Тема 12. Наукоемкие технологии в химической технологии

Примеры тестовых заданий по теме 11

Контрольные вопросы к теме 11

1. Какие системы относятся к группе полимерных материалов (ПМ) и на какие виды они подразделяются?

2. Перечислите особые качества ПМ, обусловившие их широкое ис­пользование.

3. Какими свойствами обладают полимеры, составляющие основу ПМ?

4. В каких физических состояниях могут находиться аморфные по­лимеры?

5. Что выражает термомеханическая кривая аморфных полимеров?

6. В чём заключаются особенности методов переработки ПМ в изде­лия и как они связаны с реологическими свойствами полимеров?

7. Какое явление называется пластификацией и какое значение оно имеет для переработки и эксплуатации ПМ?

№1

По строению макромолекул полимеры различают:

- пространственные

- дробные

- целые

- смешанные

№2

Полимеры получают методами:

- полимеризации

- ректификации

- выпарки

- ионного обмена

Наукоемкие технологии – технологии будущего. Энерготехнологические процессы использования теплоты химических реакций, переработки углеводородного сырья. Атомные энерготехнологические схемы в нефтепереработке и нефтехимии. Плазмохимические процессы как направление химии высоких энергий. Биоинженерия – перспективное направление технологии. Современная биотехнологическая продукция, биотоплива. Использование сверхкритических сред. Создание наноматериалов.

Новые виды энергии в химической

Промышленности

Развитие химической промышленности сопровождается не только количественным ростом энергопотребления, но и качественным изменением его. Это выражается во все более интенсивном внедрении в химическое производство таких новых видов энергии и воздействия на систему как плазмохимическое, ультразвуковое, фото- и радиационное воздействие, действие низковольтного электрического разряда и лазерного излучения. Эти экстремальные воздействия способствуют активации молекул реакционной системы, возникновению в ней возбужденных частиц и инициированию химического, в том числе, с высокой селективностью, процесса. Эта область явлений составляет новую отрасль химии — химию высоких энергий (ХВЭ), изучающую состав, свойства и химические превращения в системах, содержащих возбуждающие частицы.

Среди подобных процессов особо перспективными и универсальными являются плазмохимические процессы, то есть химические превращения, протекающие в плазме. Плазмой называется частично или полностью ионизированный газ, в котором содержатся молекулы, атомы, ионы и электроны:

А2 ↔ 2А, А ↔ А+ + ē.

Различают низкотемпературную плазму с температурой 103— 104°К и высокотемпературную с температурой 106 — 108°К. В химической технологии для получения различных продуктов применяется низкотемпературная плазма, промышленные методы получения которой разработаны. Высокотемпературная плазма используется в установках типа ТОКАМАГ.

В настоящее время исследованы более 70 технологических плазменных процессов, часть которых внедрена в промышленность. К ним относятся:

—синтез эндотермических тугоплавких соединений (карбиды урана и тантала, нитриды титана, алюминия, вольфрама);

—восстановление металлов из их оксидов и солей (железо,
алюминий, вольфрам, никель, тантал);

—окисление различных веществ (азот, хлороводород, оксид
углерода, метан);

—пиролиз природного газа, нефтепродуктов;

—одностадийный синтез соединений из простых веществ (аммиак, цианистый водород, гидразин, фторуглеводороды);

—синтез соединений, образующихся только в условиях плазмохимического воздействия (озон, дифторит криптона, оксид серы (II), оксид кремния (I)).

В промышленных масштабах плазмохимические процессы применяются для производства ацетилена и водорода из природного газа, ацетилена, этилена и водорода из нефтепродуктов, синтез газа в производстве винилхлорида, двуокиси титана и др. Для проведения плазмохимических процессов используются плазменные реакторы различной конструкции.

Рис. 8 Плазменный реактор

1-плазмотрон, 2-реактор, 3-закалочное устройство, 4- узел

улавливания

На рис. 8 пред­ставлен реактор прямоточного типа, состоящий из четырех основных уз­лов: плазмотрона, где под воздей­ствием электрической дуги или то­ков высокой частоты образуется плазма, реактора, в который вводится образовавшаяся плазма и поступают реагенты, закалочного устройства, обеспечивающего быстрое охлаждение (закалку) реакционной смеси и узла улавливания продуктов реакции.

Для плазмохимических реакто­ров характерно крайне малое время реакции, составляющее от 10-2 до 10-5 секунды. Это определяет весьма малые размеры ре­актора. Плазмохимические процессы легко управляются, оп­тимизируются и поддаются моделированию. Затраты энергии на их проведение не превышают затрат энергии на традицион­ные процессы.

Характерным примером плазмохимического процесса явля­ется производство ацетилена пиролизом метана.

Для реакции: 2СН₄ = С₂Н₂ + ЗН₂ + ΔН где: ΔН = 376 кДж, константа скорости равна:

Кс=10 ¹² • е ^-79000/RT

Весьма высокая энергия активации требует высоких темпе­ратур процесса. Термодинамически реакция становится воз­можной при температуре выше 1500°К, при которой энергия Гиббса приобретает отрицательное значение:

ΔG = 96,8-0,0647 Т.

В плазмохимическом процессе получения ацетилена по этой схеме в качестве плазмы используется аргон или водород, а за­калка продуктов реакции осуществляется впрыскиванием воды. Степень конверсии метана достигает 0,7, а плазменный реактор диаметром 0,15 м, высотой 0,65 м и объемом 0,05 м³ имеет производительность 25000 т ацетилена в год. По энерго­емкости плазмохимический метод (14,0 кВт•ч/кг) сопоставим с карбидным методом (15,5 кВт•ч/кг), но уступает методам элек­трокрекинга и термоокислительного пиролиза.