Химическая технология

И. Н. Атманских, С. С. Нохрин,
А. Р. Шарафутдинов

ХИМИЧЕСКАЯ
ТЕХНОЛОГИЯ

Рекомендовано методическим советом УрФУ
в качестве учебно-методического пособия
для студентов, обучающихся по программе бакалавриата
по направлению подготовки 04.03.01 «Химия»,
по специальности 04.05.01 «Фундаментальная и прикладная химия»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

2-е издание, стереотипное

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2017

УДК 54.07(07)
         А925

Учебно-методическое пособие содержит комплекс материалов для самостоятельной работы студентов: перечни вопросов к семинарам и коллоквиумам, описания лабораторных работ, большой блок иллюстраций,
демонстрирующих аппараты и технологические схемы, используемые
при получении продуктов химической промышленности. Приведены сведения о различных современных функциональных материалах: огнеупорах, композитах и т. п.
Для студентов, изучающих дисциплину «Химическая технология».

Атманских, И. Н.
Химическая технология [Электронный ресурс]: [учеб.-метод. 
пособие] / И. Н. Атманских, С. С. Нохрин, А. Р. Шарафутдинов ; 
[под общ. ред.С. С. Нохрина] ; М-во образования и науки Рос. Федерации, 
Урал. федер. ун-т.  — 2-е изд., стер. — М. : ФЛИНТА : Изд-во Урал. 
ун-та, 2017. —  120 с.

ISBN 978-5-9765-3192-5 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1603-8 (Изд-во Урал. ун-та) 

А925

ISBN 978-5-9765-3192-5 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1603-8 (Изд-во Урал. ун-та) 

© Уральский федеральный университет, 2015

Под общей редакцией
С.  С.  Н о х р и н а

Рецензенты:
кафедра химии фармацевтического факультета
Уральского государственного медицинского университета
(заведующий кафедрой
доктор химических наук, профессор  В.  Д.  Т х а й);
Д.  И.  Б р о н и н,  доктор химических наук,
(Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН)

УДК 54.07(07)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ................................................................................................. 4

1. Содержание курса «Химическая технология» ...................................... 5

2. Практические занятия ........................................................................... 12

3. Лабораторные работы ........................................................................... 22

4. Иллюстрации и таблицы к темам курса «Химическая технология» ... 56

5. Избранные темы курса «Химическая технология» ........................... 102

Список литературы ................................................................................... 118

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данное учебно-методическое пособие является необходимым

дополнением к литературе, рекомендованной студентам 3 курса департамента «Химический факультет» при изучении курса «Химическая технология» после прохождения основных химических дисциплин. Курс знакомит студентов с принципом применения химических знаний, полученных при изучении других основных курсов
по различным разделам химии для производства основных продуктов химической промышленности.

Учебно-методическое пособие состоит из пяти разделов:
– содержание курса;
– практические занятия;
– описание лабораторных работ;
– иллюстрации и таблицы к отдельным темам курса;
– избранные темы курса.
Иллюстративный материал в виде рисунков, таблиц и схем при
зван дополнить лекционный материал, а также может быть использован при самостоятельной подготовке к практическим занятиям.
Кроме этого, он может служить в качестве вспомогательного материала при сдаче студентами коллоквиумов.

Избранные темы лекционного курса содержат сведения о со
временных конструкционных материалах химической и других
отраслей промышленности: огнеупорных материалах, композитах
и функциональных металлических и неметаллических покрытиях. Данный материал практически не представлен в учебной литературе и призван помочь студентам при самостоятельном изучении тем курса.

1. СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

«ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ»

Тема 1

Общие вопросы химической технологии

Основные понятия и определения химической технологии. Ма
териальный и энергетический балансы. Балансовые характеристики. Выход продукта. Способы увеличения выхода продуктов для различных химических процессов.

Скорость химического процесса. Способы увеличения скорос
тей химических реакций: увеличение движущей силы процесса,
увеличение константы скорости химических реакций, увеличение
межфазной поверхности раздела.

Применение давления в химической промышленности.
Методы организации химико-технологических процессов. Про
цессы непрерывные и периодические. Способы взаимного перемешивания исходных реагентов.

Катализ. Типы каталитических процессов. Механизм катализа.

Гомогенный и гетерогенный катализ. Сырье в химической промышленности. Принципы рационального использования сырья.
Способы обогащения минерального сырья. Измельчение твердых
материалов. Теории Риттингера и Кирпичева – Кика. Принципы измельчения материалов. Устройство машин для крупного, среднего
и мелкого дробления.

Теоретические основы пенной флотации. Равновесие на гра
нице раздела фаз в случае образования минерализованного пузырька. Условия флотации материалов. Флотореагенты для пенной флотации: коллекторы, регуляторы, пенообразователи и их назначение. Факторы, влияющие на ход флотации.

Тема 2

Разделение неоднородных систем.

Массообменные процессы

Разделение газовых неоднородных систем. Осаждение твердых

частиц под действием сил тяжести и центробежных сил. Осаждение частиц под действием электрических сил. Устройство электрофильтров.

Разделение жидких неоднородных систем. Отстаивание пульп

и суспензий. Устройство промышленных отстойников. Фильтрование в системе Ж–Т. Кинетика фильтрования. Факторы, влияющие
на скорость фильтрования. Промышленные фильтры. Центрифугирование.

Упаривание растворов. Теоретические основы упаривания. Сущ
ность теплового насоса. Устройство выпарных аппаратов. Сушка материалов. Характеристика химических материалов, подвергаемых
сушке. Кинетика процесса сушки. Разделение жидких гомогенных
систем. Дистилляция и ректификация. Принцип действия и устройство ректификационной колонны. Экстракционная и азеотропная
ректификация.

Абсорбция газов. Теория Льюиса и Уитмена. Кинетика процес
са абсорбции. Типы промышленных абсорберов. Адсорбция газов
и паров. Физико-химические основы процесса адсорбции. Изотерма адсорбции Лэнгмюра. Основные характеристики сорбентов.
Типы промышленных адсорберов.

Основы процессов теплообмена. Передача тепла теплопровод
ностью. Закон Фурье. Передача тепла конвекцией. Закон Ньютона.
Передача тепла излучением. Закон Стефана – Больцмана. Промышленные аппараты для теплообмена.

Экстракция. Требования, предъявляемые к экстрагентам. Схе
ма и кинетика процесса экстракции. Типы промышленных экстракторов.

Тема 3

Физико-химические основы
технологических процессов

Диаграмма состояния железо – цементит. Модификации желе
за в интервале 0–1539 °С. -, -железо и их структура. Цементит,
феррит и аустенит как индивидуальные фазы. Кривые охлаждения
сплавов железа с углеродом. Области существования чугунов и сталей. Различие в структурах и физико-механических свойствах чугунов и сталей. Виды термической обработки сталей: отжиги с перекристаллизацией и без перекристаллизации, закалка, отпуск. Связь
процессов термообработки с диаграммой состояния.

Диаграммы растворимости солей. Двухкомпонентные систе
мы. Процессы изотермической и политермической кристаллизации.
Трехкомпонентные системы. Изменение состава системы при изотермической кристаллизации. Применение правила фаз. Четырехкомпонентные взаимные системы. Изменение состава фаз в системе
при изотермической кристаллизации. Определение максимального
выхода продукта по диаграмме. Политермическая кристаллизация.

Специальные материалы: огнеупоры. Основные свойства огне
упорных материалов. Огнеупоры в системах Al2O3 – SiO2 и Al2O3 –
CaO – SiO2. Специальные огнеупорные материалы. Функциональные металлические и неметаллические покрытия. Свойства покрытий. Способы нанесения покрытий. Композиты. Матрицы, наполнители: их виды. Способы изготовления композиционных материалов. Свойства и основные области использования композиционных
материалов.

Тема 4

Получение и очистка простых веществ

Способы получения металлов. Формы нахождения металлов

в природе. Восстановление металлов из оксидов: термодинамическая оценка и применяемые восстановители. Электрохимическое

восстановление металлов из расплавов и растворов. Получение металлов разложением различных соединений.

Производство чугуна. Устройство доменной печи. Сырье для до
менного процесса. Прямое и косвенное восстановление оксидов
железа. Восстановление примесей. Условия образования чугуна и
шлака. Производство стали: конвертерный процесс. Теоретические
основы кислородно-конвертерного производства. Устройство конвертеров. Производство стали: мартеновский процесс. Теоретические основы мартеновского производства. Устройство мартенов. Бездоменный способ получения сталей.

Производство алюминия. Способы переработки сырья. Получе
ние криолита. Устройство электролизной ванны. Теоретические основы процесса электролиза криолитно-глиноземного расплава. Основные и побочные процессы. Рафинирование алюминия.

Производство меди: пирометаллургический и гидрометаллурги
ческий методы. Огневое и электрохимическое рафинирование меди.

Способы получения неметаллов. Получение галогенов. Получе
ние азота и кислорода из воздуха. Получение бора и кремния. Получение водорода электрохимическим методом. Теоретические основы процесса. Устройство электролизеров.

Основные способы получения особочистых веществ.

Тема 5

Производство солей и кислот

Получение хлорида калия из сильвинита: метод галлургии. Тео
ретические основы метода – процессы политермической кристаллизации в системе KCl – NaCl – H2O. Флотационный метод. Схема
флотации. Применение хлорида калия.

Получение нитрата калия. Теоретические основы метода – про
цессы политермической кристаллизации в системе NaNO3 – KCl –
H2O. Технологическая схема производства. Применение нитрата
калия.

Получение гидрокарбоната натрия аммиачным методом. Тео
ретические основы процесса. Расчет максимального выхода и степени использования исходных веществ по диаграмме растворимости в системе NH4HCO3 – NaCl – H2O. Схема организации процесса
и основные стадии производства. Применение содовых продуктов.

Получение азотной кислоты. Основные стадии процесса: кон
тактное окисление аммиака, получение диоксида азота, абсорбция
оксидов азота водой. Механизмы реакций и оптимальные условия
их проведения. Утилизация отходящих нитрозных газов. Получение концентрированной азотной кислоты. Применение азотной
кислоты.

Получение серной кислоты. Сырье. Получение диоксида серы.

Конструкции обжиговых печей. Состав обжигового газа и его очистка от соединений мышьяка, селена, теллура, механических примесей. Контактное окисление диоксида серы. Химический состав и
механизм действия промышленных катализаторов БАВ и СВД.
Устройство контактного аппарата. Процесс ДК–ДА. Абсорбция триоксида серы. Применение серной кислоты.

Получение хлороводородной кислоты.
Получение фтороводородной кислоты.
Получение хлорной кислоты электрохимическим методом.

Тема 6

Производство NaOH, NH3.
Переработка угля и нефти

Электрохимический способ производства щелочи и хлора:

электролиз с твердым катодом. Основные и побочные электродные
процессы. Устройство электролизеров. Очистка готового продукта.
Электролиз с жидким катодом. Устройство электролизера и разлагателя. Электродные процессы. Применение щелочи и хлора.

Синтез аммиака: производство водорода и азотно-водородной

смеси конверсией углеводородов. Паровая каталитическая двухступенчатая конверсия CH4 и CO. Основные и побочные реакции.

Катализаторы. Технологическая схема процесса. Производство водорода физическими методами. Теоретические основы создания
глубокого холода. Эффект Джоуля – Томсона. Диаграмма T–S. Каскадный цикл сжижения газов. Технологические схемы и T–S-диаграммы циклов Линде, Клода и Капицы.

Производство аммиака: теоретические основы синтеза. Катали
заторы. Технологическая схема процесса. Применение аммиака.

Коксование каменных углей. Устройство коксовых батарей. Хи
мические процессы, происходящие при коксовании. Прямой коксовый газ и технологическая схема его переработки. Обратный коксовый газ и его использование.

Переработка нефти: подготовительные процессы. Обессоли
вание, обезвоживание, сорбционная очистка, разрушение водных
эмульсий, стабилизация. Переработка нефти: первичные и вторичные способы переработки. Перегонка, пиролиз, коксование, термический и каталитический крекинг. Продукты, получаемые при переработке нефти, и их применение.

Тема 7

Основной органический синтез

Промышленный органический синтез. Сырьевая база. Основ
ные продукты. Особенности синтеза органических соединений.

Производство ацетилена. Физико-химические основы процес
са. Сырье. Термоокислительный пиролиз и электропиролиз. Конструкционные особенности реакторов. Переработка ацетилена.

Производство этилена и пропилена. Физико-химические основы

процесса дегидрирования углеводородов. Сырье. Методы выделения и очистки этилена и пропилена. Синтезы на основе алкенов.

Производство бутадиена-1,3 и изопрена. Физико-химические ос
новы процесса. Сырье. Катализаторы. Двухступенчатый процесс
производства. Выделение и очистка диенов. Применение диенов.

 Производство метанола. Физико-химические основы процесса.

Катализаторы. Контактный аппарат. Синтезы на основе метанола.

Производство формальдегида на основе метанола. Физико
химические основы процесса. Катализаторы. Применение формальдегида.

Производство карбоновых кислот окислением алканов. Физико
химические основы процесса. Катализаторы. Переработка карбоновых кислот.

Производство этанола гидратацией этилена. Физико-химичес
кие основы процесса. Технологические схемы и катализаторы. Применение этанола.

Производство ацетальдегида гидратацией ацетилена и окисле
нием этилена. Катализаторы Кучерова и Шмидта. Применение ацетальдегида.

Производство галогенсодержащих органических соединений.

Хлорирование метана. Физико-химические основы процесса. Производство и применение дихлорэтана и хлорвинила.

Производство фторированных углеводородов. Тетрафторэтилен.

Фреоны. Применение фторированных углеводородов.