ОХТ(шпоры). УКлассификация технологических процессов механические и химические технологии промышленность неорганических веществ промышадность органических веществ (включая производство и переработку пищевых продуктов)
 Скачать 3.28 Mb.
|
|
Плазмотехнические технологии. Классификация. Примеры. При сильном нагревании любого вещества наступает термическая ионизация, когда молекулы газа начинают разлагаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы. Таким образом, плазма — это частично или полностью ионизированный газ, содержащий заряженные частицы (свободные электроны и газовые ионы). Температура является мощным фактором интенсификации химических процессов, поэтому можно ожидать, что в будущем, по мере совершенствования техники получения высоких температур, плазменные процессы будут находить широкое практическое применение. Плазму условно разделяют на низкотемпературную (Т=103— 105 К) и высокотемпературную (Т= 106—108 К). Свойства высокотемпературной плазмы в настоящее время интенсивно исследуются, а промышленные методы ее получения только разрабатываются. Методы получения низкотемпературной плазмы достаточно разработаны, такая плазма уже используется в промышленности для получения отдельных хи мических продуктов. Плазменные реакторы, в которых осуществляются химические процессы, состоят из трех основных элементов; плазмотрона, реактора и закалочного устройства. В плазмотроне образуется плазма, т. е. поток ионизированного газа (Аr, Не, N2 и др.) при высокой температуре, с помощью дугового, высокочастотного или другого способа. Плазма пени ионизации водорода от направляется в реактор, куда подают также исходные реагенты. Из реактора реакционная смесь направляется в закалочное устройство, в котором обеспечивается настолько быстрое охлаждение смеси (ее закалка), что целевая реакция не успевает пройти в обратном направлении, т. е. в сторону образования исходных реагентов.   Высокие скорости плазмохимических процессов (их продолжительность составляет 10-2—10-5 с) позволяют уменьшить размеры промышленной аппаратуры. Например, для осуществления плазмохимического пиролиза метана плазменный реактор производительностью 25000 т/год должен иметь диаметр 15 см и длину 65 см. Плазмохимические процессы легко управляемы; они хорошо моделируются и оптимизируются. В промышленном и полупромышленном масштабах реализованы многие плазмохимические процессы: получение ацетилена и технического водорода из природного газа; получение ацетилена, этилена и водорода из углеводородов нефти; производство синтез-газа для получения винилхлорида; получение пигментной двуокиси титана и других продуктов химической промышленности. Рассмотрим в качестве примера плазменный метод получения азотной кислоты на основе атмосферного азота. Существующие методы производства азотной кислоты окислением аммиака являются громоздкими и связаны с затратой природного газа ценного углеводородного сырья, мировые запасы которого ограничены. Между тем окружающий нас воздух содержит азот и кислород, из которых состоит молекула окиси азота. Поэтому процесс получения окиси азота из воздуха с последующей переработкой ее в азотную кислоту давно привлекает внимание исследователей. Степень окисления азота по реакции  может достигать достаточной для практических целей величины при температуре выше 3000 К. Для промышленных целей важное значение имеет скорость достижения равновесия, так как этим определяется интенсивность процесса. Для рассматриваемой реакции эта скорость резко возрастает при увеличении температуры. Одна из возможных схем получения окиси азота следующая. Атмосферный воздух, сжатый в компрессоре, подогревается в теплообменнике до 1500—1700 К и поступает в плазменную печь. Полученный нитрозный газ при 3000—3300 К проходит далее в смеситель, где смешивается с циркулирующим нитрозным газом, охлаждается до 1700—1900 К и далее поступает в теплообменник. Здесь газ отдает тепло поступающему воздуху, охлаждается до 1100 К и затем подается в газовую турбину. Часть газа после турбины идет на абсорбцию, а остальное количество компрессором подается в систему в качестве циркуляционного газа. При получении окиси азота из аммиака общие затраты энергии на производство аммиака и окиси азота составляют около 8 МВт*ч*т-1. Ожидается, что при прямом синтезе окиси азота под давлением 3 МПа, затраты энергии будут также около 8 МВт*ч*т-1, что позволяет сравнивать этот метод с аммиачным. Однако, есть все основания ожидать, что при дальнейшем усовершенствовании метод прямого синтеза будет экономичнее аммиачного за счет более полного использования тепла отходящих газов и интенсификации процесса (при температуре выше 3000 К реакция протекает практически мгновенно).
При воздействии на вещества ионизирующих излучений высоких энергий происходят различные химические превращения. Использование этого явления для совершенствования ХТП имеет большое практическое значение, так как в технике получения мощных излучений за последние годы имеются существенные достижения и эта область усиленно развивается. Таким образом, есть все основания ожидать, что радиационно-химические процессы имеют большое будущее. Ионизирующей способностью обладают как электромагнитные излучения (рентгеновские лучи, γ-лучи и др.), так и заряженные частицы (электроны, протоны и др.). Процессы, протекающие при облучении вещества, разделяются на три основные стадии. На первой, физической, стадии происходит столкновение заряженной частицы с молекулами вещества, в результате чего химическая энергия частицы передается молекулам, что приводит к изменению их энергетического состояния. При этом возникает большое число «активированных» молекул, нестабильных в состоянии возбуждения. Вторая стадия состоит в распадении возбужденных (нестабильных) молекул либо во взаимодействии их с другими молекулами. В результате образуются ионы, атомы и радикалы, т. е. промежуточные активные частицы. На третьей стадии, образовавшиеся активные частицы вступают в химическое взаимодействие с другими окружающими молекулами или друг с другом с образованием конечных химических про дуктов. Реакции активных частиц с молекулами отличаются от реакции невозбужденных молекул друг с другом. Для того чтобы невозбужденные молекулы вступили во взаимодействие, им необходимо сообщить некоторую избыточную энергию ε (энергию активации), что достигается, например, повышением температуры. Реакции радикалов с молекулами требуют преодоления относительно небольшого энергетического барьера (20—40 кДж-моль-1). В результате этого радиационно-химические реакции протекают с большой ско ростью даже при низкой температуре; в отличие от обычных химических реакций скорость радиационных процессов мало зависит от температуры. Радиационно-химический процесс характеризуется радиационным выходомG, равным числу превратившихся (или образовавшихся) молекул вещества на 100 эВ поглощенной энергии. Для обычных реакций выходG составляет от 1 до 20 молекул. При этом энергия расходуется непосредственно на осуществление процесса взаимодействия. Такие процессы имеют ограниченное применение, поскольку требуют больших затрат энергии. В цепных радиационно-химических процессах электромагнитное излучение играет роль инициатора, поэтому радиационный коэффициент достигает большой величины(G— 103—106). Среди процессов, в которых излучение инициирует протекание не цепных реакций, практическое осуществление нашли радиационно-химические процессы сшивания отдельных макромолекул при облучения высокомолекулярных соединений. Так, например, в результате сшивания поли этилена повышается его термостойкость и прочность, а для каучука обеспечивается его вулканизация. На этой основе разработано радиационно-химическое производство упрочненных и термостойких полимерных пленок, труб, кабельной изоляции, процесс вулканизации резино-технических изделий и др. К числу интенсивно излучаемых и практически осуществляемых цепных радиационно-химические процессов относятся различные процессы полимеризации, а также синтеза ряда низкомолекулярных соединений. Важное практическое значение приобрели ра диационные методы отверждения связующих (полиэфиры и др.); в производстве стеклопластиков и при нанесении лакокрасочных покрытий на металлические, деревянные и пластмассовые изделия. Большой интерес представляют также радиационно-химические процессы модифицирования простых материалов (древесины, бетона, торфа и т. д.) путем пропитки их мономерами (метилметакрилатом, стиролом и др.) и последующей поляризацией этих мономеров с помощью γ-излучения. Для разработки и внедрения в промышленность экономичных радиационно-химических процессов возникла радиационно-химическая технология, а также радиационно-химическое аппаратуростроение, в разработку теоретических основ которых вложен ог ромный труд советских ученых.
В природе под воздействием микроорганизмов, а также в присутствии различных природных катализаторов протекают всевозможные биохимические процессы, многие из которых еще до сих пор не изучены и которые не удается воспроизвести в искусствен ных условиях. Характерным для биохимических процессов является то, что многие из них протекают при атмосферных условиях с очень высоким коэффициентом полезного действия. В микробиологии - науке о деятельности микроорганизмов - недавно возникло новое направление - техническая микробиология, в которой рассматривается химическое поведение микробов и возможность использования их деятельности в химической про мышленности и в различных отраслях техники. Сейчас техническая микробиология только начинает развиваться, но уже с самого начала перед ней открываются огромные возможности, которые трудно переоценить. С помощью микроорганизмов можно с большой экономией труда и средств производить самые разнообразные продукты. Продуктивность микробиологического синтеза не зависит от географического размещения предприятия, от почвы и климатических условий. Все процессы протекают с минимальным расходом энергии при атмосферном давлении и комнатной температуре. Применение микроорганизмов удешевляет и упрощает производство. Расчеты показывают, что при воспроизведении лабораторных экспериментов в промышленных условиях бактерии способны в течение нескольких десятков дней выдать «на-гора» несколько сот тысяч тонн продуктов. За последние годы из стадии лабораторных исследований переданы производству микробиологические процессы, в том числе синтез антибиотиков, витамина B12, аминокислот, гормонов и других биологически активных веществ. Сейчас в мире не хватает белковых продуктов, и одним из наиболее реальных путей восполнения этого является организация производства белков с помощью микроорганизмов. На основе исследований, проведенных учеными различных стран, были разра ботаны промышленные биохимические методы получения белка. В настоящее время работают заводы, выпускающие ценный кормовой продукт (используется на птицефабриках) из парафиновой фракции нефти, получаемый с помощью бактерий. На животновод ческих фермах применяются биологические корма, содержащие более 15% микробного белка. Весьма перспективным сырьем для получения кормового белка является метан. В нашей стране, богатой природным газом, этот процесс представляет особенно большой интерес. Области применения биохимических процессов в промышленности весьма разнообразны: от сбраживания углеводородов, получения спиртов и кислот — первого этапа технической микробиологии — до развитой микробиологической промышленности витами нов и ферментов, ферментативных катализаторов и др. В последние годы стали известны бактериологические способы окисления серы до сернистого ангидрида и серной кислоты. Такие процессы уже находят практическое применение, например для очистки нефти и нефтепродуктов от серы. Бактерии перерабаты вают присутствующую в нефтепродуктах серу в сернистый ангидрид, легко удаляемый затем из очищаемых продуктов. Существуют также бактерии, способствующие восстановлению сернистого ангидрида, сульфатов и других серосодержащих продуктов до элементарной серы. Особый практический интерес представляют результаты промышленных опытов по бактериологиче скому превращению сернистых соединений, содержащихся в производственных сточных водах, в элементарную серу (в этом случае одновременно с получением серы достигается очистка, сточных вод), а также по разработке микробиологического выщелачивания металлов: алюминия, золота, кадмия, кобальта, меди, мышьяка, никеля, олова, рения, селена, титана, урана, цинка из минералов. Еще несколько лет тому назад казалась фантастической даже сама идея применения микроорганизмов в качестве активных «производителей» металлов, А сегодня химическая деятельность этих «невидимых металлургов» начинает находить широкое применение. Полнее всего разработан метод микробиологического выщелачивания меди из различных минералов, в которых медь соединена с серой. Медь вымывается из руды раствором, содержащим сульфат окиси железа, серную кислоту и тионовые бактерии. В резуль тате деятельности бактерий и действия сульфата окиси железа, находящихся в растворе, руда выщелачивается, при этом образуются серная кислота и медный купорос, переходящий в раствор. Этот раствор поступает в цементационную установку, где находятся куски железа. Происходит обменная реакция и образуется сульфат закиси железа, а чистая медь выпадает в осадок. На одном из рудников построена промышленная установка по бактериальной добыче меди. Бактериальный раствор, подаваемый по трубопроводу в скважину, окисляет металл, и он переходит в раствор, который откачивается на поверхность. Получаемый этим способом металл почти втрое дешевле меди, извлекаемой другими способами. Есть все основания ожидать, что будущее за биохимическим способом получения меди, который со временем позволит исключить доменные и медеплавильные печи. Очень интересными являются результаты исследований по разработке метода повышения производительности истощаемых нефтяных скважин. В скважину вводится суспензионный раствор, в состав которого входят микроорганизмы и питательная смесь для них. Попав в подземное нефтяное озеро, бактерии начинают быстро размножаться. В результате их жизнедеятельности вырабатывается большое количество газов, повышается давление и скважина оживает. Мир микробов пока еще изучен гораздо хуже мира животных и растений. Научный поиск полезных бактерий, в сущности, только начинается. Одной из важнейших проблем ближайшего будущего является поиск и направленное выделение микробов, обладающих высокой активностью. |