Прогрессивные химико-технологические процессы

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Химическая промышленность дает народному хозяйству огромное количество продуктов, без которых  невозможна жизнь современного общества. Сюда входят моторные топлива, масла, горючие газы, кислоты, смолы, волокна, лаки, краски и т.д.

Важнейшая задача химической технологии - отыскание оптимальных условий для экономически целесообразного осуществления химической реакции в виде технологического процесса. Химико-технологический процесс - это процесс получения целевого продукта начиная с этапа подготовки сырья и заканчивая выделением этого целевого продукта.

Тема контрольной работы актуальна, так как химико-технологические  процессы занимают важное место в  народном хозяйстве страны, а так  же их роль очень велика в создании энерго-, трудо- и ресурсосберегающих технологий в современном мире. Целью работы стало изучение понятия химико-технологического процесса и влияние прогрессивных химико-технологических процессов на развитие современного общества. Для достижения цели были поставлены такие задачи, как изучение содержания химико-технологических процессов и их классификации, а так же исследование различных видов прогрессивных химико-технологических процессов и областей использования данных процессов для понимания их роли народном хозяйстве.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ПОНЯТИЕ  О ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ

 

Химическая технология - это научная основа химической промышленности.

Под технологией в широком  значении понимают научное описание методов и средств производства в какой-то отрасли промышленности. Т. е. - это обоснованная последовательность операций или действий, приводящих к достижению поставленной цели.

Химическая технология - это наука о наиболее экономичных и экологически обоснованных методах химической переработки исходного сырья в предмет потребления и средства производства.

Химико-технологический процесс складывается из трех стадий:

- подвод реагентов в зону реакции при помощи абсорбции, адсорбции, конденсации паров, плавлением, растворением и др. (осуществляется, как правило, с использованием физических процессов (механических, гидромеханических, тепловых, массообменных));

- химические реакции - основа процесса (в ходе этого происходит глубокое изменение структуры, состава и свойств веществ, участвующих в нем);

- отвод продуктов из зоны реакции за счет диффузии или перевода вещества из одной фазы в другую. Стадия выделения целевого продукта для большинства химических производств является необходимой. Технологический процесс, в котором достигается абсолютная селективность и 100% -ный выход целевого продукта, просто экономически невыгоден. Возрастают расходные коэффициенты, энергетические затраты, вследствие чего стоимость продукта резко возрастает, и тогда товар теряет своего потребителя.¹

 

 

1. Классификация химико-технологических  процессов

По способу  организации химико-технологические  процессы могут быть периодическими, непрерывными и комбинированными. При  этом комбинированные процессы могут  характеризоваться непрерывным  поступлением сырья и периодическим  отводом продукта или наоборот.

По кратности  обработки сырья различают процессы с открытой, закрытой (циркуляционной) и комбинированной схемами. В процессах с закрытой схемой требуется неоднократный возврат непрореагировавшего сырья в зону химического взаимодействия до того момента, как оно превратится в конечный продукт.

По виду используемого  сырья химико-технологические процессы условно подразделяют на процессы, использующие минеральное сырье  или сырье животного, растительного  происхождения.

По агрегатному состоянию  веществ, участвующих в химической реакции, различают гомогенные и  гетерогенные химико-технологические  процессы.

Гомогенными процессами называют такие, в которых все реагирующие  вещества находятся в одной какой-нибудь фазе: газовой (г), твердой (т), жидкой (ж). В этих процессах реакция обычно протекает быстрее. В целом, механизм всего технологического процесса в гомогенных системах проще, соответственно проще и управление процессом. По этой причине на практике часто стремятся к гомогенным процессам, т.е. переводят реагирующие компоненты в какую-либо одну фазу.

В гетерогенных процессах  участвуют вещества, находящиеся  в разных состояниях (фазах), т.е. в двух и трех фазах.

К гетерогенным процессам  относятся, например, горение (окисление) твердых веществ и жидкостей, растворение металлов в кислотах и щелочах и др.

По тепловому эффекту  химической реакции различают экзотермические  и эндотермические процессы.

Химические процессы, которые протекают с выделением теплоты, называются экзотермическими.

Химические процессы, протекающие  с поглощением теплоты, называются эндотермическими. Количество выделяемой или поглощаемой при этом теплоты  называют тепловым эффектом процесса (теплотой процесса).

По направлению протекания химико-технологические процессы подразделяют на обратимые и необратимые.

Теоретически все химические реакции обратимы. В зависимости  от условий они могут протекать  как в прямом, так и в обратном направлениях.

В необратимых процессах  равновесие в реакциях полностью  смещается в сторону продуктов  реакции, а обратная реакция, как  правило, не протекает.

Во всех обратимых процессах  устанавливается равновесие, при  котором скорости прямого и обратного  процессов уравниваются, в результате чего соотношение между компонентами во взаимодействующих системах остаются неизменными до тех пор, пока не изменятся  условия протекания процесса.

В зависимости от типа основной реакции химико-технологические  процессы подразделяют на процессы разложения (диссоциации), нейтрализации, замещения, обмена, окисления, восстановления, присоединения (синтеза).

Процессы разложения, наиболее характерные для технологии органических веществ, сопровождаются образованием более простых, чем исходное сырье  веществ. Процессы нейтрализации между  веществом, имеющим свойства кислоты  и веществом, имеющим свойства основания, приводят к образованию веществ, теряющих характерные свойства обоих  соединений. Процессы присоединения  сопровождаются синтезом более сложных по сравнению с исходными веществами.

По условиям протекания химико-технологические  процессы подразделяют на электрохимические, каталитические, фотохимические, радиационно-химические.

Эти процессы сходны с каталитическими по механизму ускорения химических реакций, которые с участием соответствующих возбудителей идут по иному пути, чем в их отсутствие. Возбудителями служат световые излучения (фотохимические процессы), ионизирующие излучения высокой энергии (радиационно-химические процессы) и биохимические катализаторы - ферменты микроорганизмов.²

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ПРОГРЕССИВНЫЕ  ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

 

К прогрессивным химико-технологическим процессам относятся биохимические, радиационно-химические, фотохимические и плазмохимические процессы.

 

2.1. Биохимические процессы

Применение  биохимических процессов в химической технологии имеет особенно большое  будущее. В живой природе под  действием высокоактивных биологических  катализаторов - ферментов и гормонов - происходят всевозможные биохимические  и каталитические реакции. Они происходят в атмосферных условиях (без повышения  температуры, давления) с высоким  выходом.

Техническая микробиология изучает новые  биохимические методы производства самых разнообразных химических продуктов. Уже сейчас осуществлены на практике микробиологические синтезы  антибиотиков, витаминов, гормонов. Особенно важное значение имеет использование  биохимических методов для синтезе пищевых продуктов, в частности белков. Известно, что в мире ощущается недостаток белковых продуктов, и одним из основных путей расширения пищевых ресурсов является реализация производства белков биохимическими методами с помощью микроорганизмов. В промышленности давно используются следующие биохимические процессы - биологический синтез белковых кормовых дрожжей, различные формы брожения с получением спиртов и кислот, биологическая очистка сточных вод и т.п. 

В настоящее  время применяется синтез различных  белковых материалов в промышленных масштабах народного хозяйства, в основном микробиологическим синтезом, ферментными системами микроорганизмов, а также промышленное использование  микробиологического синтеза белков из легких масел, нормальных парафинов, метанола, этанола, уксусной кислоты  и других органических соединений, получаемых преимущественно из нефти. Используя для микробиологического синтеза всего 4 % современной мировой добычи нефти, можно обеспечить белковый рацион 4 млрд. человек, т. е. почти все население земного шара. 

С помощью  некоторых бактерий, усваивающих  водород, можно вовлечь в реакцию  кислород и атмосферный диоксид  углерода, при этом получить формальдегид и воду. Таким образом, бактерии синтезируют  очень нужный химической промышленности формальдегид и очищают воздух от двуокиси углерода. Кроме того, сами бактерии могут быть использованы для производства кормов, так как наполовину состоят из полноценного белка.  
Микробиологические процессы широко применяются в гидролизной промышленности при сбраживании сахаристых веществ в получении спиртов, виноделии, изготовлении кормовых дрожжей, в сыроварении, при обработке кож и т.п. 

Биохимические процессы используются также для  извлечения белков и углеводов из травы, древесных и сельскохозяйственных отходов, изготовления искусственной  пищи из водорослей (таких, как хлорелла), синтеза пищевых масел, сахаров, жиров.

 

2.2. Радиационно-химические  процессы

Радиационно-химические процессы происходят при действии ионизирующих излучений высокой энергии - электромагнитных излучений (рентгеновское излучение, a-излучение) и заряженных частиц высокой энергии (ускоренные электроны, b- и a- частицы, нейтроны). При облучении реагирующих веществ сначала происходит столкновение заряженных частиц с молекулами веществ с образованием нестабильных активированных молекул; последние распадаются на атомы или взаимодействуют с невозбужденными молекулами, образуя ионы и свободные радикалы, которые, взаимодействуя друг с другом или с непревращенными молекулами, образуют конечные продукты. Радиационно-химические процессы протекают с высокой скоростью, так как энергия активации резко снижается по сравнению с реакциями неактивированных молекул, энергетический барьер радиационно-химических реакций невелик (около 20 - 30 кДж/моль), поэтому радиационно-химические процессы могут осуществляться при относительно низких температурах. 

В промышленности применяют многие реакции промышленного  синтеза - галогенирования, сульфирования, окисления, присоединения по двойной  связи и др. Большое значение радиационные методы имеют в технологии высокомолекулярных соединений, особенно в целях повышения  механической прочности и термической  стойкости полимеров путем «сшивания» макромолекул. В настоящее время  применяется процесс радиационной вулканизации каучука; разработаны  радиационно-химические методы производства прочных и термостойких изделий  из полимеров (пленки, трубы, кабельная  изоляция и др.). 

 

2.3. Фотохимические  процессы

Фотохимические реакции  происходят в природе и сравнительно давно используются промышленностью. Фотохимическими называются реакции, вызываемые и ускоряемые действием  света. Их элементарный механизм состоит  в активации молекул при поглощении фотонов. Большинство промышленных фотохимических реакций происходит по цепному механизму, т. е. молекулы, поглотившие фотон, диссоциируют, и активированные атомы или группы атомов служат инициаторами вторичных реакций. По такому типу протекают галогенирование углеводородов и других веществ, синтез полистирола, сульфохлорирование парафинов и т. п. Природный фотосинтез требует непрерывного подвода световой энергии. Синтез углеводородов из диоксида углерода воздуха совершается под действием солнечного света, поглощаемого пигментом растений - хлорофиллом (аналог гемоглобина крови). Квант лучистой энергии, поступая в реакционную смесь при ее облучении, является «активной частицей», передающей свою энергию для возбуждения атомов и молекул. Величина кванта энергии должна быть соответствующей энергии активации, это определяется длиной волны излучения. Так, например, известно, что фотобумагу проявляют при красном свете, так как длина волны красного излучения большая, и квант энергии недостаточен для возбуждения реакции разложения бромида серебра. 

Механизм фотохимических реакций может быть различен. Реакция возможна, но идет с очень малой скоростью. Под действием излучения концентрация активных частиц увеличивается, реакция переходит в режим цепных и идет самопроизвольно с увеличивающейся скоростью. Например, смесь H 2 и Cl 2 может сохранятся очень долго, но при ультрафиолетовом облучении она реагирует со взрывом. Для реакций этого типа квантовый выход очень высокий. Квантовый выход - это отношение числа полученных молекул к числу поглощенных квантов энергии j. Реакция невозможна без дополнительного поступления энергии в систему. Если эта энергия поступает в виде излучения, то квантовый выход близок или равен единице (фотосинтез в растениях). 

Квантовый выход может  быть и меньше единицы, если кванты лучистой энергии расходуются на побочные процессы. Примером применения фотохимических процессов в машиностроении и приборостроении является фототравление, когда под действием ультрафиолетового  излучения ускоряется процесс растворения  металла или полупроводника в  тонком слое травителя. 

При фотокаталитических процессах фотоны поглощаются не регентами, а катализаторами, ускоряющими химическую реакцию, то есть реакция ускоряется в результате суммарного действия катализатора и световой энергии. 

 

2.4. Плазмохимические  процессы