Традиційні та прогресивні технологічні процеси

Вступ

Тема реферату «Традиційні та прогресивні технологічні процеси».

Мета реферату — ознайомитися з традиційними та прогресивними технологічними процесами, а саме з:

— високотемпературними процесами;

— каталітичними процесами;

— електрохімічними процесами;

— біохімічними процесами;

— фотохімічними процесами;

— радіаційно-хімічними процесами;

— ультразвуковими процесами;

— лазерними процесами;

— електронно-променевими процесами;

— плазмовими процесами та їх техніко-економічними показниками.

1. Високотемпературні процеси

Високотемпературними називають такі процеси, котрі відбуваються в режимі підвищеної температури. Ці процеси є найдавнішими. Більшість високотемпературних процесів відбувається при температурах понад 900 °C. Проте є такі, що мають значно нижчі температури перебігу, але їх відносять до високотемпературних, оскільки температура є головним чинником інтенсифікації цих процесів (перегонка нафти, деревини, напівкоксування та ін.). Регулювання температурного режиму — найбільш універсальний засіб підвищення швидкості процесу і продуктивності обладнання. Високотемпературні процеси дуже поширені. їх використовують у металургійній, хімічній, машинобудівній галузях, у промисловості будівельних матеріалів.

Хоча підвищення температури позитивно впливає на хід хіміко-технологічного процесу, але на практиці застосування високих температур для інтенсифікації процесів часто обмежують. При цьому враховують як технічні, так і економічні фактори: швидке досягнення рівноваги екзотермічних реакцій, утворення побічних продуктів, термічна нестійкість матеріалів, апаратів, продуктів реакцій, значні витрати і втрати енергії тощо. Іноді підвищення температури є шкідливим — рідкі матеріали випаровуються, тверді спікаються.

Техніко-економічні показники. Високотемпературні процеси доступні, легкі в управлінні, універсальні. Для їх здійснення використовують печі різних конструкцій. Це апарати, в яких виділення і використання тепла суміщено зі здійсненням певного технологічного процесу. Печі здебільшого мають просту будову, автоматизоване управління, механізоване (автоматизоване) завантаження сировини і виділення готового продукту, стійку роботу протягом визначеного часу.

З розвитком науки і техніки, з появою нових видів впливу на речовину та нових методів інтенсифікації технологічних процесів (тиск, каталіз, ультразвук, плазма, електронний промінь, світловий промінь та ін.) високотемпературні процеси поступаються більш прогресивним або їх доповнюють дією таких чинників, як лазер, плазма, ультразвук тощо.

2. Каталітичні процеси

Каталітичними називають процеси, для здійснення яких використовують каталізатори — речовини, що збільшують швидкість хімічних реакцій і при цьому залишаються незмінними. Каталізатор — найефективніший, іноді єдиний засіб пришвидшення хімічних реакцій.

Каталітичні процеси є дуже перспективними. У хімічній промисловості та суміжних з нею галузях більше 90% нових технологій становлять каталітичні процеси, виробляються десятки тисяч найменувань промислової продукції (неорганічні кислоти, аміак, мономери для синтезу полімерів, органічні кислоти, спирти, альдегіди та ін.). Каталіз широко застосовують при виробництві лікарських речовин, миючих засобів, пального для двигунів, жирів. Щораз ширше каталіз застосовують для охорони навколишнього середовища.

Важливою рисою каталізатора є його вибіркова дія, тобто здатність впливати на швидкість одних реакцій і не впливати на інші. Можна вибірково здійснювати каталіз.

Каталізатори поділяють на тверді, рідкі та газоподібні. До твердих належать метали (платина, срібло, хром, мідь тощо) та їх оксиди (оксид алюмінію, ванадію, заліза, кремнію тощо). їх використовують найчастіше у вигляді таблеток, гранул, зерен. Рідкі каталізатори (луги, кислоти) використовують менше, газоподібні - дуже рідко.

Залежно від агрегатного стану каталізатора та реагуючих речовин каталітичні процеси поділяють на гомогенні, гетерогенні та мікрогетерогенні. Чітких границь між цими процесами немає, суть їх однакова. Якщо один з продуктів реакції є для даної реакції каталізатором, процес називається автокатолітичним. Апаратами для каталітичних процесів є башти, контактні апарати, колони, реактори.

Техніко-економічні показники.

Каталітичні процеси переважно безперервні, безвідходні, малоенергомісткі, високопродуктивні. Забезпечують високу якість продукції. Апарати для каталітичних процесів прості за будовою і легкі в управлінні, їх можна легко автоматизувати. Каталітичні процеси не мають обмежень у використанні. При використанні дорогих каталізаторів (платина, оксиди хрому, титану, ванадію та ін.) підвищується собівартість кінцевого продукту що є їх недоліком.

3. Електрохімічні процеси

Електрохімічні процеси протікають під впливом постійного електричного струму. При цьому відбувається перетворення електричної енергії в хімічну або хімічної в електричну без проміжного перетворення на теплоту.

Прикладом електрохімічного процесу є електроліз — хімічний процес розкладу електроліту і виділення на електродах продуктів реакції. Для проходження процесу електролізу потрібен електроліт, електролізер і електроди. Через електроліт проходить постійний електричний струм від позитивного електрода (анода) до негативного (катода). На аноді відбуваються реакції окислення, на катоді - відновлення. Електролітом можуть бути розчини і розплави.

Залежність між кількістю речовини, що виділяється на електродах при електролізі, та кількістю електричного струму, що пройшов через електроліт, визначається двома законами Фарадея:

1. Кількість речовини, що виділяється на електродах, прямо пропорційна кількості електрики, що пройшла через електроліт.

2. При проходженні однакової кількості електрики через різні електроліти, кількість речовин, що виділяються на електродах прямо пропорційна хімічним еквівалентам цих речовин.

Електрохімічні процеси почали широко використовувати у другій половині XIX ст. Сфери їх застосування сьогодні доволі широкі. Це хімічна промисловість, металургійна, обробка металів і сплавів, нові прогресивні технології.

Техніко-економічні показники.

Електрохімічні процеси дають змогу отримувати дуже чисті продукти, цінні побічні продукти, краще використати сировину. їм характерні прості технологічні схеми. Часто тільки такі методи можуть забезпечити отримання спеціальних покрить, виробів у вигляді копій з відповідних матриць. Разом з тим, ці процеси дорогі, енергомісткі, вимагають великих витрат на створення джерел отримання енергії.

Критеріями раціонального використання електричної енергії в процесі електролізу є вихід за струмом та енергією.

4. Біохімічні процеси

Біохімічними називають процеси, що відбуваються в живих клітинах під дією окремих мікроорганізмів. Виробництво промислової продукції з використанням біохімічних процесів — це біотехнології. Такі технології застосовують у харчовій, хімічній, гірничорудній, фармацевтичній промисловості, при очищенні стічних вод тощо. За допомогою біотехнологій отримують спирти, вина, пиво, кисломолочні продукти, кормові дріжджі, кормові біомаси, медичні дріжджі, ацетон, органічні кислоти, амінокислоти, мікробіологічні засоби захисту рослин, вітаміни, антибіотики. Є перспективи застосування цих технологій у кольоровій металургії. Використання цих процесів є одним із напрямків науково-технологічного розвитку. Біохімічні процеси здебільшого каталітичні. Каталізаторами тут є ферменти, гормони, вітаміни. Ферментами називають білкові речовини, що прискорюють життєво важливі хімічні реакції в клітинах організмів.

Технологічний процес мікробіологічного синтезу проходить декілька стадій таких, як:

— приготування і стерилізація живильного середовища;

— зберігання мікроорганізмів та їх розмноження в лабораторії;

— отримання мікроорганізмів (посівного матеріалу) в цеху чистої культури;

— ферментація;

— виділення, пакування і зберігання продукції.

Техніко-економічні показники.

Біохімічні процеси високопродуктивні, малоенергомісткі, не потребують складного обладнання, високих температур, високого тиску. Для біохімічних процесів є достатня кількість сировини — нафта, природний газ, нафтопродукти, відходи різних галузей. За рахунок цього знижується собівартість одержаної продукції. Підбираючи мікроорганізми, можна розширювати асортимент продукції, поліпшувати її якість.

5. Фотохімічні процеси

Фотохімічними називають процеси, що відбуваються під дією світла або спричинюються ним. Молекула речовини при поглинанні кванта світла переходить в активний стан, а згодом вступає в хімічну реакцію. Продукти фотохімічної (первинної) реакції дуже часто беруть участь в різних вторинних реакціях, що завершуються утворенням кінцевих продуктів.

Фотохімічні процеси відбуваються у природі, їх використовують для отримання промислової продукції. Фотохімічні процеси можна прискорювати за допомогою каталізаторів. Ними можна керувати.

В кожній фотохімічній реакції розрізняють три стадії:

— поглинання світла і перехід молекул в електронно-активний стан;

— первинні фотохімічні реакції з участю активних молекул та утворення первинних фотохімічних продуктів;

— вторинні реакції речовин, утворених у первинному процесі. Фотохімічні процеси умовно поділяють на три групи:

1. Процеси, що після поглинання реагентами світлового імпульсу відбуваються самохіть.

2. Процеси, для здійснення котрих необхідне безперервне надходження світлової енергії до реагентів.

3. Фотокаталітичні процеси. Коли світло поглинається каталізатором, що прискорює процес. Каталізаторами можуть бути метали або їх оксиди.

Сфери застосування фотохімічних процесів різноманітні. Це фотохімічні реактори, сонячні фотосинтетичні установки, отримання рельєфних зображень для мікроелектроніки, друковані форми для поліграфії, хімічна промисловість (процеси хлорування вуглеводнів, бромування та ін.), фотографія тощо.

Техніко-економічні показники.

Фотохімічні процеси високопродуктивні, малоенергомісткі, ними просто керувати (регулювати швидкість реакції), їх можна легко автоматизувати. Вони забезпечують отримання високоякісної продукції. Останнім часом значно розширилися сфери їх використання. Це перспективні технологічні процеси.

6. Радіаційно-хімічні процеси

Радіаційно-хімічні - процеси, в яких для активізації атомів, молекул, радикалів використовують іонізуюче випромінювання. Здатністю іонізувати речовину володіють: рентгенівські промені, гамма-промені, альфаі бета-частинки, уламки ядер, утворені при реакціях поділу, прискорені заряджені частинки.

Іще в 1899 р. П. Кюрі і М. Склодовська-Кюрі в одній зі статей писали про перетворення кисню на озон під дією променів радію. Пізніше було помічено, що вода під виливом цих променів розкладається на водень і кисень, причому одночасно утворюється перекис водню. Звичайне скло в місцях дотикання до препарату радію темніє і покривається сіткою мікротріщин.

Іонізуючі випромінювання сприяють переходу менш стійких кристалічних алотропних модифікацій в більш стійкі. Так білий фосфор при опроміненні перетворюється на червоний, біле олово — на сіре, на поверхні алмазу утворюються лусочки графіту. Молекули багатьох газів розпадаються на складові елементи. І навпаки, дія іонізуючого випромінювання на суміш простих речовин часто веде до утворення складних молекул.

Радіаційно-хімічні процеси умовно поділяють на три стадії. На першій, фізичній, стадії швидка заряджена частинка або фотон стикається з молекулами середовища і передає їм свою надлишкову енергію, через що молекули переходять в активний стан. На другій, фізико-хімічній, стадії активні молекули розпадаються або взаємодіють з іншими молекулами, передаючи їм надлишкову енергію. У результаті цих процесів утворюються іони, окремі атоми та вільні радикали, що мають високу реакційну здатність. На третій, хімічній, стадії іони, атоми, радикали взаємодіють між собою і з молекулами, що їх оточують. Утворюються кінцеві продукти радіаційно-хімічної реакції. Всі три стадії проходять за мільйонні долі секунди. Для іонізації використовують генератори випромінювань.

За допомогою таких процесів проводять полімеризацію, зшивання полімерів, синтез високомолекулярних сполук (хлорування, окислення, сульфохлорування), радіаційне очищення стічних вод, газів, побутових і промислових відходів, діагностику та лікування у медицині.

Перспективними джерелами гамма-випромінювань вважають радіаційні контури при ядерних реакторах. На ядерних реакторах одночасно з виробленням електричної енергії отримують плівкові напівпроникні мембрани. Водночас слід пам’ятати, що при експлуатації ядерних реакторів потрібно дотримуватись правил техніки безпеки й охорони праці.

Техніко-економічні показники.

Радіаційно-хімічні процеси є перспективними, прогресивними процесами. їх можна здійснювати при низьких температурах, без каталізаторів, одержуються чисті продукти, є можливість хімічного приєднання до поверхні різних речовин органічних полімерів, ними можна керувати, регулювати їх швидкість. їх недоліки такі: необхідність дотримання особливих правил техніки безпеки та потрібне захоронення радіоактивних.

7. Ультразвукові процеси

Ультразвук — це пружні механічні коливання та хвилі з частотою вище 20 кГц, які не сприймає людське вухо. Вони можуть відбиватися від перепон, їх можна фокусувати.

Для генерування ультразвукових коливань використовують різні пристрої. Вони є двох типів: механічні й електромеханічні. Найбільш поширені електромеханічні.

Ультразвуковими називають методи обробки, при яких оброблювана зона перебуває під впливом пружних механічних коливань великої частоти.

Застосування ультразвуку дуже різноманітне. Ультразвукові методи застосовують у фізиці твердого тіла, напівпровідників, при вивченні речовин, у гідроакустиці, для контролю, вимірювань, обробки матеріалів, зварювання, в металургії (можна регулювати, наприклад, процес кристалізації). Ультразвукову кавітацію широко застосовують для очищення від забруднень як дрібних (прилади, годинники, електронна техніка), так і великих виробів і деталей. Ультразвук дає змогу обробляти крихкі матеріали (скло, кераміку, дорогоцінні камені), а також деталі складної конфігурації. Його широко використовують у біології (мікромасаж тканин), медицині (для діагностики, терапевтичного лікування).

Техніко-економічні показники.

Ультразвукові процеси високопродуктивні, легкокеровані, доступні, забезпечують високі якісні характеристики. Використання ультразвуку позитивно впливає на хід технологічних процесів. В окремих галузях застосування ультразвуку належить до енергозберігаючих технологій. Сфера їх використання постійно розширюється.

8. Лазерні процеси

Світлопроменева обробка ґрунтується на тепловій дії світлового променя високої енергії на оброблювану поверхню. Світловий промінь за допомогою лінзи фокусують у маленьку точку. Щоб при цьому одержати велику питому потужність, світло повинно мати три властивості: бути одноколірним (монохроматичним), доволі інтенсивним і розповсюджуватися паралельно. Жодне зі звичайних джерел світла не має цих трьох властивостей.

У 1960 р. створено лазер — джерело світла, що володіє всіма цими властивостями. Лазером називають квантовий генератор оптичного випромінювання. Сильний світловий промінь, проходячи через спеціальний оптичний пристрій, фокусується на потрібній поверхні. У зоні його дії виникають температури в декілька тисяч градусів і високий тиск. Концентрація енергії дуже велика, тому матеріал швидко розплавлюється і випаровується.

Лазерні процеси використовують у металообробці, для обробки скла, тугоплавких матеріалів, у зварюванні, біології, медицині, для передачі інформації, у телебаченні, спектроскопії, для синтезу нових матеріалів, виготовлення мікросхем та ін. Лазерній обробці піддаються найрізноманітніші матеріали: скло, кераміка, металеві, тверді сплави, коштовні камені, пластмаса, гума тощо.

Техніко-економічні показники.

У лазерних процесах відсутня механічна дія на вироби, що дає можливість обробляти дуже малі і тонкі вироби, крихкі матеріали, можна керувати температурою в зоні дії променя. Це високопродуктивні та повністю автоматизовані процеси, що забезпечують високу якість виробів і вдосконалення їх властивостей, поліпшують умови праці та культуру виробництва.

9. Електронно-променеві процеси

Електронний промінь як і світловий, має корисні для технологій властивості. Потрапляючи на оброблюваний матеріал, він у місці дії розігріває його до температури 6000 °C (температура поверхні Сонця) і миттєво випаровує, утворюючи отвір або заглибину. Сучасна техніка дає змогу регулювати щільність випромінювання електронів, а відповідно, і температуру нагріву матеріалу. Дуже важливим є те, що дія електронного променя не супроводжується надмірними навантаженнями на виріб. Це має особливо важливе значення при обробці крихких і твердих матеріалів (скла, кварцу, твердих сплавів, алмазу та ін.).

Електронний промінь отримують в електронній гарматі, котра генерує пучок електронів, а далі за допомогою лінз його фокусують на потрібній поверхні.

Техніко-економічні показники.

Електронним променем можна обробляти тугоплавкі та хімічно активні метали і сплави, зварювати, виготовляти тонкі плівки, сітки із фольги. Електронно-променеві процеси високопродуктивні, високоточні, забезпечують високу якість обробки і структуру виробів, їх можна регулювати у широких межах швидкості. Усі вони автоматизовані. Електронний промінь можна використовувати для найрізноманітніших процесів. Однак ці процеси дорогі, адже для їх здійснення потрібен вакуум.

10. Плазмові процеси

Плазма — частково або повністю іонізований газ, що містить позитивно та негативно заряджені частинки, кількість яких в ній майже однакова. Через те плазма є речовиною електронейтральною. При сильному нагріванні будь-яка речовина випаровується, перетворюється на газ. Якщо температуру збільшувати і далі, різко посилиться процес термічної іонізації, тобто молекули газу розпадатимуться на атоми, що згодом перетворюються на іони. Процес іонізації може бути викликаний взаємодією газу з електромагнітним випромінюванням (фотоіонізація) або через бомбардування газу зарядженими частинками. Плазма активно взаємодіє з магнітним полем, яскраво світиться, є електропровідною. Відношення числа іонізованих атомів до їх повного числа в одиниці об'єму плазми називають ступенем іонізації (а). Залежно від величини ступеня іонізації розрізняють слабо, сильно і повністю іонізовану плазму.

Плазма може бути низькотемпературною (Т = 10³-10^5оС) та високотемпературною (Т = 10⁶-10^8оС). Цей умовний поділ пов’язаний як з можливістю плазми досягати дуже високих температур, так і з важливістю високотемпературної плазми для термоядерного синтезу. Низькотемпературну плазму ширше застосовують у технологічних процесах. її отримують у спеціальних плазмотронах.

Плазму використовують для синтезу органічних і неорганічних сполук, переробки хлорорганічних відходів, при отриманні металобетонів, для вирощування монокристалів, виробництва дрібнодисперсних порошків, нанесення різноманітних покриттів на вироби, у металообробці, зварюванні та ін.

В Україні створено простий, легкий, ефективний і надійний водяний плазмовий інструмент, для зварювання та застосування в інших процесах (Мультіплаз — 2500).

Техніко-економічні показники.

Плазмові процеси високопродуктивні та швидкісні. Високі швидкості плазмових процесів сприяють зменшенню розмірів плазмотронів. Плазмові процеси дають можливість вести обробки при дуже високих температурах, що неможливо при інших процесах. З використанням плазмових процесів знижуються вимоги до якості сировини (плазма малочутлива до домішок). Плазмові процеси дуже перспективні. їх застосовують там, де неможливо використати інші технології.

Недоліки плазми — плазмові головки вимагають використання додаткового обладнання для їх охолодження під час роботи. Існує також екологічна небезпека — виділення шкідливих домішок.

Висновок

В процесі написання реферату ми ознайомилися з високотемпературними процесами, каталітичними процесами, електрохімічними процесами, біохімічними процесами, фотохімічними процесами, радіаційно-хімічними процесами, ультразвуковими процесами, лазерними процесами, електронно-променевими процесами і плазмовими процесами та їх техніко-економічними показниками, порівняння та сферу використання.

Література

1. Колотило Д. М. Системи технологій і екологія промисловості - К., НМКВО, 1992 — 143 с.

2. Основы технологии важнейших отраслей промышленности. Ч. I, II/ Под ред. И. В. Ченцова — Минск, Вышейшая шк., 1989

3. Технологічні процеси галузей промисловості: Навч. посіб. / За ред. Д. М. Колотила, А. Т. Соколовського — К, КНЕУ, 2008 — 372 с.