fissman-sale.ru → Идеи

Современные технологии обучения химии. Масштабы химической индустрии Химические технологии в историческом развитии

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ВОЛЖСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

КАФЕДРА ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ.

ИНДИВИДУАЛЬНАЯ РАБОТА

Тема: Новые материалы в химии и возможности их применения

Выполнил:

студент гр. ВЭ-111

Кузнецова О.В.

Проверил:

Иванкина. О.М.

Волжский, 2008г

Введение

1. Полимерные материалы

2. Синтетические ткани

3. Сохранение и замена материалов

6. Оптические материалы

Список литературы

Введение

Материалы - это вещества, из которых изготавливается различная продукция: изделия и устройства, машины и самолеты, мосты и здания, космические аппараты и микроэлектронные схемы, ускорители заряженных частиц и атомные реакторы, одежда, обувь и д.р. Для каждого вида продукции нужны свои материалы с вполне определенными характеристиками. К свойствам материалов всегда предъявлялись и предъявляются высокие требования.

Современные технологии позволяют производить множество разнообразных высококачественных материалов, однако проблема создания новых материалов с лучшими свойствами остается актуальной и по сей день.

При поиске нового материала с заданными свойствами важно установить его состав и структуру, а также обеспечить условия для управления ими.

В последние десятилетия синтезированы материалы, обладающие удивительными свойствами, например, материалы тепловых экранов для космических аппаратов, высокотемпературные сверхпроводники и т. п. Вряд ли можно перечислить все виды современных материалов. С течением времени их число постоянно возрастает.

Многие конструкционные элементы современных самолетов изготовлены из композиционных полимерных материалов. Одни из таких материалов - кевлар по важному показателю - отношению прочность/масса - превосходит многие материалы, в том числе и самую высококачественную сталь.

1. Полимерные материалы

полимер синтетическая ткань

Пластмассы - это материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения. Помимо полимера пластмассы могут содержать наполнители, стабилизаторы, пигменты и другие компоненты. Иногда употребляются другие названия пластмасс - пластики, пластические массы.

Полимеры построены из макромолекул, состоящих из многочисленных малых основных молекул - мономеров. Процесс их образования зависит от многих факторов, вариаций и комбинации которых позволяют получить множество разновидностей полимерной продукции с различными свойствами. Основные процессы образования макромолекул - полимеризация и поликонденсация.

Изменяя структуру молекул и их разнообразные комбинации, можно синтезировать пластмассы с заданными свойствами. Примером можно синтезировать пластмассы с заданными свойствами. Примером может служить АБС - полимер. В его состав входят три основных мономера: акрилонитрат (А), бутадиен (Б) и стирол (С). Первый из них обеспечивает химическую устойчивость, второй - сопротивление удару и третий - твердость и легкость термопластической обработки. Основное значение данных полимеров - замена металлов в различных конструкциях.

Наиболее перспективными материалами с высокой термостойкостью оказались ароматические и гетероароматические структуры с прочным бензольным кольцом: полифениленсульфид, ароматические полиамиды, фторполимеры и др. Данные материалы можно эксплуатировать при температуре 200 - 400 градусов. Главные потребители термостойких пластмасс - авиационная и ракетная техника.

2. Синтетические ткани

С начала ХХ в. химические технологии стали ориентироваться на создание новых волокнистых материалов. К настоящему времени многообразные искусственные волокна изготавливаются в основном из 4 видов химических материалов: целлюлозы (вискозы), полиамида, полиакрилонитрила и полиэфиров.

Объем производства синтетических материалов для изготовителя одежды определяется потребительским спросом, в котором за последние годы наметилась тенденция к снижению. В связи с этим одна из важнейших задач химиков - приблизить по свойствам и качеству искусственные материалы к естественным.

Новшества сегодняшнего дня затронули геометрию волокон. Изготовители текстильного сырья стремятся сделать нити возможно тоньше.

Появились и пустотелые волокна. Они лучше противостоят холоду. Если такое волокно в сечении не круглое, а овальное, то ткань из него легче удаляет с кожи пот.

Одна из разновидностей синтетики - кевлар. Он в 5 раз прочнее на разрыв, чем сталь, и используется для изготовления пуленепробиваемых курток. Излюбленный материал модельеров - эластик - удобен не только в спортивной одежде, но и повседневных костюмах. Существует ткань, в основе которой размещены мельчайшие стеклянные шарики, отражающие свет. Одежда из нее - хорошая защита для тех, кто ночью находится на улице.

Оригинальна технология изготовления ткани для одежды космонавта, которая способна уберечь его за пределами атмосферы от леденящего холода космоса и палящей жары Солнца. Секрет такой одежды в миллионах микроскопических капсул, встроенных в ткань или пенопласт - массу.

Современные ткани часто состоят из несколько слоев, например, из металлической фольги, пряжи и волокна, удаляющие пот.

Новейшие ткани открыли дорогу современной технологии изготовления одежды.

3. Замена материалов

На смену старым материалам приходят новые. Это происходит обычно в 2 случаях: когда возникает дефицит старого материала и когда новый материал более эффективен. Материал - заместитель должен обладать лучшими свойствами. Например, к материалам - заменителям можно отнести пластмассы, хотя считать их определенно новыми материалами вряд ли возможно. Пластмассы могут заменить металл, дерево, кожу и другие материалы.

Не менее сложной является проблема замены цветных металлов. Во многих странах идут по пути экономного, рационального их потребления. Преимущества пластмасс для многих сфер применений вполне очевидны: одна тонна пластмасс в машиностроении экономит 5 - 6 тонн металлов. В производстве, например, пластмассовых винтов, зубчатых колес и др. сокращается число операций обработки, повышается производительность труда на 300-1000%. При обработке металлов материал используется на 70%, а при изготовлении изделий из пластмасс - на 90-95%.

Замена древесины началась в первой половине 20 века. Прежде всего, появилась фанера, а позднее - древесноволокнистые и древесностружечные плиты. В последние десятилетия древесина стала вытесняться алюминием и пластмассами. В качестве примеров можно назвать игрушки, предметы быта, лодки, строительные конструкции и т.п. В то же время наблюдается тенденция увеличения потребительского спроса на товары, изготовленные из древесины.

В дальнейшем пластмассы будут заменяться композиционными материалами, разработке которых уделяется большое внимание.

4. Сверхпрочные и термостойкие материалы

Ассортимент материалов различного назначения постоянно расширяется. Последнее десятилетие создана естественно - научная база для разработки принципиально новых материалов с заданными свойствами. Например, сталь, содержащая 18 % никеля, 8% кобальта и 3 - 5% молибдена, отличается высокой прочностью - отношение прочности к плотности для нее в несколько раз больше, чем для некоторых алюминиевых и титановых сплавов. Преимущественная область ее применения - авиационная и ракетная техника.

Продолжается поиск новых высокопрочных алюминиевых сплавов. Плотность их сравнительно не велика и применяются они при относительно не высоких температурах - примерно до 320 градусов. Для высокотемпературных условий подходят титановые сплавы, обладающие высокой коррозионной стойкостью.

Идет дальнейшее развитие порошковой металлургии. Прессование металлических и других порошков - один из перспективных способов повышения прочности и улучшения других свойств прессуемых материалов.

В последние десятилетие большое внимание уделяется разработке композиционных материалов, т.е. материалов, состоящих из компонентов с различными свойствами. В таких материалах содержится основа, в которой распределены усиливающие элементы: волокна, частицы и т.п. Композиты могут включать стекло, металл, дерево, искусственные вещества, в том числе и пластмассы. Большое число возможных комбинаций компонентов позволяет получить разнообразные композиционные материалы.

При комбинировании поли - и монокристаллических нитей с полимерными матрицами (полиэфирами, фенольными и эпоксидными смолами) получаются материалы, которые по прочности не уступают, стали, но легче ее в 4 - 5 раз.

Материалом будущего станет такой, который будет не только сверхпрочным, но и стойким при длительном воздействии агрессивной среды.

Создание термостойких материалов - одна из важнейших задач развития современных химических технологий.

К настоящему времени разработаны перспективные способы изготовления термостойких материалов. К ним относятся: имплантация ионов, на какой - либо поверхности; плазменный синтез; плавление и кристаллизация в отсутствии гравитации; напыление на поликристаллические, аморфные и кристаллические поверхности с помощью молекулярных пучков; химическая конденсация из газовой фазы в тлеющем плазменном разряде и др.

С применением современных технологий получены, например, нитрид кремния и силицид вольфрама - термостойкие материала для микроэлектроники. Нитрид кремния обладает превосходным электроизолирующим свойствами даже при небольшой толщине слоя-менее 0,2мкм. Силицид вольфрама отличается весьма малым электрическим сопротивлением. Данные материалы в виде тонкой пленки напыляются на элементы интегральных схем. Напыление производится методом плазменного осаждения на менее термостойкую подложку без заметного изменения ее свойств.

Представляет практический интерес способ получения новых керамических материалов для изготовления, например, цельнокерамического блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Данный способ заключается в отливке кремнийсодержащего полимера в форму заданной конфигурации с последующим нагреванием, при котором полимер превращается в термостойкий и прочный карбид или нитрид кремния.

Новые технологии позволяют синтезировать более термостойкие материалы.

5. Материалы с необычными свойствами

Нитинол представляет собой никель - титановый сплав, обладающий необычным свойством - сохранять первоначальную форму. Поэтому иногда его называют запоминающим металлом, или металлом, обладающим памятью. Нитинол способен сохранять первоначальную форму даже после холодного формирования и термической обработки. Для него характерны сверх - и термоупругость, высокая коррозионная и эрозионная стойкость.

Поначалу нитиноловые изделия служили преимуществом для военных целей - с их помощью в боевых самолетах соединяли различные трубопроводы, доступ к которым ограничен.

Уникальную конструкцию с помощью нитиноловых муфт удалость собрать лет шесть назад в космосе. Монтаж сравнительно длинной мачты для крепления двигателя традиционными методами потребовал бы длительного пребывания космонавтов в космосе, что могло подвергнуть его чрезмерному космическому облучению. Нитиловые муфты позволили быстро и легко собрать 14-метровую мачту.

Наибольшую пользу, может принести применение нитиноловых муфт не для решения разовых космических и узко направленных военных задач, а для народнохозяйственных целей. Это газопроводы, нефтепроводы, бензопроводы, водопроводы. Газо-, нефте - и бензопроводы, заполненные легковоспламеняющимися соответственно газом, нефтью и бензином, представляют повышенную пожароопасность, в связи, с чем при ремонте нельзя применять их сварку, и все восстановительные работы приходится выполнять с помощью резьбовых соединений и крепежного материала. Данная задача гораздо упрощается с применением коррозионностойких нитиноловых муфт, которые срабатывают при пропускании через них относительно небольшого тока, при этом не требуется открытого огня.

Нитиноловые фиксаторы, муфты, спирали находят применение в медицине. С помощью нитиноловых фиксаторов эффективнее соединяются сломанные части костей. Благодаря памяти формы нитиловая муфта лучше фиксируется в десне, предохраняя места сочленений от перегрузок. Нитинол, обладая способностью упруго деформироваться на 8-10%, плавно воспринимает нагрузку, подобно живому зубу, и в результате меньше травмирует десну. Нитиноловая спираль способна восстановить сечение пораженного той или иной болезнью сосуда в организме человека.

Вне всякого сомнения, нитинол - перспективный материал, и в ближайшем будущем станут, известны многие другие примеры успешного его применения.

Жидкие кристаллы - это жидкости, обладающие, как и кристаллы, анизотропией свойств, связанной с упорядоченной ориентацией молекул. Благодаря сильной зависимости свойств жидкого кристалла от внешних воздействий они находят разнообразное применение в технике (в температурных датчиках, индикаторных устройствах, модуляторах света и т.п.). Сегодня на мировом рынке дисплейных технологий жидкокристаллические устройства уступают разве что кинескопам, а по экономичности потребления энергии в дисплеях с относительно небольшой площадью экрана они не имеют конкурентов.

Жидкокристаллическое вещество состоит из органических молекул с преимущественной упорядоченной ориентацией в одном или двух направлениях. Такое вещество обладает текучестью как жидкость, и кристаллическая упорядоченность молекул подтверждается его оптическими свойствами. Различают три основных типа жидких кристаллов: нематические, смектические и холестерические.

Одно из перспективных направлений в химии жидких кристаллов - реализации данных структур при синтезе полимеров. Молекулярная упорядоченность, характерная для нематических жидких кристаллов. Именно такой принцип лежит в основе производства искусственных волокон с исключительно высоким пределом прочности на растяжение, которые могут заменить материалы для изготовления фюзеляжей самолетов, бронежилетов и т.п.

6. Оптические материалы

На смену электрическому сигналу, посылаемому по медному проводу, постепенно приходит значительно более информативный световой сигнал, распространяющийся по светопроводящим волокнам.

Совершенствование технологий изготовление кварцевых нитей позволило менее чем за десятилетний срок примерно в 100 раз сократить потери светового потока. Из новых оптических материалов, например, таких, как фторидные стекла, можно получить еще более прозрачные волокна. В отличие от обычных стекол, состоящих из смеси оксидов металлов, фторидные стекла - это смесь фторидов металлов.

Волоконная оптика открывает чрезвычайно большие возможности для передачи большого объема информации на большие расстояния. Уже сегодня многие телефонные станции, телевидение и т.п. с успехом пользуются волоконно-оптической связью.

Современная химическая технология сыграла важную роль не только в разработке новых оптических материалов - оптических волокон, но и в создании материалов для оптических устройств для переключения, усиления и хранения оптических сигналов. Оптические устройства оперируют в новых временных масштабах обработки световых сигналов. В современных оптических устройствах используются ниобат лития и арсенид галлия-алюминия.

Экспериментальные исследования показывают, что органические стереоизомеры, жидкие кристаллы и полиацетилены обладают лучшими оптическими свойства, чем ниобат лития и является весьма перспективными материалами для новых оптических устройств.

7. Материалы с электрическими свойствами

В начале такими материалами служили преимущественно монокристаллы кремния и германия с содержанием в них относительно небольшой концентрации примесей. Через некоторое время в центре внимания разработчиков оказались монокристаллы арсенида гелия, выращенные на подложках из монокристаллического фосфида индия. Современная технология позволяет получить несколько слоев арсенида галлия различной толщины с различным содержанием примесей. Из арсенид - галлиевых материалов изготавливают рабочие узлы лазеров и лазерных дисплейных устройств, применяемых в длинноволновых оптических линиях связи.

В процессе разработке новых полупроводниковых материалов были неожиданно открыты полупроводниковые свойства аморфного (некристаллического) кремния.

К настоящему времени открыты совершенно новые группы материалов, обладающих электрической проводимостью. Физические свойства их в значительной степени зависят от локальной структуры и молекулярной связей. Некоторые из таких материалов относятся к неорганическим, другие - к органическим соединениям.

В полимерных проводниках большие плоские молекулы служат элементами проводящего столбика и образуют металломакроциклы, соединяющиеся друг с другом посредством ковалентно связанных атомов кислорода. Такая химическая сконструированная молекула обладает электрической проводимостью, и это - настоящая сенсация. Атомы металла и окружающей его в плоском макроцикле группы можно заменить и модифицировать различными способами. В результате можно получит полимер с заданными электропроводящими свойствами.

Технология изготовления полимерных проводников уже освоена, и число разновидностей таких проводников становится все больше. Под воздействием определенных регентов полипарафенилен, парафениленсульфид, полипиррол и другие полимеры приобретают электропроводящие свойства.

В некоторых твердых материалах с ионной подвижной структурой подвижность ионов сравнивается с подвижностью ионов в жидкости. Подобные материалы используются в устройствах памяти, дисплеях, датчиках, а также в качестве электролитов и электродов в батареях.

При создании современной микроэлектронной технике и высокочувствительной аппаратуры используются разнообразные материалы с анизотропными электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Такими свойствами обладают ионные кристаллы, органические молекулярные кристаллы, полупроводниковые и многие другие материалы.

Современная технология позволяет получить материал в виде стекла, но не с диэлектрическими свойствами, а с металлической проводимостью или полупроводниковыми свойствами. Такая технология основана на быстром замораживании жидкости, конденсации газовой фазы на очень холодную поверхность или имплантации ионов на поверхность твердого вещества.

Таким образом, с применением современных технологий можно получит новые материалы с необычным комплексом свойств.

8. Высокотемпературные сверхпроводники

Сверхпроводники - это вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах ниже критической.

Сверхпроводящим свойством обладают многие вещества: около половины металлов (например, никель-титановый сплав с критической температурой 9,8 К), несколько сотен сплавов и интерметаллические соединения.

Сверхпроводимость обнаружена ив полимерных веществах. Все это свидетельствует о том, что сверхпроводящим свойством обладают многие минералы, но их критическая температура долгое время оставалась сравнительно низкой.

В конце 1986г. было сделано важное открытие: обнаружено, что некоторые твердые соединения на основе меди и кислорода переходят в сверхпроводимое состояние при температуре выше 90К. Данное явление называется высокотемпературной сверхпроводимостью.

Применение хладагенов, даже таких, как жидкий ксенон, неизбежно приводит к усложнению конструкций, включающих сверхпроводящие материалы. В этом заключается одна из причин сдерживания широкого внедрения высокотемпературных сверхпроводящих материалов.

Высокотемпературная проводимость, открытая свыше десяти лет назад, обещала массу заманчивых перспектив как в области фундаментальной науке, так и в решении чисто технических задач. Усилия ведущих исследователей мира были направлены на получение все новых материалов и исследование их структуры. Исследования продолжаются, ни одно из них пока не смогло решить проблему сверхпроводимости в целом, но каждое помогает понять ее. Обнаружено немало важного и интересного в кристаллической структуре вещества.

9. Материалы диссоциации металлоорганических соединений

Результаты экспериментальных исследований последнего времени показали, что при термической диссоциации ряда металлоорганических соединений получаются чистые металлы различной твердой формы, обладающие уникальными свойствами. К таким металлоорганическим соединениям относятся:

Карбонилы - W(СО) , Мо(СО) , Fe(СО) , Ni (CO) ,

Ацетилацетонаты металлов -

Дикарбонилацетонат родия -

Данным соединениям в газообразном состоянии присуще высокая летучесть. Они разлагаются при нагревании до 100-150С. В результате термической диссоциации можно получить чистую металлическую фазу в различных конденсированных формах: высокодисперсные порошки, металлические вискерсы, беспористые тонкопленочные материалы, ячеистые металлоны, металлические волокна и бумага.

Высоко дисперсные порошки состоят из частиц малых размеров - до 1 - 3 мкм и используются для производства металлокерамики - композиции металла с оксидами, нитридами, боридами, получаемых методом порошковой металлургии.

Металлические викселя представляют собой нитевидные кристаллы диаметром 0,5 - 2,0мкм и длиной 5 - 50 мкм. Металлические вискерсы представляют практический интерес для синтеза новых композиционных материалов с металлической или пластмассовой матрицей.

Беспористые тонкопленочные материалы отличаются высокой плотностью упаковки атомов. По величине отражения света данный материал приближается к серебру.

Ячеистые металлы образуются при осаждении металла в результате проникновения паров металлоорганических соединений в поры любого материала. Таким способом формируется ячеистая металлическая структура.

10. Тонкопленочные материалы для накопителей информации

Любая электронно - вычислительная машина, в том числе и персональный компьютер, содержит накопитель информации - запоминающее устройство, способное накапливать и хранить большой объем информации.

Изготовление современных магнитных накопителей большой емкости основано на применении тонкопленочных материалов. Благодаря применению новых магнитных материалов и в результате совершенствовании технологии изготовления всех тонкопленочных элементов магнитного накопителя за относительно короткий срок поверхностная плотность записи информации увеличилась в пять раз.

Запись с высокой поверхностной плотностью осуществляется на носитель, рабочий слой которого формируется из тонкопленочного кобальтсодержащего материала.

Высокую плотность записи можно реализовать только с помощью преобразователей, тонкопленочный материал магнитопровода которых характеризуется большой магнитной индукции насыщения и высокой магнитной проницаемостью. Для воспроизведения записанной с высокой плотностью информации применяется высокочувствительный тонкопленочный элемент, электрическое сопротивление изменяется в магнитном поле. Такой элемент называется магниторезистивным. Он напыляется из высокопроницаемого магнитного материала, например, пермаллоя.

Таким образом, с применением тонкопленочных магнитных материалов при изготовлении накопителей информации большой емкости уже реализована довольно высокая плотность записи информации. При модернизации таких накопителей и внедрении новых материалов следует ожидать дальнейшего увеличения информационной плотности, что весьма важно для развития современных технических средств записи, накопления и хранения информации.

Список литературы

1. С.Х. Карпенков. Концепции современного естествознания. Москва. 2001г.

2. Хомченко Г.П. Химия для поступающих в ВУЗы. - Высшая школа, 1985. - 357 с.

3. Фурмер И.Э. Общая химическая технология. - М.: Высшая школа, 1987. - 334 с.

4. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. -- М.: Машиностроение, 1990

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Новые направления развития химии полимеров, синтез полимеров с заданными свойствами. Образование упорядоченных микроструктур в сополимерах блочной и статистической структуры. Результаты экспериментальных исследований, перспектива промышленного применения.

реферат , добавлен 03.04.2011

Характеристика биодеградируемых (биоразлагаемых) полимеров - материалов, которые разрушаются в результате естественных природных (микробиологических и биохимических) процессов. Свойства, способы получения и сферы использования биодеградируемых полимеров.

реферат , добавлен 12.05.2011

Значение использования прогрессивных видов композиционных материалов, формовочные композиционные материалы с определенными свойствами. Физико-механические свойства полибутилентерефталата, модифицированного высокодисперсной смесью железа и его оксидом.

статья , добавлен 03.03.2010

Общая характеристика нанокомпозитных материалов: анализ метафизических свойств, основные сферы применения. Рассмотрение особенностей метаматериалов, способы создания. Знакомство с физическими, электронными и фотофизическими свойствами наночастиц.

реферат , добавлен 27.09.2013

О термине "сверхчистые материалы". Методы классификации материалов особой чистоты. Получение чистых цветных металлов. Спутники цветных металлов в рудах. Ионный обмен. Применение химических методов очистки материалов взамен физических.

реферат , добавлен 27.02.2003

Химическая стойкость материалов неорганического и органического происхождения. Виды неорганических конструкционных материалов: силикатные, керамические, вяжущие материалы. Органические конструкционные материалы: пластмасс, каучук, резина, древесина.

реферат , добавлен 04.09.2011

Области применения в медицине синтетических полимеров. Материалы, применяемые для имплантации. Физиологически активные водорастворимые полимеры. Структура полиакриламидных гелей (ПААГ), используемых в медицине. Результаты клинического применения ПААГ.

реферат , добавлен 09.01.2012

Базальтопластики - полимерные композиционные материалы XXI века. Химический состав базальтовых и стеклянных нитей. Синтез полимерного антиоксиданта различного функционального назначения. Термочувствительные сополимеры. Получение композиционных покрытий.

краткое изложение , добавлен 05.04.2009

Кристаллическая структура графита и схема взаимного расположения слоев в гексагональной структуре. Классификация углеграфитовых материалов и их производство из твердых углеродистых материалов (антрацит, графит, кокс) и связующих веществ (пек, смола).

реферат , добавлен 27.04.2011

Полиэтилен, пластмассы, поролон – искусственные (синтетические) материалы, созданные человеком с помощью науки химии. Использование пластмасс для создания защитного покрова на металлических электропроводах. Материалы для изготовления защитных костюмов.

 увеличение единичной мощности узлов и агрегатов

Необходимость увеличения единичной мощности узлов связано с возрастанием потребности в продукции и ограничением площадей для размещения оборудования. При увеличении мощности сокращаются капитальные зааты и амортизационные отчисления на единицу готовой продукции. Сокращается численность обслуживающего персонала, что приводит к сокращению фонда заработной платы и увеличению производительности труда. Увеличение единичной мощности узлов наиболее характерно для непрерывных многотоннажных производств. В случае производства фармацевтических и косметических средств это не является определяющим фактором в большинстве случаев.

 разработка экологически чистых технологий, уменьшающих или исключающих загрязнение окружающей среды отходами производства (создание безотходных технологий)

Это очень важная проблема, особенно для производств, связанных с химическими превращениями веществ, в частности при производстве биологически активных веществ и субстанций, входящих в конечные выпускные формы. В то же время, в случае непосредственного производства лекарств и косметических средств проблема отходов не является столь важной. Это связано с тем, что по своей сути эти производства должны быть безотходными, а образование отходов возможно только при нарушении технологического регламента.

 Использование совмещенных технологических схем

Эта проблема очень важна при организации производств малотоннажных продуктов. Для малотоннажных производств, в частности для промышленности тонкого органического синтеза, характерен очень большой ассортимент продукции. В то же время ряд продуктов может производиться с использованием сходных технологических приемов на одной и той же технологической схеме. То же самое имеет место и в случае производств фармацевтических препаратов и косметических средств, когда на одной и той же технологической схеме могут производиться аналогичные выпускные формы (таблетки, кремы, растворы) различных наименований.

 Повышение энергетической эффективности производства

В случае производства фармацевтических и косметических препаратов эта проблема не имеет большого значения, так как в подавляющем большинстве случаев процессы протекают при комнатной температуре и не имеют высокого теплового эффекта.

Следующим важным вопросом, который мы должны рассмотреть с точки зрения общих вопросов организации производства, являются условия, влияющие на выбор аппаратурного оформления химико-технологического процесса и способ организации процесса.

1.2.3. Условия, влияющие на выбор аппаратурного оформления химико-технологического процесса

Качество целевого продукта определяется строгим соблюдением норм технологического регламента и грамотным выбором основного оборудования, необходимого для реализации производства. Под основным оборудованием подразумевается то оборудование, в котором проходят основные технологические стадии: химические реакции, приготовление исходных компонентов, производство целевых конечных продуктов и т.д. Остальное оборудование, которое необходимо для обеспечения технологического процесса, является вспомогательным. Таким образом, первой задачей, которую необходимо решить при организации производства, является выбор технологического оборудования. Этот выбор определяется рядом условий, некоторые из которых приведены ниже

 Температура и тепловой эффект процесса

Определяют выбор теплоносителя и конструкцию элементов поверхности теплообмена.

 Давление

Определяет материал аппарата и конструктивные особенности оборудования по механической прочности.

 Среда процесса

Определяет выбор материала аппарата с точки зрения коррозионной устойчивости и способ защиты от коррозии. В случае производства фармацевтических препаратов и косметических средств на выбор материала аппарата определяющее влияние оказывают требования, предъявляемы к качеству конечного продукта, особенно по содержанию примесей металлов и органических соединений.

 Агрегатное состояние реагирующих веществ

Определяет способ организации процесса (периодический или непрерывный), способ загрузки исходных компонентов и выгрузки конечных продуктов, конструкцию перемешивающих устройств.

 Кинетика процесса

Определяет способ организации процесса и тип оборудования.

 Способ организации процесса

Определяет выбор типа оборудования.

Древесина

Один из видов сырья текстильной промышленности – целлюлоза, вырабатываемая из древесины. Но все же значительная масса древесины идет на изготовление разнообразных пиломатериалов для строительной и мебельной промышленности. Производство целлюлозы для бумажной промышленности составляет 80% и синтетических волокон – 20%.

В мебельной промышленности широко применяются древесностружечные и древесноволокнистые плиты, изготовление которых базируется на органических связующих веществах. Современные химические технологии при производстве древесноволокнистых плит и целлюлозы позволяют использовать любой древесный материал, даже тот, который раньше считался не пригодным для обработки.

Древесина в отличие от ископаемого горючего сырья сравнительно быстро восстанавливается. В этой связи, а также в силу того, что цены на ископаемое органическое сырье будут расти, следует ожидать, что основная доля производства пластмасс, эластомеров и синтетических волокон будет реализована при переработке древесины в промежуточное химическое сырье – этилен, бутадиен и фенол. А это означает, что древесина станет не только строительным материалом и сырьем для производства бумаги, но и важным химическим сырьем для получения искусственных веществ: фурфурола, фенола, текстиля, топлива, сахара, белков, витаминов и других ценных продуктов. Например, из 100 кг древесины можно изготовить примерно 20 л спирта, 22 кг кормовых дрожжей или 12 кг этилена.

Древесина – не единственный вид органического сырья. Другие разновидности биомассы: солома, камыш и т. п. – посредством химических технологий могут превращаться в такие же ценные продукты, что и те, которые производятся из древесины.

Микробиологи обнаружили, что грибы, вызывающие белую гниль древесины, могут приносить пользу. Их способность видоизменять некоторые компоненты древесины положена в основу новой технологии изготовления стройматериалов: после обработки грибом опилки, стружки и другие отходы склеиваются в монолитную массу. Так получают экологически чистые древесные плиты.

Одна из важнейших областей использования древесины – целлюлозно-бумажная промышленность. Мировое производство целлюлозы в середине 70-х годов достигло 100 млн. т в год. В настоящее время из древесины изготавливается основная масса различных видов бумаги и картона. Технология их изготовления сравнительно проста. Вначале кусочки древесины величиной со спичечную коробку превращают в волокнистую древесную массу. Затем после формования и прессования такой массы с добавленными в нее клеем, наполнителями и пигментными красителями осуществляется процесс сушки. Такая относительно несложная технология применяется давно, но все же отличается от той, на основании которой еще в 105 г. пекинский придворный Цай Лунь впервые изготовил бумагу из волокон конопли, льна и тряпок.

Какие же изменения наметились в технологии производства бумаги в последние десятилетия? Изменения прежде всего связаны с появлением заменителя бумаги – синтетического материала. При синтезе природных и искусственных материалов значительно улучшается качество бумаги. Например, введение пластмасс в волокнистую массу повышает прочность, эластичность бумаги, ее устойчивость к деформации и т. д.

Бумага из пластмассы особенно хороша для высококачественного печатания географических карт, репродукций и т. п. Доля производимой пластмассовой бумаги сравнительно невелика.

С развитием электронно-вычислительной техники и массового производства персональных компьютеров бумага перестает быть основным носителем информации. Однако все же возрастание объемов печатной продукции (книг, газет, журналов и т. п.), а также рост производства промышленной продукции, нуждающейся в упаковочных материалах, неизбежно приводит к ежегодному приросту производства бумаги примерно на 5%. А это означает, что потребность в древесине – важнейшем природном сырье – постоянно возрастает.

Еще в V тысячелетии до н. э. в древнем Египте выплавлялись первые стеклоподобные материалы. Стеклянная посуда в том виде, как она представляется нам сегодня, изготавливалась в XV в. до н. э. Однако вместе с тем стекло долгое время не находило широкого применения, поскольку ни броню, ни каску, ни даже ручную дубинку из столь хрупкого материала изготовить нельзя.

Первые гипотезы о структуре стекла появились в 20–30-е годы XX в., хотя с древних времен выплавлялись стекла более 800 различных составов, из которых производилось около 43 тыс. разновидностей изделий. Как и прежде, стекло обладает одним существенным недостатком – хрупкостью. Создать стекло нехрупким – одна из труднейших задач даже с учетом современных технологий.

Стекло состоит преимущественно из силикатной массы (до 75% SiO 2). Результаты электронно-микроскопических исследований структуры стекла показали, что при охлаждении расплава стекла возникают каплеобразные области, отличающиеся от окружающей их массы расплава химическим составом и стойкостью к химическим воздействиям. Размеры таких областей от 2 до 60 нм. Изменяя величину, число и состав данных областей, можно изготовить стеклянную посуду с очень высокой химической стойкостью. При разделении каплеобразных областей происходит кристаллизация – образуются кристаллы (размером около 1 мкм) со структурой стеклокерамического вещества – ситалла. Таким образом можно изготовить прозрачный или похожий на фарфор материал, коэффициент теплового расширения которого варьируется в таких широких пределах, что его можно прочно соединять с многими металлами. Некоторые стеклокерамические материалы выдерживают высокотемпературный перепад, т.е. не растрескиваются при резком охлаждении от 1000° С до комнатной температуры.

В начале 70-х годов разработана новая разновидность ситалла, который можно обрабатывать, как обычный металл, т. е. его можно обтачивать, фрезеровать, сверлить, а на деталях из него можно даже наносить винтовую резьбу. Область применения ситаллов – автомобилестроение, электротехника, химическое машиностроение, домашнее хозяйство.

Стекло, охлажденное при обычной температуре, имеет прочность на изгиб около 50 Н/мм 2 , а термически закаленное стекло – примерно 140 Н/мм 2 . При дополнительной химической обработке получается сверхпрочное стекло с прочностью на изгиб от 700 до 2000 Н/мм 2 . Химическая обработка заключается в том, что на поверхности стекла небольшие по размеру ионы натрия путем ионного обмена заменяются более крупными ионами калия. Химически упрочненное стекло не разбивается даже при сильном ударе и поддается механической обработке в отличие от термически закаленного стекла.

Высокой прочностью обладают композиционные материалы, включающие химически обработанные стекла со слоями пластика. Такой материал в некоторых конструкциях может заменить металл. Бронестекло толщиной 20–40 мм, состоящее из нескольких склеенных искусственной смолой стекол, не пробивается пулей при выстреле из пистолета.

Иногда для облицовки зданий применяются цветные стекла, та или иная окраска которого достигается введением оксидов металлов. Цветные стекла поглощают инфракрасное излучение. Таким же свойством обладают стекла с напыленным на их поверхность тонким слоем металла или сплава. Данные стекла способствуют поддержанию нормального микроклимата в помещении: летом они задерживают лучи палящего солнца, а зимой сохраняют тепло.

Широко применяются стекловолокнистые материалы. Ими можно армировать, отделывать, склеивать, декорировать, изолировать, фильтровать и т. п. Объем их выпуска огромен – в 1980г. он составлял около 1 млн т/год. Стеклонити для текстильной промышленности имеют диаметр около 7 мкм (из 10 г стекла можно вытянуть нить длинной 160 км). Стеклонить обладает прочностью до 40 Н/мм 2 , что гораздо прочнее стальной нити. Ткань из стекловолокна не смачивается и устойчива к деформации, на нее можно наносить разноцветные рисунки.

Применение стекловолокна в качестве светопровода породило новую отрасль естествознания – волоконную оптику. Стекловолокна – весьма перспективные средства передачи информации.

Хорошо известны изоляционные свойства стекла. Однако в последнее время все чаще говорят о полупроводниковых стеклах, которые изготавливаются методом тонкопленочной технологии. Такие стекла содержат оксиды металлов, что и обеспечивает им необычные, полупроводниковые свойства.

С помощью низкоплавкой эмали из стекла (570 °С) удалось изготовить надежное покрытие для алюминия. Покрытый эмалью алюминий обладает комплексом ценных свойств: высокой коррозионной стойкостью, эластичностью, ударопрочностью и др. Эмали можно придать различные цвета. Такой материал выдерживает агрессивную промышленную атмосферу, не подвергается старению.

Область применения стеклопродукции постоянно расширяется, а это означает, что уже сегодня стекло становится универсальным материалом. Современное стекло – традиционный материал, обладающий новыми свойствами.

Силикатные и керамические материалы

Постоянно развивающаяся строительная индустрия потребляет все большее количество строительных материалов. Свыше 90% из них – силикатные материалы, среди которых лидирует бетон. Его производство в мире превышает 3 млрд. т/год. На бетон приходится 70% общего объема всех строительных материалов. Самая важная и самая дорогая составляющая бетона – цемент. Его мировое производство с 1950 по 1980гг. увеличилось почти в 7 раз и в 1980 г. достигло почти 1 млрд. т.

Прочность на сжатие обычного бетона составляет 5–60 Н/мм 2 , а для лабораторных образцов превышает 100 Н/мм 2 . Высокопрочный бетон получается в результате термической активации цементного сырья при 150° С. Высоким требованиям отвечает полимербетон, но он пока еще дорог. Освоено производство и огнеупорного бетона, выдерживающего температуру до 1800°С. Процесс затвердевания обычного бетона составляет не менее 60–70% общего производственного времени. К сожалению, действенный и легко доступный ускоритель схватывания – хлорид кальция – вызывает коррозию железной арматуры, поэтому производится поиск новых дешевых ускорителей затвердевания. Иногда применяются ингибиторы схватывания бетона.

Находит применение силикатный бетон, состоящий из смеси извести и кварцевого песка, или золы угольных фильтров. Прочность силикатного бетона может достигать от 15 до 350 Н/мм 2 , т. е. превышать прочность бетона на основе цемента.

Представляет интерес бетон с полимерной структурой. Он легок, в него можно забивать гвозди. Полимерная структура создается введением алюминиевого порошка в качестве расширительной добавки.

Разрабатываются различные сорта легкого бетона из цемента и полимеров небольшой плотности. Такой бетон отличается высокими теплоизоляционными свойствами и прочностью, малым влагопоглащением и легко поддается обработке различными способами.

При введении асбеста в цементный раствор получается асбобетон – широко распространенный строительный материал, весьма стойкий к изменениям погодных условий.

Широкое применение находят керамические материалы. Из керамики производят более 60 тыс. различных изделий – от миниатюрных ферритовых сердечников до гигантских изоляторов для высоковольтных установок. Обычные керамические материалы (фарфор, фаянс, каменная керамика) получают при высокой температуре из смеси каолина (или глины), кварца и полевого шпата. Из керамики изготавливаются крупноформатные блоки, пористый и пустотелый кирпич, а для специальных целей (например, для дымовых труб) – закаленный кирпич.

В последние десятилетия к керамике стали относить и бессиликатные композиционные материалы из различных оксидов, карбидов, силицидов, боридов и нитридов. Такие материалы сочетают в себе высокие термическую и коррозийную стойкость и прочность. Некоторые композиционные материалы начинают разрушаться только при температуре выше 1600° С.

Высокопрочностные материалы, в которых (в результате прессования порошка при 1700° С) до 65% Аl 2 О 3 внедряется в кристаллическую решетку Si 3 N 4 , выдерживают температуру выше 1200° С. В сосудах из такого материала можно плавить медь, алюминий и другие металлы. Из комбинации кремний–алюминий–азот–кислород можно получить многообразные керамические материалы, обладающие высокими техническими качествами.

Металлокерамические композиционные материалы имеют высокую твердость и чрезвычайно высокую термостойкость. Из них изготавливаются камеры сгорания для космических ракет и детали для металлорежущих инструментов. Такие материалы производятся методом порошковой металлургии из металлов (железа, хрома, ванадия, молибдена и др.) и оксидов металлов (преимущественно Аl 2 О 3 ), карбидов, боридов, нитридов или силицидов. В металлокерамике сочетаются качества керамики и металлов.

Сравнительно недавно – в начале 90-х годов – синтезирован керамический материал на основе оксидов меди, обладающий удивительным свойством – высокотемпературной сверхпроводимостью. Такой материал переходит в сверхпроводящее состояние при 170 К.

Вне всякого сомнения, в результате исследования структуры и свойств новых керамических материалов будут найдены способы синтеза композитов с раньше неизвестными свойствами.

Средства сохранения материалов

Важно не только получить высококачественный материал, но и сохранить его. Воздействие окружающей среды ухудшает качество материала: происходит его преждевременное старение, разрушение и т. п. К существенному разрушению металлов, особенно нецветных, приводит их коррозия, при длительном воздействии влаги древесина подвергается гниению и т. д. Поэтому для сохранения качества материалов и изготовленных из них изделий применяются различные средства защиты.

Принято считать, что человек научился изготавливать металлические изделия более 4500 лет назад, и с тех пор он борется с коррозией. По некоторым оценкам, ежегодные потери железа в результате коррозии составляют почти 15% мировой продукции стали, а это означает, что примерно каждая седьмая домна на земном шаре работает впустую.

Самая распространенная мера защиты от коррозии – окраска, т. е. нанесение защитного слоя масляной или синтетической краски. Слой краски защищает изделия из древесины от гниения. Широко применяются краски на основе алкидных смол.

Обычное покрытие кажется эффективным, когда краска наносится на чистую поверхность. Однако процесс очистки поверхности – трудоемкая операция, поэтому проводится поиск защитных покрытий для нанесения на поврежденную коррозией поверхность без предварительной ее очистки. Одно из таких покрытий уже синтезировано в виде краски, содержащей цианамид цинка, при реагировании которого с ржавчиной образуется цианамид железа, надежно защищающий поверхность от коррозии.

Для приготовления красок и лаков широко применяются органические растворители и разбавители. После нанесения краски органические вещества испаряются, загрязняя атмосферу. Такого недостатка лишены жидкие лаки без растворителей, а также краски, разбавленные водой. Весьма эффективно порошкообразное покрытие электростатическим способом, при котором в качестве связующих веществ применяются термопласты и «сшитые полимеры» (эпоксидные смолы, поливинилацетат, полиолефины). С помощью полиэфиров и высокомолекулярных полиамодов можно получить цветные или прозрачные слои толщиной около 0,02 мм, прочно сцепляемые с окрашиваемой поверхностью.

Представляют практический интерес электропроводящие краски, необходимые для изготовления печатных схем, антенн и т. п.

Антикоррозийными свойствами обладают нержавеющие стали, содержащие дорогостоящие металлы хром или никель. Гораздо дешевле напыление на обычную сталь слоя алюминия или хрома небольшой толщины– менее 0,001 мкм.

Один из перспективных способов защиты от коррозии – формирование слоя своеобразной ржавчины, предохраняющего металл от дальнейшего разрушения. Обычная ржавчина, состоящая из рыхлого слоя оксида железа, способствует дальнейшему разрушению материала. Защитный слой ржавчины образуется на поверхности деталей из стали, содержащей, например, 0,7–0,15% фосфора, 0,25–0,55% меди, 0,5–1,25% хрома и 0,65% никеля. К настоящему времени уже разработаны десятки разновидностей таких сталей, обладающих удивительным свойством самозащиты. Их можно формовать и сваривать, а стоимость их на 10– 30% выше обычных сталей. Из них можно изготавливать вагоны, цистерны, трубопроводы, строительные конструкции и многое другое, что требует устойчивости к атмосферным воздействиям.

Замена материалов

На смену старым материалам приходят новые. Это происходит обычно в двух случаях: когда возникает дефицит старого материала и когда новый материал более эффективен. Материал-заместитель должен обладать лучшими свойствами. Например, к материалам-заменителям можно отнести пластмассы, хотя считать их определенно новыми материалами вряд ли возможно. Пластмассы могут заменить металл, дерево, кожу и другие материалы. Более 1/3 мирового потребления пластмасс приходится на промышленность. Тем не менее, по некоторым оценкам, только 8–15% стали заменяется пластмассами (преимущественно при изготовлении трубопроводов), бетоном и другими материалами. Сталь обладает вполне приемлемым соотношением между стоимостью и прочностью, возможностью варьирования свойств и способов обработки – все эти качества сдерживают быстрое и массовое ее вытеснение пластмассами и другими материалами.

Не менее сложной является проблема замены цветных металлов. Во многих странах идут по пути экономного, рационального их потребления.

Преимущества пластмасс для многих сфер применений вполне очевидны: 1 т пластмасс в машиностроении экономит 5–6 т металлов. На изготовление пластмассовых изделий требуется всего 12–33% рабочего времени, необходимого для изготовления тех же изделий из металла. В производстве, например, пластмассовых винтов, зубчатых колес и др. сокращается число операций обработки и повышается производительность труда на 300–1000%. При обработке металлов материал используется на 70%, а при изготовлении изделий из пластмасс – на 90–95%.

Замена другого широко применяемого материала – древесины – началось еще в первой половине XX в. Прежде всего появилась фанера, а позднее – древесноволокнистые и древесностружечные плиты. В последние десятилетия древесина стала вытесняться алюминием и пластмассами. В качестве примеров можно назвать игрушки, предметы быта, лодки, строительные конструкции и т. п. В то же время наблюдается тенденция увеличения потребительского спроса на товары, изготовленные из древесины.

, нефтехимическая промышленность , энергетика, транспорт, военная техника и многие другие.

Химические технологии в историческом развитии

При рассмотрении развития химической технологии XX в., особенно после первой мировой войны, можно вскрыть некоторые характерные, специфические ее черты. Известно, что 99,5% земной коры состоит из 14 химических элементов : кислорода, кремния, углерода, алюминия, железа, кальция, натрия, магния, калия, водорода, титана, фосфора, хлора и серы. Однако, несмотря на массовое распространение многих из этих элементов, они не были втянуты в орбиту химической промышленности в XIX в. Это в равной мере относится и к фтору, титану, хлору, магнию, алюминию и к водороду.

Для химической технологии XX в. характерно обращение именно к этим наиболее распространенным элементам. Водород в настоящее время — это хлеб современной химии . Синтез аммиака , синтез спиртов, синтез жидкого топлива и т. д. ежегодно требуют производства миллиардов кубических метров водорода. Широкое вовлечение водорода в химическое производство — характерная черта химии XX в.

Большое значение в современной технике приобретает химия кремния и, в частности, химия кремнийорганических соединений. Исключительное значение приобретает также химия титана, хлора, магния, калия, алюминия. Вместе с тем химическая технология, особенно в связи с развитием атомной и реактивной техники, стремится использовать наиболее редкие и рассеянные элементы земной коры, являющиеся важнейшей основой техники XX в.

Основой органического синтеза XIX в. была каменноугольная смола, получаемая при коксовании углей. В XX веке это сырье уступает свое место простым и легкодоступным газам, получаемым из широкой гаммы твердых топлив, начиная от торфа, низкосортных бурых углей и кончая антрацитом и коксом. В больших масштабах используются газы, получаемые при добыче и переработке нефти. На протяжении XX в. все шире используются природные ископаемые газы (рис. 1).

Рис1. Продукты, получаемые из природного газа (метана).

Таким образом, если в XIX в. основой химической промышленности являлась каменноугольная смола, то в первой половине XX в. основной сырьевой базой промышленности органического синтеза становятся уголь и нефть и получаемые из них газы: водород, окись углерода, богатейшая гамма углеводородов и целый ряд других материалов. Азот, водород, кислород, хлор, фтор, окись углерода, метан, ацетилен, этилен и некоторые другие газы являются основной сырьевой базой современной химии. Следовательно, характерной чертой новейшей химической технологии являются применение распространенных элементов, ранее использовавшихся в ничтожных масштабах, и превращение их в основу современной химической технологии, а также широкое использование в качестве химического сырья твердого топлива, жидких и газообразных углеводородов.

Характерной чертой химической технологии является также использование редких элементов, связанных, в частности, с требованиями атомной техники. Химия в значительной мере способствует развитию ядерной техники, давая ей различные материалы — металлы (уран, литий и др.), тяжелую воду, водород, пластмассы и др.

Вначале было освоено производство основной аппаратуры для синтеза аммиака. Были разработаны и созданы колонны синтеза, сепараторы, водяные и аммиачные скрубберы для очистки газов от углекислого газа и окиси углерода, а также центрифуги, вакуум-фильтры, автоклавы для вулканизации резины, прессы для пластмасс, аппаратура глубокого охлаждения и т. д. Особое значение начиная с 20-х годов приобрели мощные установки разделения нефтяных газов, высокоэффективная ректификационная и адсорбционная аппаратура, компрессоры высокого давления и реакторы, холодильные установки и др. Основной тенденцией современной химии является стремление заранее проектировать молекулярную структуру вещества в соответствии кислород, хлор, фтор, окись углерода, метан, ацетилен, этилен и некоторые другие газы являются основной сырьевой базой современной химии.

Следовательно, характерной чертой новейшей химической технологии являются применение распространенных элементов, ранее использовавшихся в ничтожных масштабах, и превращение их в основу современной химической технологии, а также широкое использование в качестве химического сырья твердого топлива, жидких и газообразных углеводородов.

Следует отметить, что одной из особенностей современной химии является требование к чистоте производимых продуктов. Примеси, содержащиеся в исходных веществах, часто отрицательно влияют на свойства получаемого продукта. Поэтому в последнее время в химической промышленности все более применяются очень чистые исходные вещества (мономеры), содержащие не менее 99,8—99,9% основного вещества. Характерной особенностью современной химической технологии является то, что на ее вооружение становятся новые методы воздействия; особенно важным являются применение высоких давлений от нескольких сот до 1500—2000 и выше атмосфер, глубокого вакуума (до тысячных долей атмосферы), высоких температур до нескольких тысяч градусов, применение глубокого холода (низкие температуры, близкие к абсолютному нулю), а также использование электроразрядов, ультразвука, радиоактивных излучений и т. д. Естественно, что повышение технического уровня химического производства вообще, а следовательно, и быстрое развитие промышленности органического синтеза в частности обеспечиваются снабжением химической промышленности современным, высокопроизводительным оборудованием, соответствующими аппаратами и машинами. Вначале было освоено производство основной аппаратуры для синтеза аммиака. Были разработаны и созданы колонны синтеза, сепараторы, водяные и аммиачные скрубберы для очистки газов от углекислого газа и окиси углерода, а также центрифуги, вакуум-фильтры, автоклавы для вулканизации резины, прессы для пластмасс, аппаратура глубокого охлаждения и т. д. Особое значение начиная с 20-х годов приобрели мощные установки разделения нефтяных газов, высокоэффективная ректификационная и адсорбционная аппаратура, компрессоры высокого давления и реакторы, холодильные установки и др. Основной тенденцией современной химии является стремление заранее проектировать молекулярную структуру вещества в соответствии с заранее заданными свойствами. Синтез веществ с заранее заданными свойствами в современной химии ведется не вслепую, а на основании глубокого изучения законов образования молекул. Поэтому большое развитие получает целый ряд новых разделов химической науки.

По существу, от случайных поисков и находок химия начиная с 1920-х годов перешла к планомерной замене и вытеснению естественных дефицитных материалов материалами, по качеству не только не уступающими, а, наоборот, превосходящими эти естественные материалы. Например, чилийская природная селитра была вытеснена синтетическими азотными соединениями. Синтетический каучук по своим качествам не уступает каучуку естественному. В последние годы некоторые исследователи работают над поднятием качества не синтетического, а естественного каучука, чтобы он мог конкурировать с некоторыми специальными видами синтетических каучуков. Большие успехи достигнуты в области синтеза искусственного волокна, производство которого насчитывает каких-нибудь несколько десятков лет.

Начиная с 1920-х годов естественные продукты как бы оттесняются в сторону и на их место приходят не уступающие им по качеству синтетические продукты. Это совершенно естественный процесс. Дело в том, что химические методы обработки вещества, внедрение химических процессов в производство приводят к сильному сокращению времени производства и к значительному снижению трудовых затрат, а вместе с тем и к получению продуктов более высокого качества, чем натуральные продукты. Так, если па выпуск 1 т искусственного вискозного штапельного волокна требуется 70 человеко-дней, то на производство 1 т хлопчатобумажного волокна затрачивается 238 человеко-дней. При производстве вискозного шелка трудовые затраты примерно в 10 раз меньше, чем при производстве натурального шелка. При получении 1 т этилового спирта (необходимого для производства ряда синтетических продуктов) из нефтяного сырья затраты труда по сравнению с производством этого спирта из пищевого сырья уменьшаются в 20—22 раза.О том, как много сделано в области синтеза новых веществ, говорят следующие данные. В настоящее время известно 100 тыс. неорганических химических соединений в природе, число же известных органических веществ, природных и искусственных, превысило три миллиона и продолжает быстро расти. Только промышленно освоенные соединения, полученные на базе нефти, насчитывают 10 тыс. наименований. Наряду с созданием новых синтетических материалов идет непрерывный процесс улучшения качества уже существующих, вырабатываемых промышленностью веществ. Наконец, в настоящее время доказана принципиальная возможность искусственного получения природных соединений любой сложности. Недалеко то время, когда в лабораториях химиков-органиков будут синтезированы различного вида сложные белковые вещества, являющиеся основой жизни.

Характерной чертой современной техники является то, что она развивается на базе широчайшего применения электричества. Причем если раньше паровая машина лишь в какой-то степени давала технологическое «сырье» для химической промышленности в виде пара и тепла, то электричество становится важнейшим элементом своеобразного технологического «сырья» для таких, например, процессов, как электролиз.

Для производства аммиака, синтезированного из полученного электролизом воды водорода и азота воздуха, нужно израсходовать примерно 12 тыс. квт-ч электроэнергии. Для изготовления синтетического каучука на основе этилена расходуется около 15 тыс. квт-ч, а для некоторых других видов каучука — 17 тыс. квт-ч и даже больше. На производство одной тонны ацетатного шелка расходуется 20 тыс. квт-ч, тонны фосфора — от 14 до 20 тыс. квт-ч и тонны искусственных абразивов — около 6—9 тыс. квт-ч — это примерно столько же, сколько и на производство мощного трактора.

Для развития химической промышленности характерна широчайшая автоматизация технологических процессов. Комплексная автоматизация прежде всего необходима именно в химической промышленности, для которой характерны крупные масштабы производства. Автоматизации химической промышленности способствует преобладание в ней непрерывных процессов производства, а также вредных и даже опасных работ. В химической промышленности прежде всего полностью автоматизированы процессы регулирования температуры, давления, состава, скорости протекания реакций и т. д., так как для непрерывных химических процессов (недоступных для непосредственного наблюдения) особенно важно поддерживать стабильность технологических режимов. В химическом производстве в основном осуществлена полная механизация и автоматизация, а за человеком остаются лишь функции надзора и контроля, а также выполнение профилактического ремонта.

Важнейшими направлениями автоматизации химического производства являются внедрение новых автоматических устройств, основанных на использовании электронных математических машин, переход к комплексной механизации и автоматизации целых химических заводов. В США наибольшее развитие автоматизация производства получила именно в нефтяной и химической промышленности. Наряду с автоматизацией управления отдельных установок, отдельных технологических процессов вводятся в строй полностью автоматизированные предприятия, как, например, пущенный в 1949 г. в эксплуатацию нефтеперерабатывающий завод, оборудованный электронной системой управления производственными процессами, а затем аммиачный завод фирмы « Спенсер Кэмикл», отличающийся высокой степенью автоматизации производственных процессов. Бурное развитие химии привело к тому, что только на протяжении 10—15 лет после окончания второй мировой войны были созданы сотни новых материалов, заменяющих металл, дерево, шерсть, шелк, стекло и многое другое.

Ускоренными темпами идет развитие производства синтетических материалов, требующихся для обеспечения технического прогресса в различных отраслях народного хозяйства. При этом характерным являются рост производства минеральных удобрений, а также ядохимикатов и аммиака, увеличение использования нефтяных и природных газов, коксового газа и продуктов коксования углей для производства синтетических смол, каучука, спирта, моющих средств, высококачественных лаков и красителей, пластмасс, искусственного волокна, электроизоляционных материалов, специальных материалов для машиностроения, радиотехники и др.

В частности, осуществляется внедрение новых эффективных методов синтеза, чтобы избежать расходования огромных количественных пищевых продуктов при производстве изделий технического назначения. Например, расход огромного количества зерна на производство этилового спирта для получения синтетического каучука выдвинул задачу замены пищевых продукто в синтетическим спиртом. Для получения 1 т этилового спирта вместо 4 т зерна или же 10 т картофеля достаточно израсходовать 2 т сжиженного природного газа. Для производства 1 т синтетического каучука вместо почти 9 т зерна или 22 т картофеля достаточно затратить только около 5 т сжиженных газов нефтеперерабатывающих заводов.

Многие экономисты считают, что в ближайшее десятилетие более 50% мировой химической продукции будет получено из нефтяного сырья. Все это говорит о больших достижениях органического синтеза.

После Октябрьской революции 1917 развитие социалистического производства потребовало расширения сферы практического приложения химии, повышения роли специального химического и химико-технологическго образования, поднятия уровня подготовки как исследователей и преподавателей, так и инженеров-химиков. В начале 1920-х гг. организуются самостоятельные химические отделения в составе физико-математических факультетов университетов. На этих отделениях введены специализации по неорганической, физической, органической, аналитической химии , биохимии и агрохимии. В 1920 создан Московский химико-технологический институт им. Д. И. Менделеева. С 1929 на базе химических отделений в университетах открываются самостоятельные химические факультеты для подготовки специалистов для научно-исследовательских учреждений и лабораторий химических производств, создаются новые химико-технологические институты.

С середины 1950-х гг. в химии и химической технологии создаются тончайшие методы исследования различных веществ, производятся новые материалы — химические волокна, пластмассы, ситаллы, полупроводники, новые физиологически активные вещества и лекарственные препараты, химические удобрения и инсектофунгициды. Химия проникла во все отрасли науки и народного хозяйства. Химическое образование поэтому стало составной частью подготовки специалистов в политехнических, индустриальных, металлургических, энергетических, электротехнических, машино- и приборостроительных, геологических, горных, нефтяных, с.-х., лесотехнических, медицинских, ветеринарных, пищевой, лёгкой промышленности и др. высших и средних специальных учебных заведениях.

Специалистов для научной и педагогической деятельности готовят главным образом химические факультеты университетов и педагогические институты, а также факультеты химико-биологические, биолого-химические, естествознания и др.

Подготовка специалистов-химиков в советских университетах длится 5 лет (на вечерних и заочных отделениях — до 6). Здесь изучаются специальные курсы неорганической, органической, аналитической, физической, коллоидной химии, кристаллохимии , общей химической технологии, химии высокомолекулярных соединений . Свыше половины учебного времени по специальным дисциплинам занимает работа студентов в лабораториях. Студенты проходят производственную практику (28 нед.) на предприятиях, в научно-исследовательских учреждениях и лабораториях.

Подготовка специалистов по химии и химической технологии и преподавателей для высших учебных заведений продолжается в аспирантуре Наиболее крупными центрами подготовки специалистов-химиков, кроме университетов, являются институты: Московский химико-технологический им. Д. И. Менделеева, Ленинградский технологический им. Ленсовета, Московский институт тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова, Белорусский технологический им. С. М. Кирова, Воронежский технологический, Днепропетровский химико-технологический им. Ф. Э. Дзержинского, Ивановский химико-технологический, Казанский химико-технологический им. С. М. Кирова, Казахский химико-технологический и др.

Специалисты-химики (техники-технологи) готовятся также в средних специальных учебных заведениях — в химических и химико-технологических техникумах, расположенных, как правило, в центрах химической промышленности, при крупных химических комбинатах. В 1977 свыше 120 таких учебных заведений готовили техников свыше 30 химических и химико-технологических специальностей (химическая технология нефти, газа, угля, стекла и изделий из него, технология химических волокон и др.). Окончившие эти учебные заведения используются на химических производствах в качестве мастеров, бригадиров, лаборантов, аппаратчиков и др. Химико-технологические профессионально-технические училища удовлетворяют потребность в квалифицированных рабочих для различных отраслей химической промышленности.

Совершенствование структуры и содержания химического и химико-технологического образования связано с научной и педагогической деятельностью многих советских учёных — А. Е. Арбузова, Б. А. Арбузова, А. Н. Баха, С. И. Вольфковича, Н. Д. Зелинского, И. А. Каблукова , В. А. Каргина, И. Л. Кнунянца, Д. П. Коновалова, С. В. Лебедева, С. С. Наметкина , Б. В. Некрасова, А. Н. Несмеянова, А. Е. Порай-Кошица, А. Н. Реформатского, С. Н. Реформатского, Н. Н. Семенова, Я. К. Сыркина, В. Е. Тищенко, А. Е. Фаворского и др. Новые достижения химически наук освещаются в специальных химических журналах, помогающих в совершенствовании научного уровня курсов химии и химической технологии в высшей школе.

В развитых странах крупными центрами структуры и содержания химического и химико-технологического образования являются: Великобритании — Кембриджский, Оксфордский, Батский, Бирмингемский университеты, Манчестерский политехнический институт; в Италии — Болонский, Миланский университеты; в США — Калифорнийский, Колумбийский, Мичиганский технологические университеты, Толедский университет, Калифорнийский, Массачусетсский технологические институты; во Франции — Гренобльский 1-й, Марсельский 1-й, Клермон-Ферранский, Компьенский технологический, Лионский 1-й, Монпельеский 2-й, Парижские 6-й и 7-й университеты, Лоранский, Тулузский политехнические институты; в Гепмании — Дортмундский, Ганноверский, Штутгартский университеты, Высшие технические школы в Дармштадте и Карлсруэ; в Японии — Киотский, Окаямский, Осакский, Токийский университеты и др.

, М., 1971;

Основы технологии и нефтехимического синтеза , под ред. А. И. Динцеса и Л. А. Потоловского, М., 1960.

Под технологией в широком значении этого слова понимают научное описание методов и средств производства в какой-либо отрасли промышленности.

Например, методы и средства обработки металлов составляют предмет технологии металлов, методы и средства изготовления машин и аппаратов предмет технологии машиностроения.

Процессы механической технологии основаны преимущественно на механическом воздействии, изменяющем внешний вид или физические свойства обрабатываемых веществ, но не влияющем на их химический состав.

Процессы химической технологии включают химическую переработку сырья, основанную на сложных по своей природе химических и физико-химических явлениях.

Химическая технология - наука о наиболее экономичных и экологически обоснованных методах химической переработки сырых природных материалов в предметы потребления и средства производства.

Великий русский ученый Менделеев так определял различия между химической и механической технологией: «... начинаясь с подражания, всякое механически-фабричное дело может совершенствоваться в своих даже самых основных принципах, если есть только внимательность и желание, но при этом одном, без предварительного знания, прогресс химических заводов немыслим, не существует и существовать, наверно, никогда не будет».

Современная химическая технология

Современная химическая технология, используя достижения естественных и технических наук, изучает и разрабатывает совокупность физических и химических процессов, машин и аппаратов, оптимальные пути осуществления этих процессов и управления ими при промышленном производстве различных веществ, продуктов, материалов.

Развитие науки и промышленности привело к значительному росту числа химических производств. Например, сейчас только на основе нефти производят около 80 тыс. разных химических продуктов.

Рост химического производства, с одной стороны, и развитие химических и технических наук с другой, позволили разработать теоретические основы химико-технологических процессов.

Технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов;

Химическая технология синтетических биологически активных веществ, химико-фармацевтических препаратов и косметических средств;

Химическая технология органических веществ;

Технология и переработка полимеров;

Основные процессы химических производств и химическая кибернетика;

Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов;

Химическая технология неорганических веществ.

Химическая технология и биотехнология включает в себя совокупность методов, способов и средств получения веществ и создания материалов с помощью физических, физико-химических и биологических процессов.

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ:

Анализ и прогнозы развития химической технологии;

Новые процессы в химической технологии;

Технология неорганических веществ и материалов;

Нанотехнологии и наноматериалы;

Технология органических веществ;

Каталитические процессы;

Нефтехимия и нефтепереработка;

Технология полимерных и композиционных материалов;

Химико-металлургические процессы глубокой переработки рудного, техногенного и вторичного сырья;

Химия и технология редких, рассеянных и радиоактивных элементов;

Переработка отработанного ядерного топлива, утилизация отходов атомной энергетики;

Экологические проблемы. Создание малоотходных и замкнутых технологических схем;

Процессы и аппараты химической технологии;

Технология лекарственных средств, бытовая химия;

Мониторинг природной и техногенной сферы;

Химическая переработка твердых топлив и природного возобновляемого сырья;

Экономические проблемы химической технологии;

Химическая кибернетика, моделирование и автоматизация химических производств;

Проблемы токсичности, обеспечение безопасности химических производств. Охрана труда;

Аналитический контроль химических производств, качество и сертификация продукции;

Химическая технология высокомолекулярных соединений

РАДИАЦИОННО-ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ (РХТ) - область общей химической технологии, посвященная исследованию процессов, протекающих под действием ионизирующих излучений (ИИ) и разработке методов безопасного и экономически эффективного использования последних в народном хозяйстве, а также созданию соответствующих устройств (аппаратов, установок).

РХТ применяется для получения предметов потребления и средств производства, для придания материалам и готовым изделиям улучшенных или новых эксплуатационных свойств, повышения эффективности сельскохозяйственного производства, решения некоторых проблем экологии и др.