Перспективные химические технологии реферат

Обновлено: 04.07.2024

Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомарно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. К ним относятся термодинамические факторы (температура, давление и др.) и кинетические факторы (все, что связано с переносом веществ, образованием их промежуточных форм). Их влияние на химические реакции вскрывается на концептуальном уровне химии, который обобщенно называют учением о химических процессах.

Учение о химических процессах является областью глубокого взаимопроникновения физики, химии и биологии. В основе этого учения находятся химическая термодинамика и кинетика, которые в равной степени относятся и к химии, и к физике. А живая клетка, исследуемая биологической наукой, представляет собой в то же время микроскопический химический реактор, в котором происходят превращения, изучаемые химией, и многие из которых химия пытается реализовать в макроскопическом масштабе. Изучая условия протекания и закономерности химических процессов, человек вскрывает глубокую связь, существующую между физическими, химическими и биологическими явлениями, и одновременно перенимает у живой природы опыт, необходимый ему для получения новых веществ и материалов.

Большинство современных химических технологий реализуется с использованием катализаторов - веществ, которые увеличивают скорость реакции, не расходуясь в ней.

В современной химий получило развитие также направление, принципом которого является энергетическая активация реагента (то есть подача энергии извне) до состояния полного разрыва исходных связей. В данном случае речь идет о больших энергиях. Это так называемая химия экстремальных состояний, использующая высокие температуры, большие давления, излучение с большой величиной энергии кванта, (ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-излучение). К этой области относятся плазмохимия (химия на основе плазменного состояния реагентов), а также технологии, в которых активация процесса достигается за счет направленных электронных или ионных пучков (элионные технологии).

Эффективность технологий на основе химии экстремальных состояний очень высока. Характерным для них является энергосбережение при высокой производительности, высокая автоматизация и простота управления технологическими процессами, небольшие размеры технологических установок.

Поможем написать любую работу на аналогичную тему

Масштабы химического производства. Перспективные химические процессы и материалы

Главная цель развития химической технологии – повышение производительности труда, улучшение качества продукции и снижение себестоимости. Эта цель может быть достигнута путем совершенствования техники и технологии в следующих основных взаимосвязанных направлениях: увеличение мощности производства; комплексное использование сырья; разработка энергосберегающих производств; создание безотходных производств; внедрение механизации трудоемких работ; автоматизации и автоматических систем управления технологическими процессами; замена периодических процессов непрерывными.

1. Увеличение мощности производств осуществляется тремя путями: использованием параллельных технологических линий; увеличение размеров аппаратов и интенсификация работы аппаратов.

Использованием параллельных технологических линий, т.е. установка нескольких однотипных аппаратов параллельно, позволяет осуществлять монтажные работы, пуск в эксплуатацию, а также последующий ремонт оборудования без остановки всего производства.

Увеличение размеров аппаратов повышает их производительность, а следовательно, и производительность труда, а также снижает себестоимость продукции. Например, замена двухнебольших аппаратов на один большого размера уменьшает удельный расход конструкционного материала и сокращает удельные производственные площади, занимаемые оборудованием. Однако рост мощности производства путем увеличения размеров аппаратов имеет свои ограничения.

Интенсификация работы аппаратов позволяет повысить их производительность без увеличения размеров. Достигается она двумя путями: улучшением конструкции аппаратов и усовершенствованием технологических процессов в аппаратах данного типа. За последние годы значительна возросла единичная мощность аппаратов. Так, в производстве серной кислоты и аммиака – в 30 раз, что позволяет получать до 450 тыс.т/год продукции с одной технологической линии.

2. Комплексное использование сырья. Это направление имеет существенное значение для экономии сырья, снижения себестоимости продукции и решения экологических проблем.

3. Разработка энергосберегающих производств дает возможность экономить природные энергоресурсы (уголь, нефть, природный газ) и ведет к снижению себестоимости продукции. С этой целью в химической технологии широко используют теплоту экзотермических реакций для подогрева исходных веществ или для получения водяного пара.

4. Создание безотходных производств – важный фактор в решении экологических проблем и снижения себестоимости продукции. Существует несколько путей создания безотходных производств:

· организация производств по замкнутому циклу (циркуляционных),

сущность которых состоит в многократном возвращении непрореагировавших веществ в один и тот же аппарат до полного их превращения в конечный продукт. Пример, производство аммиака, метанола.

· кооперирование химических производств с другими (например, металлургическим) позволяет использовать выбрасываемые ранее отходы в качестве сырья для других отраслей промышленности.

· Применение методов очистки отходящих газов и сточных вод с использованием специальных очистных аппаратов.

5. Механизация трудоемких работ – замена физического труда человека машинным.

Автоматизация – применение приборов, позволяющих осуществлять производственные процессы без участия человека, а лишь под его контролем. Приборы автоматического контроля дают возможность поддерживать на заданном уровне параметры технологических процессов.

6. Замена периодических процессов непрерывными интенсифицирует процессы, способствует увеличению производительности труда, улучшает качество продукции и условия труда.

Периодические процессы характеризуются тем, что порция сырья загружается в аппарат, в течение определенного времени проходит в нем ряд стадий обработки и после этого полученный продукт выгружается. Недостатки процесса: параметры изменяются во времени, что приводит к ухудшению качества продукции; продолжительность всего процесса больше, чем непрерывного; энергетические затраты выше. В непрерывных процессах поступление сырья и выгрузка продукта происходят непрерывно. В этих процессах отсутствуют недостатки, характерные для периодических процессов.

Интенсификация и совершенствование ХТП возможны с применением новых физических и физико-химических методов, многие из которых пока еще находятся в стадии становления. Фотохимические, радиационно-химические и биохимические процессы сходны с каталитическими по механизму ускорения химических реакций, которые с участием соответствующих возбудителей идут по иному пути, чем в их отсутствие. Возбудителями служат световые излучения (фотохимические процессы), ионизирующие излучения высокой энергии (радиационно-химические), и биохимические катализаторы – ферменты микроорганизмов. В результате удачного применения физических методов интенсификации сокращаются продолжительность протекания лимитирующих стадий процессов и энергозатраты, улучшаются технико-экономические показатели производства.

Из физических методов интенсификации наибольшее применение имеют акустические, электромагнитные, оптические, радиационные.

Применение биохимических процессов в химической технологии имеет особенно большое будущее. В живой природе под действием высокоактивных биологических катализаторов – ферментов и гормонов – происходят всевозможные биохимические и каталитические реакции; они происходят в атмосферных условиях с высоким выходом.

Биотехнология – использование живых организмов и биологических процессов в производстве. Биотехнология использует достижения биохимии, микробиологии, молекулярной биологии и генетики, иммунологии, биоорганической химии. Она широко применяется в ферментном производстве, пищевой, фармацевтической, горнорудной и химической промышленности, процессах биологической очистки сточных вод и др.

Главная особенность биотехнологии состоит в том, что ее процессы протекают при температуре и давлении, близких к нормальным, не требуют высоких энергетических затрат. Благодаря этим особенностям биотехнология имеет высокую экономическую эффективность, приобретает все большее значение среди новейших направлений научно-технического прогресса.

Современная биотехнология – комплексная многопрофильная отрасль, включающая такие разделы как микробиологический синтез, генетическая и клеточная инженерия, инженерная энзимология.

Биотехнология находит широкое применение в агропромышленном, химико-лесном и металлургическом комплексах. Существенно возрастает значение биотехнологии в широком использовании биомассы как возобновляемом источнике энергии и сырья. Активно развивается техническая биоэнергетика (биоэнергетика – совокупность процессов преобразования энергии в биологических системах), базирующаяся на процессах био- и термохимической конверсии различных видов биомассы в газообразное, жидкое и твердое топливо. Во многих странах стало традиционным получение биогаза анаэробной микробиологической конверсией отходов пищевой промышленности, животноводческих ферм, активного ила очистных сооружений и коммунальных отходов.

Значительные потенциальные возможности имеет получение этанола из биомассы путем ее ферментации.

Установлено, что с помощью бактерий возможно уменьшение содержания метана в атмосфере угольных шахт. Для этой цели используют бактерии, интенсивно окисляющие метан до диоксида углерода и способные развиваться на весьма простых питательных средах. В условия угольной шахты такие микроорганизмы за 2-4 недели окисляют до 70% метана.

Биотехнология позволяет вовлечь в переработку огромные запасы бедных и сложных по составу руд и отходов, обеспечивает комплексное и более полное, по сравнению с классическими методами добычи металлов, использование минерального сырья. В целом же проблему переработки сложных комплексных руд можно решить только комбинированными методами, использующими микробиологические и химические процессы.

Фрагмент работы:

Введение 3
1. Сущность химического процесса 5
2. Перспективные химические процессы 9
2.1. Плазмохимические процессы 9
2.2. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез 11
2.3. Химические реакции при высоких давлениях 13
2.4. Синтез алмазов 14
3. Методы управления перспективными химическими процессами 18
Заключение 25
Список используемой литературы 29

В данной работе рассматривается тема "Перспективные химические процессы".
Химические процессы представляют собой сложнейшее явление как в неживой, так и в живой природе. Эти процессы изучают химия, физика и биология. Перед химической наукой стоит принципиальная задача - научиться управлять химическими процессами. Дело в том, что некоторые процессы не удается осуществить, хотя в принципе они осуществимы, другие трудно остановить - реакции горения, взрывы, а часть из них трудноуправляема, поскольку они самопроизвольно создают массу побочных продуктов. Для управления химическими процессами разработаны термодинамический и кинетический методы.
Под влиянием новых требований производства возникло учение о химических процессах, в котором учитывается изменение свойств вещества под влиянием температуры, давления, растворителей и других факторов. После этого химия становится наукой уже не только и не столько о веществах как законченных предметах, но и наукой о процессах и механизмах изменения вещества. Благодаря этому она обеспечила создание производства синтетических материалов, заменяющих дерево и металл в строительных работах, пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных материалов. Производство искусственных волокон, каучуков, этилового спирта и многих растворителей стало базироваться на нефтяном сырье, а производство азотных удобрений - на основе азота воздуха. Появилась технология нефтехимических производств с ее поточными системами, обеспечивающими непрерывные высокопроизводительные процессы.
Так, еще в 1935 г. такие материалы, как кожа, меха, резина, волокна, моющие средства, олифа, лаки, уксусная кислота, этиловый спирт, производились всецело из, животного и растительного сырья, В том числе из пищевого. На это расходовались десятки миллионов тонн зерна, картофеля, жиров, сырой кожи и т.д. Но уже в 1960-е гг. 100% технического спирта, 80% моющих средств, 90% олифы и лаков, 40% волокон, 70% каучука и около 25% кожевенных материалов изготовлялись на основе газового и нефтяного сырья. Помимо этого, химия дает ежегодно сотни тысяч тонн мочевины и нефтяного белка в качестве корма скоту и около 200 млн. т удобрений.
Столь впечатляющие успехи были достигнуты на основе учения о химических процессах - области науки, в которой осуществлена наиболее глубокая интеграция физики, химии и биологии. В основу данного учения положены химическая термодинамика и кинетика, поэтому этот раздел науки в равной степени принадлежит физике и химии. Одним из основоположников этого научного направления стал русский химик Н.Н. Семенов - лауреат Нобелевской премии, основатель химической физики. Он в своей Нобелевской лекции 1965 г. заявил, что химический процесс - это то основное явление, которое отличает химию от физики, делает ее более сложной наукой. Химический процесс становится первой ступенью при восхождении от таких относительно простых физических объектов, как электрон, протон, атом, молекула, к сложным, многоуровневым живым системам. Ведь любая клетка живого организма, по существу, представляет собой своеобразный сложный реактор. Поэтому химия становится мостом от объектов физики к объектам биологии. Таким образом, актуальность темы перспективных химических процессов не вызывает сомнения.
Цель работы - анализ перспективных химических процессов.
Объект исследования - перспективные химические процессы.
Задачи исследования вытекают из поставленной цели:
- дать общее понятие химического процесса;
- рассмотреть перспективные химические процессы;
- проанализировать методы управления перспективными химическими процессами.
Учение о химических процессах базируется на идее, что способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется кроме всего прочего и условиями протекания химических реакций. Эти условия могут оказывать воздействие на характер и результаты химических реакций.
Подавляющее большинство химических реакций находится во власти стихии. Конечно, есть реакции, которые не требуют особых средств управления или особых условий. Таковы всем известные реакции кислотно-основного взаимодействия (нейтрализации). Однако подавляющее большинство реакций являются трудноконтролируемыми. Есть реакции, которые просто не удается осуществить, хотя они в принципе осуществимы, Существуют реакции, которые трудно остановить: горения и взрывы. И, наконец, встречаются реакции, которые трудно ввести в одно желательное русло, так как они самопроизвольно создают десятки непредвиденных ответвлений с образованием сотен побочных продуктов. Поэтому важнейшей задачей для химиков становится умение управлять химическими процессами, добиваясь нужных результатов.
Рассмотрим подробнее перспективные химические процессы.

1. Сущность химического процесса

Учение о химическом процессе характеризуется взаимодействием физики, химии и биологии и базируется на идеях химической термодинамики и кинетики, которые обычно рассматриваются в физической химии.
Химический процесс всегда был в центре внимания химиков. Однако понимание его сущности стало возможным лишь в конце XIX в., а современное представление о том, что такое химический процесс, сложилось в 1950-х гг.
Условия среды на Земле таковы, что молекулы непрерывно разрушаются и снова образуются. Если бы температура Земли была значительно выше, например как температура поверхности Солнца, то многие молекулы никогда бы не образовались из-за слишком сильного теплового возбуждения (атомы не могли бы оставаться друг возле друга), а если бы температура Земли была гораздо ниже, молекулы, соединяясь, образовали бы твердые тела и кристаллы и никакие изменения не происходили. Температура на Земле такова, что энергии достаточно для разрушения некоторых молекул, однако количество энергии не слишком велико, благодаря чему большинство соединений может существовать в течение какого-то времени. Создание и разрушение молекул сообщают постоянные изменения окружающей среде и создают тем самым возможность жизни.
Одно из важнейших следствий образования молекул состоит в высвобождении энергии. Этот процесс особенно нагляден при сжигании угля или других веществ. Горение любого типа связано с образованием новых молекул и, следовательно, с выделением тепловой энергии. Рассмотрим подробнее, как и почему высвобождается энергия при соединении атомов в молекулы. Понятно, что для разрыва химической связи требуется некоторое количество энергии и такое же ее количество высвобождается при образовании связи. Таким образом, нужно затратить энергию, чтобы разделить молекулу на атомы, и энергия выделяется, когда атомы образуют молекулу. Эта энергия проявляется в различных формах, например в виде колебаний. Когда атомы соединяются, образующаяся молекула начинает колебаться в результате сильного столкновения атомов. Вообще, когда атомы образуют молекулу, энергия высвобождается и обычно проявляется в форме движения, что эквивалентно теплоте. В некоторых особых случаях энергия связи не превращается в теплоту: химические реакции присоединения происходят таким образом, что энергия, выигранная при образовании молекул, передается молекулам другого рода, т.е. энергия образования молекулы запасается в другой молекуле, а не растрачивается в виде теплоты. Этот случай важен для поддержания жизни.
Обратимся к такому хорошо известному химическому процессу, как процесс горения угля. Углерод угля и кислород воздуха образуют углекислый газ - диоксид углерода. Кусок угля - это совокупность атомов углерода, расположенных в правильном порядке, т.е. кристалл углерода. Кислород

Читайте также: