Қазақша рефераттар

Химия өндірісіндегі қуаттардың жаңа түрлері

Химия өндірісінің дамуы қуатты тұтынудың сандық мөлшерінің өсуімен ғана емес, сонымен қатар оның сапалық өзгерісімен қатар жүреді. Бұл химиялық өндірісте плазмохимиялық, ультрадыбыстық, фото- және радиациялық әсерлер, сондай-ақ төмен энергиялы лазерлік сәулелендіру сияқты жаңа энергия түрлерінің қолданылуын білдіреді.

Мұндай «экстремалды» әсерлер реакциялық жүйені белсендіреді: қозған бөлшектер пайда болып, химиялық реакциялардың инициирленуін күшейтеді және процестің жоғары селективті болуына ықпал етеді. Осы құбылыстар жиынтығы химияның жаңа бағытын қалыптастырады — жоғары қуаттар химиясы (ЖҚХ). Ол қоздырылған (ояған) бөлшектері бар жүйелердегі химиялық түрленулерді және заттың құрамы мен қасиеттерінің өзгеру заңдылықтарын зерттейді.

Плазмохимия: әмбебап әрі болашағы зор бағыт

ЖҚХ аясындағы ең болашағы зор және әмбебап процестердің бірі — плазмохимиялық процесс, яғни плазмада жүретін химиялық түрленулер. Плазма деп жартылай немесе толық иондалған газды айтады; оның құрамында молекулалар, атомдар, иондар және электрондар болады. Қарапайым түрде бұл түрленулерді келесі схемалармен көрсетуге болады:

A₂ → 2A

A → A⁺ + e⁻

Плазманың температуралық түрлері

Төмен температуралы плазма

Температурасы шамамен 10³–10⁴ K. Химиялық технологияда әртүрлі өнімдер алу үшін кең қолданылады; оны алудың өндірістік әдістері әзірленген.

Жоғары температуралы плазма

Температурасы шамамен 10⁶–10⁸ K. Әдетте ТОКАМАК типіндегі құрылғыларда қарастырылады.

Өндірістегі плазмалық процестер: бағыттар мен мысалдар

Қазіргі кезеңде шамамен 70 плазмалық технологиялық процесс зерттелген, олардың бір бөлігі өндірісте қолданылып келеді. Төменде негізгі бағыттар келтірілген.

  • Балқуы қиын қосылыстардың эндотермиялық синтезі (уран, тантал, титан нитридтері, алюминий, вольфрам және т.б.).
  • Тотықтар мен тұздардан металдарды қалпына келтіру (темір, алюминий, вольфрам, никель, тантал және т.б.).
  • Әртүрлі заттардың тотығуы (азот, хлорсутек, көміртек тотығы, метан).
  • Табиғи газдар мен мұнай өнімдерінің гидролизі.
  • Қарапайым заттардан бір сатылы синтез арқылы қосылыстар алу (аммиак, цианды сутек, гидразин, фторкөмірсутектер).
  • Плазмохимиялық әсер жағдайында ерекше/сирек қосылыстар синтезі (озон, криптон дифториді, күкірт оксидтері, кремний оксидтері).

Өндірістік масштабта плазмохимиялық процестер табиғи газдан ацетилен мен сутек алу, мұнай өнімдерінен ацетилен, этилен және сутек өндіру, газ-синтезінен винилхлорид алу, сондай-ақ титанның қос тотығын өндіру сияқты бағыттарда қолданылады.

Плазмохимиялық реактор: құрылымы және жұмыс ерекшелігі

Плазмохимиялық процестерді жүргізу үшін әртүрлі конструкциядағы плазмалық реакторлар қолданылады. Түзу типтегі реактордың үлгілік құрылымы әдетте бірнеше тораптан тұрады.

Негізгі тораптар

  • Плазматрон: электр доғасы немесе жоғары жиілікті токтар әсерімен плазма түзеді.
  • Реактор аймағы: плазма енгізіліп, реагенттер беріледі.
  • Шынықтырушы құрылғы: реакциялық қоспаны тез суытып, өнімнің тұрақтануын қамтамасыз етеді.
  • Өнімді ұстау/жинау тораптары: реакция өнімдерін бөліп алуға арналған.

Артықшылықтары

  • Реакция уақыты өте қысқа: шамамен 10⁻²–10⁻⁵ с, бұл реактор көлемін айтарлықтай кішірейтеді.
  • Процесті басқару, оңтайландыру және модельдеу салыстырмалы түрде жеңіл.
  • Көп жағдайда энергия шығыны дәстүрлі технологиялармен салыстырғанда төмен.

Мысал: метан пиролизі арқылы ацетилен өндіру

Плазмохимиялық процестердің қарапайым үлгісі ретінде ацетиленді метан пиролизі арқылы алу қарастырылады:

2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂

Бұл реакция жоғары активтену энергиясына байланысты жоғары температураны талап етеді. Термодинамикалық тұрғыдан реакция 1500 K-ден жоғары температураларда ғана қолайлы болуы мүмкін, өйткені осы аймақта Гиббс энергиясы теріс мәнге ауысады.

Гиббс энергиясының тәуелділігі (мәтіндегі берілген түрде): G = 96,8 − 0,064·T

Ацетилен алудың плазмохимиялық процесінде плазма түзуші газ ретінде көбіне аргон немесе сутек қолданылады. Процесс өнімдері әдетте су бүрку арқылы тез шынықтырылады. Метанның конверсия дәрежесі 0,7-ге дейін жетуі мүмкін.

Өндірістік көрсеткіштер (мысал)

Реактор өлшемдері

d = 0,15 м; h = 0,65 м

Көлемі

V = 0,05 м³

Өнімділігі

жылына 25 000 т ацетилен

Қуат сыйымдылығы бойынша плазмохимиялық әдіс карбидтік әдіспен салыстырғанда бәсекеге қабілетті және электрокрекинг пен термототықтыру пиролизінен кем түспейтіні көрсетіледі (мәтіндегі бағалар бойынша).

Сызбаларға берілген түсіндірмелер

Төмендегі тармақтар мәтіндегі 1–5-суреттерге берілген атаулар мен тораптарды жүйелейді (сызбалардың өздері мұнда берілмеген).

1-сурет

Газ турбинасы бар сызбада отын ретінде жанғыш екіншілік қуат ресурстарын (ЕҚР) қолдану.

2-сурет

Жылуалмастырғышы бар сызбада жылулық ЕҚР қолдану: 1 — реактор, 2 — жылуалмастырғыш.

3-сурет

Регенераторлары бар сызбада жылулық ЕҚР қолдану: камераны жылытуға арналған регенераторлар және газды жылытуға арналған регенератор.

4-сурет

Утилизациялық пеште бу өндіруге арналған жылулық ЕҚР қолдану: 1 — утилизациялық пеш, 2 — су бүріккіш, 3 — шығымы, 4 — қыздырылған газдың кіру жолы, 5 — суытылған газдың шығу жолы.

5-сурет

«Мотор – насос – турбина» сызбасында электр қуатын өндіруге арналған сығылған жүйенің қуат бөлігін қолдану: 1 — реактор, 2 — сұйықтық турбинасы, 3 — мотор, 4 — насос, 5 — ось.