Тема 6. Инновационные технологии в химии.

1. Принципы управления интенсивностью техпроцесса в химической технологии.

2. Инновационные технологии в производстве высокомолекулярных соединений.

3. Разработка автоматизированных систем управления химико-технологическими процессами.

4. Производство водорода из воды.

5. Технологии переработки и утилизации техногенных образований и отходов

1. Химическая технология — наука о наиболее экономичных и экологически целесообразных методах и средствах переработки сырых природных материалов в продукты потребления и промежуточные продукты.

Неорганическая химическая технология включает переработку минерального сырья (кроме металлических руд), получение кислот, щелочей, минеральных удобрений. Органическая химическая технология – переработку нефти, угля, природного газа и других горючих ископаемых, получение синтетических полимеров, красителей, лекарственных средств и других веществ.

Все процессы химической технологии разделяют в зависимости от общих кинетических закономерностей протекания процесса на пять основных групп: гидромеханические; тепловые; массобменные (или диффузионные) процессы; химические процессы; механические процессы.

По организационно-технической структуре процессы делятся на периодические и непрерывные.

2. Высокомолекулярные соединения являются основной составной частью большого числа конструкционных материалов, применение которых связано с, выполнением тех или иных механических функций. Такие материалы должны обладать высокой прочностью, эластичностью, твердостью, и в этом отношении с высокомолекулярными соединениями могут соперничать лишь металлы.

Только немногие отрасли промышленности перерабатывают высокомолекулярные природные материалы без применений каких-либо химико-технологических процессов, методами чисто механической технологии. Такова, например, деревообделочная промышленность. Гораздо многочисленнее отрасли промышленности, где при переработке природных высокомолекулярных материалов сочетаются процессы механической и химической технологии. При этом, например, в производстве хлопчатобумажных, шерстяных и льняных текстильных волокон, натурального шелка, в меховой и кожевенной промышленности преобладают процессы механической технологии, однако для выпуска готового изделия необходимы и такие важные химико-технологические процессы, как крашение волокон, тканей, меха, окраска и дубление кожи и т. д. В целлюлозно-бумажной промышленности, частично в резиновой (на основе натурального каучука), в производстве эфироцеллюлозных и белковых пластических масс, кинопленки, искусственного волокна, наоборот, преобладают химикотехнологические процессы обработки.

Некоторые отрасли промышленности занимаются расщеплением природных высокомолекулярных веществ с целью получения ценных пищевых продуктов и технических низкомолекулярных материалов. Сюда относятся гидролизная промышленность (производство этилового спирта гидролизом древесины), крахмалопаточное, пивоваренное и другие производства, использующие процессы брожения.

С каждым годом возрастает производство синтетических полимеров, т.е. высокомолекулярных соединений, получаемых из низкомолекулярных исходных продуктов. Быстро развиваются такие отрасли промышленности, как промышленность пластических масс, синтетических волокон, синтетического каучука, лаков (лакокрасочная промышленность) и .клеев, электроизоляционных материалов и др. Промышленность пластических масс располагает в настоящее время большим количеством синтетических полимерных материалов с разнообразными свойствами. -Некоторые из них превосходят по химической стойкости золото и платину, сохраняют свои механические свойства при охлаждении до -50°С и при нагревании до +500°С. Другие не уступают по прочности металлам, а по твердости приближаются к алмазу. Из синтетических полимеров получают исключительно легкие и прочные строительные материалы, прекрасную электроизоляцию, непревзойденные материалы для химической аппаратуры. Резиновая промышленность располагает теперь материала ми, превосходящими по многим показателям .натуральный каучук, например газонепроницаемыми, устойчивыми к бензину и маслам, не теряющими эластических свойств при температуре от -80°С до +300°С. Новые синтетические волокна во много раз прочнее при родных, из них получаются красивые, несминаемые ткани, прекрасные искусственные меха. Технические ткани из синтетических волокон пригодны для фильтрования, кислот и щелочей.

К отраслям промышленности, использующим высокомолекулярные соединения, можно также отнести стекольную, керамическую, промышленность силикатных строительных материалов. Высокомолекулярные соединения используются в ракетной технике.

Разрыв любой связи в макромолекуле полимера приводит к образованию двух кинетически самостоятельных молекул и уменьшению вдвое средней величины молекулярного веса. В этом случае весовая доля низкомолекулярного соединения, принимающего участие в реакции, также очень мала.

3. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ химико-технологическими процессами, целенаправленное воздействие на них для достижения заданной цели функционирования как самих процессов, так и построенных на их основе химико-технол. систем и произ-в с использованием информации об их текущем и предшествующих состояниях. автоматизированное управление формируется и осуществляется без участия человека-оператора или при его участии в кач-ве звена в общей цепи управления, оценивающего альтернативные варианты решений, вырабатываемых системой управления. Согласно иерархии хим. произ-в, автоматизированное управление включает три уровня: 1) управление отдельными химико-технол. процессами и установками; 2) управление химико-технол. системами; 3) управление хим. произ-вом в целом. Все иерархич. уровни управления взаимосвязаны: снизу вверх, постепенно обогащаясь, поступает информация о состоянии объектов управления, сверху вниз - управляющие воздействия, приводящие всю систему в необходимое состояние. Каждому уровню отвечает решаемая по соответствующим критериям определенная задача управления: первому - стабилизация материальных и энергетич. потоков, второму - оптимизация технол. режимов группы взаимодействующих процессов и аппаратов, третьему - оптимизация технико-экономич. показателей произ-ва.

Локальные системы автоматического регулирования. автоматизированное управление химико-технол. процессами на первом уровне осуществляется с помощью локальных систем автоматического регулирования (САР). Локальные САР-осн. звенья автоматизир. системы управления (АСУ) хим. произ-вом, т. к. они непосредственно воздействуют на физ.-хим. процессы.

Регулирование представляет собой частный случай управления, при котором желаемое течение процесса достигается стабилизацией одной или нескольких физ. величин относительно заданных их значений (постоянных или переменных). Критерий управления в САР-точность поддержания заданных технол. параметров, обеспечивающих макс. эффективность процессов (напр., макс. съем продукции с единицы объема аппарата).

Локальные САР можно классифицировать по принципу регулирования, а также по функциональному и энергетич. признакам. В первом случае САР подразделяют на системы регулирования по отклонению регулируемого параметра (т-ра, давление. концентрация, расход, уровень и т.д.), компенсации возмущающего воздействия (изменение нагрузки, состава питания и др.) и комбинированные.

В зависимости от функционального назначения САР м. б. стабилизирующими, следящими и программными. Стабилизирующая САР служит для поддержания регулируемого параметра равным его заданному значению посредством компенсации возмущающих воздействий. Эти САР широко применяют для стабилизации заданных технол. параметров (напр., температуры в зоне хим. реакции). Назначение следящей САР-изменять регулируемый параметр, произвольно изменяя его заданное значение. Подобные САР используют при необходимости корректировать заданный режим процесса в соответствии с изменившимися условиями (напр., изменять подачу пара в куб ректификац. колонны при изменении кол-ва питания). Назначение программной САР-изменять регулируемый параметр согласно заранее известному закону изменения его заданного значения. Подобные системы применяют в осн. при управлении периодич. процессами (напр., для изменения теплового режима в реакторе). Несмотря на различие функционального назначения, САР имеют одинаковую структуру и расчет их базируется на одних и тех же теоретич. принципах.

В соответствии с классификацией по энергетич. признаку, т. е. в зависимости от вида энергии, используемой для передачи воздействий, применяют электрич. (электронные), пневматич. и гидравлич. системы регулирования. Стремление объединить преимущества различающиеся по энергетическому признаку систем стало причиной появления комбинированных САР: электропневматических, электрогидравлических и т.д. В подобных системах для выработки регулирующего воздействия можно применять электрич. энергию, а для перемещения регулирующего органа-пневматическую. При этом гибкость электронных схем используется при построении регу В соответствии с классификацией по энергетич. признаку, т. е. в зависимости от вида энергии, используемой для передачи воздействий, применяют электрич. (электронные), пневматич. и гидравлич. системы регулирования. Стремление объединить преимущества различающиеся по энергетическому признаку систем стало причиной появления комбинированных САР: электропневматических, электрогидравлических и т.д. В подобных системах для выработки регулирующего воздействия можно применять электрич. энергию, а для перемещения регулирующего органа-пневматическую. При этом гибкость электронных схем используется при построении регуляторов, располагаемых в диспетчерских, и сохраняются условия пожаро- и взрывобезопасности для регулирующих органов, которые размещают непосредственно в цехах.

4. Вопрос 4.Вплоть до конца XIX века получение водорода было делом достаточно хлопотным. Добывали его в мизерных количествах, растворяя обычные металлы в кислотах, а также щелочные и щелочноземельные в воде. Только после того, как электричество начали производить в промышленных масштабах, появилась возможность относительно легко добывать его тоннами с помощью электролиза. Выглядит электролитический процесс примерно так: в ванну с водой опускают два электрода, на одном — положительный потенциал, на другом — отрицательный. На плюсе в результате прохождения тока выделяется кислород, а на минусе — водород.

Наработав в достаточном количестве этот легкий газ, люди сначала приспособили его для воздушных полетов. В этом качестве первый элемент Таблицы Менделеева применяли вплоть до 1937 года, когда в воздухе сгорел крупнейший в мире, в два футбольных поля размером, заполненный водородом немецкий дирижабль «Гинденбург». Катастрофа унесла жизни 36 человек, и на таком использовании водорода был поставлен крест. С тех пор аэростаты заправляют исключительно гелием. Гелий — газ, увы, более плотный, но зато негорючий.

Американские исследователи утверждают, что им удалось разработать копеечный способ производства водорода из воды, который может использоваться для бытовых энергетических нужд.

Процесс представляет собой имитацию фотосинтеза: искусственный силиконовый «лист», покрытый специальным раствором кобальта и фосфатов, помещается в воду и при участии солнечного света отделяет от неё водород. Последний как раз и служит источником энергии. Эффективность подобной конвертации солнечной энергии превышает аналогичный показатель у фотоэлектрических батарей.

Способ разработан командой специалистов под руководством профессора Массачусетского технологического института (MIT) и основателя компании SunCatalytix Даниэля Носеры. Его описание представлено для публикации в журнале Science.

Сама по себе идея не нова, однако электролитические установки, расщепляющие молекулы воды, являются дорогими и требуют чистой жидкости. В системе г-на Носеры не важно, чистая вода или грязная.

Правда, учёным предстоит преодолеть ряд трудностей, включая удаление отработанных газов и создание установки, которая по размерам будет не больше холодильника. В 2012 году планируется сконструировать прототип, обеспечивающий ежедневные энергетические потребности небольшого частного дома за счёт «полутора бутылок воды любого качества». Г-н Носера надеется, что 3 млрд людей, нуждающихся в энергии, смогут удовлетворить свои потребности, если воспользуются его разработкой.

SunCatalytix уже заключила контракт с индийским промышленным консорциумом Tata Group, а также получила финансирование в размере $4 млн от агентства по инновациям Министерства энергетики США ARPA-E. Что ж, будем ждать работающего прототипа этого энергетического чуда.

5. Разработаны уникальные энергосберегающие безотходные технологии переработки отходов агропромышленного комплекса и упаковки пищевых продуктов с получением этанола, кормов, удобрений и гранулированного топлива.

За счёт использования новых машин специальной динамики воздействия на исходное сырьё позволяющих открывать растительные клетки и обеспечить доступ к белкам, углеводам, минеральным веществам, что способствует:

при выпуске этанола увеличить до 2 раз содержание сахара, который повышает выход готового продукта в 1,5—2 раза;

при производстве кормов превращать смолу, опилки в питательный корм для крупного рогатого скота и свиней;

при получении удобрений, за счёт минеральных составляющих, белков и сахара, повышается в 1,2—1,5 раза урожайность сельхозпродукции;

при использовании твёрдого отхода производства этанола для выпуска гранулированного топлива (брикетов) увеличивается их прочность в 2 раза и повышается теплотворная способность на 30%.

В сравнении с существующими традиционными технологиями, за счёт применения дробильно-измельчительного оборудования нового поколения, процессов механохимической активации, диспергации и гомогенизации с электромагнитным воздействием, имеет место снижение энергозатрат в 3—5 раз.

В России и за рубежом разработки с указанными преимуществами отсутствуют.

Природоохранные технологии, переработка и утилизация техногенных образований и отходов

Определение.

Обеспечение экологической безопасности природной среды и населения в рамках полного цикла производства продукции, хранения, транспортировки, переработки вторичного сырья, утилизации техногенных образований, уничтожении токсических отходов.

Назначение и материальная основа.

Разработанные природоохранные технологии по переработке и утилизации техногенных образований и отходов предназначены для обеспечения критериев экологической безопасности объектов окружающей среды и проведения экологического мониторинга состояния природной среды.

Материальную основу рассматриваемых технологий составят усовершенствованные и вновь разработанные физико-химические технологии утилизации и уничтожения техногенных отходов, а также средства и методы экологического контроля объектов окружающей среды.

Область применения.

Результаты по разработке технологии по утилизации и уничтожению техногенных отходов могут использоваться в следующих областях:

- на предприятиях химической промышленности;

- производствах полимерных и синтетических материалов;

- производствах по переработке отходов;

- предприятиях по производству удобрений, гербицидов и пестицидов;

- при решении проблем по химической и биологической безопасности природной среды и населения;

- на производствах по созданию средств и методов экологического контроля, приборов и аналитического оборудования;

- при решении задач по ликвидации техногенных и природных аварий и катастроф;

- проведении экологического мониторинга и прогноза состояния природной среды;

- уничтожении токсических отходов производства, пестицидов и удобрений.

Перечень выявленных территориальных проблем, при решении которых предлагается использовать технологии.

- Разработка технологий по утилизации и уничтожении токсических отходов промышленности.

- Решение проблемы по разработке технологий по уничтожению пестицидов, гербицидов и удобрений.

- Уничтожение отходов производства и потребления на территории Курской области.

- Разработка современных средств и методов экологического контроля и мониторинга природной среды.

- Создание региональной автоматизированной системы радиационной, химической и биологической безопасности окружающей среды и населения области.

- Развитие системы по метрологическому обеспечению технологий уничтожения и утилизации отходов.

- Разработка критериев экологической безопасности объектов окружающей среды и населения в местах хранения, транспортирования и уничтожения токсических отходов.

- Обучение специалистов и населения по обеспечению экологической безопасности в чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера.