Основы технологий производственных процессов

Классификация стекол:

1. Силикатное стекло;
2. Электропроводящие прозрачные покрытия;
3. Электротехнические изделия;
4. Устойчивые к радиоактивности;
5. Светочувствительные стекла;
6. Пористые стекла;
7. Оптические стекла;
8. Фотохромные стекла;
9. Халькогенидные стекла.

      Силикатные  стекла по составу, а в связи с этим и по электрическим, оптическим, механическим свойствам можно разделить на:

- бесщелочные  стекла (отсутствуют окислы натрия и калия). В эту группу входит чистое кварцевое стекло. Стекла данной группы обладают высокой устойчивостью к нагреву, высокими электрическими свойствами, но из них трудно изготавливать изделия, особенно сложной конфигурации;

- щелочные  стекла без тяжелых окислов или с незначительным их содержанием. Эта группа состоит из двух подгрупп: натриевые и калиевые или калиево-натриевые. В эту группу входит большинство обычных стекол. Они отличаются пониженной устойчивостью к нагреву, легко обрабатываются при нагреве, но имеют пониженные электрические свойства: снижается удельное сопротивление, возрастают диэлектрические потери;

- щелочные  стекла с высоким содержанием  тяжелых оксидов (например, силикатно-свинцовые  или бариевые).

      Электропроводящие прозрачные покрытия. Был открыт целый ряд необычных применений стекла в связи с тем, что ему можно придать свойство поверхностной проводимости. Это достигается напылением на поверхность стеклянного изделия тонкого, прозрачного, почти невидимого слоя оксида металла. Электропроводящая пленка (толщиной 0,5 мкм), например, может быть получена напылением солей металлического серебра и нагревом стекла до температуры 500-700 °С. Такое покрытие весьма долговечно и имеет поверхностное сопротивление в пределах от 10 до 100 Ом/см2. После покрытия пленки тонким слоем люминофора стекло можно использовать в качестве светящегося элемента (с голубым, зеленым, желтым свечением). При обычных температурах можно использовать известковое стекло, а при высоких - боросиликатное. Изготовленные из такого стекла панели лучистого нагрева могут работать при температурах до 350° С. Подобные панели - хороший источник энергии длинноволнового инфракрасного излучения, которое большинство веществ и сред поглощает с эффективностью 90% и более. Таким способом изготавливаются настольные стеклянные излучатели и вспомогательные нагреватели для помещений. Проводящие покрытия, нанесенные на ветровые стекла самолетов, сохраняют их теплыми и свободными от льда. Кроме того, в качестве источника тепла используют стеклопакеты с внутренним слоем из электропроводящего стекла.

      Электротехнические  изделия. Стеклянные колбы широко используются в качестве оболочек для ламп накаливания и электронно-лучевых трубок. Проволочные резисторы, трансформаторы, конденсаторы, реле и переключатели могут заключаться в оболочки из отпущенного стекла с выводами через стеклянные изоляторы. Крупные проходные изоляторы массой до 22 кг, рассчитанные на сильные токи и высокие напряжения, изготавливаются путем центробежной отливки стекла вокруг металлических втулок. С применением стекла изготавливаются конденсаторы как постоянной, так и переменной емкости. В конденсаторах постоянной емкости используется листовое стекло толщиной до 0,025 мм. Конденсатор переменной емкости состоит из изготовленной с жестким допуском стеклянной трубки, часть внешней поверхности которой металлизируется для образования одной обкладки. Внутрь трубки вставляется стержень из латуни или инвара, образующий вторую обкладку. Стеклянные трубки или стержни с нанесенной на них углеродной, металлической или металлооксидной пленкой используются в качестве резисторов.

      Устойчивые  к радиоактивности. Стекло, устойчивое к радиоактивному излучению, получают из шихты специального состава. Для поглощения рентгеновских лучей используют оптические стекла с высоким содержанием свинца и бора. Чтобы улучшить устойчивость стекла к излучению, в шихту добавляют 0,25-1,5% окиси церия. Защитные свойства стекла можно приближенно оценивать по их плотности. Например, тяжелое свинцовое стекло с объемной массой 6200 кг/м3, содержащее 80% окиси свинца, по своей защитной способности в отношении излучения эквивалентно стали. Стекла, поглощающие медленные нейтроны, должны содержать один из следующих окислов: окись бора, окись лития, окись кадмия и др. Стекло, устойчивое к действию радиоактивных излучений, применяют при сооружении атомных электростанций (например, при устройстве защитных смотровых окон) и предприятий по изготовлению изотопов.

      Светочувствительные стекла. В 1947 было обнаружено, что стекла некоторых составов при воздействии ультрафиолетового излучения образуют скрытое изображение, которое может быть проявлено путем нагрева стекла чуть выше температуры отжига. Например, на стекло можно наложить фотографический негатив и облучить его ультрафиолетом, а потом нагреть стекло; в результате в объеме стекла появится воспроизведенное в цвете изображение. Цвет изображения зависит от вида светочувствительного металла, введенного в шихту. Один из составов дает опаловое стекло такой природы, что разбавленная фтористоводородная кислота протравливает облученную часть раз в пятнадцать быстрее, чем необлученную. Эта огромная разница в растворимостях позволяет осуществлять химическое травление. Таким способом в стекле можно вытравливать отверстия размером меньше половины среднего диаметра человеческого волоса в количестве до 100 тыс. отверстий на 1 см². Стекла этого типа используются для изготовления световых табло и элементов светового декора, а также в качестве чувствительных элементов дозиметров. После воздействия проникающего излучения некоторые из таких стекол ярко светятся при облучении ультрафиолетовым светом, а другие меняют свой цвет. Интенсивность флуоресценции или степень изменения окраски пропорциональна полученной дозе облучения.

      Пористые  стекла. Варьирование химического состава стекол, режимов отжига и последующей обработки разными растворителями позволило получать стекла с размером пор от нескольких десятков до 1000 ангстрем. Пористые стекла широко применяются как адсорбенты и как «молекулярные сита», которые пропускают мелкие молекулы и не пропускают более крупные. Молекулярные сита были использованы, например, при получении противогриппозных вакцин. При введении в поры каких-либо неорганических соединений и последующей термообработке при 1000 – 1200оС получаются разнообразнейшие материалы, называемые импрегнированными кварцоидами. Они представляют собой массивное, во многих случаях совершенно прозрачное стекло, в котором уже нет пор. Это стекло обладает особыми свойствами, определяемыми составом введенных в поры веществ.

      Оптические  стекла. Значительную долю в производстве оптического стекла составляет оптическое стекло со специальными свойствами:

- лазерное  стекло на силикатной и фосфатной  основе с различными концентрациями  активатора, позволяющее создавать твердотельные квантовые генераторы, которые используются в научных исследованиях, медицине, специальных дальномерах и прицелах;

- бескислородные  или халькогенидные стекла для  инфракрасной области спектра,  применяются в оптических и  полупроводниковых системах. Созданы особо чистые высокооднородные стекла, которые применяются в рентгеновских установках для защиты от излучения, используются в создании оптических систем для микролитографии, и позволяют получить микросхемы с разрешающей способностью менее микрона и обеспечить цветопередачу ТВ-систем;

- на  основе стекловолокна изготавливают  волоконно-оптические элементы для  передачи света и изображения.  Применяются в космических аппаратах,  военной технике, цветном телевидении,  медицине, приборах ночного видения.

      Фотохромными называются стекла, изменяющие окраску под действием излучения. В настоящее время получили распространение очки со стеклами-«хамелеонами», которые при освещении темнеют, а в отсутствие интенсивного освещения вновь становятся бесцветными. Такие стекла применяют для защиты от солнца сильно остекленных зданий и для поддержания постоянной освещенности помещений, а также на транспорте. Фотохромные стекла содержат оксид бора B₂O₃, а светочувствительным компонентом является хлорид серебра AgCl в присутствии оксида меди Cu₂O. При освещении в результате химической реакции выделяется атомарное серебро, что приводит к потемнению стекла. В темноте реакция протекает в обратном направлении. Оксид меди играет роль своеобразного катализатора. При интенсивном облучении стекла (в том числе и лабораторного) г-лучами нейтронами и в меньшей мере б-, и в-лучами также происходит окрашивание стекла (чаще в темные и черные цвета). Это связано с изменением структуры стекла и образованием ионов, которые играют роль «цветовых центров». При нагревании стекла до температур, близких к температуре размягчения, окраска исчезает. Иногда подобные стекла используют в качестве дозиметров больших доз излучений.

      Халькогенидные  стекла. Считаются весьма интересной и перспективной в практическом отношении группой веществ, сочетающих в себе свойства стекол и кристаллических тел полупроводников. Известны они очень давно. Например, одно из первых упоминаний о такого рода стеклах относится еще к 19 в. (стекло состава As₂S₃). Однако как определенный класс стекол они стали изучаться лишь в 1970-х гг., когда было установлено, что сплавы халькогенидов - сурьмы, мышьяка и таллия - образуют обширную область стеклообразного состояния. Халькогенидные стекла могут быть получены на основе самых различных сочетаний. В совокупности они представляют весьма обширную группу стекол, обладающих весьма разнообразными физико-химическими, физическими, электрическими и оптическими свойствами. Электропроводность халькогенидных стекол в зависимости от состава может находиться в границах 10-14-10-1ом-1·см-1, т. е. быть выше электропроводности многих известных кристаллических проводников. Изучение электрических свойств этой группы веществ показало, что по ряду признаков (температурная проводимость, большое значение термоэлектродвижущей силы, и особенно внутренний фотоэлектрический эффект) они являются типичными электронными полупроводниками с дырочным механизмом проводимости. Соединения такого типа в последние годы стали применять в переключающих устройствах, нелинейной оптике и в качестве стеклообразующих полупроводников.

      На  основе стекол также получают: стеклокерамический материал - ситалл, ячеистый материал пеностекло, триплекс, и ряд других материалов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Вопрос 3. Технологические процессы переработки жидкого топлива - сырьё, способы получения, технико-экономические показатели. Бензины - свойства, марки, условия хранения. 

Технологические процессы переработки жидкого топлива

      Сырьём  для жидкого топлива является нефть. Нефть - горючая маслянистая жидкость, распространенная в осадочной оболочке Земли. Добывают нефть путем бурения скважин.

      Нефть - смесь различных углеводородов  с примесью органических соединений серы, азота, кислорода и минеральных веществ. В зависимости от количества углеводородов того или иного ряда нефти делят на шесть типов: метановые (парафиновые), метано-нафтеновые, нафтеновые, метано-нафтено-ароматические, нафтено-ароматические и ароматические.

      Плотность нефти от 0,73 до 1,0 г/см³ (10³ кг/м³), температура застывания от +11 (парафиновые) до -20° С (беспарафиновые), теплота сгорания 39778,5-46000 кдж/кг, определенной температуры кипения нет, так как нефть состоит из смеси различных углеводородов и органических соединений.

      Нефть и жидкие нефтепродукты для получения индивидуальных углеводородов или их смесей перерабатывают физическими (перегонка) и химическими методами (крекинг).

      Физические  методы переработки нефти

      К физическим методам переработки  нефти относится перегонка. Перегонка  нефти - процесс термического разделения нефти на ее составные части и фракции. Для разделения нефти на фракции ее нагревают в трубчатой печи (Приложение, рисунок 3.1.). Сначала нефть проходит по трубам конвекционной секции 3, где она подогревается выходящими из печи топочными газами, затем по трубам потолочного экрана 2 и фронтального экрана 1 выходит из печи. Нагрев нефти в трубах экранов 1 и 2 осуществляется благодаря сгоранию топлива, подаваемого форсункой 4, в топке. Нагретая нефть затем поступает на перегонку. Разделение нефти на фракции (дистиллаты) основано на различной температуре кипения входящих в ее состав соединений.

      Перегонку нефти проводят в одноступенчатых  и двухступенчатых трубчатых  установках. На рисунке 3.2. (Приложение) показана схема двухступенчатой установки, в которой перегонку вначале ведут при атмосферном давлении с выделением бензиновой и других высококипящих фракций, а остаток - мазут затем перегоняют под вакуумом во избежание расщепления углеводородов под действием высокой температуры.

      Процесс перегонки осуществляется следующим образом. Предварительно нагретая до 170-175° С в теплообменниках 3, 8, 11 нефть поступает в трубчатую печь 1, где нагревается до 350° С дымовыми газами и подается в ректификационную колонну 2 первой ступени. Пары нагретой нефти поднимаются вверх полочной колонны и разделяются (ректифицируются) по температурам конденсации.

      Наибольшее  применение нашли ректификационные колонны с барботажными колпаками. Принцип работы колонн следующий. Нагретая нефть подается в низ колонны, и составляющие нефти с более низкой температурой кипения, чем нефть, испаряются. Пары, поднимаясь вверх колонны, постепенно охлаждаются жидкостью (флегмой), стекающей сверху. При соприкосновении паров с жидкостью на полках колонны происходит разделение смеси на фракции по температурам кипения в результате многократного чередования испарения жидкости и конденсации ее паров. Таким образом, по высоте колонны можно отбирать фракции по температурам конденсации, причем, чем выше место отбора фракции по высоте колонны, тем ниже температура кипения отбираемой фракции. Наиболее низкокипящей является бензиновая фракция.