РАЗВИТИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ

Совершенствование химической техники направлено на повыше­ние производительности труда, улучшение качества готовой про­дукции и снижение ее себестоимости. Главные взаимосвязанные направления в развитии химической техники: 1) увеличение мощ­ностей химико-технологических систем (ХТС) и отдельных аппа­ратов путем повышения их размеров; 2) интенсификация работы аппаратов; 3) механизация трудоемких процессов; 4) комплексная автоматизация химико-технологических систем и отдельных аппа­ратов с применением управляющих электронно-вычислительных машин (ЭВМ); 5) замена периодических процессов непрерывны­ми; 6) снижение энергозатрат и максимальное использование теплоты химических реакций; 7) уменьшение числа стадий произ­водства и переход к замкнутым (циклическим) системам; 8) соз­дание безотходных производств.

Увеличение мощностейХТС и отдельных аппаратов приводит к соответствующему повышению их производительности и улучшению условий работы, как правило, без возрастания штата рабочих, обслуживающих данный аппарат. Производительность П измеряется количеством выработанного продукта или перерабо­танного сырья G за единицу времени t:

П = G/t.

Увеличение размеров и производительности аппаратов снижает капиталовложения и облегчает возможность автоматизации производства. Исходя из экономической эффективности непрерывно увеличивают мощность вновь устанавливаемых машин и аппара­тов. Например, мощность основных реакторов сернокислотного и аммиачного производства возросла за последние двадцать лет в 30 раз. Однако при чрезмерном возрастании масштабов отдельных установок и целых ХТС резко увеличиваются потери предприятия при аварийных остановках и плановых ремонтах. Поэтому во мно­гих отраслях дальнейшее повышение единичной мощности не ра­ционально.

Интенсификация работы аппаратов— повышение их производительности без увеличения размеров за счет улучше­ния режима работы. Интенсивностью работы аппарата I называютпроизводительность П, отнесенную к объему аппарата V или к площади его сечения S:

I = П/V

Интенсификация достигается двумя путями: 1) улучшением конструкцииаппаратов; 2) совершенствованием технологических процессовв аппаратах данного вида. Эти два пути тесно связаны междусобой. С улучшением конструкции аппарата интенсивность химического процесса повышается. Увеличению интенсивности способствуют повышение температуры, давления и концентрации реагирующихвеществ, усиление перемешивания компонентов, увели­чение поверхности соприкосновения между взаимодействующими веществами, применение катализаторов, а также механизация и автоматизация процессов.

Механизация— замена физического труда человека ма­шинным. Механизация закономерно повышает производительность труда за счет интенсификации работы аппаратуры и сокращения штата обслуживающего персонала. В большинстве химических производств основные операции уже механизированы.

Комплексная автоматизация— применение приборов, позволяющих осуществлять производственный процесс без непосредственного участия человека, а лишь под его контролем. Автоматизация — высшая степень механизации, позволяющая резко увеличить производительность труда и улучшить качество продук­ции. Наиболее эффективно в химической промышленности применение автоматизированных систем управления технологическим процес­сом целых производств сприменением управляющих ЭВМ.

Однако в некоторых случаях еще трудно или нерационально применять полную автоматизацию. Тогда используют дистанцион­ное управление. Дистанционное управление — это неполная авто­матизация, при которой регулирование режима процесса осущест­вляется человеком на расстоянии (например, с пульта управле­ния).

Замена периодических процессов непрерывными — характерное для химической промышленности направ­ление технического прогресса, тесно связанное синтенсификацией процессов, улучшениемкачества продукции и условий труда.

Периодическимназывается процесс, в котором порция сырья загружается в аппарат, проходит в нем ряд стадий обработ­ки и затем из аппарата выгружаются все образовавшиеся вещества. В период же загрузки и выгрузки аппарат простаивает. Механиза­ция и особенноавтоматизация этих операций затруднена, так как требуетпериодически действующих механизмов. Еще труднее автоматизировать периодические процессы, так как показатели режима,по которым производится автоматизация (температура, давление,концентрация веществ), меняются в течение всего пери­ода реакции. Периодические процессы сложны в обслуживании. Продолжительность цикла периодического производственного процесса всегда больше, чем непрерывного; энергетические затра­ты выше. Все эти причины и побуждают заменять периодические процессы непрерывными.

Непрерывными называются процессы, в которых посту­пление сырья и выпуск продукции происходят непрерывно (или систематическими порциями), в течение длительного времени. При этом нет простоев оборудования, производительность аппаратов выше. Во всех точках аппарата соблюдаются постоянные темпе­ратуры, концентрация веществ, давление и т. п., поэтому легко вести наблюдение за работой аппарата, механизировать загрузку сырья и выгрузку продукта, автоматизировать процесс. При этом, как правило, улучшается и качество продукции. Большинство химических производств уже работает непрерывно, оставшиеся периодические процессы постепенно заменяются непрерывными. Однако в настоящее время еще нельзя сразу все производства перевести на непрерывные; в одних случаях это ухудшает качест­во продукции, в других — еще не найдены средства рациональной автоматизации и механизации процессов, особенно на маломощных и малогабаритных установках.

Снижение энергозатрат и максимальное использование теплоты химических реакций — важное направление химической техники. В настоящее время химические реакторы в большинстве крупнотоннажных производств сочетаются с теплообменными эле­ментами, которые служат для нагрева исходных веществ до тем­пературы реакции с одновременным охлаждением продуктов пре­вращения или же для получения товарного водяного пара в кот­лах-утилизаторах за счет теплоты сильно экзотермических процессов. При этом теплообменники нередко имеют более сложное уст­ройство, чем собственно химические реакторы, и образуют вместе с реакторами знергохимический агрегат. Соответственно происхо­дит превращение химической технологии в энерготехнологию. Это тем более важно, что в настоящее время все острее и острее встает проблема обеспечения человечества дешевой, доступной и эффективно используемой энергией, поскольку традиционные ее источники (нефть, природный газ, уголь, древесина, торф и т. п.) расходуются быстрыми темпами и запасы этих источников уменьшаются гораздо быстрее, чем происходит естественное их воспол­нение. В связи с этим в химической технологии все больше ужесточается связь между энергетическим и технологическим оборудованием.Энерготехнологические схемы сейчас занимают главенствующую роль в производствах аммиака, серной и азотной кислот, метанола,цветных металлов, продуктов тяжелого органического синтеза и др.

Уменьшение числа стадий производства и пере­ход к замкнутым (циклическим) системам приводит к снижению затрат на капитальное строительство и уменьшению себестоимости продукции. Так, прямое окисление метана до формальдегида позволиттрехстадийный процесс заменить одностадийным. Переход к циклическим системам, например, в производстве серной кисло­ты с применением кислорода и повышенного давления позволит в 8 раза снизить число аппаратов в технологической схеме. При этом резко снизится количество диоксида серы в отходящих га­зах, т. е. одновременно решается и экологическая проблема. Сегодня пока еще не все многостадийные процессы могут быть переведены на одностадийные или циклические. Поиски в этом направлении составляют важное условие развития химической технологии.

Создание безотходных производств решает комплексно экологическую проблему и снижение себестоимости продукции благодаря полному использованию всех компонентов сырья. Одним из наиболее рациональных путей организации производств, приближающихся к безотходным, служит циркуляция реакционной смеси и теплоносителей (воздуха, воды) в отдельных процессах и реакторах, а в особенности создание циркуляционных химико-технологических систем (ХТС) целого
производства. Этой же цели служит кооперация чисто химических
производств с другими (например, металлургическими), позволяющая перерабатывать не используемые ранее компоненты сырья
в продукты, ценные для народного хозяйства. К безотходной тех­нологии можно приближаться, вводя в технологические схемы
специальные аппараты для очистки отходящих газов и сточных
вод. Этот путь пока наиболее распространен, но он, частично ре­шая проблему защиты окружающей среды, в большинстве производств приводит к повышению себестоимости целевого про­дукта.

Оценивая каждое из указанных направлений в развитии хими­ческой техники, необходимо отметить, что во многих случаях следует комплексно использовать их, дополняя совершенствова­нием организации и управления производством, расширением и углублением научных исследований в области химической техноло­гии, а также улучшением проектной деятельности соответствую­щих организаций.

Новым мощным средством повышения эффективности ряда производств следует считать внедрение атомной техники, плазмен­ной и лазерной технологии, использование фотохимических, радиационно-химических и биохимических процессов.

Применение атомной энергии позволит получить недостижимые ранее температуры в сотни тысяч градусов и преж­де всего низкотемпературную плазму (1000—10 000 К).

Использование плазмохимических процессов дает возможность осуществить эндотермические превращения, равновесие которых сильно смещено в сторону заданных целевых продуктов лишь при очень высокой температуре (10³—10⁴ К). К таким процессам относятся: прямой синтез NO; получение ацети­лена из метана и бензина; прямой синтез дициана; получение циа­нистого водорода из азота и углеводородов; синтезы разнообраз­ных соединений фтора и т. п.

Лазерная техника позволит синтезировать твердые тела с тонко направленной кристаллической структурой и заданными свойствами, в том числе катализаторы, полупроводники, молеку­лярные сита, адсорбенты и т. п.

Фотохимические реакции, вызываемые или ускоряемые действием световой энергии, происходят как в природе, так и в промышленности. Хлорирование и бромирование углеводородов, синтез полистирола, сульфохлорирование парафинов, а также фо­тосинтез полистирола, сульфохлорирование парафинов, а также фотосинтез с помощью хлорофилла относятся к разряду таких процессов.

Радиационно-химические реакции, происходящие при воздействии ионизирующих излучений высокой энергии, поз­волят интенсифицировать химико-технологический процесс, про­водить синтез органических соединений, осуществляемых пока только в природе (различные белковые препараты, ферментатив­ные вещества и др.), или существенно улучшить структуру промыш­ленных материалов (например, шин, пластических масс, биопо­лимерных структур и т. п.).

Биохимическая технология занимает особое место, поскольку живая клетка обладает высокоактивными, тонкоселек­тивными биологическими катализаторами, по своей эффективно­сти при низких (нормальных природных) температурах, несрав­ненно превышающими катализаторы, используемые в химических производствах. Биологическими катализаторами являются синте­зируемые в организмах ферменты (или энзимы) и гормоны, а также поступающие в клетки извне витамины.

В настоящее время из биологических процессов промышлен­ность использует в производстве различные формы брожения с получением спиртов, ацетона, органических кислот, биологический синтез белковых кормовых дрожжей, биологическую очистку сточных вод, бактериальное кучное выщелачивание забалансовых руд ряда цветных металлов и т. п. Все эти процессы идут с участием различных микроорганизмов и, как правило, с низкой ско­ростью и потому не являются в достаточной степени эффективными. Однако умелое производственное применение катализа, осу­ществляемого в живой природе, позволило бы перестроить по-новому целые отрасли химической промышленности и расширить пищевые ресурсы. В перспективе использования биохимических процессов находятся проблемы фиксации атмосферного азота, синтеза белков и жиров, использование диоксида углерода для органического синтеза. Рациональное осуществление этих процес­сов позволило бы решить важнейшую проблему жизнеобеспечения человечества путем получения высококалорийных продуктов пита­ния, создания кормовой базы на промышленной основе, получения соответствующих высокоэффективных лекарственных препаратов и средств борьбы с вредителями сельского хозяйства.

В заключение скажем о самом современном направлении в химической технологии – нанотехнологии. Нанотехнологии - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Поэтому переход от «микро» к «нано» - это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления: изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов; разработка и изготовление наномашин; манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов. Разработки по этим направлениям ведутся уже давно. В 1981 году был создан туннельный микроскоп, позволяющий переносить отдельные атомы. Туннельный эффект - квантовое явление проникновения микрочастицы из одной классически доступной области движения в другую, отделённую от первой потенциальным барьером. Основой изобретенного микроскопа является очень острая игла, скользящая над исследуемой поверхностью с зазором менее одного нанометра. При этом электроны с острия иглы туннелируют через этот зазор в подложку.

Перечислим важнейшие направления исследований в нанохимии:

- разработка методов сборки крупных молекул из атомов с помощью наноманипуляторов;

- изучение внутримолекулярных перегруппировок атомов при механических, электрических и магнитных воздействиях. Синтез наноструктур в потоках сверхкритической жидкости; разработка способов направленной сборки с образованием фрактальных, каркасных, трубчатых и столбчатых наноструктур.

- разработка теории физико-химической эволюции ультрадисперсных веществ и наноструктур; создание способов предотвращения химической деградации наноструктур.

- получение новых нанокатализаторов для химической и нефтехимической промышленности; изучение механизма каталитических реакций на нанокристаллах.

- изучение механизмов нанокристаллизации в пористых средах; синтез наноструктур в биологических тканях; разработка способов лечения болезней путем формирования наноструктур в тканях с патологией.

- исследование явления самоорганизации в коллективах нанокристаллов; поиск новых способов пролонгирования стабилизации наноструктур химическими модификаторами.

Ожидаемым результатом будет функциональный ряд машин, обеспечивающий:

- методологию изучения внутримолекулярных перегруппировок при локальных воздействиях на молекулы.

- новые катализаторы для химической промышленности и лабораторной практики;

- оксидно-редкоземельные и ванадиевые нанокатализаторы с широким спектром действия.

- методологию предотвращения химической деградации технических наноструктур;

- методики прогноза химической деградации.

- нанолекарства для терапии и хирургии, препараты на основе гидроксиапатита для стоматологии;

- способ лечения онкологических заболеваний путем проведения внутриопухолевой нанокристаллизации и наложения акустического поля.

- методы создания наноструктур путем направленного агрегирования нанокристаллов;

- методики регулирования пространственной организации наноструктур.

- новые химические сенсоры с ультрадисперсной активной фазой; методы увеличения чувствительности сенсоров химическим модифицированием.