книги из ГПНТБ / Пинаев Г.Ф. Основы теории химико-технологических процессов учеб. пособие

Всесторонний анализ тенденций технического прогресса даже ло одному производству или по одной группе аппаратов требует ознакомления с большим количеством научно-техни­ ческой литературы. Поэтому технический прогресс невозмо­ жен без хорошо поставленной службы информации на пред­ приятиях, а химик-технолог должен уметь пользоваться на­ учно-технической информацией в своей повседневной работе. Однако было бы неправильным ориентироваться лишь на ре­ зультаты работ, выполненных на других предприятиях, так как информация о новых процессах обычно появляется после их внедрения и со значительным опозданием. Очевидно, каж­ дое химическое предприятие само должно в содружестве с научными и проектными организациями проводить исследо­ вания, направленные на усовершенствование производствен­ ных процессов. Наиболее простой путь таких усовершен­ ствований состоит в улучшении конструкций основных и вспо­ могательных аппаратов за счет более продуманной компонов­ ки узлов и деталей, применения новых коррозионно-стойких и жаропрочных материалов, повышения качества покрытий и герметизации аппаратуры. Если эти направления уже исчер­ паны, то дальнейшие технические усовершенствования произ­ водств оказываются невозможными без установления новых фактов, новых взаимосвязей между технологическими пара­ метрами одного или различных технологических аппаратов, а следовательно, без проведения научных исследований работы отдельных аппаратов или отдельных групп аппаратов. Очевид­ но, технолог должен владеть научными методами производст­ венного эксперимента.

Важная тенденция химической технологии — повышение концентрацию основного вещества в сырье и продукции и уменьшение содержания примесей. Эта тенденция проявля­ ется в широком распространении процессов обогащения руд, процессов разделения сложных примесей и тонкой очистки веществ. Так, обогащению подвергают апатитовую руду и получают апатитовый концентрат, обогащение применяют при получении серного колчедана, элементарной серы, при пере­ работке природных солей. В некоторых случаях одно лишь обогащение ископаемого сырья позволяет получить продукт, пригодный для непосредственного применения в народном хо­ зяйстве. Примером такого процесса является получение хло­ ристого калия путем флотационного обогащения сильвинитовой руды. Полученный флотоконцентрат непосредственно ис­ пользуется как удобрение.

Разделение веществ и их очистка достигаются с помощью дистилляции и ректификации, газо-жидкостной хроматогра­ фии, -применением адсорбентов (активных углей, силико-алю- могелей и цеолитов), ионитов (катеонитов, анионитов). В

320

последнее время широкое распространение получают экстрак­ ционные процессы. Экстракционные, адсорбционные и ионо­ обменные методы нашли применение в производствах органи­ ческих и неорганических веществ ,и особенно в процессах химической переработки ядерных материалов и выделения редких элементов. Непрерывно совершенствуются и такие традиционные методы разделения, как дистилляция и ректи­ фикация, широко применяется дистилляция в вакууме, моле­ кулярная дистилляция и т. д.

При разработке новых технологических процессов химиче­ ской промышленности широко используют физико-химические воздействия на процессы химической технологии. Поскольку увеличение температуры ускоряет большинство реакций, важ­ нейшей тенденцией химической технологии является разра­

и загрузки сырья, выгрузки продукции и герметизации высо­ котемпературного аппарата, методов утилизации теплоты на­ гретых продуктов.

Не имея возможности детально анализировать пути ре­ шения сформулированных задач, отметим, что наиболее вы­ сокие температуры могут быть достигнуты лишь при исполь­ зовании электрического тока, и примером этого служат плазмохимические процессы. Применение плазмы позволяет достичь температур от нескольких тысяч до десятков миллио­

буемой температуры внутри аппарата при применении плаз­ мы, так как не существует материалов, которые сохраняли бы механическую прочность при температурах выше 4000— 5000°С. Очевидно, изотермические условия невозможно реали­ зовать в плазмохимичеоком реакторе, и сохранить металли­ ческие детали в іплазмохимическом реакторе (плазмотроне) можно только при применении мощного охлаждения — обыч­ но водяного (рис. XIII . 1) . Таким образом, значительная часть тепла плазмы используется не по назначению и теряется с охлаждающей средой.

Способы загрузки сырья, выгрузки продуктов и герметиза­ ции плазмотрона не представляют принципиальных трудно­ стей, так как загрузочные и герметизирующие устройства можно вынести из зоны непосредственного воздействия плаз­ мы. Утилизация теплоты нагретых в струе плазмы продуктов производится путем смешения потока продуктов с холодным

потоком — .воздухом или иным газом, водой. При этом повы­ шение температуры охлаждающего лотока составляет лишь несколько процентов от требуемой температуры плазмы, т. е.

энергетическая цен­ ность утилизированно­ го тепла по сравнению с теплотой самой плаз­ менной струи сравни­ тельно невелика.

ческих реакций является повышенное давление. Воздействие повышенного давления сводится к увеличению мольно-объем- ной концентрации газообразных веществ, изменению термоди­ намических и кинетических характеристик реакций.

В производстве осуществляются процессы синтеза аммиа­ ка при давлениях 800—1000 ат, полиэтилена при давлениях 1500 ат и другие технологические процессы. Повышение дав­ ления до 4000—5000 ат интенсифицирует реакцию синтеза аммиака настолько, что каталитической способности поверх-

322

ности стенок стального реакционного сосуда достаточно для того, чтобы реакция протекала без дополнительно введен­ ного катализатора. При высоких и сверхвысоких давлениях удается осуществить процессы, невозможные при низких дав­ лениях. В частности, триумфом техники высоких давлений явилось осуществление синтеза алмазов Б промышленных условиях.

В некоторых случаях достаточно, чтобы высокое давление

ции и т. д. Импульс высокого давления можно получить так­ же при электрогидравличеоком ударе. Своеобразным приемом ускорения реакций в твердой фазе при действии высокого давления является сочетание статического давления со сдви­ говой деформацией образца. В таких условиях при давлении в несколько десятков килобар многие вещества ведут себя совершенно необычно: сахар разлагается со взрывом, белый фенолфталеин превращается в красный, каучук — в роговид­ ную плотную массу, Cu2 S образуется из элементов, a Ві2 0з разлагается на элементы.

Важнейшее направление в совершенствовании производств представляет применение катализаторов. Хотя число извест­ ных катализаторов велико, их список непрерывно растет. Осо­ бенно эффективны биокатализаторы, или ферменты. Хотя основная сфера применения биокатализаторов — это техно­ логия лекарственных и пищевых веществ, некоторые из них могут найти применение и в других областях химии.

С каждым годом все большее распространение получают технологические микробиологические процессы, особенно в изготовлении антибиотиков и лекарственных препаратов. Микробиологические методы имеют перспективы и в техноло­

зовой среде. Однако известны добавки, ускоряющие твердо­ фазные реакции и реакции в многофазных системах. Посколь­ ку указанные добавки расходуются, то их, строго говоря, нельзя называть катализаторами. Их роль особенно велика в технологии огнеупорных и сверхтвердых материалов. Так,

ного расширения. При нагревании поликристаллические изде­ лия из такой двуокиси циркония растрескиваются. Добавка окиси кальция (до 10%) стабилизирует кубическую модифи­ кацию двуокиси циркония, не обладающую анизотропией ко­ эффициентов теплового расширения. Другой пример успеш­ ного применения добавок — использование никеля в синтезе алмазов.

Хотя такие факторы интенсификации химических реакций, как высокие температура и давление, повышение концентра­ ции реактантов и применение катализаторов, в настоящее в;ремя еще не исчерпали своих возможностей, имеется тенден­ ция к использованию новых физических, химических и меха­ нических воздействий на химическую реакцию. Так, добавле­ ние веществ, генерирующих свободные радикалы, сильно ускоряет цепные реакции. Аналогичного эффекта можно до­ стичь в случае применения радиоактивных излучений, ультра­ фиолетового, видимого и инфракрасного светового излучения, особенно лазерного, ультразвукового воздействия, воздейст­ вия взрыва, искрового, дугового и тихого электрических раз­ рядов. Все эти процессы имеют большие перспективы в про­ мышленности.

§XIII.3. Кибернетические методы

вхимическом производстве

Кибернетический подход к современному (производству, или кибернетизация производства, состоит в рассмотрении реального производства как функциональной системы, допу­ скающей математическое моделирование каждой его стадии в отдельности и всего производства ів целом. Только при та­ ком подходе задачи оптимизации производства ставятся на научную основу. Кибернетизация предполагает широкое при­ менение вычислительных машин и на стадиях составления математических моделей производства, и на стадиях сравни­ тельной оценки различных вариантов с целью выбора из них оптимального.

По мере оптимизации основных производственных процес­ сов и снижения затрат на их осуществление возрастает доля затрат тех стадий, которые еще не «подвергались оптимизации. Поэтому последовательное использование принципа опти­ мальности не может не коснуться всех стадий производства, всех основных и вспомогательных операций. Задача услож­ няется, если номенклатура изделий предприятия непрерывно зависит от спроса или от поступления заказов, так как в этом случае оптимизация возможна лишь при правильном прогнозировании динамики поступления заказов, или конъ­ юнктуры.

324

Размещение заказов, распределение загрузки отдельных цехов и установок относится к функциям управления произ­ водством. Применение кибернетики в управлении производ­ ством требует:

1) механизации всех вычислительных работ — операций начисления зарплаты, составления графиков, расписаний, составления картотек, учета запасов, учета заказов, обработ­ ки сводок, анкет и т. д.;

2)машинной переработки и оперативного использования информации о текущем состоянии производства (загружен­ ность каждого аппарата, запасы и состав сырья, состав всех входных и выходных потоков, технологические параметры в основных аппаратах и т. д.) ;

3)оптимизации структуры управления и производства; оп­ тимизации строительства новых цехов и расширения производ­ ства, ремонта оборудования и т. д.

Оптимизация производства обычно требует выполнения научных исследований либо с целью экспериментального отыскания оптимальных условий осуществления процессов,,

Обе эти задачи требуют проведения экспериментов на дей­ ствующем оборудовании. Известно, что такие эксперименты, как правило, стоят дорого, и программу исследования нужно спланировать таким образам, чтобы обойтись минимальным числом испытаний. Научное планирование экспериментов так­ же относится к одной из задач кибернетики и основывается на применении принципов математической статистики и ва­ риационного исчисления.

Ветвью кибернетики является бионика, цель которой — моделирование и перенесение биологических механизмов в технику. Так, например, сигарообразная форма тела акул и дельфинов оптимальна для тел, движущихся в воде. Де­ тальное изучение кинематики движения рыб и морских жи­ вотных позволило сделать ряд важных научных открытий, которые впоследствии были применены в конструировании подводных лодок и т. д.

В живых организмах осуществляются сложнейшие физио­ логические и биохимические процессы. Избирательность и эффективность биокатализаторов поразительна. Так, синтез аммиака в промышленности осуществляется при температуре около 500°С и давлении около 400 ат. Между тем клубенько­ вые бактерии усваивают атмосферный азот при температуре около 20°С и при атмосферном давлении. Это явление навело химиков на мысль о возможности подбора катализаторов, обеспечивающих при атмосферном давлении и низких темпе­ ратурах возможность фиксации азота. Такие катализаторы

325.

ЛИТЕРАТУРА

327

329.