Прогрессивные химико-технологические процессы

В ряду прогрессивных химико-технологических процессов рассмотрим в первую очередь радиационно-химическую технологию и фотохимические процессы.

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 годов) 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. Выделение этого направления в отдельную область технологии обусловлено, прежде всего, особенностью действия ионизирующего излучения 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 реагирующими веществами.

В качестве источников ионизирующего излучения используются потоки заряженных частиц большой энергии (электроны, a, b, частицы, нейтроны, g - излучение).

Выделим достоинства ионизирующего излучения:

· высокая энергетическая эффективность излучения, приводящая к тому, что по сравнению с традиционными видами технологии радиационная технология является в целом энергосберегающей;

· высокая проникающая способность излучения, исходя их этого, излучение наиболее эффективно использовать для обработки блочных материалов и изделий, при стерилизации биомедицинских материалов в упаковке, получении древесно-пластмассовых и бетонополимерных композиций;

· излучение представляет собой легко дозируемое средство обработки материалов и не загрязняет продукцию.

Основные преимущества радиационно-химической технологии можно сформулировать следующим образом:

· возможность получения уникальных материалов, производство которых другими способами невозможно;

· высокая чистота получаемых продуктов;

· смягчение условий проведения процесса (температуры, давления);

· возможность регулирования скорости процесса за счет изменения интенсивности излучения и, следовательно, легкость автоматизации процесса;

· возможность замены в некоторых случаях многостадийных процессов синтеза одностадийными.

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 бетон-полимерных 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.

Сегодня наблюдается явное смещение интересов использования ионизирующих излучений: от получения продуктов с уникальными и улучшенными свойствами к экономии сырья и энергии.

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.

К первой группеотносят реакции, которые могут самопроизвольно протекать после поглощения реагентами светового импульса. Для этих процессов свет играет роль возбудителя и инициатора. При обычных условиях эти процессы протекают крайне медленно, но световое облучение их значительно интенсифицирует.

Ко второй группе фотохимических процессов относят процессы, для проведения которых необходим непрерывный подвод световой энергии к реагентам.

К третьей группе относятся химические процессы, в которых световой импульс, воздействуя на катализатор, активизирует его и способствует интенсификации химической реакции.

Основные 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;

· смягчение условий проведения процесса (температуры, давления);

· возможность регулирования скорости процесса за счет изменения интенсивности светового потока и, следовательно, легкость автоматизации процесса;

· возможность замены в некоторых случаях многостадийных процессов синтеза одностадийными.

Фотохимические процессы находят широкое применение в органической химической технологии при синтезе новых химических соединений.

Еще одна большая группа принципиально новых технологий - плазменные, основанные на обработке сырья и полупродуктов концентрированными потоками энергии. Ныне известно более 50 таких технологий. Сформировалась и научная база этой группы технологий - плазмохимия, изучающая процессы, протекающие при среднемассовой температуре рабочего газа 8000 - 10000°С.

Техника плазменных технологий- это генераторы низкотемпературной плазмы - плазмотроны, единственные установки, позволяющие с высоким тепловым КПД (80 - 90%) осуществлять непрерывный регулируемый нагрев газа до столь высоких температур. Химия, металлургия, машиностроение - вот основные сферы применения плазменных технологии. Взять, к примеру, металлургию. Традиционные процессы здесь давно себя исчерпали, и ни техническое совершенствование агрегатов, ниих дальнейшее укрупнение уже не приносят сколько-нибудь существенного экономического эффекта. Вместо доменных печей для процесса восстановления железа вполне можно использовать плазмотроны. Кстати, это будут и компактные, и весьма производительные агрегаты - ведь процесс там будет идти при температуре не 800°С, а при гораздо более высокой. Добавим, что плазменные технологические процессы а отличие от традиционных экологически чистых, не выделяют в окружающую среду сернистых и иных вредных газов.

На базе плазменных методов можно организовать эффективную разработку бедных, так называемых забалансовых месторождений минеральных удобрений, в частности фосфоритов. Речь идет о способе азотнокислотной экстракции фосфоритов, причем азотную кислоту предлагается получать плазменным способом непосредственно из воздуха.

Важная особенность плазменных процессов заключается в том, что при высоких температурах химические реакции идут иначе, чем обычно. А это значит, что в плазмотронах можно получать материалы с новыми свойствами, в том числе принципиально новые - композитные. В разных отраслях успешно используется метод плазменного напыления - нанесения на поверхность деталей упрочняющих, термостойких, антикоррозионных, защитных, декоративных и других покрытий. Такие покрытая позволяют улучшить качество, повысить ресурс и надежность машин. Методом плазменного напыления можно восстанавливать изношенные поверхности деталей.

Благодаря плазменному упрочнению винты, изготовленные из обычной углеродистой стали, служат в несколько раз дольше винтов, чьи лопасти сделаны из превосходной легированной стали.

На базе плазменной технологии можно организовать резку стальных плит толщиной до 25 см и плит из цветных металлов толщиной 10-15 см. В принципе можно резать плиты и больших толщин - для этого нужно существенно повысить величину тока электрической дуги в плазмотроне и ресурс катодного узла. Институт теплофизики СО АН СССР предложил способы решения этой проблемы и создал проект соответствующего плазмотрона.

Назовем еще несколько областей применения плазменных технологий.

Газификация каменных и бурых углей, сланцевиторфа позволяет не только перерабатывать малокалорийное топливо в высококалорийное, но и получать ацетилен - исходный продукт для производства полимеров.

При высокой температуре в струе плазмы происходит разложение отходов на элементы с последующим Синтезом новых продуктов. Так открывается путь к безотходным экологически чистым технологиям.

Розжиг и стабилизация горения пылеугольного топлива в топках электростанций, запуск с помощью плазменных установок газотурбинных двигателей на перекачивающих станциях трансконтинентальных нефтепроводов - также работа для плазмотронов.

Внедрение ультразвуковой техники и технологии позволяет автоматизировать и ускорить различные технологические процессы, повышать производительность труда улучшить качество продукции.

Ультразвук обладает способностью концентрировать колоссальную энергию, которая может преобразовываться в тепловую, химическую, механическую. Энергия ультразвуковых волн в миллиарды раз больше энергии слышимых звуков.

Широкое применение в современной технике и технологии приборов, основанных на использовании энергии ультразвуковых волн. Является одним из факторов технологического прогресса.

Ультразвук используется при сварке и пайке, закалке и отпуске, размеренной обработке твердых материалов, очистке металлических изделий от накипи и загрязнений, получении однородных горючих смесей, при сушке различных материалов, очистка воздушных потоков и сточных вод от загрязняющих примесей.

В исследовательской практике ультразвук используется для обнаружения внутренних дефектов металлов, определения концентрации различных веществ, непрерывного контроля за изменением их плотности и температуры.

В медицине с помощью ультразвука ставят диагнозы, лечат воспалительные процессы, очищают раны, режут ткани, скрепляют переломы костей, лечат зубы, сваривают сосуды и бронхи.

Ультразвуковой метод обработки относится к механическому воздействию на материал, и назван так потому, что частота ударов соответствует диапазону неслышимых звуков с частотой 16-10⁵ кГц.

Физическая сущность. Звуковые волны являются упругими механическими колебаниями, которые могут распространятся только в упругой среде в отличия от электромагнитных колебаний. При распространении звуковой волны в упругой среде материальные частицы совершают упругие колебания около своих положений равновесия (со скоростью, называемой колебательной). Сгущение и разрежение среды в продольной волне характеризуется избыточным (звуковым) давлением. Скорость распространения звуковой волны зависит от плотности среды, в которой движется волна, чем жестче и легче материал, тем больше скорость звуковой волны.

При распространении с материальной среде звуковая волна переносит определенную энергию, которая может использоваться в технологических процессах.

Преимущества ультразвуковой обработки:

· возможность получения акустической энергии различными технологическими приемами;

· широкий диапазон технологического применения – от размерной обработки до получения неразъемных соединений (сварка);

· простота эксплуатации и автоматизации промышленных установок.

К недостаткам относятся:

· высокая стоимость акустической энергии;

· необходимость изготовления спец. установок для генерации ультразвуковых колебаний, их передачи и распространения.

Ультразвуковые колебания сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть использованы как базовые для разработки различных процессов.

Контрольные вопросы по теме № 4:

1. Какие технологические процессы принято считать принципиально новыми, прогрессивными?

2. Что означает термин гибкое производство?

3. Выделите и охарактеризуйте достоинства гибкой автоматизированной технологии.

4. Во всех ли типах производства экономически целесообразна гибкая технология? Ответ обоснуйте.

5. Какие основные элементы включает в себя гибкое производство? Охарактеризуйте их.

6. Что такое промышленный робот? Какие разновидности промышленных роботов Вам известны? Охарактеризуйте их технологические возможности.

7. Чем принципиально отличаются технологические роботы от подъемно-транспортных?

8. Что такое роботизированный технологический комплекс (РТК)? Какие разновидности РТК Вам известны?

9. Что такое роботизация производства? Почему роботизацию рассматривают как одно из направлений комплексной автоматизации производства?

10. Что такое лазер? Охарактеризуйте достоинства лазерной технологии.

11. Какие важнейшие представители лазерной обработки Вам известны? Охарактеризуйте важнейшие из них.

12. Что такое мембрана и мембранная технология? Чем принципиально отличается мембранное разделение от фильтрации?

13. Выделите преимущества и сферы применения мембранной технологии.

14. Какие разновидности мембранных процессов Вам известны? Охарактеризуйте важнейшие из них.

15. Какие процессы относят к прогрессивным химико-технологическим? Почему они получили такое название?

16. Что такое радиационно-химическая технология (РХТ)? Какие принципы используются при осуществлении процессов РХТ?

17. Выделите основные преимущества и сферы применения радиационно-химической технологии.

18. В чем заключается сущность фотохимических процессов? Какие сферы применения данных процессов Вам известны?

19. Какие разновидности фотохимических процессов вам известны? Охарактеризуйте важнейшие из них.

Литература

1. Кохно Н.П. Роль технологии в общественном развитии. Текст вводной лекции. – Мн: БГЭУ, 1997.

2. Кохно Н.П. Экономика технологического развития. Мн: Мисанта, 1998.

3. Бондаренко А.Д. Современная технология: теория и практика. Киев: Вища школа, 1985.

4. Горчаков Л.М. Введение в теорию технологических процессов. – Ростов н / Д: Изд. Ростовского ун-та, 1988.

5. К.Фаррелл и др. Промышленная политика // Бизнес дик. 1993. - №1. - с.14-20.

6. Струмилин С.Г. Проблемы экономии труда. Избр. произв. Т.3. М.: Наука, 1964. - 327 сс.

7. Петров Н.И. О производительности труда. М.: Знание, 1991. - 64 сс. (Новое в жизни, науке, техники. Сер. "Техника", N2).

8. Дворцин М.Д., Юсим В.Н. Технодинамика: основы теории формирования и развития технологических систем. М.: Междунар. фонд истории науки "Дикси", 1993 - 320 сс.

9. В.Б.Каган. Теоретические основы типовых процессов химической технологии, Л.: Химия, 1977, 560.

10. А.Г.Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии. 9-ое изд., перераб. И доп. - М.: Химия, 1973.

11. Технология важнейших отраслей промышленности/ Под ред. А.М.Гинберга, Б.А.Хохлова. - М.: Высш. шк. 1975. - 496 с.

12. Основы технологии важнейших отраслей промышленности: В2 ч.: Учеб.пособие для вузов / Под.ред. И.В.Ченцова. –
2-е изд., перераб. И доп. – Мн.: Выш.шк.,1989. – 529с.

13. У.А.Маркау, П.Я.Вайцяхович. Прагрэсы i апараты хiмiчнай тэхналогi. Гiдрамеханiчная i механiчныя працэсы. - Мн.: БДТУ, 2002. - 302 с. М.В.Самойлов. Прогрессивные технологии промышленного производства.

14. Анчишкин А.И. Наука-техника-экономика. - М.: Экономика, 1989. - 383 сс.

15. Князев В.Н. Человек и технология. - Киев: Лыбидь, 1990, - 175 с.

16. Научно-технический прогресс и будущее человечества: Обзор журнала “Futurist”. - М., 1988. - 29 с.

17. Максименков А.В. Научно-технический прогресс и развитие экономики. - М.: Знание, 1989. - 64 с.

18. Оголева Л.Н., Радиколовский В.М. Роль прогрессивной технологии в интенсификации производства: Учебное пособие. - М., 1989. - 75 с.

19. Скотт П. Промышленные роботы - переворот в производстве. - М.: Экономика, 1987. - 303 с., ил.

20. Биотехнология - принципы и применение. - М.: Мир, 1988. - 133 с., ил.

21. Информатика в технологии. Сб. ст./ Под ред. Фролова К.В. - М.: Знание, 1987. - 71 с.

22. Принципиально новые технологии // Сб. Новое в жизни, науке, технике. Сер. Техника. - 1990. - N 6. - с. 64.

23. Техника новых технологий // Сб. Новое в жизни, науке, технике. Сер. Техника. - 1989. - N 5. - с. 64.

24. Новые технологии в промышленности: Текст лекций. - Л.: ЛФЭИ, 1989. - 52 с., ил.

Учебное издание