Лекция 1, Устюгов А.В

1.

ДИСЦИПЛИНА Общая химическая технология
(полное наименование дисциплины без сокращений)
ИНСТИТУТ Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова
КАФЕДРА Кафедра физической химии имени Я.К. Сыркина
полное наименование кафедры
ВИД УЧЕБНОГО Лекция
МАТЕРИАЛА (в соответствии с пп.1-11)
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ Устюгов Александр Викторович
(фамилия, имя, отчество)
СЕМЕСТР Весенний семестр, 2025-2026 учебный год
(указать семестр обучения, учебный год)

2.

Общая химическая технология
Содержание дисциплины:
1. Курс лекций;
2. Лабораторный практикум (3 коллоквиума, 6 лабораторных
работ);
3. Домашнее задание.
•Литература: А.М. Кутепов, Т.И. Бондарева, М.Г Беренгартен. Общая
химическая технология. М.: ИКЦ «Академкнига». 2003. 528с.
•Основы химической технологии. Лабораторный практикум.
МИРЭА. 2019.
•Кафедральные методические разработки (доступны в электронном
виде).

3. Лекция 1 Предмет химической технологии

Слово «технология» образовано на основе двух греческих
слов: «techne» - некий гибрид искусства и ремесла, «logos» знание, учение, наука. Таким образом, смысл слова технология
означает: «наука о ремесле», «наука о производстве», «искусство
что-то делать».
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ - наука о способах переработки
сырьевых и техногенных материалов в целевые продукты,
реализуемых с использованием химических превращений.

4. Предмет химической технологии

В 1901 г. Д.И. Менделеев в статье для
энциклопедического словаря Брокгауза и Эфрона
писал: «Она (технология) содержит в себе
приложение к жизни других, более отвлечённых
знаний. Её содержание должно изменяться по
обстоятельствам и условиям времени и места».

5. Краткие сведения об истории развития химической технологии

Первые специализированные производства по получению
химических веществ появились в Европе примерно в XV веке, в России на рубеже XVI - XVII веков. Эти предприятия представляли собой
небольшие фабрики, производившие соду, серную кислоту, соли,
краски, порох, некоторые органические вещества весьма ограниченной
номенклатуры.
Слово «технология» было предложено немецким ученым,
профессором Геттингенского университета И. Бекманом в 1772 г.
Позднее (1795 г.) его коллега И.Ф. Гмелин подготовил и издал
первый учебник по химической технологии - «Руководство по
технической химии».
В 1803 г. этот труд издается в России в русском переводе В.М.
Севергина под названием «Химические основания ремесел и заводов».

6. Краткие сведения об истории развития химической технологии

С начала XIX века химическая технология стала обязательным
предметом, преподававшимся в высших как технических, так и в
экономических учебных заведениях, и неотъемлемым элементом высшего
технического образования.
Первые учебники по химической технологии представляли собой
фактически набор прописей, рецептов с описанием устройств, в которых эти
рецепты можно было реализовать.
В 1807-1808 гг. появляется первый русский учебник по химической
технологии профессора Московского университета И.А. Двигубского
«Начальные основания технологии, или краткое показание работ на заводах и
фабриках производимых».
Первая попытка систематизировать общие приемы, применявшиеся к
тому времени в химической технологии, была осуществлена в 1828 г.
профессором Денисовым Ф.А. в учебнике «Пространное руководство к общей
технологии, или к познанию всех работ, средств, орудий и машин,
употребляемых в разных технических искусствах». В этом учебнике впервые
были обобщены приемы и процессы, применяемые в химической технологии.

7. Краткие сведения об истории развития химической технологии

К началу XIX века в Российской Академии наук
появилась кафедра химической технологии,
начинают издаваться первые научные журналы по
химической технологии. Можно считать, что с этого
момента химическая технология стала существовать
как наука, которая обобщала и суммировала
приемы, используемые для наиболее эффективного
получения химических веществ.

8. Развитие технологии получения серной кислоты

Человечеству серная кислота известна более тысячи лет. Первое документальное
упоминание о серной кислоте относится к VIII веку н.э.
Арабский ученый Джабир ибн Хайям использовал серную кислоту в качестве
катализатора дегидратации этилового спирта:
2С2Н5ОН → (С2Н5)2О + Н2О
В «донаучную эпоху» (до начала XVI в.) серную кислоту получали термическим
разложением железного купороса в присутствии воздуха при нагревании:
Схема:
FeSO4·7H2O + О2 → Fe(OH)SO4 + Fe2(SO4)3 + Fe2O3 + H2O + SO3
Пары серного ангидрида и воды конденсировали на выходе из реакционного сосуда с
получением концентрированной серной кислоты. К плюсам данного метода можно отнести
то, что железный купорос присутствует в природе в виде минерала мелантерита, но этот
способ чрезвычайно неэффективный и годится для получения только небольших количеств
серной кислоты.

9. Развитие технологии получения серной кислоты

В 1666 г. европейские ученые Никола Лемери и
Николя Лефевр заложили основы камерного способа
получения серной кислоты. По этому методу брали
самородную серу, добавляли селитру и нагревали в
присутствии воздуха и воды. Процесс был реализован в
Бирмингеме (Англия) в 1746 г. Джоном Робеком.
Сначала сера окислялась до сернистого ангидрида, а
затем до серного ангидрида, который и поглощался водой.
Долгое время не была понятна роль селитры в этом
процессе. Эмпирически было уставлено сильное влияние
присутствия селитры в реакционной смеси на скорость
процесса.

10. Развитие технологии получения серной кислоты

Только в начале XIX века ученые Николя Клеман и Шарль-Бернар Дезорм поняли
механизм действия селитры в этом процессе.
Суть в том, что при нагревании в присутствии серной кислоты селитра разлагается с
образованием кислого сульфата натрия, оксидов азота и кислорода:
NaNO3 + Н2SO4 → NaHSO4 + HNO3 и 2HNO3 → NO2 + O2 + H2O + NO
Образующийся NO2 катализирует процесс гомогенного окисления SO2 кислородом воздуха в
SO3, а именно: сернистый ангидрид быстро окисляется оксидом азота(IV) в серный ангидрид:
SO2 + NO2 = SO3 + NO
а образовавшийся оксид азота(II) быстро окисляется кислородом до оксида азота(IV):
2NO + O2 = 2NO2
И этот маршрут оказывается гораздо быстрее, чем прямое окисление сернистого
ангидрида кислородом. Суммарно процесс описывается стехиометрическим уравнением
окисления оксида серы(IV) в оксид серы(VI):
2SO2 + O2 = 2SO3

11. Развитие технологии получения серной кислоты

В 1831 г. английский исследователь П. Филипс получил патент на
получение серного ангидрида окислением сернистого ангидрида кислородом
воздуха в присутствии платины и последующим получением собственно
серной кислоты.
Платина очень эффективный катализатор этого процесса, который
позволяет проводить процесс при сравнительно невысоких температурах
(примерно 250 – 300 °С), но этот катализатор легко отравляется примесями,
содержащимися в исходном газе, полученном обжигом пирита (серного
колчедана).
Именно
нестабильность,
неустойчивость
платинового
катализатора была препятствием к использованию этого способа.
Только в конце XIX века данный способ был реализован в
промышленности, когда удалось очищать получаемый обжиговый газ от
соединений мышьяка, селена, и теллура. Однако платину в качестве
промышленного катализатора использовали сравнительно недолго, так как в
начале XX века одновременно в нескольких странах было установлено, что
хорошим катализатором для данного процесса является смешанный оксидный
катализатор на основе V2O5.

12. Понятие химико-технологического процесса (ХТП)

ХТП – это совокупность химических,
физических и физико-химических процессов,
направленных на превращение сырья или
техногенных материалов в так называемые
целевые
продукты,
то
есть
продукты,
обладающие определенными потребительскими
свойствами.

13. Понятие химико-технологического процесса (ХТП)

14. Понятие химико-технологического процесса (ХТП)

Отходы
–
остатки
сырья,
материалов,
полупродуктов, которые утратили свои первоначальные
свойства, не соответствуют требуемым стандартам и не
обладают потребительской ценностью.
Однако, как говорил Д.И. Менделеев, "в химии нет
отходов и отбросов, а есть сырьё, не нашедшее своего
хозяина". Поэтому, как только отходы приобретают
потребительскую ценность, так они переходят в разряд
вторичных материальных (ВМР) или энергетических
(ВЭР) ресурсов.

15. Основные принципы организации химических производств

Создание и эксплуатация химических производств базируются на
нескольких принципах. Они достаточно просты и очевидны.
1. Принцип наилучшего использования сырья
Затраты на сырье являются одной из главных составляющих
себестоимости химических продуктов. В среднем они составляют около 50 %
себестоимости произведенных продуктов. Надо отметить, что многие виды
сырья (руды, природный газ, нефть и др.) – невозобновляемы. Имеет место
тенденция к истощению запасов сырьевых ресурсов, возникает
необходимость в переработке бедных по содержанию ценных компонентов
руд. Места добычи полезных ископаемых смещаются в труднодоступные
районы.
С экологической точки зрения, если сырье не превращается в целевые
продукты, оно превращается в отходы, которые, так или иначе, попадают в
окружающую среду.

16. Основные принципы организации химических производств

2. Принцип максимальной интенсивности процесса
Достаточно очевидно, что необходимо проводить ХТП как можно
более интенсивно. Если мы за один и тот же промежуток времени
получаем больше целевых продуктов, то и себестоимость эти целевых
продуктов будет ниже, потому что кроме пропорциональных затрат на
сырье, энергию есть условно постоянные затраты. Под ними понимают
заработную плату обслуживающего персонала, содержание зданий,
помещений, затраты на освещение, обогрев и т.п. При увеличении
интенсивности процесса указанные выше затраты раскладываются на
большее количество целевого продукта и себестоимость его становится
ниже. Поэтому, при прочих равных условиях, продукт, который
произведен быстрее, оказывается и дешевле.

17. Основные принципы организации химических производств

3. Принцип наилучшего использования энергии
К этому принципу относится все то же самое, что и к первому принципу.
Энергию, в основном, получают за счет сжигания топлива, которое является
невозобновляемым ресурсом. С учетом постоянного роста цен на
энергетическое сырье вклад его в себестоимость продукции непрерывно
возрастает. Поэтому экономия топлива (энергии) – один из базовых
принципов организации любого производства, в том числе и ХТП.
Необходимо отметить, что само химическое производство может стать
источником энергии. В частности, экзотермические реакции могут быть
основой для получения энергии, которую можно использовать как для
проведения данного процесса, так и для снабжения потребителей, наряду с
химическими целевыми продуктами, еще и энергией. И это, с одной стороны,
приводит к экономии топлива, с другой – к резкому улучшению экономики
ХТП. Это всего лишь один из приемов реализации данного принципа.

18. Основные принципы организации химических производств

4. Принцип экологической безопасности
Химическая промышленность должна в
минимальной степени загрязнять окружающую среду.
По объему выбросов в атмосферу, например,
химическая промышленность не является самой
«вредной» в ряду других отраслей промышленности
(табл. 1.1). Как видно из приведенных данных,
химическая промышленность выбрасывает меньше
вредных веществ, чем многие другие отрасли.
Однако, в гораздо в большем ассортименте и, в ряде
случаев, более токсичные.
Для
химической
промышленности
характерно наличие газовых выбросов, твердых
отходов и сточных вод. Любые вещества и тепловые
потоки, попадающие в окружающую среду в
результате
функционирования
химического
производства, должны соответствовать по своим
характеристикам
требованиям
экологического
законодательства.
Таблица 1.1. Доля участия отраслей в загрязнении
атмосферы, %
Тепловая энергетика
30,7
Автотранспорт
22,8
Черная металлургия
15,7
Строительные материалы
13,3
Цветная металлургия
7,4
Нефтепеработка
6,3
Химическая промышленность
3,8

19. Основные принципы организации химических производств

5. Принцип технологической соразмерности
Этот принцип связан с улаживанием всех противоречий,
возникающих при реализации первых четырех принципов. Очень
часто возникает ситуация, когда, например, реализация принципа
максимальной интенсивности процесса входит в противоречие с
требованиями принципа экологической безопасности. Или
необходимость выполнения принципа наилучшего использования
сырья не согласуется с требованиями принципа наилучшего
использования энергии. Принцип технологической соразмерности
определяет приемы, позволяющие найти компромисс, оптимум
для
максимально
возможной
реализации
остальных
технологических принципов.

20. Информация о состоянии химической промышленности России

В СССР производилась практически вся номенклатура
химической промышленности. После 1991 года объём
химической продукции уменьшился в 2 раза. До сих пор
объём химической промышленности РФ составляет
примерно 70 % от того, что было в СССР.
Производятся полимеры (полиэтилен, полипропилен,
поливинилхлорид), некоторые красители. Сохранило
объём производство неорганических веществ –
производство кислот, аммиака, мочевины и минеральных
удобрений.

21. Некоторые процессы, разработанные в нашей стране

М.Г. Кучеров, 1881 год, реакция гидратации ацетилена в
присутствии солей ртути для получения уксусного альдегида:
+
HC≡CH + H2O
HgSO4, H
CH3CHO

22. Некоторые процессы, разработанные в нашей стране

В СССР были разработаны следующие процессы:
С.В. Лебедев, синтез дивинила:
2C2H5OH → C4H6 + 2H2O + H2

23. Некоторые процессы, разработанные в нашей стране

П.Г. Сергеев, Р.Ю. Удрис, Б.Д. Кружалов, получение
фенола и ацетона в совмещённом процессе:

24. Некоторые процессы, разработанные в нашей стране

Я.К. Сыркин, И.И. Моисеев, М.Н. Варгафтик. В МИТХТ на
Кафедре физической химии было показано, что этилен в растворах
комплексов палладия может окисляться в ацетальдегид:
С2Н4 + 0,5О2 → CН3СНО

25. Современные тенденции развития химической промышленности

Сокращение количества отходов и создание
безотходных (малоотходных) производств
Сырьевые
(энергетические)
ресурсы
Производство
Потребление
Отходы
Отходы
Вторичные материальные (энергетические) ресурсы

26. Современные тенденции развития химической промышленности

Сокращение количества отходов и создание
безотходных (малоотходных) производств
Таким образом, безотходное производство – это производство с замкнутыми материальными и энергетическими
потоками. Поскольку, реализовать в абсолютном варианте это невозможно, термин «безотходная технология» рассматривается в
качестве теоретического предела, идеальной модели, которая может быть реализована лишь частично. Отсюда появляется понятие
малоотходная технология – способ производства продукции, при котором вредное воздействие на окружающую среду не
превышает уровня, допустимого санитарно-гигиеническими нормами, в частности, ПДК веществ в выхлопных газах и сточных
водах, направляемых в окружающую среду. Такие современные предприятия, как производство аммиака, азотной кислоты, серной
кислоты из серы, метанола, этанола, аммофоса и др. относят к малоотходным или «чистым» технологиям.
В химической технологии основными причинами образования отходов производства являются:
- наличие примесей в сырье;
- неполнота превращения реагентов в целевые продукты;
- протекание побочных реакций;
- образование побочных продуктов в основных реакциях.
Следовательно, для сокращения количества отходов и создания малоотходных производств необходимо максимальное
совершенствование химико-технологических процессов. Одним из наиболее эффективных приемов уменьшения количества
отходов является повышение эффективности каталитических процессов за счет улучшения качества катализаторов.

27. Современные тенденции развития химической промышленности

Комплексное использование сырья
Что такое комплексное использование сырья? Чаще всего сырье, добываемое в природе,
имеет достаточно сложный состав и, в идеале, необходимо использовать все его компоненты. В этом
смысле, например, переработка нефти почти совершенный процесс. Практически все фракции нефти,
включая попутные газы, бензин, керосин, лигроин, мазут и т.д., а также твердый остаток, находят свое
применение.
Но, тем не менее, огромные объемы попутных газов в настоящее время сжигают, несмотря на
то, что они представляют собой ценнейшее углеводородное сырье (легкие углеводороды). Одна из
причин этого - месторождения нефти часто находятся в весьма отдаленных, труднодоступных местах, в
которых отсутствует инфраструктура, и, вместо переработки, попутные газы просто сжигают, что очень
расточительно. Было бы целесообразно получать из попутных газов синтез-газ и на его основе такие
продукты как, например, метанол, уксусную кислоту и др.
Более полная переработка попутных газов может дать значительное увеличение
эффективности производства и уменьшить загрязнение окружающей среды.
Рудные полезные ископаемые тоже необходимо использовать в максимальной степени.
Например, свинцово-цинковые руды содержат 25 элементов, и на их основе производится около 40
товарных продуктов. В медно-никелевых рудах содержатся 18 компонентов, и они тоже в основном
используются.
Но зачастую из руды выделяют не более 1-2 % наиболее ценных компонентов, а все остальное
выбрасывают в отвалы до «лучших» времен.

28. Современные тенденции развития химической промышленности

Совершенствование методов выделения целевых продуктов и
очистки всех потоков, которые попадают в окружающую среду
Современное экологическое законодательство достаточно жесткое, и
требования к чистоте газообразных, жидких и твердых отходов все время
возрастают. Если мы более полно выделяем из отходящих газов ценные
компоненты, одновременно улучшается экономика процесса и уменьшается
давление на окружающую среду.
Например, Норильский горно-металлургический комбинат выбрасывает в
атмосферу миллионы тонн сернистого ангидрида, который является причиной
кислотных дождей, отравляющих земли не только в Сибири, не только в России,
но и за рубежом. Утилизация этих миллионов тонн сернистого ангидрида могла
бы позволить произвести почти такое же количество серной кислоты. Однако,
весьма существенные дополнительные затраты, некоторые сложности технологии
пока не позволяют это осуществить.

29. Современные тенденции развития химической промышленности

Комбинирование производств
Комбинирование производств возможно по нескольким принципам.
Первый случай комбинирования - на основе комплексного использования сырья, то есть когда сырье
имеет сложный состав и необходимо выделить и использовать максимальное количество его компонентов. В
этом случае параллельно на одной производственной площадке должно быть развернуто производство
целого ряда продуктов.
Второй случай комбинирования – последовательное комбинирование, когда при производстве
какого-либо продукта на данном производстве из него производятся другие продукты (товары). Обычно на
одном комбинате соединяют производства нескольких продуктов. Например, производство аммиака (через
паровоздушную конверсию метана и взаимодействие полученного водорода с азотом воздуха) обычно
объединяют с получением мочевины (реакции 1.1 – 1.5), азотной кислоты, азотных удобрений, метанола.
CH4 +H2О = CО + 3H2
CH4 + 0,5О2 (+N2) = CО + 2H2
CO + H2O = CO2 + H2
N2 + 3H2 = 2NH3
CО2 + 2NH3 = (NH2)2CО + Н2О
(1.1)
(1.2)
(1.3)
(1.4)
(1.5)
Это прием, когда получающийся химический продукт перерабатывается в другие продукты на
данном предприятии, позволяет исключить значительные расходы на транспортные операции, на хранение,
на погрузку и выгрузку. Такой набор производств реализовался в производственных объединениях «Азот» в
советское время.
Третий случай комбинирования – переработка побочных продуктов.

30. Современные тенденции развития химической промышленности

Повышение степени энергосбережения на предприятиях химической
промышленности
Проблема использования энергетических ресурсов в химической промышленности имеет
ресурсосберегающий, экономический и экологический аспекты. Основными видами энергоресурсов,
используемых в химической промышленности, являются
- тепловая энергия – 48 %;
- электроэнергия – 44 %;
- топливо прямого использования – 8 %.
Экономический аспект проблемы связан с тем, что доля стоимости энергии в себестоимости
химической продукции достигает в некоторых производствах 60%.
Поскольку стоимость энергоносителей ежегодно возрастает, без энергосбережения
химические производства становятся нерентабельными.
И, наконец, экологический аспект проблемы связан с низким коэффициентом использования
энергии (около 40 %), что приводит к попаданию в окружающую среду ≈ 60 % потребляемой энергии (к
тепловым выбросам). Прежде всего, это тепло дымовых газов; тепло, выделяемое оборотной водой и
воздушным охлаждением; потери тепла в окружающую среду через теплоизоляцию помещений,
аппаратов, коммуникаций.

31. Современные тенденции развития химической промышленности

Создание агрегатов большой единичной мощности
Создание агрегатов большой единичной мощности – одно из важнейших направлений, обеспечивающих снижение
капитальных вложений, эксплуатационных затрат, себестоимости продукции и обеспечение высокой степени автоматизации.
Для различных производств существуют свои показатели по единичной мощности отдельных агрегатов (тыс. тонн /год):
метанол -750; серная кислота – 500; азотная кислота – 600; этилен - 450 и т.п.
Один большой реактор, в котором непрерывно, в стационарном режиме производится большое количество продукции, более
экономичен, чем, например, десяток меньших, вследствие снижения, в первую очередь, доли условно-постоянных затрат.
И большой, и маленький агрегат обслуживается соизмеримым количеством работников, одинаковы затраты на содержание
административного аппарата и т.п., поэтому себестоимость продукции, получаемой в агрегатах большой единичной мощности,
оказывается существенно ниже.
В принципе, такие аппараты дают самый дешевый продукт. Дополнительный выигрыш получается также в результате
концентрирования энергии. Многие из этих процессов являются экзотермическими и использование выделяющегося тепла дает
дополнительный выигрыш. Доля потерь тепла в окружающую среду для большого агрегата существенно меньше, чем для маленького,
энергия меньше рассеивается и может быть более эффективно использована.
Однако, есть определенные ограничения. Например, продукция агрегата, который производит 500 тыс. тонн продукта в год,
должна непрерывно отгружаться потребителю или производитель должен располагать огромными хранилищами, что не всегда
реализуется в условиях меняющейся конъюнктуры.
Внеплановые остановки подобных агрегатов могут привести к большим затратам средств, а залповые выбросы при продувке
систем приводят к сильному отрицательному воздействию на окружающую среду. Поэтому требуется высокая степень надёжности этих
агрегатов. Помимо этого, существуют определенные технические сложности производства, перевозки и монтажа гигантского
оборудования: абсорбер в агрегате мощностью 600 тыс. тонн азотной кислоты в год имеет высоту более 60 м, а высота трубчатого
конвертора метана при производстве водородсодержащих газов составляет 20 м.
Таким образом, увеличение размеров агрегатов целесообразно до определенных пределов.

32. Современные тенденции развития химической промышленности

Интенсификация ХТП
Интенсификация ХТП может реализоваться за счет использования
нетрадиционных
методов
технологии
(традиционные
методы
интенсификации ХТП обсуждаются в последующих лекциях).
Плазмохимические методы. В плазме в ионизированном газе при
температуре примерно 2000 °С могут протекать очень важные реакции,
например, прямой синтез оксида азота(II):
N2 + O2 = 2NO
Процесс сильно эндотермический и термодинамика запрещает этот процесс
при температурах до 2000 °С. Применение плазмохимических методов при
более высоких температурах сдерживается чрезвычайной энергоемкостью
этих процессов.

33. Современные тенденции развития химической промышленности

Интенсификация ХТП
Механохимия – механическое воздействие на реагенты при протекании
химической реакции. Если реагенты предварительно подвергнуть обработке в
шаровой мельнице, то увеличивается скорость протекающей между ними реакции. И
дело не только в изменении удельной поверхности реагентов, а в изменении
реакционной способности веществ.
Сонохимия – применение ультразвука для интенсификации химических
реакций.
Процессы с использованием УФ-облучения. Облучение ультрафиолетом или
даже видимым светом часто приводит к инициированию процесса, получению
активных частиц, например, радикалов, которые являются носителями активности. С
использованием ультрафиолета процессы можно проводить при более низких
температурах по сравнению с термическим инициированием. Реализация данного
метода в промышленности (как и всех представленных выше) тормозится прежде
всего экономическими соображениями.