Czym jest technologia chemiczna
Jeśli definicję nauk stosowanych, do których należy technologia chemiczna określają zasady,
którymi się kieruję jej badacze i praktycy, to dostrzec można istnienie granicy, nieostrej
zresztą, która oddziela od siebie dwa różne okresy. W obu tych okresach zasady te różnią się.
W roku 1967, z górą trzydzieści lat temu w podręczniku pod tytułem: "Podstawy ogólne
technologii chemicznej" [1] Stanisław Bretsznajder napisał na wstępie: "W przeciwieństwie
do chemika, który potrafi wytworzyć w laboratorium pożądany produkt w malej ilości i w
sposób często bardzo kosztowny, technolog ma za zadanie wytworzenie tego produktu w
dużej skali przemysłowej w sposób możliwie najtańszy. Te dwie cechy technologii
chemicznej: duża skala i położenie nacisku na stronę ekonomiczną zagadnienia powodują
rozróżnienie pracy chemika - technologa i chemika w laboratorium".
Na początku XXI wieku należy zapytać, co to znaczy "w sposób możliwie najtańszy"? Czy
koszty obciążenia środowiska naturalnego uwzględniać przy wyborze najtańszej metody?
Trzeba dodać zasadę, której przestrzeganie będzie obowiązywać każdego odpowiedzialnego
technologa, projektującego proces przemysłowy; Ma on wytworzyć ten pożądany produkt w
sposób, który nie obciąża środowiska naturalnego, który nie jest destrukcyjny dla zdrowia
ludzkiego i dla przetrwania człowieka i innych gatunków zamieszkujących planetę.
Również pierwszy składnik definicji technologii chemicznej jako nauki stosowanej, którą
podał Bretsznajder nie zawsze już można rozumieć tak samo jak on. Chodzi o "dużą skalę".
Wytwarzanie produktu w dużej skali i w najtańszy sposób, to dwa warunki, których
równoczesne spełnienie jest nadal pożądane. Niekiedy jednak, co może się wydawać
paradoksem, zwycięża koncepcja wytwarzania produktu przemysłowego właśnie w mniejszej
skali. Przykładem są małe huty stali i ich nieoczekiwany sukces ekonomiczny w Stanach
Zjednoczonych w latach dziewięćdziesiątych XX wieku [2]. Skala produkcji jest w ich
procesie produkcyjnym od 6 do 10 razy mniejsza niż w tradycyjnym procesie hutniczym.
Surowcem wyjściowym dla małej huty nie jest ruda żelaza, lecz złom żelazny. W odróżnieniu
od tradycyjnego procesu bardzo wysoką temperaturę wytwarza się tylko raz, na początku i nie
obniża się jej. Pracę takiej mini-huty można zautomatyzować o wiele łatwiej, niż pracę huty
tradycyjnej. Mimo, że związki zawodowe zdecydowanie zwalczają tego rodzaju pomysły,
przewiduje się, że udział tych innowacji w produkcji stali w USA wzrośnie na początku XXI
wieku do 50%, koszty produkcji są, bowiem przy ich użyciu o połowę mniejsze, niż w
tradycyjnym wytopie stali.
Wymóg dużej skali jako dotychczasowy dogmat technologii chemicznej może już wkrótce
zostać zakwestionowany i tam, gdzie procesy technologiczne zaprojektowane w dawnych
dziesięcioleciach znalazły się w konflikcie z realiami ekonomicznymi.
Poniższy cytat pochodzi z eseju Alvina i Heidi Toffler "Wojna i antywojna" [3]:
"W systemie trzeciej fali korzyści uzyskiwane przez zwiększenie skali produkcji często
ustępują stratom, jakie powstają w wyniku złożoności firmy... Stara idea, że więcej zawsze
znaczy lepiej, staje się coraz bardziej archaiczna."
Autorzy ci spostrzegają też, że "ekonomika wielkiej skali wypierana jest przez ekonomikę
tempa".
1
Inne produkty, wytwarzane w o wiele mniejszej skali niż na przykład kwas siarkowy lub
polietylen, to półprzewodniki [4] i nadprzewodniki [5]. Ich wzrastające znaczenie wynika z
rosnącego zapotrzebowania, które zgłasza na nie nowoczesny przemysł.
Punktem wyjścia jest dla technologa koncepcja chemiczna otrzymania produktu lub
produktów chemicznych.
Rozwinięcie koncepcji metody technologicznej w pierwszym etapie polega na jej podzieleniu
na czynności jednostkowe. Te ostatnie z kolei można podzielić na operacje jednostkowe i
procesy jednostkowe.
Procesy jednostkowe sa to te czynności jednostkowe, z którymi związane jest zachodzenie
reakcji chemicznej.
Operacje jednostkowe są to te czynności jednostkowe, które polegają na zachodzeniu
przemian fizycznych.
Nie jest to podział ostry. Kryterium zaliczenia czynności jednostkowej do jednej albo drugiej
grupy stanowi cel tej czynności. Bretsznajder podaje przykład zastosowania tego kryterium
[1]:
Oczyszczanie gazu przez absorpcję szkodliwych domieszek w wodzie możemy zaliczyć do
operacji jednostkowych, mimo, że absorpcji tej mogą towarzyszyć reakcje chemiczne. Celem
jest tu, bowiem fizyczne oddzielenie zanieczyszczeń, a nie przeprowadzenie tych
chemicznych reakcji i otrzymanie ich produktów.
Ale już absorpcja dwutlenku węgla w solance nasyconej amoniakiem jest procesem
jednostkowym. Jest to jeden z ważnych procesów jednostkowych w metodzie Solvaya
otrzymywania sody amoniakalnej. Celem tej czynności jest otrzymanie kwaśnego węglanu
amonu NH4HCO3 i to ten cel sprawia, że nie zaliczymy jej do operacji jednostkowych, mimo,
że udział zjawisk fizycznych jest tu niewątpliwie znaczny.
Przykładami operacji jednostkowych są: mieszanie, filtracja, ogrzewanie, chłodzenie,
krystalizacja i absorpcja. Wśród operacji jednostkowych można wyróżnić operacje polegające
na wymianie ciepła (ogrzewanie i chłodzenie) i na wymianie masy (krystalizacja i absorpcja).
Następne etapy w rozwinięciu koncepcji polegają na zaproponowaniu aparatów i urządzeń
przemysłowych, które mają realizować procesy i operacje jednostkowe i na takim ich
wzajemnym powiązaniu, aby utworzyły razem odpowiedni ciąg technologiczny. Wynikiem
końcowym jest schemat technologiczny metody.
Zasady technologiczne, wspomniane już, jak również te, które będą opisane w następnych
rozdziałach często wykluczają się wzajemnie. Dlatego na każdym etapie każdy krok stwarza
okazje do wynalazczości i innowacji, a końcowy schemat zawsze powstaje w wyniku
optymalizacji [6].
Technologia chemiczna nie może się też nie interesować pewnymi bardzo
rozpowszechnionymi przemianami chemicznymi, takimi jak na przykład korozja chemiczna
metali. Korozja wprawdzie nie jest celowo wywoływana, ale zachodzi wbrew woli ludzi,
powodując znaczne straty i to nie tylko w przemyśle chemicznym.
2
Technologia chemiczna jest nauką stosowaną, interdyscyplinarną, która ma zaproponować
warunki i schematy technologiczne otrzymywania żądanych produktów chemicznych w
optymalny, przyjazny dla środowiska sposób, z uwzględnieniem odpowiedniej skali
wytwarzania i po możliwych do zaakceptowania kosztach [7].
Odnośniki
[1] S. Bretsznajder, W. Kawecki, S. Marcinkowski: "Podstawy ogólne technologii
chemicznej", Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1973
[2] Peter F. Drucker, "Innowacja i przedsiębiorczość, praktyka i zasady", Państwowe
Wydawnictwo Ekonomiczne, Warszawa, 1992
[3] Alvin i Heydi Toffler: "Wojna i antywojna", Warszawskie Wydawnictwo Literackie Muza
S.A., Warszawa 1997
[4] Compound Semiconductors Online - Your Compound Semiconductor Industry Resource,
http://www.compoundsemi.com/
[5] Superconductivity Books
[6] Process Design Notes - PFD Development, M.T. Tham, Dept. of Chemical and Process
Engineering, University of Newcastle upon Tyne,1997,
[7] Edgar Bortel, Henryk Koneczny: "Zarys technologii chemicznej", Wydawnictwo
Naukowe PWN, Warszawa, 1992
3