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.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Однако |
|
в |
круп |
|
|
|
|
|
ных |
плазмохимических |
|
|
|
|
|
установках |
вполне |
воз |
|
|
|
|
|
можно получение |
энер |
|
|
|
|
|
гетического |
пара |
и вы |
|
|
|
|
|
работка |
электроэнер |
|
|
|
|
|
гии, |
необходимой |
для |
|
|
|
|
|
работы |
плазмотрона, |
|
|
|
|
|
за счет утилизации |
теп |
|
|
|
|
|
ла плазмы. По-видимо |
|
|
|
|
|
му, таким образом |
мож |
|
|
|
|
|
но утилизировать |
30— |
|
|
|
|
|
40% |
энергии, |
требуе |
|
|
|
|
|
мой |
для |
|
получения |
|
|
|
|
|
плазмы. |
В |
|
настоящее |
|
|
|
|
|
время в промышленном |
|
|
|
|
|
масштабе |
осуществля |
|
|
|
|
|
ется |
плазмохимический |
|
|
|
|
|
процесс |
прямого |
син |
|
|
|
|
|
теза |
окислов |
азота из |
|
|
|
|
|
воздуха, |
|
синтез |
си |
|
|
|
|
|
нильной |
кислоты, |
аце |
|
|
|
|
|
тилена |
и |
других |
ве |
|
|
|
|
|
ществ. Технологическое |
|
|
|
|
|
применение |
|
|
плазмы |
|
|
|
|
|
рассмотрено |
С. Н. Ган- |
Рис. X I I I . 1 . |
Схема |
плазмотрона: |
зом и М. С. Полаком. |
Важным |
|
средством |
г е н е р а т ор |
плазмы; 2 |
— |
водяная р у б а ш к а ; |
|
3 |
— |
приемный |
бак |
интенсификации |
хими |
|
|
|
|
|
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-
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
|
|
|
|
|
|
|
действовало |
весьма |
кратковременно — |
сотые и |
тысячные |
доли |
секунды. Поэтому перспективной |
областью |
современ |
ной |
химии |
является |
изучение ракции |
при |
ударном сжа |
тии. |
При действии |
взрыва протекают |
многие |
интересные |
реакции, в |
частности, реакции полимеризации, |
сополимериза- |
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
гии |
неорганических |
веществ, |
например |
при |
переработке |
сточных вод химических и других |
предприятий, при извлече |
нии |
микроэлементов |
из морской |
воды и |
других |
природных |
вод. |
|
|
|
|
|
Обычные катализатцры ускоряют реакции в жидкой и га |
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,
двуокись циркония имеет моноклинную |
симметрию и в |
связи |
с этим характеризуется анизотропией |
коэффициентов |
линей- |
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.
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,,
либо |
с целью математического моделирования процесса пу |
тем |
нахождения корреляций между параметрами процесса. |
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
найдены советскими учеными (M. Е. Вольпин, Е. А. Шилов с сотрудниками).
Усвоение пищи животными имеет аналогию с переработ кой сырья химическими предприятиями, органы пищеварения в известной мере аналогичны химическим реакторам, и среди лих можно найти реакторы смешения (желудок) и реакторы вытеснения (кишечник). Легкие выполняют функцию абсорб ции кислорода и, следовательно, в каком-то смысле анало гичны абсорберам. Очень специфическим «химическим» орга ном являются почки, очищающие кровь от солей и мочевины и оставляющие в крови белки и сахар. Число аналогий между органами и химическими аппаратами можно продолжать и далее. В известной мере каждая клетка организма есть хи мический реактор, в котором протекают сложнейшие хими ческие реакции. Разумеется, суть жизнедеятельности не сво дима к химическим реакциям. Однако нет сомнения, что об ращение химиков-технологов к анатомии и физиологии живых организмов позволяет черпать новые идеи, которые можно применять в химической технологии. Следовательно, бионика может способствовать техническому прогрессу и химической технологии.
При этом нужно иметь в виду, что было бы глубокой ошибкой видеть в -бионике универсальное средство, избавляю щее от поиска новых направлений технического прогресса. Например, в живой природе не существует ни цилиндра с поршнем, ни электродвигателя, без которых немыслима совре менная техника и химическая технология.
Очевидно, кибернетика в целом тоже не может претендо вать на роль универсального средства технического прогрес са: с помощью кибернетики осуществляется оптимизация лю бого сколь угодно сложного объекта, но все это достигается
сочетанием |
известных |
аппаратов |
или механизмов. Между |
тем прогресс |
техники |
и химической |
технологии немыслим без |
новых научных открытий в смежных областях — химии, фи зике, биологии и т. д. Следовательно, для достижения наи высшего прогресса в химической технологии необходимо тес но сочетать новые научные открытия и кибернетический под ход как на стадиях планирования научного эксперимента, так и при реализации научных открытий в промышленности.