Контрольная работа: Процессы, идущие при повышенном или пониженном давлении

13,77

31,43

Из таблицы видно, что низкие температуры и высокие давления смещают равновесие в сторону образования аммиака и увеличения его выхода. Содержание аммиака в равновесной смеси указывает на целесообразность проведения процесса при высоком давлении. В этом случае в результате конденсации аммиака облегчается его отделение от непрореагировавшей азотоводородной смеси. Однако значительно увеличивается расход энергии на её сжатие, ужесточаются требования к качеству и надежности оборудования. При понижении же давления упрощается аппаратурное оформление процесса, хотя габариты аппаратов растут. Одновременно снижается расход энергии на сжатие, но увеличиваются энергозатраты на циркуляцию газа и выделения аммиака; повышаютсятребования к чистоте исходной азотоводородной смеси. Оптимизацией технико-экономических показателей процесса было выявлено, что наивыгоднейшее значение давления равно 32 МПа.

Поиск оптимального давления несколько упрощается в случае обратимых газовых реакций, протекающих с увеличением объема. Примером такой реакции может быть конверсия водяным паром для получения водорода:

СН₄ + Н₂ О→ СО₂ + 4Н₂ - Q

газ пар газ газ

в этой реакции число молей конечных продуктов ( 1 + 4 = 5) больше числа молей исходных реагентов (1 + 1 = 2), что указывает на ее протекание с увеличением объема.

Рассмотренные газовые реакции часто завершаются переходом газового компонента в жидкую или твердую фазу в результате его конденсации либо улавливания твердым или жидким поглотителем. Скорость процессов адсорбции, растворения, абсорбции и конденсации газового компонента всегда пропорциональна давлению, под которым этот компонент находится. Поэтому в промышленности для ускорения перехода газа в другое агрегатное состояние часто применяют давление выше атмосферного. Так, в холодильных установках сжижение аммиака при плюсовых температурах достигается использованием давления 1,5 – 5 МПа. Обеззараживание воды хлором и насыщение её кислородом также форсируются применением избыточного давления. И наоборот, для перевода компонентов в газообразное состояние после их поглощения жидкостью или твердым телом, а также для ускорения этих процессов применяют вакуум.

Удаление газов и паров из различных материалов при низкой температуре в вакууме позволяет получить особо чистые химические вещества, электротехнические и полупроводниковые материалы, фармацевтические препараты, а также очень чистые от адсорбированных газов поверхности. На такие поверхности напыляются тонкие пленки в производстве микроминиатюрных радиоэлектронных изделий.

В металлургии с помощью вакуума из жидкого металла удаляются растворенные в нем газы (О₂ , N₂ , Н₂ ), неметаллические включения, летучие – олово, висмут, сурьму, свинец. Одновременно с этим вакуум повышает плотность слитков. В строительстве вакуумирование провибрированного бетона увеличивает его прочность у поверхности на 20 – 40% повышает морозостойкость и износостойкость за счет снижения водоцементного отношения. Это экономит время бетонирования, так как дает возможность использовать покрытие вскоре после его вакуумной обработки.

3. Роль давления в жидкофазных процессах

Для процессов, протекающих в жидкой фазе, применение повышенного давления эффективно лишь при его значениях более 200 МПа. Примером может служить жидкофазная гидратация этилена при получении этилового спирта (С₂ Н₄ + Н₂ О→ С₂ Н₅ ОН) либо его полимеризация в производстве полиэтилена высокого давления. В последнем случае уже при давлении 200 МПа и температуре 200 ºС плотность газообразного этилена очень близка к плотности жидкости. В существующих технологических процессах полиэтилена давление достигает 300 МПа. Подобное повышение давления благоприятствует образованию полиэтилена большей плотности, уменьшает разветвленность и количество непредельных групп в структуре макромолекул.

Однако при таком давлении влияние температуры и агрегатного состояния проявляется в очень противоречивой форме. С одной стороны, повышение температуры ускоряет распад инициатора и увеличивает скорость полимеризации, с другой – с повышением температуры уменьшается молекулярная масса и плотность полимера, в результате качество полиэтилена высокого давления как одного из лучших диэлектриков для высокочастотной техники несколько ухудшается. Фазовое состояние реакционной смеси также влияет на эффектность процесса. В гомофазной системе Ж – Ж преобладают процессы роста молекулярной цепи с образованием небольшого числа коротких боковых ответвлений. В гетерофазной системе Г – Ж – Т образуется большое число молекул с длинными боковыми ответвлениями, сильно ухудшающими качество полимера. По этой причине полимеризацию этилена под высоким давлением проводят в гомофазной системе Ж – Ж, а подготовительные и завершающие операции – в гетерофазных системах типа Г – Ж либо Ж – Т.

Другая область применения высокого давления – жидкофазная пропитка пористых материалов и изделии. Применение для этой цели высокого гидростатического давления (3000 МПа) в многих отраслях промышленности сокращает продолжительность пропитки с нескольких суток до 10 – 30 с. В ряде случаев удается совмещением нескольких технологических операций одновременно с пропиткой производить уплотнение и формообразование (профилирование). Например, древесину железнодорожных шпал, мебельных изделий, шахтного крепежного леса обрабатывать антисептиками, консервантами, синтетическими смолами или лаками. Это исключает длительную и энергоемкую сушку, позволяет использовать плохосмазываемые и даже высоковязкие жидкости без подогрева. В настоящее время пропиткой пористых материалов и изделий жидкостью под высоким гиростатическим давлением осуществляют консервирование и гидролиз древесины, изготовление древесных пластиков, изготовление высоковольтных пленочных конденсаторов, антифрикционной металлокерамики и т. д.

Для процессов, протекающих в твердой фазе, визу незначительной сжимаемости твердых тел эффективными являются лишь сверхвысокие давления ~10 000 – 250 000 МПа. При таких больших сжатиях происходит перестройка электронных оболочек атомов, деформация молекул и сдвиг фазового равновесия. Как правило, это заканчивается образованием новых химических связей, которые обладают большой прочностью. Подобный принцип воздействия на вещество положен в основу создания новых материалов с необходимыми свойствами. Сейчас сверхтвердые материалы типа эльбера, боразона и синтетических алмазов получают при температурах 1600 - 2400ºС целенаправленными полиморфными превращениями в кристаллической структуре. Так, графит в результате перегруппировки атомов углерода в кристаллической решетке переходит в синтетический алмаз. Гексагональная структура нитрида бора трансформируется до кубической, что придает полученным кристаллам твердость, превышающую твердость алмаза.

Техника получения сверхвысоких давлений уже сейчас обеспечивает возможность сжатия материалов до 10⁶ – 10⁸ МПа. Это открывает большие возможности получения совершенно новых сплавов большой твердости, прочности и жестокости либо создания неметаллических материалов с металлическими свойствами. Например, серый чугун после его обработки высоким давлением напоминает по механическим характеристикам высокосортную сталь, а не металлы (сера, йод) и металлоиды (например, селен) приобретают ярко выраженные металлические свойства.

Таким образом, сверхвысокие давления значительно расширяют диапазон возможностей в создании новых материалов и прогрессивной технологии их переработки.

Литература

1. Гинберг А.М., Хохлов Б.А., Дрякина И.П. и др. Технология важнейших отраслей промышленности. — М.: Высшая школа, 1985.