ЛЕКЦИЯ. Реакторлар 10 страница

Өнім	Жыл
Ацетилен
Метанол
Пропилен
Сірке қышқылы
Фенол
Этилен
Синтетикалық этанол (декалитр)			92,4

1960 жылдан бастап НОС өнеркәсібі өнімдерінің жалпы көлемі ұлғаюымен бір мезгілде, өсу типі бойынша химиялық және мұнай химиялық өнеркәсіпті бүтіндей басып озды.

НОС даму перспективалары мен маңызы

НОС қазіргі заманғы өнеркәсібі екі негізгі міндеттерді шешеді: өнеркәсіптің басқа саласы үшін жартылай өнім өндірісінің ірі масштабы және жалпы мақсаттағы өнімдерді алу. Сондықтан, қазіргі уақытта халық шаруашылығының НОС өнімдері пайдаланылмайтын бір де бір саласы жоқ (11.1– сурет).

11.1 – сурет. НОС дамуының перспективасы.

Өнім саласын және өндірістің экономикалық тиімділігін арттыруға бағытталған НОС өнеркәсібінің негізгі даму тенденциялары шикізатты, энергияны үнемдеумен және капиталдық шығындарды төмендетумен байланысты. Олардың маңыздылары:

1. Табылуы оңай және арзан шикізатқа негізделгенжаңа технологиялық процестерді құру. Мысалы, құны қымбат ацетиленнен ароматты көмірсутектерге, алкендерге, алкандарға және ақырында синтез-газғаолардың құндылығының шкаласына сәйкес ауысуы:

С₂Н₂ > С_nН_2n-6 > С_nН_2n > С_nН_2n+2 > (СО + Н₂)

2. Бейорганикалық элементтерді тұтынуды қажет етпейтін синтездік тікелей әдісіне өту. Мысалы, этанол өндірісінде этиленді күкірт қышқылдық гидратациялауды тікелей каталиттікке ауыстыру.

3. Параметрлердің оптимизациясы, аппаратты таңдау және жоғары - селективті катализаторларды жинау есебінен процестердің селективтілігін (сұрыпталуын) арттыру.

4. Өндірістік стадияның санын қысқарту мысалы, этиленнен алынатын ацетальдегид синтезінің екі стадиялы процесін этанол (I) арқылы бір стадиялы тотықтыру процесімен алмастыру:

Н₂О (І)

С₂Н₅ОН

С₂Н₄ Н₂

О₂

СН₃СНО (ІІ)

5. Аппараттың қуат бірлігін арттыру және соның есебінен капиталдық шығындарды төмендету. Мысалы, метанол өндірісінде жылына 300-500 мың тоннаға дейін.

6. Агрегаттардың пайдалы әсер коэффициентін арттыру жекелей алғанда екінші реттік энергия ресурстары мен энерготехникалық схемаларды енгізу есебінен энергияны үнемдеу.

№14 ЛЕКЦИЯ. Жоғары молекулалық қосылыстардың технологиясы

ЖМҚ химиялық құрылысы күрделі молекулалық массасы жоғары (10⁴ – 10⁶ шамасында) заттар болып табылады. Олар молекула құрамына және құрылысына байланысты органикалық, элементорганикалық топтарға бөлінеді. Қарапайым органикалық жоғары молекулалық қосылыс – полиэтилен. Этилен қанықпаған көмірсутек, қосылу реакциясына оңай қатысады. Этилен – мономер, оның екі молекуласы бутилен (димер), үш молекуласы тример, төрт молекуласы тетрамер т.с.с түзейді. Мономердің n-молекулалары қосылғанда полимер болады.

Полимер молекуласында химиялық байланыста және заңдылығы “n” мономерлер қалдығы қайталанады. Полимеризация дәрежесінің “n” бір мономердің молекулалық масасына М_m көбейтіндісі полимердің молекулалық массасы деп аталады.

Бұл жердегі n 500-1000 оданда көп болады. Жоғары дәрежедегі полимеризациялық полимер – жоғары полимерлер, ал полимеризация дәрежесі – олигомерлер сондықтан жоғары полимерлі заттар жоғары молекулалық деп аталады.

Полимерлер атауы мономер атына “поли” қосу арқылы алынады. Мысалы, полиэтилен, полистирол т.с.с. Мономерлер қалдықтары макромолекулаға қосылып сызықтық, таралымдық және кеңістіктік (торлық) құрылыстар түзейді, яғни

а) - - - А – А – А - - -

б) в)

Бірдей мономерлерден түзілген ЖМҚ – гомополимер, ал әртүрлі мономерлерден құралғандар сополимер немесе аралас полимер деп аталады. Сополимерлер құрамындағы мономерлер қалдықтары А және Б ретсіз орналасқанда хаотикалық құрылыс түзіледі, олар ретсіз және біртекті болмайды.

Мысалы, - А – Б – А – Б – Б – Б – А – Б - …….

Сызықты аралас полимерлер ірі белоктардан құрылғанда блоксополимерлер пайда болады: …..- А – А – А - …..- А – А – Б – Б – Б –

Полимерлер молекуласында басты (негізгі) тізбек көп атомдардан құралады, ал бүйірдегі тізбектер ұзын болмайды. Басты тізбектер бірдей атомдар құрылғанда гомотізбекті деп аталады. Мысалы карботізбекті:

Гетеротізбекті полимерлерде басты тізбек түрлі атомдардан құрылады. Мысалы,

Органикалық ЖМҚ құрамында С, Н₂, О₂, N₂, S, галоидтар, органикалық полиқышқылдар тұздары болады. Мысалы, органикалық полимерлер: полиэтилен, полистирол, полибутадиен, полиизопрен, политетрафторэтилен, поливинил спирт, полиакролиен, полиакрил қышқылы, полиакриламид, полифенилендер, поливинилхлоридтер, поливинилкарбазол, бутадиен мен стирол сополимері полиэфирлер, крахмал, целлюлоза т.б. жатады.

Элементорганикалық ЖМҚ жататындар:

а) Көміртек атомы мен гетероатомдардан тұратын тізбекті қосылыстар;

б) Бейорганикалық тізбектері бар қосылыстар;

в) Басты тізбек көміртектен құралған, ал бүйірлік топтарға гетероатомдар бар қосылыстар.

Бейорганикалық ЖМҚ құрамында көміртек атомы болмайды.

- Mg – O – Mg – O - ……..; -S - O – S – O – S - …….

Кейбір табиғи ЖМҚ, олардың өнеркәсіпте қолданылуы. Каучук пен гуттоперча – табиғи ЖМҚ өкілдері, олардың макромалекуласы изопрен қалдықтары, түрлі полисахаридтер (целлюлоза, крахмал т.б.) және белоктар. Натуралды каучуктің (полиизопрен), целлюлозаның, крахмалдың және олардың туындыларының химиялық құрамы жақсы белгілі. Өнеркәсіпте қолданылатын табиғи ЖМҚ өкілдерінен (белоктық заттар) төменде мысалдар келтірілген. Қарапайым белоктан альбумин мен глобулинді атауға болады. Күрделі белоктарға казеин, кератин және коллаген жатады.

Казеин – күрделі белок, казеиноген (сүттің, ірімшіктің, сырдың негізгі құрамы) ферменттер әсерінен ұйытатын заттар. Казеин құрамында С, Н₂, О₂, N₂ және Р болады. Құрылысы толық анықталмаған.

Кератиндер – тері, мүйіз, жүн, шаштың негізгі құрамына жататын күрделі белок. Оның құрамында күкірт көп.

Коллагендер – байланыстыратын тканьнің негізгі құрамы, ол жануарлардың сүйегінде өте көп. арнайы өңдеу арқылы жануарлар сүйегінен желатин (белок заттар) алады. Өнеркәсіпте желатинмен бірге “агар - агар” өнімін қолданады. Оны теңіз өсімдіктерінен де бөліп алады, құрамында 85-90% көмірсулар негізінде (полисахаридтер – пентозан, гексозан, галактондар).

Жоғары молекулалық қосылыстар синтезі.

Синтетикалық ЖМҚ төмен молекулалық қосылыстардан полимеризация мен поликонденсация реакциялары арқылы және табиғи мен синтетикалық полимерлерді химиялық айналдыру арқылы өндіреді.

Полимеризация. Полимеризация кезінде бірнеше молекулалардың (мономерлердің) қосылу реакциясы кезінде элементарлы құрамы өзгермейді және қосалқы өнімдер пайда болмайды. Полимеризация тізбекті және сатылы болады. Тізбекті полимеризация негізгі үш сатыдан тұрады:

1. Мономер молекуласының қозуы немесе иницирленуі.

М → М^* (активті орта).

2. Тізбектің өсуі:

3. Тізбектің үзілуі:

Тізбекті полимеризация реакциясында радикал немесе ион активті орта болады. Осыған сәйкес радикалды және ионды полимеризация жүреді. Бос радикалды термиялық, фотохимиялық, радиациялық, химиялық инициаторлар әдістері арқылы энергия шығынымен алады. Иондық полимеризация катализатордың қатысуында жүреді, яғни катиондық және аниондық полимеризация болады. Катиондық немесе карбонилдік полимеризацияда катализатор ретінде AlCI₄, TiCI₄, BF₃, SnCI₄ т.б. қолданады.

Аниондық немесе карбоаниондық полимеризацияда катализатор ретінде натрий амидын, үшфенилметилнатрий, сілтілі металдар, сілтілі металдардың алкилдері т.б. қолданады. Сатылы сополимеризация реакциясында мономерлер молекулалары бір-бірімен біртіндеп байланысады (мысалы сутегі атомы бір молекуладан кейін екіншіге өтуі арқылы). Полимеризация әдістері:

- газды фазада (натрий бутадиендік каучук алу т.б.);

- блокты немесе массада (полибутадиен, полистирол т.б.);

- ерітіндіде (лак т.б.);

- эмульсияда (синтетикалық латекс т.б.);

- қатты фазада (балқу температурасы жақын кезде).

Поликонденсация. Құрылысы немесе әртүрлі молекулалардың қосылу процесі кезінде төменмолекулалық заттардың пайда болуы. Бастапқы мономерлер құрамында екеуден кем емес функционалды топтар (ОН, СООН, NH₂, т.б.) болуы қажет. Бифункционалды қосылыстардан тізбекті немесе циклдік жоғары молекулалы өнім, ал үш- және тетрафункционалды қосылыстардан кеңістік құрылымды полимерлер алынады. Екі атомдық спирттердің дикарбон қышқылымен поликонденсациясы кезінде тізбекті құрылымдағы полимер түзіледі. Мысалы, этиленгликоль мен тетрафталь қышқылының поликонденсациясында полиэтилентерефталат алынады.

Поликонденсация реакциясы қайтарымды, яғни өнімнің түзілуі мен деструкция процестері бір мезгілде жүруі мүмкін. Поликонденсация реакциясы тепе-теңдік жағдайда жүреді, сондықтан өнімнің молекулалық массасы 20000 – 50000 шамасында, яғни полимеризация кезіндегіден аз болады. Жоғары массалы өнім алу үшін реакция көлемінен пайда болған төмен молекулалық қосалқы өнімді шығару керек және функционалды топтары тек стехиометриялық қатынаста алу қажет.

Поликонденсацияны балқымада, ерітіндіде, эмульсияда, екі күйдің шекарасында катализатордың қатысуында немесе онсыз жүргізуге болады.

Полимер материалдары өндірісі.

Полимер материалдарының қасиеттері және қолданылуы.

Полимер материалдары (ПМ) деп негізіне (матрицасына) жоғарғы молекулалы қосылыстар немесе полимерлер жататын бір немесе көп компонентті жүйелеру айтады. ПМ құрамы әртүрлі және материалдық, технологиялық және эксплуатациялық қасиеттерін реттейтін, түрлі компоненттерді құрайтын, шамамен жеке компоненттің күрделі жүйеге дейінгі аралықта болады. Осындай компоненттерге түрлі химиялық инертті немесе активті заттар жатады; еріткіштер, пластификаттарлар, қоюлатқыштар, балқулар, антипрендер, антиоксиданттар, термо және жарық стабилизаторлары, антирадтар, структура және бу түзгіштер. Олар толтырғыш деп аталады. Сондықтан ПМ көпшілігін толтырылған полимерлер ретінде қарастыруға болады. ПМ үшін құрам, структура және қасиеттерін реттеудің кең мүмкіндігіне тән, дәстүрлі материалдарда бұған барлық уақытта кол жеткізуге мүмкін емес (металдар, керамика, ағаш). Сондықтан, қасиеттердің көп нұсқалығы химиялық талшық пен поропластан қатты ракеталық отынға дейін ПМ кең және көп түрлі пайдаланудың негізі болады.

Полимерлер материалдарын олардың пайдаланылу және мақсатты полимер фазасының табиғаты, оны өндіру және өңдеу кезінде жүретін физикалық және химиялық түрленулер аумағы бойынша жіктейді. ПМ пайдаланылуы және белгіленуі бойынша:

- пластикалық массалар (пластиктер) және композиттер;

- эластомерлер (каучуктер мен резеңкелер);

- химиялық талшыктар және пленкалар;

- полимер қаптамалары, клей және герметика.

Белгіленуіне сәйкес олардың ішінен ПМ жалпы мақсатты және функционалдық ПМ (фракциондық, жылу және электроизоляциялық, электр өтікзетін, коррозияғы қарсы және т.б.) белгіленеді. Полимер фазасының табиғаты бойынша (матрицалар) ПМ:

- табиғи (натуралды);

- химиялық (жасанды және синтетикалық) болып бөлінеді.

Полимерлер фазасында өндіру және бұйымды өңдеу стадиясында жүретін түрлену сипаты бойынша ПМ- термопластикалық және термореактивтік болады.

ПМ ерте заманнан адамзат пайдаланылып келе жатқан дәтүрлі материалдардан ерекше қасиеттер комплексімен, олардың үйлесуімен, бұйымдарды өңдеудің эффективтілігімен және жоғары үнемдлікпен іс жүзінде шектеусіз және стратегияялық нақты шикізат базасы екендігімен ерекшеленеді.

ПМ ерекше қасиеттері:

1. Тығыздығының аздығы себепті беріктіктің жоғары шартты көрсеткіші «салмақтың беріктігі», яғни үзүге уақытша кедергінің тығыздыққа қатынасы σ_р/ болаттың ең жоғарғы сортының көрсеткішінен артық. Түрлі конструкциялық материалдар үшін бұл көрсеткіштің мәндері 23.1кестеде келтірілген.

23.1 кесте. Беріктіктің шартты көрсеткіші.

Материал
Болат	7,8
Шыны пластик	1,8	294-686	163-381
Ағаш қабатты пластик	1,4

2. Агресивті ортаға, атмосфералық және радиациялық әсерге тұрақтылығы.

3. Жоғарғы радио-және электротехникалық қасиеттері, оның ішінде температура мен электр өрісі жилігіне қатысы жоқ диэлектрлік көрсеткіштері.

4. Фрикциялық және антифрикциялық қасиеттердің кең диапазоны.

5. Спецификалық оптикалық қасиеттері, толқынның кең диапазонында жарық сәулесін, оның ішінде, ультракүлгін (170 % полиметилметакрилат, ал силикат шынысы үшін 1-3%) сәуле өткізуге қабілеттілігі.

6. Физика – механиканың қасиеттерінің көп түрлілігі (қаттыдан серпімді резеңке тәрізді материалдарға дейін) және бір материалда қарама-қарсы сапалардың үйлесуі, мысалы, қатылық және иілгіштік («брондалған» полимерлер).

ПМ кемшіліктеріне:

- жылуға төменгі тұрақтылығы (фторопластар мен кремний органикалық полимерлерді қоспағанда, олар 120⁰С тан аспайды);

- қаттылықтың жеткіліксіздігі (6-60 кг/мм² Бринель бойынша);

- жылжымалығы және кернеудің реаксациясы;

- үлкен жылулық ұлғаюы;

- жылуды алуды қиындататын төмен жылу өткізігіштігі (500-600 есе металл жылу өткізгіштігінен төмен жатады).

ПМ бұйымға өңдеу. ПМ өңдеудің барлық әдістері қарапайымдылығы мен, төменгі энергия және жылу сыйымдылығымен мен, бұйымды қосымша өңдеусіз қажетті бет күйін алу мүмкіндігі және іс жүзінде қалдықсыз өндіріс екендігі. Сонымен, мысалға, ПМ өңдеу негізінде материалды пайдалану коэффициенті 0,95-0,98 жетеді, ал құю кезінде ол 0,6-0,8 құрайды, металды механикалық өңдеу кезінде бұл коэффициент бар болғаны 0,2 - 0,2 жетеді. Сондықтан дайындау процесі ең үнемді болып табылады.

Полимерлік материалдардың шикізат базасы.

ПМ қарапайым органикалық қосылыстардан – шикізаттың кең тараған түрлері қазба көмір, мұнай, газ, ауа және ізбесі болып табылатын мономерлерден өндіреді. Осылайша, ПМ өндірісі және олардан өндірілген бұйымдар мұнай химиялық өнеркәсіптің және химиялық даму деңгейімен шектелген.

ПМ жоғарыда аталған артықшылықтары дәстүрлі материалдармен салыстырғанда металл өндірісі мен салыстырғанда олардың өндірісі басып озды және бүкіл өсу негізі болып табылады.

Сонымен, ХХ ғасырдың 70-90 жылдар аралығында ПМ өндірісі 180% ұлғайтады. Ол кезде болат өндіру бар болғаны 23 % өсті. ПМ және металл өндірісінің өсу темпіндегі айырмашылықтың өсуі жалғасуда, бұл дүние жүзілік халық шаруашылығында қара металдарды тұтынудың белгілі бір қорының таусылатынымен және ПМ тұтынуы өсе түсетіндігін білдіреді. Нәтижесінде, 1975 жылы конструкциялық материалдарды жалпы тұтыну структурасында қара металдар 63,7%, түсті металл 6,3% және полимер материалдары шамамен 30% құрайды. Өзіндік құнының төмендегі, дайын өнімі өндіруде еңбек шығынымен үнемдеу және оны қолданудың тиімділігінен халық шаруашылығы және өнеркәсіптің іс жүзінде барлық салалары ПМ тұтынушылары болады. Оларға:

1. Жалпы машина жасау (конструкциясының ірі габаритті элементтері, құбырлар және арматура деталдары, тиісті тоңазытқыштар, роликтер подшипникте, тежегіш накладкалары, электроизоляциялық деталдар және т.б.);

2. Авиақұрылыс (ұшқыш аппараттардың күштік элементтері, жылу сақтайтын қаптамалар, аспалы отын бактары, шынының элементтері, дыбыс және жылу сіңіргіш панелдері, амортизаторлар, шиналар, тігістердің герметикасы, мен лак бояу материалдары);

3. Автоқұрылысы (кузовтар мен кабиналар, жылу және дыбыс изоляциялық және декоративтік материалдар, двигатель элементтері және шасси шлангілер мен құбырлар, орындықты толтырғыштар, жылу және жарық беру құралдарының деталдары, шиналар, отын бергіш жүйенің және тежелгіш жүйенің майға тұрақты деталдары, лак бояу материалдары);

4. Электротехника және радиоэлектроника (электр машиналарын, аппараттар мен кабель бұйымдарын, оның ішінде электродвигательдер мен генераторлар, трансформаторлар, коммуникация аппаратуралары, конденсаторлар, магитодиэлектриктер, жартылай өткізгіштер, микросхемаларға желімдер).

5. Темір жол транспорты (вагодардың конструкциялық элементтері, фрикциялық, тығыздағыш және амортизациялық детальдар, орындықтарды толтырғыш пен қаптамалар, рельсті шпалмен бекіту үшін прокладкалар, светофорлар, контактілі желілік изоляторлары);

6. Кеме құрылысы, (бүтіндей кеме корпусы және жеке кеме конструкциялары, жылу және дыбыс және вибрациялау үшін тығындағыш материалдар, прокладкалар, герметикалар, желімдер, жылтыр емес қаптамалар, лак бояу материалдары);

7. Құрылыс (үйлердің конструкциялық элементтері, санитарлық техникалық құрал-жабдықтар, қабырғалық панельдер және қоршаулар, жабу материалдары, еденді жабу, есік және терезе қабаттары, жылу және дыбыс өткізбейтін материалдар);

8. Ауыл және су шаруашылығы (культивациялық құрылыстар үшін конструкция элементтері мен пленкалар, жерді мульчирлеу үшін материалдар, енгізу және коррозиядан қорғау үшін жердің структура түзгіштері, буып түю материалдары, фильтрациялауға қарсы экранда мелиорация үшін, сумен жабдықтау, құбырлар, каналдарды қаптау);

9. Тамақ өнеркәсібі (конструкциялық материалдар және тамақ машиналарын жабу; ыдысты буып –түю материалдары, консервілік лактар және эмальдар, сүтті өңдеу үшін иониттер);

10. Медицина (медициналық техника бұйымдарды және биоинертті және биоассимуляциялық полимерлерден хирургиялық бұйымдар, жасанды қан айналу аппараттарының функционалдық түйіндері, жүрек жұмысының стимуляторлары, қан және плазма алмастырғыштар, полимер дәрілік заттары және дәрілік препраттардың әсер ету пролонгаторлары.

РФ-да полимер материалдарын халық шаруашылығының түрлі саласында тұтынудың олардың жалпы өндірісіне пайыздық көлемі 23.2 кестеде келтірілген.

23.2 кесте. Ресей федерациясында полимер материалдарын

тұтыну, %.

Өндіріс саласы	Меншікті, салмағы %
Машина жасау	27-28
Орман және қағаз өнеркәсібі	21-22
Жеңіл және тамақ өнеркәсібі	14-15
Құрылысы	4-5
Ауыл және су шаруашылығы	2,5-3
Транспор (көлік)

ПМ-ды машина жасауда пайдалану тиімді, мұнда 1 т. ПМ 5-6 қара және түсті маталдарды және 3-3,5 т ағашты алмастырады, ал еңбек шығынын үнемдеу 1 т. ПМ-на 800 – адам. Пайдаланылтын бүкіл ПМ шамамен 50% тұтынатын, электроника мен электротехникада ПМ меншікті салмағы аса жоғары. Электротехникада ПМ пайдаланып бүкіл шығарылатын өнімнің 80%-ін, ал прибор жасауда 95% өндіріледі.

ПМ енгізу халық шаруашылығындағы бұрыннан бар дәстүрлі салаларға оң әсер береді. Ол техника мен технология дамуына сапалы өзгеріс, қазіргі заманғы машина жасау, ракета жасау және атом өнеркәсібі, самолет жасау, телевидение, радиоэлектроника, хирургияда және медицинада техникалық прогресс жасады.

ПМ негізді жоғары молекулалы қосылыстар.

ПМ негізін құрайтын полимерлі фаза өздігінен әртүрлі жеке полимерлер, қоспа және олардың балқымалары, блокты полимерлер, тігілген полимерлер, ауа көпіршіктері бар полимерлер композициясы түрінде болады. ПМ-дің эксплатациялық және технологиялық қасиеттері жоғары молекулалы қосылыстардың полимерлі фазасын құрайтын өзіне тән қасиеті мен күйіне байланысты.

Полимердің фазалық және физикалық қасиеті

Физикалық күйі. Полимерлер кристалды сұйық (аморфты) және сұйық кристалды (аморфты кристалды) фазалық күйінде болады. Олар макромолекулалардың полимер құрамында бір ретті орналасу дәрежесімен ерекшеленеді. Полимерде аморфты және кристалды фазалар термодинамикалық тепе – теңдік күйінде болады.

Аморфты фаза «Кристалды фаза - DН

Полимердегі кристалды фаза полимердің кристалдану дәрежесімен сипатталады (d cp), яғни кристалдық фазадағы масса немесе көлем бойынша мөлшерін көрсетеді. Жеке полимердің кристалдану дәрежесі 0,75 – 0, 90% жету мүмкін. Температураны жоғарылатқанда фаза тепе – теңдігі солға ығысады, сондықтан полимердің кристалдану дәрежесі азаяды.

Аморфты полимердің 3 физикалық күйі болады: шыны тәрізді, жоғары эластикалық, қоймалжың болып бөлінеді. Полимердің физикалық күйі белгілі температура арасында өзара қайтымды байланыс табуы:

Дата добавления: 2014-12-10