Вступ
Тема реферату «Традиційні та прогресивні технологічніпроцеси».
Мета реферату – ознайомитися з традиційними та прогресивнимитехнологічними 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-економічнимипоказниками.
1.Високотемпературні процеси
Високотемпературними називають такі процеси, котрі відбуваютьсяв режимі підвищеної температури. Ці процеси є найдавнішими. Більшість високотемпературнихпроцесів відбувається при температурах понад 900 °С. Проте є такі, щомають значно нижчі температури перебігу, але їх відносять довисокотемпературних, оскільки температура є головним чинником інтенсифікаціїцих процесів (перегонка нафти, деревини, напівкоксування та ін.). Регулюваннятемпературного режиму – найбільш універсальний засіб підвищення швидкості процесу іпродуктивності обладнання. Високотемпературні процеси дуже поширені. їхвикористовують у металургійній, хімічній, машинобудівній галузях, упромисловості будівельних матеріалів.
Хоча підвищення температури позитивно впливає на хідхіміко-технологічного процесу, але на практиці застосування високих температурдля 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 підвищеннятемператури є шкідливим – рідкі матеріали випаровуються, тверді спікаються.
Техніко-економічніпоказники. Високотемпературні процеси доступні, легкі в управлінні,універсальні. Для їх здійснення використовують печі різних конструкцій. Цеапарати, в яких виділення і використання тепла суміщено зі здійсненням певноготехнологічного процесу. Печі здебільшого мають просту будову, автоматизованеуправління, механізоване (автоматизоване) завантаження сировини і виділенняготового продукту, стійку роботу протягом визначеного часу.
З розвитком науки і техніки, з появою нових видів впливу наречовину та нових методів інтенсифікації технологічних процесів (тиск, каталіз,ультразвук, плазма, електронний промінь, світловий промінь та ін.) високотемпературніпроцеси поступаються більш прогресивним або їх доповнюють дією таких чинників,як лазер, плазма, ультразвук тощо.
2. Каталітичні процеси
Каталітичними називають процеси, для здійснення якихвикористовують каталізатори – речовини, що збільшують швидкість хімічнихреакцій і при цьому залишаються незмінними. Каталізатор – найефективніший,іноді єдиний засіб пришвидшення хімічних реакцій.
Каталітичні процеси є дуже перспективними. У хімічнійпромисловості та суміжних з нею галузях більше 90% нових технологій становлятькаталітичні процеси, виробляються десятки тисяч найменувань промислової продукції(неорганічні кислоти, аміак, мономери для синтезу полімерів, органічні кислоти,спирти, альдегіди та ін.). Каталіз широко застосовують при виробництвілікарських речовин, миючих засобів, пального для двигунів, жирів. Щораз ширшекаталіз застосовують для охорони навколишнього середовища.
Важливою рисою каталізатора є його вибіркова дія, тобтоздатність впливати на швидкість одних реакцій і не впливати на інші. Можнавибірково здійснювати каталіз.
Каталізаториподіляють на тверді, рідкі та газоподібні. До твердих належать метали (платина,срібло, хром, мідь тощо) та їх оксиди (оксид алюмінію, ванадію, заліза, кремніютощо). їх використовують найчастіше у вигляді таблеток, гранул, зерен. Рідкікаталізатори (луги, кислоти) використовують менше, газоподібні – дуже рідко.
Залежно від агрегатного стану каталізатора та реагуючихречовин каталітичні процеси поділяють на гомогенні, гетерогенні тамікрогетерогенні. Чітких границь між цими процесами немає, суть їх однакова.Якщо один з продуктів реакції є для даної реакції каталізатором, процесназивається 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, їхможна легко автоматизувати. Каталітичні процеси не мають обмежень увикористанні. При використанні дорогих каталізаторів (платина, оксиди хрому,титану, ванадію та ін.) підвищується собівартість кінцевого продукту що є їхнедоліком.
3.Електрохімічні процеси
Електрохімічні процеси протікають під впливом постійногоелектричного струму. При цьому відбувається перетворення електричної енергії вхімічну або хімічної в електричну без проміжного перетворення на теплоту.
Прикладом електрохімічного процесу є електроліз – хімічнийпроцес розкладу електроліту і виділення на електродах продуктів реакції. Для проходженняпроцесу електролізу потрібен електроліт, електролізер і електроди. Черезелектроліт 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 наелектродах при електролізі, та кількістю електричного струму, що пройшов черезелектроліт, визначається двома законами Фарадея:
1. Кількість речовини, що виділяється на електродах, прямопропорційна кількості електрики, що пройшла через електроліт.
2.При проходженні однакової кількості електрики через різні електроліти,кількість речовин, що виділяються на електродах прямо пропорційна хімічнимеквівалентам цих речовин.
Електрохімічні процеси почали широко використовувати у другійполовині 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 чистіпродукти, цінні побічні продукти, краще використати сировину. їм характерніпрості технологічні схеми. Часто тільки такі методи можуть забезпечитиотримання спеціальних покрить, виробів у вигляді копій з відповідних матриць.Разом з тим, ці процеси дорогі, енергомісткі, вимагають великих витрат настворення джерел отримання енергії.
Критеріями раціонального використання електричної енергії впроцесі електролізу є вихід за струмом та енергією.
4. Біохімічні процеси
Біохімічними називають процеси, що відбуваються в живихклітинах під дією окремих мікроорганізмів. Виробництво промислової продукції звикористанням біохімічних процесів – це біотехнології. Такі технології застосовуютьу харчовій, хімічній, гірничорудній, фармацевтичній промисловості, при очищенністічних 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 кольоровійметалургії. Використання цих процесів є одним із напрямківнауково-технологічного розвитку. Біохімічні процеси здебільшого каталітичні.Каталізаторами тут є ферменти, гормони, вітаміни. Ферментами називають білковіречовини, що прискорюють життєво важливі хімічні реакції в клітинах організмів.
Технологічний процес мікробіологічного синтезу проходитьдекілька стадій таких, як:
– приготування і стерилізація живильного середовища;
– зберіганнямікроорганізмів та їх розмноження в лабораторії;
– отримання мікроорганізмів (посівного матеріалу) в цехучистої культури;
– ферментація;
– виділення, пакування і зберігання продукції.
Техніко-економічні показники.
Біохімічні процеси високопродуктивні, малоенергомісткі, непотребують складного обладнання, високих температур, високого тиску. Для біохімічнихпроцесів є достатня кількість сировини – нафта, природний газ, нафтопродукти, відходирізних галузей. За рахунок цього знижується собівартість одержаної продукції.Підбираючи мікроорганізми, можна розширювати асортимент продукції, поліпшуватиїї якість.
5. Фотохімічні процеси
Фотохімічними називають процеси, що відбуваються під дієюсвітла або спричинюються ним. Молекула речовини при поглинанні кванта світлапереходить в активний стан, а згодом вступає в хімічну реакцію. Продукти фотохімічної(первинної) реакції дуже часто беруть участь в різних вторинних реакціях, щозавершуються утворенням кінцевих продуктів.
Фотохімічні процеси відбуваються у природі, їх використовуютьдля отримання промислової продукції. Фотохімічні процеси можна прискорювати задопомогою каталізаторів. Ними можна керувати.
В кожній фотохімічній реакції розрізняють три стадії:
– поглинання світла і перехід молекул велектронно-активний стан;
– первинні фотохімічні реакції з участю активних молекулта утворення первинних фотохімічних продуктів;
– вторинні реакції речовин, утворених у первинномупроцесі. Фотохімічні процеси умовно поділяють на три групи:
1. Процеси, що після поглинання реагентами світлового імпульсу відбуваютьсясамохіть.
2. Процеси, дляздійснення котрих необхідне безперервне надходження світлової енергії дореагентів.
3. Фотокаталітичні процеси. Коли світло поглинається каталізатором,що прискорює процес. Каталізаторами можуть бути метали або їх оксиди.
Сфери застосування фотохімічних процесів різноманітні. Це фотохімічніреактори, сонячні фотосинтетичні установки, отримання рельєфних зображень длямікроелектроніки, друковані форми для поліграфії, хімічна промисловість(процеси хлорування вуглеводнів, бромування та ін.), фотографія тощо.
Техніко-економічні показники.
Фотохімічні процеси високопродуктивні, малоенергомісткі, нимипросто керувати (регулювати швидкість реакції), їх можна легко автоматизувати.Вони забезпечують отримання високоякісної продукції. Останнім часом значнорозширилися сфери їх використання. Це перспективні технологічні процеси.
6. Радіаційно-хімічні процеси
Радіаційно-хімічні – процеси, в яких для активізації атомів,молекул, радикалів використовують іонізуюче випромінювання. Здатністюіонізувати речовину володіють: рентгенівські промені, гамма-промені, альфа- ібета-частинки, уламки ядер, утворені при реакціях поділу, прискорені зарядженічастинки.
Іще в 1899 р. П. Кюрі і М. Склодовська-Кюрі в одній зістатей писали про перетворення кисню на озон під дією променів радію. Пізнішебуло помічено, що вода під виливом цих променів розкладається на водень ікисень, причому одночасно утворюється перекис водню. Звичайне скло в місцях дотиканнядо препарату радію темніє і покривається сіткою мікротріщин.
Іонізуючі випромінювання сприяють переходу менш стійкихкристалічних алотропних модифікацій в більш стійкі. Так білий фосфор при опроміненніперетворюється на червоний, біле олово – на сіре, на поверхні алмазу утворюютьсялусочки графіту. Молекули багатьох газів розпадаються на складові елементи. Інавпаки, дія іонізуючого випромінювання на суміш простих речовин часто веде доутворення складних молекул.
Радіаційно-хімічніпроцеси умовно поділяють на три стадії. На першій, фізичній, стадії швидказаряджена частинка або фотон стикається з молекулами середовища і передає їм своюнадлишкову енергію, через що молекули переходять в активний стан. На другій,фізико-хімічній, стадії активні молекули розпадаються або взаємодіють з іншимимолекулами, передаючи їм надлишкову енергію. У результаті цих процесівутворюються іони, окремі атоми та вільні радикали, що мають високу реакційнуздатність. На третій, хімічній, стадії іони, атоми, радикали взаємодіють міжсобою і з молекулами, що їх оточують. Утворюються кінцеві продуктирадіаційно-хімічної реакції. Всі три стадії проходять за мільйонні долісекунди. Для іонізації використовують генератори випромінювань.
За допомогою таких процесів проводять полімеризацію, зшиванняполімерів, синтез високомолекулярних сполук (хлорування, окислення, сульфохлорування),радіаційне очищення стічних вод, газів, побутових і промислових відходів,діагностику та лікування у медицині.
Перспективними джерелами гамма-випромінювань вважаютьрадіаційні контури при ядерних реакторах. На ядерних реакторах одночасно з виробленнямелектричної енергії отримують плівкові напівпроникні мембрани. Водночас слідпам'ятати, що при експлуатації ядерних реакторів потрібно дотримуватись правилтехніки безпеки й охорони праці.
Техніко-економічні показники.
Радіаційно-хімічні процеси є перспективними, прогресивнимипроцесами. їх можна здійснювати при низьких температурах, без каталізаторів, одержуютьсячисті продукти, є можливість хімічного приєднання до поверхні різних речовинорганічних полімерів, ними можна керувати, регулювати їх швидкість. їх недолікитакі: необхідність дотримання особливих правил техніки безпеки та потрібнезахоронення радіоактивних.
7. Ультразвукові процеси
Ультразвук– цепружні механічні коливання та хвилі з частотою вище 20 кГц, які не сприймаєлюдське вухо. Вони можуть відбиватися від перепон, їх можна фокусувати.
Для генерування ультразвукових коливань використовують різніпристрої. Вони є двох типів: механічні й електромеханічні. Найбільш поширеніелектромеханічні.
Ультразвуковими називають методи обробки, при якихоброблювана зона перебуває під впливом пружних механічних коливань великоїчастоти.
Застосування ультразвуку дуже різноманітне. Ультразвуковіметоди застосовують у фізиці твердого тіла, напівпровідників, при вивченніречовин, у гідроакустиці, для контролю, вимірювань, обробки матеріалів, зварювання,в металургії (можна регулювати, наприклад, процес кристалізації). Ультразвуковукавітацію широко застосовують для очищення від забруднень як дрібних (прилади,годинники, електронна техніка), так і великих виробів і деталей. Ультразвук даєзмогу обробляти крихкі матеріали (скло, кераміку, дорогоцінні камені), а такождеталі складної конфігурації. Його широко використовують у біології (мікромасажтканин), медицині (для діагностики, терапевтичного лікування).
Техніко-економічні показники.
Ультразвукові процеси високопродуктивні, легкокеровані,доступні, забезпечують високі якісні характеристики. Використання ультразвукупозитивно впливає на хід технологічних процесів. В окремих галузях застосуванняультразвуку належить до енергозберігаючих технологій. Сфера їх використанняпостійно розширюється.
8.Лазерні процеси
Світлопроменева обробка ґрунтується на тепловій діїсвітлового променя високої енергії на оброблювану поверхню. Світловий проміньза допомогою лінзи фокусують у маленьку точку. Щоб при цьому одержати велику питомупотужність, світло повинно мати три властивості: бути одноколірним(монохроматичним), доволі інтенсивним і розповсюджуватися паралельно. Жодне зізвичайних джерел світла не має цих трьох властивостей.
У 1960 р. створенолазер– джерелосвітла, що володіє всіма цими властивостями. Лазером називають квантовийгенератор оптичного випромінювання. Сильний світловий промінь,
проходячи через спеціальний оптичний пристрій, фокусується напотрібній поверхні. У зоні його дії виникають температури в декілька тисяч градусіві високий тиск. Концентрація енергії дуже велика, тому матеріал швидкорозплавлюється і випаровується.
Лазерні процеси використовують у металообробці, для обробкискла, тугоплавких матеріалів, у зварюванні, біології, медицині, для передачіінформації, у телебаченні, спектроскопії, для синтезу нових матеріалів, виготовленнямікросхем 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 даєможливість обробляти дуже малі і тонкі вироби, крихкі матеріали, можна керуватитемпературою в зоні дії променя. Це високопродуктивні та повністю автоматизованіпроцеси, 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 технологійвластивості. Потрапляючи на оброблюваний матеріал, він у місці дії розігріваєйого до температури 6000°С (температура поверхні Сонця) і миттєво випаровує,утворюючи отвір або заглибину. Сучасна техніка дає змогу регулювати щільністьвипромінювання електронів, а відповідно, і температуру нагріву матеріалу. Дужеважливим є те, що дія електронного променя не супроводжується надмірниминавантаженнями на виріб. Це має особливо важливе значення при обробці крихких ітвердих матеріалів (скла, кварцу, твердих сплавів, алмазу та ін.).
Електронний промінь отримують в електронній гарматі, котрагенерує пучок електронів, а далі за допомогою лінз його фокусують на потрібнійповерхні.
Техніко-економічніпоказники.
Електроннимпроменем можна обробляти тугоплавкі та хімічно активні метали і сплави,зварювати, виготовляти тонкі плівки, сітки із фольги. Електронно-променевіпроцеси високопродуктивні, високоточні, забезпечують високу якість обробки іструктуру виробів, їх можна регулювати у широких межах швидкості. Усі вониавтоматизовані. Електронний промінь можна використовувати длянайрізноманітніших процесів. Однак ці процеси дорогі, адже для їх здійсненняпотрібен вакуум.
10.Плазмові процеси
Плазма – частково або повністю іонізований газ, що міститьпозитивно та негативно заряджені частинки, кількість яких в ній майже однакова.Через те плазма є речовиною електронейтральною. При сильному нагріваннібудь-яка речовина випаровується, перетворюється на газ. Якщо температуру збільшуватиі далі, різко посилиться процес термічної іонізації, тобто молекули газу розпадатимутьсяна атоми, що згодом перетворюються на іони. Процес іонізації може бутивикликаний взаємодією газу з електромагнітним випромінюванням (фотоіонізація)або через бомбардування газу зарядженими частинками. Плазма активно взаємодіє змагнітним полем, яскраво світиться, є електропровідною. Відношення числаіонізованих атомів до їх повного числа в одиниці об'єму плазми називаютьступенем іонізації (а). Залежно від величини ступеня іонізації розрізняютьслабо, сильно і повністю іонізовану плазму.
Плазма може бути низькотемпературною (Т = 103-105оС)та високотемпературною (Т = 106-108оС). Цей умовний поділ пов'язаний якз можливістю плазми досягати дуже високих температур, так і з важливістювисокотемпературної плазми для термоядерного синтезу. Низькотемпературну плазмуширше застосовують у технологічних процесах. її отримують у спеціальних плазмотронах.
Плазмувикористовують для синтезу органічних і неорганічних сполук, переробкихлорорганічних відходів, при отриманні металобетонів, для вирощування монокристалів,виробництва дрібнодисперсних порошків, нанесення різноманітних покриттів навироби, у металообробці, зварюванні та ін.
В Україні створено простий, легкий, ефективний і надійний водяний плазмовийінструмент, для зварювання та застосування в інших процесах (Мультіплаз – 2500).
Техніко-економічні показники.
Плазмові процеси високопродуктивні та швидкісні. Високішвидкості плазмових процесів сприяють зменшенню розмірів плазмотронів. Плазмовіпроцеси дають можливість вести обробки при дуже високих температурах, щонеможливо при інших процесах. З використанням плазмових процесів знижуютьсявимоги до якості сировини (плазма малочутлива до домішок). Плазмові процесидуже перспективні. їх застосовують там, де неможливо використати іншітехнології.
Недолікиплазми– плазмовіголовки вимагають використання додаткового обладнання для їх охолодження підчас роботи. Існує також екологічна небезпека – виділенняшкідливих домішок.
Висновок
В процесі написання реферату ми ознайомилися з високотемпературнимипроцесами, каталітичними процесами, електрохімічними процесами, біохімічнимипроцесами, фотохімічними процесами, радіаційно-хімічними процесами,ультразвуковими процесами, лазерними процесами, електронно-променевимипроцесами і плазмовими процесами та їх техніко-економічними показниками,порівняння та сферу використання.
Література
1. Колотило Д.М. Системи технологій і екологіяпромисловості – К., НМКВО, 1992 – 143 с.
2. Основытехнологии 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.