Методичні поради до вивчення теми. Вивчення теми необхідно почати із з’ясування взаємозв’язку техніко-технологічного, ресурсного та економічного аспектів функціонування та розвитку підприємств

Вивчення теми необхідно почати із з’ясування взаємозв’язку техніко-технологічного, ресурсного та економічного аспектів функціонування та розвитку підприємств хімічної промисло­вості. Економічна ефективність хімічних виробництв залежить як від науково-технічного рівня технологічних процесів, на яких вони засновані, так і від якості менеджменту. Менеджери успішних підприємств повинні знати загальні закономірності, умови та способи здійснення найважливіших технологічних процесів у галузі хімічної промисловості.

Вивчення теми слід починати з визначення техніко-економіч­них показників, що характеризують перебіг процесів у хімічній промисловості: вихід продукту, ступінь перетворення, селек­тивність, витратні коефіцієнти, собівартість продукції, продук­тивність праці.

Наступним проблемним питанням теми є усвідомлення основних закономірностей протікання хіміко-технологічних процесів. Адже незважаючи на те що способів класифікації технологічних процесів багато (зокрема, за способом органі­зації, агрегатним і фазовим станом, тепловим ефектом, визна­чальними параметрами тощо), будь-який хіміко-технологічний процес складається з трьох стадій: 1) підведення реагентів у зону реакції; 2) хімічна реакція; 3) виведення реагентів із зони реакції. Щоб управляти таким процесом, потрібно знати, яка з названих стадій є найповільнішою, бо саме від швидкості її проходження буде залежати загальна швидкість процесу. Якщо найповільнішими стадіями будуть перша або третя (процеси, що перебувають у дифузійній області), то їх прискорення буде визначатися швидкістю перемішування, способами гомоге­нізації та іншими засобами, що використовують для дифузних процесів. Якщо ж швидкість процесу визначатиметься швидкіс­тю хімічної реакції, потрібно знати залежність останньої від зміни тиску, температури та концентрації, бо саме зміною цих параметрів можна впливати на перебіг технологічних процесів хімічної промисловості.

Для проведення розрахунків використовують закон дії мас, що визначає залежність швидкості процесу від концентрації речовин і формулюється так: швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин у сту­пенях, що дорівнюють коефіцієнтам, які стоять перед форму­лами речовин у відповідному рівнянні реакції. Послуговуючись цим законом слід пам’ятати, що для гетерогенних процесів у рівняння закону діючих мас входять лише концентрації речовин, що перебувають у газовій або рідкій фазі. Залежність швидкості хімічної реакції від температури знаходить відображення у вигляді емпіричного правила Вант-Гоффа, яке формулюють так: при підвищенні температури на кожні 10 ^о швидкість хімічної реакції збільшується приблизно у 2–4 рази.

Особливу увагу слід приділити особливостям перебігу зво­ротних реакцій (таких, що відбуваються як в прямому, так і протилежному напрямах). Для них спостерігається такий специ­фічний стан, як настання рівноваги, коли швидкість прямої та зворотної реакції мають однакове значення. Цей стан є згубним для технологічного процесу через те, що скільки потрібної речовини утворилося – стільки й розпалося на вихідні компо­ненти. Для виведення таких процесів зі стану рівноваги також використовують зміну тиску, температури та концентрації компонентів. Для цього використовують принцип Ле Шательє, що відображає другий закон термодинаміки й формулюється так: якщо систему, що перебуває в стані рівноваги, піддати дії зовнішнього впливу, то в системі самовільно відбудуться зміни, що зменшать або знищать дію цього впливу.

Каталітичні процеси мають величезне значення для хімічної промисловості, оскільки близько 90 % усіх виробництв цієї галузі використовують каталіз. Студентам слід розуміти відміну дії каталізу на прискорення хімічних реакцій, яке відрізняється від дії зміни температури, тиску або концентрацій тим, що ката­ліз однаково впливає на швидкість як прямої, так і зворотної реакції. Суттєвий виграш полягає в зменшенні часу настання рівноваги та селективності дії каталізаторів. Згідно з класифіка­цією, каталітичні процеси бувають гомогенні та гетерогенні. Слід звернути увагу, що якщо для перших апаратурне оформ­лення просте, то для других (які значно частіше використо­вуються в промисловості) – значно складніше та різноманіт­ніше. Каталітичні процеси використовуються у виробництві кислот, аміаку, органічних речовин тощо. Студентам пропо­нується ознайомитися з виробничими процесами, які викорис­товують для отримання сірчаної та азотної кислот.

Оскільки для виробництва сірчаної кислоти вихідною сиро­виною можуть бути як тверді речовини (самородна сірка, пірит), так і газоподібні (гази нафто-, коксохімії, кольорової металур­гії), то необхідно ознайомитися з апаратурним оформленням процесів обпалення сировини і очищення газів. На техніко-економічні характеристики виробництва впливає також апара­турне оформлення цехів каталітичного окислення. Ключовим моментом є розрахунок матеріального балансу процесів вироб­ництва, визначення кількісного та якісного складу вхідних та вихідних потоків речовин. Розрахунки засновано на законі збе­реження матерії, визначенні молярних мас та вмісту домішок, умінні застосовувати такі техніко-економічні показники, як вихід продукту, селективність процесу.

На прикладі виробництва калійних мінеральних добрив сту­дентам слід ознайомитися з перебігом технологічних процесів, характерним для сольових технологій, де використовуються типові фізичні методи, зокрема подрібнення, класифікація, збагачення, сушка й т. п. Важливими є стадії процесу, що вклю­чають розчинення, фільтрацію, відстоювання, випаровування, кристалізацію, висушування тощо. Отримання власне калійних добрив пов’язане зі застосуванням флотаційного та галургічного методів. Студентам слід розуміти принцип кожного із цих методів. Флотаційний метод отримання хлориду калію із сильвініту засновано на флотаційному розділенні водорозчинних мінералів калійної руди в середовищі насиченого сольового розчину за рахунок селективної гідрофобізації поверхні часток калійних мінералів за допомогою флотореагентів. Галургічний метод отримання хлориду калію із сильвініту (метод вибіркової розчинності та розділеної кристалізації) засновано на різній розчинності хлоридів калію та натрію при зміні температури при їхній спільній присутності в системі «KCl – NaCl – H₂O». Позитивні та негативні характеристики кожного з названих методів зумовлюють використання обох. Вибір методу визна­чається бажаними характеристиками продуктів, які необхідні споживачу.

Власне утворення мінеральних солей, якими є мінеральні добрива, відбувається із застосуванням хімічних процесів: обпа­лювання, вилуговування, реакції обмінного розкладу, реакції нейтралізації тощо. Саме ці процеси лежать в основі отримання аміачної селітри, карбаміду, подвійного суперфосфату, рідких та складних добрив. Окрім уже розглянутих кислот, для їх виробництва потрібна фосфорна кислота, яку можна отримати, застосовуючи електротермічні та екстракційні процеси хімічної технології, принцип яких повинні розуміти студенти.

Під час вивчення сукупності технологічних процесів отри­мання азотних добрив, способів їх використання та зберігання слід звернути увагу на вплив хімічних властивостей на фізичні та експлуатаційні характеристики. При отриманні аміачної селітри важливим є енергозберігаючий аспект, коли теплота реакції нейтралізації аміаку азотною кислотою використо­вується для випарювання та отримання плаву цієї речовини. Це вочевидь спрощує та здешевлює вартість отримуваного продукту.

Розглядаючи технологічні процеси, що використовують при отриманні карбаміду, слід звернути увагу на можливість різних способів використання вихідних речовин, які не прореагували при взаємодії оксиду вуглецю та аміаку. Це дає можливість обрати оптимальний варіант для конкретного підприємства, що буде залежати від наявної сировини та виробничих потуж­ностей.

Подвійний суперфосфат є важливим серед переліку мінераль­них добрив, оскільки це розчинне у воді концентроване фос­форне добриво. Технологія його отримання включає як хімічні методи (взаємодія середньої солі з кислотою), так і фізичні – подрібнення, розбризкування, нашаровування тощо. Фосфорні добрива входять до складу складних та комплексних добрив, які мають переваги порівняно з простими, оскільки містять декілька поживних речовин.

Важливе місце серед технологічних процесів хімічної галузі займають електрохімічні процеси, пов’язані з взаємоперетво­ренням хімічної та електричної енергії. Для проведення розра­хунків потреб речовини та енергії студентам слід повторити закони Фарадея, рівняння Нернста, правила розкладу йонів на катоді та аноді для багатокомпонентних систем, ряд напруг металів. Студентам слід розуміти, що залежно від умов про­ведення процесу електролізу та матеріалу катоду можна отримати різний спектр готових продуктів.

Для якісного засвоєння й успішного вирішення проблем необхідні будівельні матеріали, різноманітні за властивостями та призначенням. Слід зазначити, що промисловість будівель­них матеріалів являє собою комплексну галузь, що включаює в себе виробництво природних кам’яних будівельних матеріалів, бетонних та залізобетонних виробів, в’яжучих, кераміки, азбестоцементних виробів, скла тощо. Будівництво є одним із споживачів лісової, деревообробної промисловості, чорної і кольорової металургії, хімії тощо.

Вивчаючи це питання теми, слід усвідомити, що питання економічного характеру – техніко-економічний аналіз окремих технологічних систем виробництва будівельних матеріалів, вибір напрямку розвитку підприємства – засновані на знанні властивостей сировини, тих процесів, що відбуваються на стадії перетворень сировини на готову продукцію. Слід розуміти, яким чином внутрішня будова й властивості сировини впливають на фізико-технічні властивості матеріалу.

Техніко-економічні розрахунки, що лежать в основі вибору сировини та оптимізація технологічних процесів, здійснюються на основі законів природи, з якими студенти ознайомилися раніше. Це закон збереження матерії, поняття стехіометрії, закон збереження енергії, закони термодинаміки, закон дії мас, принцип Ле Шательє тощо, які дозволяють вибрати оптимальну в конкретних виробничих умовах сировину, оптимізувати технологічні процеси, зробити розрахунки витрат сировини та готової продукції, розробити рекомендації щодо використання побічної продукції та відходів.

Сировиною для отримання будівельних матеріалів можуть бути різноманітні за складом та походженням (мінеральні чи органічні) нерудні матеріали, що здебільшого перебувають у твердому агрегатному стані. Використання відходів та побічної продукції зменшує витрати на виробництво, тим самим зни­жуючи собівартість продукції. З нерудної сировини отримують найрізноманітніші будівельні матеріали: заповнювачі для бетонів і розчинів, стінові матеріали, облицювальні плити, матеріали для доріг, гідротехнічних споруд тощо. З нерудної сировини (глина, пісок, вапняки, мергелі) виготовляють кера­мічні матеріали, скло, цемент, їх використовують для вироб­ництва бетону та залізобетону. За фізико-хімічними властивос­тями матеріали з природного каменю не поступаються штучним будівельним матеріалам, а за декоративними якостями перевер­шують їх. Висока довговічність природних кам’яних матеріалів сприяє зниженню експлуатаційних витрат.

В основу технологічних перетворень покладені як хімічні, так і механічні процеси, що включають різні операції на різноманітному обладнанні.

Отримана продукція являє собою наділені різноманітними фізичними та хімічними властивостями матеріали різноманітної форми й використовується для виготовлення будівельних виробів та конструкцій – це штучні будівельні матеріали.

В’яжучі будівельні матеріали дуже широко застосовуються в будівництві для виготовлення бетонів та розчинів. Розрізняють неорганічні (мінеральні) в’яжучі матеріали: цемент, гіпс, вапно, тощо й органічні: бітуми, дьогті, пеки. Мінеральні в’яжучі – це порошкоподібні речовини, які при змішуванні з водою або з водними розчинами солей утворюють пластичну масу, яка потім переходить у каменеподібний стан.

Перетворюючись із тістоподібного до каменеподібного стану, в’яжучі матеріали закріплюють між собою камінці, зерна піску, гравію, щебінки. Цю властивість в’яжучих використо­вують під час виготовлення бетонів, силікатної цегли, азбесто­цементних матеріалів, будівельних розчинів. Терміни (початок і кінець) схоп­лювання, твердіння і міцність (марка) штучного каменю, отриманого в результаті твердіння в’яжучого, – основні властивості цих матеріалів.

Мінеральні в’яжучі матеріали поділяються на повітряні й гідравлічні. Їхні властивості тверднути та зберігати міцність у певних умовах (на повітрі, чи у воді) і визначають галузь їх застосування. До повітряних в’яжучих належать вапно, гіпс, магнезіальні в’яжучі, рідке скло. Способи їх отримання наведені у посібнику. Процеси, що відбуваються під час перетворення повітряних в’яжучих у кам’яноподібний стан, зворотні процесам їх отримання.

Найважливішим серед в’яжучих є цемент. Цементи випус­каються промисловістю будівельних матеріалів у широкому асортименті, що дає змогу використовувати їх в усіх галузях будівництва: виробництві бетону та залізобетону, в гідротех­нічному й дорожньому будівництві. Сировиною для його отримання є суміш природних мінералів – вапняку та глини. Також широко використовуються побічні продукти: доменні шлаки, нефеліновий шлак (відходи глиноземового виробництва) тощо. Вони містять: 25–30 % SiO₂, 50–58 % СаО, 2–5 % Al₂O₃, 3–8 % інших оксидів. Якщо до сировини такого складу додати 15–20 % вапняку, то її можна використовувати для отримання портландцементу.

Основою технологічного процесу є спікання сировинної суміші за температури 1 500 °C. За цих умов вуглекислий газ видаляється із зони реакції, а решта оксидів взаємодіють між собою і входять до складу клінкеру не у вільному вигляді, а утворюють чотири основні мінерали приблизно в таких співвідношеннях:

Від співвідношення основних мінералів клінкеру, а також від наявності в клінкері оксидів магнію, калію та натрію залежать властивості цементу. Зверніть увагу на два способи отримання цементу: сухий та мокрий. Кожен із них має свої переваги й свої недоліки (див. посібник). Економічно більш ефективний метод сухий.

Міцність і швидкість затвердіння цементу залежить від мінералогічного складу клінкеру, ступеня подрібнення, темпе­ратури та середовища. Процеси, які відбуваються при твердінні портландцементу, дуже складні. Типовими реакціями, які від­буваються в процесі перетворення пластичного цементного тіста в каменеподібний стан, є реакції гідратації, що супрово­джуються приєднанням води. Процес твердіння портландце­менту в основному визначається гідратацією силікатів, алюмі­натів, алюмофератів кальцію.

Знання хімічного складу сировини, суті процесів, що відбу­ваються під час перетворення мінералів сировини на мінерали клінкеру, дозволяє зробити розрахунок сировини та виходу цементу.

В’яжучі є основою виготовлення таких важливих будівель­них матеріалів як бетони та залізобетони. Як зазначено в посібнику, бетони – це штучний камінь, отриманий у результаті формування і твердіння раціонально підібраної суміші в’яжучих матеріалів, води й заповнювача. Залежно від того, які компо­ненти й у яких відношеннях складають цю раціонально підібра­ну суміш, залежать властивості отриманого бетону, а отже, і сфери його використання в будівництві. Недоліком бетону є низька міцність при розтягуванні та на згин. Цей недолік ліквідується в залізобетонах, де розтягуючі навантаження сприймає арматура.

Бетони в сполученні зі стальною арматурою називають залізобетонами. Привабливість бетону полягає також у можли­вості повної механізації бетонних робіт, виготовленні будівель­них конструкцій, різноманітних за формами та розміром, можливістю застосування різних методів механічної та фізико-хімічної обробки виробів, його економічністю. Адже 80–85 % його об’єму складають заповнювачі з місцевих кам’яних матеріалів та відходи інших виробництв.

Класифікують бетони за різними ознаками. Найважливішою є класифікація за щільністю (об’ємною масою). Важливими показниками якості бетону є його міцність і довговічність. Міцність бетону визначається його марками: для важких бетонів М 50-800, для легких М 25-400. Марка бетону залежить від мар­ки цементу, який використовують для його виготовлення.

Таблиця 13.1

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: