяющие сырье животного, растительного происхождения. – Агрегатное состояние веществ, участвующих в реакции (т. е. по физическому состоянию реагентов). По агрегатному состоянию веществ, участвующих в химической реакции, различают гомогенные и гетерогенные химико-технологические процессы. Гомогенными процессами называют такие, в которых все реагирующие вещества находятся в одной фазе: газовой (г), твердой (т), жидкой (ж). В этих процессах реакция обычно протекает быстрее. В целом, механизм всего технологического процесса в гомогенных системах проще, соответственно проще и управление процессом. По этой причине на практике часто стремятся к гомогенным процессам, т. е. переводят реагирующие компоненты в какую-либо одну фазу. В гетерогенных процессах участвуют вещества, находящиеся в разных состояниях (фазах), т. е. в двух и трех фазах. К гетерогенным процессам относятся, например, горение (окисление) твердых веществ и жидкостей, растворение металлов в кислотах и щелочах и др. – Фазовое состояние продукта реакции. По фазовому состоянию продуктов реакции процессы, протекающие в реакторах, делятся на гомогенные парофазные, гомогенные жидкофазные и гетерогенные. К первым относятся процессы, в которых все реагенты и продукты реакций находятся в газовой фазе. К гомогенным жидкофазным относятся реакции, в которых реагенты и продукты находятся в одном состоянии  – жидком. Широко применяются гетерогенные процессы, в которых реагенты и продукты реакций присутствуют в разных фазах. – Тепловой эффект химической реакции. По тепловому эффекту химической реакции различают экзотермические и эндотермические процессы. Химические процессы, которые протекают с выделением теплоты, называются экзотермическими. Химические процессы, протекающие с поглощением теплоты, называются эндотермическими. 33 Количество выделяемой или поглощаемой при этом теплоты называют тепловым эффектом процесса (теплотой процесса). – Направление протекания. По направлению протекания химико-технологические процессы подразделяют на обратимые и необратимые. Теоретически все химические реакции обратимы. В зависимости от условий они могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях. В необратимых процессах равновесие полностью смещается в сторону продуктов реакции, а обратная реакция, как правило, не протекает. Во всех обратимых процессах устанавливается равновесие, при котором скорости прямого и обратного процессов уравниваются, в результате чего соотношения между компонентами во взаимодействующих системах остаются неизменными до тех пор, пока не изменятся условия протекания процесса. – Тип основной химической реакции (т. е. по характеру химических реакций). В зависимости от типа основной реакции химико-технологические процессы подразделяют на процессы разложения (диссоциации), присоединения (синтеза), нейтрализации, замещения, обмена, окисления, восстановления. Процессы разложения, наиболее характерные для технологии органических веществ, сопровождаются образованием более простых, чем исходное сырье, веществ. Процессы нейтрализации между веществом, имеющим свойства кислоты, и веществом, имеющим свойства основания, приводят к образованию веществ, теряющих характерные свойства обоих соединений. Процессы присоединения сопровождаются синтезом, более сложным по сравнению с исходными веществами. – Условия протекания. По условиям протекания химико-технологические процессы подразделяют на несколько групп. Электрохимические. Электролиз нашел широкое применение в промышленности: анодирование, извлечение и очистка металлов, нанесение гальванических покрытий и получение многих веществ. Электролизом получают алюминий, цинк, частично медь и другие металлы. Медь, цинк и другие металлы можно очистить с помощью электролиза. Такой процесс называется рафинированием. Анодирование или анодное оксидирование – это образование на поверхности металла слоя его оксида при электролизе. Этому процессу обычно подвергают сплавы на основе легких металлов. При этом на одном и том же металле можно получать фазовые оксиды с разной структурой, а следовательно, и с различными свойствами (твердость, окраска, электрическая проводимость и т. д.). 34 Покрытия наносятся электроосаждением. Катод в этом случае погружается в раствор, содержащий ионы электроосаждаемого металла. В качестве же анода используется электрод из того металла, которым наносят покрытие. Существует метод электроосаждения для получения покрытий из водных лакокрасочных материалов, этот способ является экологически безопасным и с успехом используется на машиностроительных заводах для грунтования больших конструкций и узлов машин, агрегатов. Существуют два вида электроосаждения: катафорез и анафорез. Одним из наиболее развивающихся методов электроосаждения является катафорез, который по сравнению с анафорезом обеспечивает более прочные, эластичные и долговечные покрытия с хорошей адгезией. Каталитические. Основу каталитических процессов составляет катализ – наиболее эффективное и рациональное средство ускорения многих химических реакций. Катализом называется увеличение скорости химических реакций при действии веществ-катализаторов, которые участвуют в реакции, вступая в промежуточные химические взаимодействия с реагентами, но затем восстанавливают свой химический состав после окончания действия катализа. В качестве катализаторов в промышленности чаще всего применяют платину, железо, никель, кобальт и их оксиды, оксид ванадия (V), алюмосиликаты, некоторые минеральные кислоты и соли. Все каталитические реакции относятся к самопроизвольным процессам. Со временем катализатор изменяется и после определенного срока может полностью потерять свою активность. Фотохимические. Фотохимические процессы – это химические реакции, протекающие под действием светового излучения или вызываемые им. Механизм фотохимических процессов основан на активизации молекул реагирующих веществ при поглощении света. В зависимости от роли и характера влияния светового луча фотохимические процессы разделяют на три группы: – реакции, которые могут самопроизвольно протекать после поглощения реагентами светового импульса. В этих процессах свет играет роль возбудителя и инициатора. При обычных условиях эти процессы протекают крайне медленно, но световое облучение их значительно интенсифицирует; – процессы, для проведения которых необходим непрерывный подвод световой энергии к реагентам; 35 – процессы, в которых световой импульс, воздействуя на катализатор, активизирует его и способствует интенсификации химической реакции. Достоинства фотохимических процессов по сравнению с традиционными химическими воздействиями можно сформулировать следующим образом: – возможность получения уникальных материалов, производство которых другими способами невозможно или экономически нецелесообразно; – стерильность светового излучения и высокая чистота получаемых продуктов; – условия проведения процесса не требуют температуры, давления и т. д.; – возможность регулирования скорости процесса за счет изменения интенсивности светового потока, поэтому процесс легко можно автоматизировать; – возможность замены в некоторых случаях многостадийных процессов синтеза одностадийными. Фотохимические процессы находят широкое применение в органической химической технологии при синтезе новых химических соединений. Радиационно-химические. За последние два десятилетия сформировалась новая область химической технологии – радиационно-химическая технология (РХТ). Ее предшественницей следует считать ядерную технологию, интенсивное развитие которой (с начала 40-х гг.) стимулировалось необходимостью срочного решения ряда задач, связанных с практическим использованием атомной энергии. Целью радиационно-химической технологии является разработка методов и устройств для наиболее экономичного осуществления с помощью ядерного излучения физических, химических и биологических процессов, позволяющих получать новые материалы или придавать им улучшенные свойства, а также для решения экологических проблем. В связи с этим данное направление было выделено в отдельную область технологии и обусловлено это, прежде всего, тем, как действует ионизирующие излучение на вещество. Радиационно-химические процессы обуславливаются энергией возбужденных атомов, ионов, молекул. Энергия ионизирующего излучения превышает в сотни тысяч раз энергию химических связей. Механизм радиационно-химических процессов объясняется особенностями взаимодействия излучений с реагиру36 ющими веществами. В качестве источников ионизирующего излучения используются потоки заряженных частиц большой энергии (электроны, частицы, нейтроны). Выделим достоинства ионизирующего излучения: во-первых, высокая энергетическая эффективность, приводящая к тому, что по сравнению с традиционными видами радиационная технология является в целом энергосберегающей; во-вторых, высокая проникающая способность, благодаря которой излучение наиболее эффективно использовать для обработки блочных материалов и изделий, при стерилизации биомедицинских материалов в упаковке, получении древесно-пластмассовых и бетонополимерных композиций; в третьих, излучение представляет собой легко дозируемое средство обработки материалов и не загрязняет продукцию. Основные преимущества радиационно-химической технологии можно сформулировать следующим образом: 1) возможность получения уникальных материалов, производство которых другими способами невозможно; 2) высокая чистота получаемых продуктов; 3) смягчение условий проведения процесса (температуры, давления); 4) возможность регулирования скорости процесса за счет изменения интенсивности излучения и, следовательно, легкость автоматизации процесса; 5) возможность замены в некоторых случаях многостадийных процессов синтеза на одностадийные. В настоящее время разработаны и находятся в различных стадиях опытно-промышленной реализации более пятидесяти процессов радиационно-химической технологии, например: – радиационная полимеризация и сополимеризация, включающая получение древесно-полимерных и бетонполимерных материалов, радиационное отверждение покрытий; – радиационное сшивание полимеров и радиационная вулканизация эластомеров; – радиационно-химический синтез (радиационное хлорирование, сульфохлорирование углеводородов); – радиационное модифицирование неорганических материалов (улучшение адсорбционных и каталитических характеристик, радиационное легирование); – радиационная очистка сточных вод. 37 Использование ионизирующего излучения позволяет получать материалы с уникальными, улучшенными свойствами и экономию сырья и энергии. На сегодня это одно из прогрессивных методов химико-технологических процессов. 3.1. Критерии эффективности химико-технологического процесса (ХТП) Успехи химической промышленности, перспективы развития, ее роль в народном хозяйстве и обеспечении качества жизни населения зависят от уровня научных и технологических исследований. Основные направления развития химической промышленности состоят в поиске новых соединений и материалов, а также в повышении эффективности производства химической продукции. Эффективность, по существу, определяется экономикой, и ее повышение обеспечивает следующее. 1. Снижение затрат: на сырье и материалы; на энергию; на капитальные вложения. 2. Повышение производительности труда. 3. Разработку вопросов охраны труда и окружающей среды. Для повышения эффективности ХТП используют следующее. 1. Инженерные приемы: – рекуперация энергии (возвращение части материалов или энергии для повторного использования в том же технологическом процессе); – использование тепла с помощью котлов-утилизаторов (котел, в конструкции которого нет своей топки, принцип его действия основан на использовании тепла, образующегося в процессе каких-либо производственных процессов); – оптимизация технологических схем разделения и выделения продуктов по минимуму затрат (в качестве предельных возможностей понимается максимальная производительность оптимизируемого процесса разделения при заданных составах потоков и затратах энергии, т. е. минимум расхода энергии для заданной производительности и составах); – улавливание и рекуперация отходов (рекуперация – это процесс отсортировки и переработки отходов производства и потребления, представляющих собой вторичные материальные ресурсы). В процессе распределения и обработки промышленных отходов используется стандартная классификация, которая преследует цель наиболее эффектив38 ного использования отходов в качестве вторичного сырья. Например, металлолом, а также отходы черных и цветных металлов по физическим признакам подразделяются на классы, а по химическому составу  – на группы, марки и сорта. Безотходная и малоотходная технологии предусматривают: – комплексную переработку сырья с использованием всех его компонентов; – создание и выпуск новых видов продукции с учетом требований повторного ее использования; – переработку отходов производства и потребления продукции без нарушения экологического равновесия; – использование замкнутых систем промышленного водоснабжения; – создание в перспективе безотходных производственных комплексов и др. 2. Открытие новых реакций и каталитических систем. Не менее важным, а часто наиболее кардинальным в повышении эффективности химического производства, является открытие новых реакций и каталитических систем, а также выяснение детального механизма протекающих реакций, позволяющее найти пути осуществления процесса с максимальной эффективностью. 3. Выяснение детального механизма протекающих реакций, позволяющее найти пути осуществления процесса с максимальной эффективностью. Химическая кинетика – наука о механизмах химических реакций и закономерностях их осуществления во времени. Термин «кинетика» произошел от греческого слова «кинетикос» – движущий, приводящий в движение. Изучение механизма химических реакций, т. е. детального пути превращения исходных веществ в продукты реакции, является важной задачей. Недаром за ее решение была присуждена не одна Нобелевская премия по химии. Одну из них, за изучение цепных реакций, получил отечественный химик Николай Николаевич Семенов. А последняя Нобелевская премия в этой области была присуждена в 2007 г. – ее получил немецкий исследователь Герхард Эртль. Повышение эффективности химической промышленности путем использования результатов исследований по установлению детального механизма протекания химических реакций и достижений в области химии и катализа можно рассмотреть на примере применения кумольного 39 метода получения фенола и ацетона (создатели: советские химики-технологи П. Г. Сергеева, Б. Д. Кружалова и Р. Ю. Удрис, 1949 г). Ранее основными источниками фенола (промежуточного продукта промышленного органического синтеза) были: – фенол, выделяемый из продуктов коксования каменного угля; – синтетический фенол, получаемый из бензола через промежуточный синтез продуктов хлорирования или сульфирования. Ни один из этих способов не мог обеспечить возрастающие потребности химической промышленности для организации крупнотоннажных производств из-за ограничения ресурсов каменноугольного фенола и сложного пути проведения этого синтеза. Получение синтетического фенола связано с большим расходом сырья (хлор, щелочь, серная кислота), попадающего в конечном итоге в отходы (загрязненные фенолом смолы, разбавленная серная кислота со стадии сульфирования), и жесткими условиями синтеза. При промышленном получении фенола этими способами в себестоимости продукта неприемлемо высока доля стоимости сырья (хлор, щелочь, серная кислота не попадают в конечный продукт, а полностью оказываются в отходах), капитальных затрат (объемное, малопроизводительное и дорогостоящее оборудование) и энергетических затрат (высокие температуры и давление). Чрезмерно велико также вредное воздействие отходов на окружающую среду. Новый химический путь совместного синтеза фенола и ацетона, разработанный П. Г. Сергеевым, Б. Д. Кружаловым и Р. Ю. Удрисом, оказался значительно более технологичным и экономически эффективным. Он базируется на доступном нефтехимическом сырье (бензол, пропилен), характеризуется высокой селективностью каждой стадии, мягкими условиями их проведения (100–1200°С) и относительно небольшим количеством отходов по сравнению с рассмотренными выше путями синтеза (в отходы попадают катализатор (AlCl3), смолообразные продукты). При первой промышленной реализации (1949 г.) выход фенола составил 92%. В последующем этот способ синтеза фенола и ацетона получил распространение во всем мире. Выход фенола до 97% был повышен за счет инженерно-технологического совершенствования каждой стадии. Тем не менее проблема отходов в этом процессе до сих пор полностью не решена. Вместе с тем новый химический путь синтеза позволил существенно повысить экономическую эффективность за счет значительного сокращения расходов на сырье, энергию и оборудование. 40 3.2. Технологические расчеты Регулируя параметры технологического режима, инженер-технолог управляет действующим производством, добиваясь наиболее рационального использования сырья, максимального выхода готового продукта и наибольшей производительности реакционной аппаратуры. Для достижения этого эффекта необходимо произвести расчеты, которые в основном можно подразделить на технологические, выполняемые инженерами-технологами, конструктивные, которые выполняют инженеры-конструкторы, и технико-экономические, разрабатываемые инженерами-экономистами. Если любой химико-технологический процесс связан с потреблением электрической энергии, воды, пара, воздуха (например, общеобменная вентиляция), и производство размещается в соответствующих зданиях и сооружениях, то наряду с перечисленными специальностями в проектировании производств участвуют инженерыэлектрики, сантехники, строители и др. Все эти расчеты с соответствующими чертежами и схемами составляют проект нового технологического производства. Проектирование любого производства, как правило, осуществляется в две стадии. На первой стадии выполняется технико-экономический расчет – ТЭР или, в более сложных проектах, технико-экономическое обоснование – ТЭО. При этом выбираются и обосновываются место строительства и метод производства, источники и расходы сырья и энергоресурсов; разрабатывается принципиальная технологическая схема; производится расчет основных процессов и аппаратов, определяются производственные штаты, строительные объемы и себестоимость готовой продукции. На этой стадии проектирования основу составляют технологические и технико-экономические расчеты. Завершающим этапом первой стадии является расчет экономики процесса. Если результат расчета покажет, что процесс оказался неэкономичным, проектирование начинают с начала, отыскивая способы улучшения экономических показателей. Ко второй стадии приступают после всестороннего рассмотрения и утверждения в соответствующих инстанциях. Данная стадия – рабочие чертежи – выполняется детально по всем разделам, и проектная документация поступает непосредственно на строительную площадку, где осуществляется строительство зданий и сооружений, а также монтаж 41 технологического оборудования, коммуникационных линий и средств автоматизации. Технологические расчеты начинаются с выбора метода производства, поскольку в задании на проектирование обычно указывается общая мощность будущего завода или цеха. При выборе метода производства проводится сравнительная оценка существующих методов с точки зрения качества получаемой продукции, расхода сырья и энергии, уровня механизации и автоматизации процесса, санитарнотехнических условий труда, наличия побочных продуктов и отходов производства. Если технологический процесс организован по непрерывной схеме так, что сырье расходуется достаточно полно, нет отходов производства, готовый продукт получается с большим выходом, все операции механизированы, а заданный режим поддерживается автоматически, то и экономические показатели этого процесса оказываются высокими. Поэтому технологи всегда стремятся к выбору именно такого совершенного метода производства. При этом широко используются новейшие достижения науки и техники. Выбор метода производства предполагает также и выбор основных параметров технологического режима. После выбора метода производства технолог приступает к составлению технологической схемы, которая включает в себя все основные аппараты и коммуникации между ними, а также транспортные линии подачи сырья и готовой продукции. Технологическая схема составляется с учетом опыта работы аналогичных аппаратов на других производствах и последних достижений в области машино- и приборостроения. В основу нового производства всегда закладываются самые прогрессивные, интенсивные, высокопроизводительные аппараты, имеющие к тому же большой срок службы, простые в обслуживании и выполненные по возможности из легкодоступных, дешевых конструкционных материалов. Составив технологическую схему производства и определив основные направления потоков сырья, полупродуктов или полуфабрикатов, а также готовой продукции, приступают к составлению материального и энергетического балансов. Составление балансов необходимо при проектировании новых производств, а также для анализа работы существующих. 42 3.2.1. Материальный баланс Материальный баланс отражает закон сохранения массы вещества: во всякой замкнутой системе масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, получившихся в результате реакции, т. е. это означает, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию  – приход, равна массе всех веществ, получившихся в результате ее  – расходу. Материальный баланс – зеркало технологического процесса. Он составляется по уравнению основной суммарной реакции с учетом параллельных и побочных реакций. Поскольку на практике приходится иметь дело не с чистыми веществами, а с сырьем сложного химического и механического состава, то для составления материального баланса приходится учитывать массу всех компонентов. Для этого пользуются данными анализов. Уравнение материального баланса можно представить в виде: ΣВприх = ΣВрасх. Для периодических процессов материальный баланс составляют в расчете на одну операцию, для непрерывных процессов – за единицу времени. Материальный баланс составляют для процесса в целом или для отдельных его стадий. При этом учет массы веществ производится отдельно для твердой, жидкой и газовой фаз, поэтому в общем виде материальные балансы выражаются обычно в виде уравнения: Вт + Вж + Вг = Вт + Вж + Вг + ∆В, где Вт; Вж; Вг – массы твердых, жидких и газообразных веществ, поступающих в производство или данную операцию в единицу времени; Вт; Вж; Вг – массы получаемых продуктов; ∆В – производственные потери. При проектировании обычно задаются массой целевого продукта, массу сырья и массу побочных продуктов определяют по уравнению материального баланса. Последний считается верным, если ошибки составляют не больше 5%. Из данных материального баланса определяют расход сырья на заданную мощность аппарата, цеха, себестоимость продукта, выходы продукта, объем реакционной зоны, число реакторов, производственные потери. На его основе составляют тепловой баланс, позволяющий определить потребность в топливе, величину теплообменных поверхностей, расход теплоты или хладагентов (табл. 1). 43 Таблица 1 Результаты подсчетов Приход Статья прихода Расход Количество, кг Статья расхода Количество, кг Продукт А Продукт В Ва Вв Продукт А остаток Продукт В остаток Продукт С Продукт Д Производственные потери Ва Вв Вс Вд ∆В Итого В Итого В Расчеты выполняются в единицах массы (кг, т), но можно расчет вести в молях. Только для газовых реакций, идущих без изменения объема, возможно составление баланса в (м3). Материальный баланс составляется (в зависимости от условий задания) на единицу (1 кг, 1 моль и т. д.) или 100 единиц (100 кг), или 1000 единиц (1 т) массы основного сырья. Пользуясь уравнением материального баланса, можно определить такие важные характеристики технологического процесса, как величины выхода, технологической траты, расходных коэффициентов, расходных норм. Пример расчета: производительность цеха получения азотной кислоты 100  000 т в год, цех работает 355 дней в году, выход оксида азота Х1 = 0,97, степень абсорбции Х2 = 0,92, содержание аммиака в сухой аммиачно-воздушной смеси = 7,13%. Определить количество аммиака необходимого для производства 100 000 т азотной кислоты и расход воздуха на окисление аммиака (м3/ч). Получение азотной кислоты осуществляется в три стадии. Первая стадия: окисление аммиака кислородом воздуха в присутствии катализатора платинового при 800–900°С до оксида азота. Вторая стадия: окисление до диоксида азота. Третья стадия: диоксид азота поглощается водой с образованием азотной кислоты: 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O, 2NO + O2 = 2NO2, 2NO2 + H2O = 2HNO3 + NO. Молекулярная масса: NH3 = 17, HNO3 = 63. Необходимое количество для получения 100 000 т HNO3 с учетом степени окисления и степени абсорбции составит: 44 100 000 × 17/63 × 0,97 × 0,92 = 30 300 т. Расход аммиака составит: 1 000 × 30 300/355 × 24 = 3 560 кг/ч. Объем аммиака составит: 3 560 × 22,4/17 = 4 680 м3. Расход воздуха составит (м3/ч): 4 680 × (100 – 11,5)/11,5 = 36 000 (м3/ч), где 11,5 – содержание аммиака в смеси: (7,13/17) × 100/(7,13/17) + + (92,87/29) = 11,5. На практике материальный баланс имеет большое значение для правильного проведения технологических процессов. При проектировании новых производств он позволяет правильно выбрать схему технологического процесса и размеры аппаратов. В процессе производства по материальному балансу выявляют непроизводительные потери материалов, устанавливают состав и количество побочных продуктов и примесей и намечают пути их уменьшения. Материальный баланс отражает степень совершенства производственных процессов и состояние производства. Чем он полнее составлен, тем, следовательно, детальнее изучен данный технологический процесс; чем меньше потерь и побочных продуктов, тем правильнее проводится процесс. 3.2.2. Энергетический баланс Энергетический баланс (тепловой) может быть представлен в виде уравнения, связывающего приход и расход энергии (тепла) аппарата. Этот баланс составляется на основе закона сохранения энергии; приход теплоты в данном аппарате (или производственной операции) должен быть равен расходу теплоты в том же аппарате (или операции), в соответствии с которым в замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна. Обычно для химических процессов составляется тепловой баланс: ΣQпр = ΣQрасх или ΣQпр – ΣQрасх = 0. Для аппаратов (процессов) непрерывного действия тепловой баланс, как правило, составляют на единицу времени, а для аппаратов (процессов) периодического действия – на время цикла (или отдельного перехода) обработки. 45 Тепловой баланс рассчитывают по данным материального баланса с учетом тепловых эффектов (экзотермических и эндотермических) химических реакций и физических превращений (испарение, конденсация и т.  п.), происходящих в аппарате с учетом подвода тепла извне и отводом тепла с продуктами реакции, а также с учетом тепла, ушедшего через стенки аппарата. Тепловой баланс так же, как и материальный, выражается в виде таблицы. Для расчета используется следующее уравнение: Qт + Qж + Qг + Qф + Qр + Qп = Q'т + Q'ж + Q'г + Q'ф + Q'р + Q'п, где Qт, Qж, Qг – количество теплоты, вносимое в аппарат твердыми, жидкими и газообразными веществами; Q'т, Q'ж, Q'г – количество теплоты, уносимое из аппарата продуктами и полупродуктами реакции и непрореагировавшими исходными веществами в твердом, жидком и газообразном виде; Qф и Q'ф – количество теплоты физических процессов, происходящих с выделением и поглощением (Q'ф) теплоты; Qр и Q'р – количество теплоты, выделяющееся в результате экзо- и эндотермических реакций (Q'р) теплоты; Qп – количество теплоты, подводимое в аппарат извне (в виде нагретого воздуха, электроэнергии и т. п.); Q'п – потери тепла в окружающую среду, а также отвод тепла через холодильники, помещенные внутри аппарата. Величины Qт, Qж, Qг, Q'т, Q'ж, Q'г рассчитывают для каждого вещества, поступающего в аппарат и выходящего из него, по формуле: Q = Gсt, где G – количество вещества; с – средняя теплоемкость этого вещества; t – температура, отсчитанная от какой-либо точки. Чаще всего приходится иметь дело со смесями веществ. Так, например, для смеси трех веществ в количестве G1, G2 и G3, имеющих теплоемкости с1, с2 и с3, G c + G 2 c 2 + G 3c3 NR Ссм = 1 1 ФR = , ., G1 + G 2 + G 3 N R,max Суммарная теплота физических процессов, происходящих в аппаN – NS ΔNпо NR S формуле: ратах, ФR = , Х Арассчитывается , = S,0 = NS,0 NS,0 Q = G r + G r + GNrR,max , ф 1 1 2 2 где r1, r2 и r3 – теплота фазовых переходов; N – NФ N Ф R =46 *R , X ФA = А,0 * A , NR N A,0 ϕR = NR , ϕR = NR 3 3 (А ) →R →S . G1, G2, G3 – количества компонентов смеси, претерпевших фазовые переходы в данном аппарате (производственной операции). Количество членов в правой части уравнения должно соответствовать числу индивидуальных компонентов, изменивших в аппарате свое фазовое состояние. Аналогично рассчитывается расход теплоты на те физические процессы, которые идут с поглощением теплоты (Q'ф): десорбция газов, парообразование, плавление, растворение и т. п. Тепловые эффекты химических реакций могут быть рассчитаны на основе образования теплоты сгорания веществ, участвующих в реакции. Например, для модельной реакции: А +  В  =  D  +  F  +  qр изобарный тепловой эффект будет: qр = qобр D + qобр F – (qобр А + qобр В). Изобарные теплоты образования из элементов в различных веществах qобр (или ΔН 0) приведены в справочниках физико-химических, термохимических или термодинамических величин. При этом в качестве стандартных условий приняты 25°С, давление 1,01  ×  105 Па и для растворенных веществ концентрация 1 моль на 1 кг растворителя. Газы и растворы предполагаются идеальными. Тепловой эффект реакции также равен: ΔН = Σ(ΔНобр)исх – Σ(ΔНобр)прод , где Σ(ΔНобр)исх – сумма теплот, образованных исходными веществами; Σ(ΔНобр)прод – сумма теплот, образованных продуктами реакции. Об эффективности осуществления любого промышленного процесса судят по экономическим показателям: приведенные затраты, себестоимость продукции и т. д. Естественно, что окончательная оценка эффективности химико-технологического процесса выводится из этих критериев, но они характеризуют весь процесс в целом, его конечный результат, не входя в детальное рассмотрение внутренней сущности, особенностей процесса. Для оценки эффективности отдельных этапов процесса необходимо использовать такие критерии, которые более полно отражали бы химическую и физико-химическую сущность явлений, происходящих в отдельных аппаратах технологической схемы. Такими показателями являются степень превращения исходного реагента, выход продукта, селективность. Они с разных сторон характеризуют полноту использования возможностей осуществления конкретной химической реакции. 47 Степень превращения – это доля исходного реагента, использованного на химическую реакцию. Степень превращения реагента покаG c процессе + G 2 c 2 + Gиспользывает, насколько полно в химико-технологическом NR 3c3 Ссм = 1 1 , ФR = , зуется исходное сырье. G1 + G 2 + G 3 N R,max Степень превращения реагента ХA находится по уравнению: ХА = NS,0 – NS N S,0 = ΔN S , NS,0 ФR = NR , N R,max где NS,0 – количество реагента в исходной реакционной смеси; N А,0 – N ФA NR R Ф NS – количество реагента в реакционной смеси,Фвыходящей из ре-( А → , XA = , R = →S ) * * N N R A,0 актора или находящейся в нем; ∆NS – изменение количества реагента в ходе химической реакции. N R участвует не один, а два N R (и более) Чаще всего в химической реакции , ϕR = . ϕR = реагента. Степень превращения быть рассчитана как по первому, N Nможет + N А,0 + N А R S так и по второму или третьему реагенту, причем в общем случае необязательно получаются равные результаты. N – NA NR NR ϕR = превращения = А,0 = X Aϕ ( А→→SR ) – Ф = Выход продукта. Степень характеризует эффективR. N А,0 N А,0 N А,0 – N A ность проведения процесса с точки зрения использования исходного сырья, но этой величины не всегда достаточно для характеристики процесса с точки зрения получения продукта реакции. Поэтому вводят еще один критерий эффективности – выход продукта. Выход продукта – это отношение реально полученного количества продукта к максимально возможному его количеству, которое могло бы быть получено при данных условиях осуществления химической реакции. Как и степень превращения, выход продукта для реакционных систем с постоянным объемом может быть определен как отношение концентраций. Следует также помнить, что выход, выражаемый как доля от некоторой предельно возможной величины, изменяется в пределах от 0 до 1. Для необратимой реакции A → R имеем: ФR = NR , N R,max Ссм = G1c1 + G 2 c2 + G 3c3 , G1 + G 2 + G 3 где ФR – выход целевого продукта; NS,0 – NS ΔNS NR NR – количество продукта ХRАв=конце процесса; ФR = , , = N N N R,max S,0 S,0 продукта R. NR, max – максимально возможное количество Для обратимых реакций важным понятием является равновесная степень превращения. N – NФ N Ф R = *R , X ФA = А,0 * A , ( А→→SR ) NR N A,0 48 ϕR = NR , N R + NS ϕR = NR . N А,0 + N А Реакция A ↔ R описывается уравнением: NR ФR = , N R,max Ссм N – N*A G c1 +А,0 G 2*c 2 + G, 3c3 X 1= A = , G1 +NGA,0 2 + G3 где ХА – степень превращения реагента А; NS,0 – NS Δисходного NS – количество реагента АN в Rначале процесса; NХ А,0 = Ф = , , = N*А –А количество исходного реагентаR А N в R,max состоянии равновесия. NS,0 NS,0 Для обратимых реакций NR max = N*R, поэтому X ФA = N А,0 – N ФA N*A,0 ФR = , NR , N*R (А ) →R →S где N*R – количество продукта R в состоянии равновесия. NR NR , Выход продукта ϕR = ϕR = характеризует . Селективность. полученный резульN А,0 + N А N R + NS тат как долю от предельно возможного. Оценить реальную ситуацию, G1c1 + G 2 c2 + G 3c3 NR , , т. е. С дать эффективности целевой реакции по см =количественную оценку +N GAвзаимодействиями, N R,max 2– 3 N G1 +NG NR сравнению критерием → GR1c1 + G 2 c 2 + G 3c3как N RX ϕ . можно(таким ϕR = с Rпобочными = А,0 →S ) – Ф = Х ϕ . A, R Ссм А , =или Ф = = долях селективность, единицы в процентах. N А,0 которая N А,0 выражается N А,0 –R N ANвR,max G1 + G 2 + G 3 или интегральная, NS,0 – NS ΔNПолная, N R селективность – это отношение количеФ R = расходуемого , , =ства Sисходного реагента, на целевую реакцию, к общему N R,max NS,0 NS,0 N – NS ΔNS NR количеству исходного реагента, целевую, и, Х Апошедшему = S,0 =на все, реакции (иФ R = N N N R,max S,0 параллельные реакции побочные). Например, если в процессе S,0 протекают N А,0 – N ФA G1c1 + G 2→ c + G c3 NR N ФR = Ф , АN→2SR – N3G Ф , = *R , СN , см = N А,0 A 1c1 + G 2 c 2 + G 3c 3 N R,maxR Ф NRR = R , XGФA1 =+ G N*A,0 2С+ G=3 Ф R ,= *R , , ( А→→SR ) см* N N G + G + G N R A,0 R,max 1 2 3 и целевым является продукт R, то селективность будет выражаться в N – NS ΔNS виде NR NR Х А = S,0 = N R, ФR = , NR ΔNSN N , R N S NϕS,0R = Х N=S,0NS,0 –. Nϕ R,max = , . Ф R = ϕR R= , , = R NАА,0 + NNА N R + NS N +N N NN + N ( ) S,0R S,0 S R,max А,0 А где φRФ – селективность; N –N N R ФФR = N*R→ R, N А,0 – N(AА → = А,0 * , N А,0 – NX NR AA , N N N – N R R S. N – количество продукта R и N. R→S )N R A =А →R Ф ϕ А,0 N R S N A,0 = = X( А ϕ – Ф = Х = =XX . R R, ( A ϕR .) ФR = ϕ * , = R * S ) A N→ N А,0NN+NN –= N N А,0 N А,0 Поскольку N А,0 – N Aдля Aрассматриваемой NAA,0 – NA→,S то А,0реакции N A,0 R R А,0 S Ф A ϕR = NR , N R + NS ϕ = R ϕ = NR R , N R + NS NR . N А,0 + N А ϕ = R NR . N А,0 + N А (А ) – Ф = →R →S Связь между выразить уравнением: N Х,–Ф N Aи φ можно N NR ϕR = R = А,0 = X A ϕR . ( А→→SR ) – Ф = Хϕ . →R NN N N А,0 – N A N А,0 N N – R R А,0 A ϕА,0 = = X A ϕR . ( А →S ) – Ф = Х ϕ . R = N А,0 N А,0 N А,0 – N A 49 – NS = S,0 – N ФA * A,0 R NS = ΔNS , NS,0 ФR = NR , N R,max Полученную записать в виде: N R зависимость →можно R А Ф = , – дляR простой необратимой→Sреакции N*R (А – R) – Ф = Х; ( , ) N R обратимой реакции – для простой . ϕR = N А,0 + N А (А – R) – Ф = Х/Х*; , N А,0 – N A N А,0 – для сложной реакции NR R А→ = X A ϕR . →S – Ф = Х ϕ . N А,0 – N A ( ) 3.3. Математическое моделирование химико-технологических процессов Современный этап технического прогресса имеет важные особенности – это необычайно ускорившиеся темпы и все возрастающая сложность внедряемых в производство процессов. Моделирование – один из главных методов, позволяющих ускорить технический прогресс, сократить сроки освоения новых процессов. Это метод изучения объектов, при котором вместо оригинала эксперимент проводят на моделях, а результаты количественно распространяют на оригинал. К моделированию предъявляют два основных требования: – эксперимент на модели должен быть проще, т. е. экономичнее, либо безопаснее, чем эксперимент на оригинале; – должно быть известно правило, по которому проводится расчет параметров оригинала на основе испытания модели. При изучении химико-технологических процессов применяют модели двух классов – обобщенные и математические. К обобщенным относятся качественные модели, в виде графического изображения либо словесного описания различных процессов функционирования химико-технологической системы. Математические модели – это абстрактные и формальные представления химико-технологического процесса, которые выражаются в виде формул, уравнений, операторов, логических условий и неравенств. Модель, отражающая соответствующий физико-химический процесс, представляется в виде определенной математической записи. Она объединяет опытные факты и устанавливает взаимосвязь между параметрами исследуемого процесса. При этом используются теоретические методы и необ50 ходимые экспериментальные данные. Конечной целью разработки математических моделей является прогноз результатов проведения процесса и выработка рекомендаций по возможным воздействиям на его ход. Общая схема процесса математического моделирования включает восемь последовательных этапов: – постановку задачи; – анализ теоретических основ процесса (составление физической модели); – составление математической модели процесса; – алгоритмизацию математической модели; – параметрическую идентификацию модели; – проверку адекватности математической модели; – решение на ЭВМ математической модели; – анализ полученной информации. Методы математического моделирования в сочетании с современными вычислительными средствами позволяют исследовать различные варианты аппаратного оформления процесса, изучить его основные особенности и вскрыть резервы усовершенствования. В рамках используемой модели всегда гарантируется отыскание оптимальных решений. Существуют следующие виды математических моделей: – модели с распределенными параметрами, которые представляют в виде дифференциальных уравнений в частных производных и применяют для описания процессов, где основные переменные изменяются как во времени, так и в пространстве; – модели с сосредоточенными параметрами, которые представляют в виде обыкновенных дифференциальных уравнений и применяют для описания процессов, где основные переменные изменяются во времени. Процессы химической технологии отличаются значительной сложностью, поэтому математические модели удобно составлять по участкам. Полная математическая модель включает описание связей между основными переменными процесса в установившихся режимах (статическая модель) и во времени при переходе от одного режима к другому (динамическая модель). Составление статической модели процесса предшествует анализу по физико-химической сущности, по целевому назначению и по основным уравнениям, описывающим процесс. Такая модель должна быть построена с учетом всех возможных технологических режимов работы типового объекта. Составление динамической модели сводится к получению 51 так называемых динамических характеристик процесса, т. е. устанавливается связь между его основными переменными во времени. Полная математическая модель включает: основные переменные процесса, связи между основными переменными в статике, ограничения на процесс, критерий оптимальности, функции оптимальности, связи между основными переменными в динамике.       52 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В области разработки технологий полимерных материалов решаются следующие задачи. 1. Разработка новых полимеров и композиционных материалов: – исследование состава, структуры, свойств новых полимерных материалов; – исследование технологических свойств и областей применения новых материалов; – исследование поведения новых материалов при эксплуатации. 2.  Разработка технологических процессов производства существующих полимерных материалов: – переход от периодических процессов к непрерывным; – изменение фазового состояния реагентов и механизма синтеза; – изменение способов обработки и переработки продуктов. 3. Разработка технологических процессов производства новых полимерных материалов: – модификация существующей технологии для производства новых полимерных материалов; – создание новой технологии синтеза новых материалов. 4.  Усовершенствование существующих технологических процессов: – повышение производительности путем модернизации оборудования и интенсификации процесса; – улучшение (модификация) качества продукции; – снижение затрат на выпуск продукции и утилизацию отходов. 5. Разработка отдельных элементов технологических процессов: – разработка методов аналитического контроля; – разработка аппаратурного оформления процесса; – разработка методов автоматического регулирования и управления; – разработка принципиально новых аппаратурных решений технологии синтеза и переработки полимерных материалов. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Категории продукции химической промышленности. 2. Основные факторы, сдерживающие стабильное функционирование химического комплекса. 3. Основные направления развития химической промышленности. 4. Основные направления развития технологии современных материалов. 5. Пути реализации развития химического комплекса. 6. Ключевые процессы создания химического предприятия как объекта инфраструктуры. 7. Основные компоненты химического производства. 8. Классификация процессов химической технологии. 9. Порядок расчета процессов и аппаратов химической технологии. 10. Принципы классификации химико-технологических процессов. 11. Критерии эффективности химико-технологического процесса. 12. Стадии химико-технологического процесса. 13. Понятие лимитирующей стадии процесса. 14. Классификация химико-технологических процессов по условиям протекания. 15. Сравнительные преимущества радиационно-химической технологии. 16. Безотходные и малоотходные технологии. 17. Математические модели и модели обобщения при изучении химико-технологических процессов. 18. Виды математических моделей, применяемых в моделировании современных химико-технологических процессов. 19. Последовательность этапов в схеме процесса моделирования. 20. Сырье в химической технологии с экономической точки зрения. Возобновляемые и невозобновляемые источники сырья. 21. Промышленное сырье в современной химической технологии. ЛИТЕРАТУРА 1. Михайлин Ю. А. Специальные полимерные композиционные материалы.  – СПб.: Научные основы и технологии, 2014. – 664 с. 2. Бабкин О. Э. 3D макетирование: технологии, оборудование, материалы: Монография. – СПб.: СПбГУКиТ, 2013. – 97 с. 3. Михайлин Ю. А. Тепло-, термо- и огнестойкость полимерных материалов.  – СПб.: Научные основы и технологии, 2011. – 416 с. 4. Каллистер У., Ретвич Д. Материаловедение от технологии к применению (металлы, керамика, полимеры) / пер. с англ. под. ред. Малкина А. Я. – СПб.: Научные основы и технологии, 2011. – 896 с. 5. Гельперин Н. И. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1981. – 812 с. 6. Басков В. Е. Общая химическая технология. – М.: Химия, 2006. – 452 с. 7. Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1995. – 400 с. 8. Юркевич А. А., Ивахнюк Г. К., Федоров Н. Ф. Технологические основы производства химических компонентов систем жизнеобеспечения. – СПб.: ООО «Менделеев», 2014. – 275 с. 9. Бабкин О. Э., Мыскина Е. Д. Технология переработки полимеров. Полимерные покрытия: учеб. пособие. – СПб.: СПбГУКиТ, 2014. – 92 с. 10. Бабкин О. Э. Полимерные покрытия УФ-отверждения: учеб. пособие. – СПб.: СПбГУКиТ, 2012. – 47 с.