|
Реферат: Синтетические волокна (Химия)
Последние разработки в области химии синтетических волокон.
Последние достижения химической технологии позволяют надеяться на
получение полых химических волокон в самом ближайшем будущем. Такая
технология уже осваивается для использования новых материалов в мембранных
технологиях.
Голландская химическая компания «DCM» в начале 80-х годов наладила
выпуск нового полимерного сверхпрочного материала - полиэтиленового
волокна. При испытаниях его прочность на разрыв оказалась раз в 10 выше,
чем у стальной проволоки такой же толщины.
В 1985 году, согласно сообщению авторитетного журнала «Design News», была
разработана технология выпуска сверхпрочного волокна, получившего название
«Спектр - 900». Оно формируется из желеобразного высокомолекулярного
полиэтилена с помощью центрифуг. Кроме высокой степени прочности, это
волокно обладает высокой абразивной стойкостью, влагонепроницаемостью,
лёгкостью. Поэтому из него можно сделать и ракетные корпусы, и сосуды
высокого давления, и искусственные суставы, и паруса…
Метод получения сверхпрочных синтетических волокон значительной длины из
карбида кремния разработал японский химик Сейси Ядзима. Эти волокна прочнее
лучших сортов стали в 1,5 раза. Причём прочность материала не теряется даже
при длительном нагревании до +1200?С.
В 1983 году в мировой прессе появились сообщения о создании
синтетической ткани, которая оставалась термостойкой при нагревании до +
1400?С.
Ранее был известен синтетический органический материал, выдерживающий
температуру до 10 тыс. градусов. Он был получен ещё в начале 60-х годов и
вошёл в историю под названием плутон. Молекула его состояла из атомов
углерода, водорода, кислорода и азота. В то же время плутон обладал малой
прочностью, уступала капрону в 9-10 раз. Самое термостойкое волокно
вырабатывается сегодня в промышленности под торговым названием кевлар.
Полиэфирные волокна типа лавсан имеют высокие показатели по светло -,
плесене - и атмосферостойкости. К тому же этот синтетический материал
обладает отличным показателем стойкости и не реагирует на органические
растворители. Лавсану принадлежит ещё один рекорд. Его удельное
электрическое сопротивление от 10 до 10 Ом·м, выше которого нет у
всех других веществ. Именно эти показатели и «виновны» в том, что мировое
производство волокон превысило 6 млн. тонн в год.
Повышенной атмосферостойкостью и наибольшей устойчивостью к действию
сильных кислот обладают полиакрилонитрильные волокна. Они широко
применяются в производстве ковров, мехов, брезентов, обивочных и
фильтровальных материалов.
По плесенестойкости нет равных поликапроамидному волокну. А
поливинилспиртовое и поливинилхлоридное волокна, нашедшие достаточное
распространение в практике, отличаются от других синтетических материалов
тем, что абсолютно не поддаются никаким разрушительным действиям
микроорганизмов.
Совместными усилиями специалистов из Московского НИИ автотракторных
материалов, Ивановского завода «Искож» и Ивановского НИИ плёночных
материалов в середине 80-х годов был создан новый материал «Теза-М». Это –
синтетическая ткань, помещённая между слоями поливинилхлоридной плёнки.
Самое главное, что этот материал не боится ни огня, ни воды, ни сильных
морозов. Из него не шьют, а сваривают различные изделия, в первую очередь
тенты для грузовых машин «КамАЗ».
Наибольшим сопротивлением ударным нагрузкам и предельно низкой
гигроскопичностью обладают полиамидные волокна. Ценность их повышается
ввиду одновременно высокой прочности, эластичности и износостойкости. А
полиундеканамидное волокно из этого класса полимеров имеет один из лучших
показателей по электроизоляционности.
Французскими исследователями во главе с Ж.-М. Леном в середине 80-х
годов были созданы электропроводящие материалы сверхтонкой структуры.
Толщина этих тончайших проводников электрического тока в диаметре намного
тоньше человеческого волоса. Длины молекулярной цепочки достаточно, чтобы
ею пронизать весь двойной липидный слой мембраны. Подобные электронити на
уровне молекулярного масштаба могут быть использованы в качестве элементов
связи в микроэлектронике.
Наибольшую растяжимость из всех распространённых синтетических
материалов демонстрирует полиуретановое волокно. Относительное удлинение
его составляет 500-700%, то есть это волокно способно растягиваться подобно
резиновым нитям, да к тому же имеет ещё более высокие показатели прочности,
износостойкости, упругого восстановления и меньшую толщину. Поэтому оно
незаменимо в производстве спортивной одежды, купальных, корсетных и других
изделий.
Японские специалисты в 1982 году создали новое синтетическое волокно с
необычными свойствами: сшитая из него одежда способна защищать человека от
нейтронного излучения. Это достижение стало ответом прогрессивной научной
мысли на создание в СССР и США нейтронной бомбы.
А спецодежда и технические ткани, изготовленные из другого
синтетического волокна, предельно устойчивы к действию гамма-излучения. Это
поликарбонатное волокно.
К ионизирующему излучению более всего устойчив поли–м-
фениленизофталамид, который выпускают в промышленности под названием
фенилон. Кроме того, этот материал – один из самых термически стойких.
Поэтому он находит применение в производстве особых высокопрочных пластмасс
и термостойких волокон.
Введение.
Химические волокна, волокна, получаемые из органических природных и
синтетических полимеров. В зависимости от вида исходного сырья химические
волокна подразделяются на синтетические (из синтетических полимеров) и
искусственные (из природных полимеров). Иногда к химическим волокнам
относят так же волокна, получаемые из неорганических соединений
(стеклянные, металлические, базальтовые, кварцевые). Химические волокна
выпускаются в промышленности в виде: 1) моноволокна (одиночное волокно
большой длины); 2) штапельного волокна (короткие отрезки тонких
волокон); 3)филаментных нитей (пучок, состоящий из большого числа тонких и
очень длинных волокон, соединенных посредством крутки). Филаментные нити в
зависимости от назначения разделяются на текстильные и технические, или
кордные нити (более толстые нити повышенной прочности и крутки).
Историческая справка.
Возможность получения химических волокон из различных веществ (клей,
смолы) предсказывалась ещё в 17-18 веках, но только в 1853 году англичанин
Аудемарс впервые предложил формовать бесконечные тонкие нити из раствора
нитроцеллюлозы в смеси спирта с эфиром, а в 1891 году французский инженер
И. де Шардонне впервые организовал выпуск подобных нитей в производственном
масштабе. С этого времени началось быстрое развитие производства химических
волокон. В 1893 году освоено производство медноаммиачного волокна из
растворов целлюлозы в смеси водного аммиака и гидроокиси меди. В 1893 году
англичанами Кроссом, Бивеном и Бидлом предложен способ получения вискозных
волокон из водно-щелочных растворов ксантогената целлюлозы, осуществлённый
в промышленном масштабе в 1905году. В 1918-20 годах разработан способ
производства ацетатного волокна из раствора частично омыленной
ацетилцеллюлозы в ацетоне, а в 1935 году организовано производство
белковых волокон из молочного казеина. Производство синтетических волокон
началось с выпуска в 1932 году поливинилхлоридного волокна (Германия). В
1940 году в промышленном масштабе выпущено наиболее известное синтетическое
волокно – полиамидное (США). Производство в промышленном масштабе
полиэфирных, полиакрилонитрильных и полиолефиновых синтетических волокон
осуществлено в 1954-60 годах.
Свойства.
Химические волокна часто обладают высокой разрывной прочностью (до1200
Мн/кв. м(120 кгс/кв.мм)), значительным разрывным удлинением, хорошей
формоустойчивостью, несминаемостью, высокой устойчивостью к многократным и
знакопеременным нагружениям, стойкостью к действиям света, влаги, плесени,
бактерий, хемо -, и термостойкостью. Физико-механические и физико-
химические свойства химических волокон можно изменять в процессах
формования, вытягивания, отделки и тепловой обработки, а так же путём
модификации, как исходного сырья (полимера), так и самого волокна. Это
позволяет создавать даже из одного исходного волокнообразующего полимера
химические волокна, обладающие разнообразными текстильными и другими
свойствами (смотри таблицу №1). Химические волокна можно использовать в
смесях с природными волокнами при изготовлении новых ассортиментов
текстильных изделий, значительно улучшая качество и внешний вид последних.
Производство.
Для производства химических волокон из большого числа существующих
полимеров применяют лишь те, которые состоят из гибких и длинных
макромолекул, линейных или слаборазветвлённых, имеют достаточно высокую
молекулярную массу и обладают способностью плавиться без разложения или
растворяться в доступных растворителях. Такие полимеры принято называть
волокнообразующими. Процесс складывается из следующих операций: 1)
приготовления прядильных растворов или расплавов; 2) формования волокна; 3)
отделки сформованного волокна.
Приготовление прядильных растворов (расплавов). Этот процесс начинают
с перевода исходного полимера в вязкотекучее состояние (раствор или
расплав). Затем раствор (расплав) очищают от механических примесей и
пузырьков воздуха и вводят в него различные добавки для термо - или
светостабилизации волокон, их матировки и т. п. Подготовленный таким
образом раствор или расплав подаётся на прядильную машину для формования
волокон.
Формование волокон заключается в продавливании прядильного раствора
(расплава) через мелкие отверстия фильеры в среду, вызывающую затвердевание
полимера в виде тонких волокон. В зависимости от назначения и толщины
формируемого волокна количество отверстий в фильере и их диаметр могут быть
различными. При формовании химических волокон из расплава полимера
(например, полиамидных волокон) средой, вызывающей затвердевание полимера,
служит холодный воздух. Его формование проводят из раствора полимера в
летучем растворителе (например, для ацетатных волокон), такой средой
является горячий воздух, в котором от толщины и назначения волокон, а также
от метода формования. При формовании из расплава растворитель испаряется
(так называемый «сухой» способ формования). При формовании волокна из
раствора полимера в нелетучем растворе (например, вискозного волокна) нити
затвердевают, попадая после фильеры в специальный раствор, содержащий
различные реагенты, так называемую осадительную ванну («мокрый» способ
формования). Скорость формования зависит скорость достигает 600-1200 м/мин,
из раствора по «сухому» способу – 300-600 м/мин, по «мокрому» способу – 30-
130 м/мин. Прядильный раствор (расплав) в процессе превращения струек
вязкой жидкости в тонкие волокна одновременно вытягивается (фильерная
вытяжка). В некоторых случаях волокно дополнительно вытягивается
непосредственно после выхода с прядильной машины, (астификационная
вытяжка), что приводит к увеличению прочности химических волокон и
улучшению их текстильных свойств.
Отделка химических волокон заключается в обработке свежесформованных
волокон различными реагентами. Характер отделочных операций зависит от
условий формования и вида волокна. При этом из волокон удаляются
низкомолекулярные соединения (например, из полиамидных волокон),
растворители (например, из полиакрилонитрильных волокон), отмываются
кислоты, соли и другие вещества, увлекаемые волокнами из осадительной ванны
(например, вискозными волокнами). Для придания волокнам таких свойств, как
мягкость, повышенное скольжение, поверхностная склеиваемость одиночных
волокон и других, их после промывки и очистки подвергают авиважной
обработке или замасливанию. Затем волокна сушат на сушильных роликах,
цилиндрах или в сушильных камерах. После отделки и сушки некоторые
химические волокна подвергают дополнительной тепловой обработке –
термофиксации (обычно в натянутом состоянии при 100-180?С), в результате
которой стабилизируется форма пряжи, а также снижается последующая усадка,
как самих волокон, так и изделий из них во время сухих и мокрых обработок
при повышенных температурах.
Мировое производство химических волокон развивается быстрыми темпами.
Это объясняется, в первую очередь, экономическими причинами (меньшие
затраты труда и капитальных вложений) и высоким качеством химических
волокон по сравнению с природными волокнами.
В 1968 мировое производство химических волокон достигало 36 % (7,287
миллионов тонн) от объёма производства всех видов волокон. Химические
волокна в различных отраслях в значительной степени вытесняют натуральный
шёлк, лён и даже шерсть. К 1980 году производство химических волокон
достигло 9 миллионов тонн. Предполагается, что уже к 2000 году оно
достигнет 20 миллионов тонн в год и сравняется с объёмом производства
природных волокон. В СССР в 1966 году было выпущено около 467 тысяч тонн,
а в 1970 – 623 тысяч тонн.
Искусственные волокна.
Искусственные волокна, химические волокна, получаемые из природных
органических полимеров. К искусственным волокнам
Относятся вискозные волокна, медноаммиачные волокна, ацетатные волокна,
белковые искусственные волокна. Вискозные и медноаммиачные волокна,
состоящие из гидратцеллюлозы, называют также гидратцеллюлозными. Сырьём
для производства вискозных, медноаммиачных и ацетатных волокон служит
целлюлоза, выделяемая из древесины; медноаммиачные и ацетатные волокна
часто получают из хлопковой целлюлозы (хлопкового пуха и подпушника). Для
получения белковых волокон используют белки растительного или животного
происхождения (например, зеин, казеин). Искусственные волокна формуют из
растворов полимеров по сухому или мокрому способу и выпускают в виде
текстильной или кордной нити, а также штапельного волокна. К недостаткам
вискозных, медноаммиачных и белковых волокон относятся значительная потеря
прочности в мокром состоянии и лёгкая сминаемость. Однако благодаря хорошим
гигиеническим свойствам, дешевизне и доступности исходного сырья
производство вискозного волокна продолжает развиваться. Растёт также выпуск
ацетатных волокон, обладающих рядом ценных качеств (несминаемость, хороший
внешний вид). Белковые волокна вырабатываются в небольших количествах, и
выпуск их постепенно уменьшается.
Мировое производство искусственных волокон в 1968 году составляло
3527,2 тысячи тонн (около 48,4% от общего выпуска химических волокон).
Впервые выпуск искусственных волокон в промышленном масштабе организован в
1891 году во Франции.
Синтетические волокна.
Синтетические волокна, химические волокна, получаемые из синтетических
полимеров. Синтетические волокна формуют либо из расплава полимера
(полиамида, полиэфира, полиолефина), либо из раствора полимера
(полиакрилонитрила, поливинилхлорида, поливинилового спирта) по сухому или
мокрому методу.
Синтетические волокна выпускают в виде текстильных и кордных нитей,
моноволокна, а также штапельного волокна. Разнообразие свойств исходных
синтетических полимеров позволяет получать синтетические волокна с
различными свойствами, тогда как возможности варьировать свойства
искусственных волокон очень ограничены, поскольку их формуют практически из
одного полимера (целлюлозы и её производных). Синтетические волокна
характеризуются высокой прочностью, водостойкостью, износостойкостью,
эластичностью и устойчивостью к действию химических реагентов. Производство
синтетических волокон развивается более быстрыми темпами, чем производство
искусственных волокон. Это объясняется доступностью исходного сырья и
быстрым развитием сырьевой базы, меньшей трудоёмкостью производственных
процессов и особенно разнообразием свойств и высоким качеством
синтетических волокон. В связи с этим синтетические волокна постепенно
вытесняют не только натуральные, но и искусственные волокна в производстве
некоторых товаров народного потребления и технических изделий.
В 1968 году мировое производство синтетических волокон составляло
3760,3 тысячи тонн (около 51,6 % от общего выпуска химических волокон).
Впервые выпуск синтетических волокон в промышленном масштабе организован в
середине 30-х годов 20 века в США и Германии.
Шёлк и штапельное волокно.
Искусственное волокно может быть получено в виде кручёных нитей
бесконечной длины (искусственного шёлка) или в виде коротких некрученых
волоконец, нарезанных в пучки (штапельки) определённой длины (штапельного
волокна). Длина штапельного волокна подравнивается к длине хлопкового или
шерстяного волокна.
Искусственный шёлк является самостоятельным текстильным материалом,
который может применяться для изготовления разнообразных текстильных
изделий в ткачестве и трикотаже, а также для изготовления корда.
Штапельное волокно применяется преимущественно в чистом виде, а также
в смеси с хлопком или шерстью, а затем проходит с этими волокнами весь цикл
операций на прядильной фабрике. Условия приготовления прядильных растворов
при формовании шёлка и штапельного волокна в основном одинаковы. Для
прядения штапельного волокна применяются фильеры со значительно большим
числом отверстий, чем для прядения искусственного шёлка. Если для прядения
искусственного шёлка применяются фильеры на 24- 100 отверстий, то при
прядении штапельного волокна число отверстий в фильере доходит до 2000-
12000, что обуславливает значительное увеличение производительности
прядильной машины.
Из общего количества произведённого в 1949 искусственного волокна 61%
составлял искусственный шёлк и 39% - штапельное волокно. Стоимость
штапельного волокна примерно в два раза ниже стоимости искусственного
шёлка. Вопрос о целесообразности производства искусственного шёлка или
штапельного волокна решается соотношением мощности прядильных и ткацких
фабрик и вырабатываемым ассортиментом изделий.
Основными показателями качества искусственного волокна являются его
прочность и эластичность. Удельная прочность волокна характеризуется обычно
разрывной длиной в километрах. Разрывная длина искусственного волокна
составляет 15-20 километров. Метрический номер определяет тонину волокна,
то есть число метров волокна в 1 грамм. Чем толще волокно, тем больше его
титр, тем меньше метрический номер. Элементарное волокно искусственного
шёлка имеет метрический номер 6000 – 3000, что соответствует толщине
волокна в 20 – 40 микронов. Тонину волокна искусственного шёлка часто
выражают также через титр в денье. Титром называют вес 9000 метров волокна,
выраженный в граммах. Если 9000 метров волокна весят 1 грамм, то титр
волокна равен 1 денье. Удельная прочность волокна выражается также в
граммах на один денье. Нормальная прочность вискозного волокна составляет
1,8 – 2,2 грамм на денье.
Путём изменения отдельных параметров технологического процесса и
улучшения качества сырья крепость волокна может быть повышена в 2-3 раза
(получение так называемого высокопрочного искусственного волокна), что
особенно существенно при получении кордного волокна.
Реферат на тему: Системы химического мониторинга
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ТАВРИЧЕСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. В.И. Вернадского
Химический факультет
Кафедра общей химии
СИСТЕМЫ ХИМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
(курсовая работа)
Хомяков Денис Васильевич
студент V курса
специальности 7.070301–химия
Научный руководитель:
кандидат химических наук,
доцент Работягов Константин
Васильевич
Симферополь, 2004
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ СОЗДАНИЯ СИСТЕМ ХИМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА 4
ОБЗОР ИСПОЛЬЗУЕМЫХ И ПРОЕКТИРУЕМЫХ СИСТЕМ 7
ВЫВОДЫ 14
ЛИТЕРАТУРА 16
ВВЕДЕНИЕ
Традиционно работа исследователя сопряжена с изучением печатных и
электронных материалов по предмету исследования, что связано с
использованием громадного количества данных (печатных, электронных), что
занимает чрезвычайно много времени. Объемы ежегодно издаваемой научной
литературы настолько велики, что их изучение даже в области исследований по
времени превышает охватываемый период публикации. И это при наличии всех
материалов и отсутствии языкового барьера при их изучении! И не считая
финансовой стороны (стоимость материалов), задача оказывается
трудноразрешимой. А ведь ещё существуют публикации 5, 10, 30-и летней (и
более) давности. Их изучение также необходимо, чтобы не открывать того, что
было открыто значительно раньше. Здесь на помощь человеку приходят ЭВМ,
объединённые глобальной сетью Internet или локальными вычислительными
сетями. Сбор, хранение и доступ к какой-либо информации в Internet
значительно облегчается использованием систем мониторинга, которые
позволяют отслеживать информацию об интересующем нас объекте в течение
конечного промежутка времени.
Системы мониторинга представляют собой набор средств и инструкций, при
помощи которых можно за сравнительно короткий период времени получить
необходимую информацию по интересующему нас предмету, а также вести
наблюдения за объектом в течение конечного промежутка времени, то есть, в
конечном счете, призваны значительно снизить время, затрачиваемое
исследователем на поиск необходимой информации по интересующему его
объекту. В Украине проводится ежемесячный мониторинг состояния рынка
химической продукции, данные публикуются в журнале «Химия Украины» [1].
Электронные каталоги химической продукции (Aldrich, Sigma, Fluka, Merck,
Lankaster, Avocado, Maybridge, Acros, а также российские «Экрос»,
«Реактив», «Вектон», «Крезол») являются прототипом систем химического
мониторинга, позволяя отследить ситуацию как о рынке химических веществ,
так и о состоянии разработок в области синтеза [2].
ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ СОЗДАНИЯ СИСТЕМ ХИМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
Традиционный метод поиска необходимого литературного источника
заключается в обращении к алфавитно-предметному указателю научной
библиотеки. Книгам присваивается определённый код, используя который, можно
затребовать необходимый печатный материал. Предметно-именной указатель был
прообразом используемых в настоящее время электронных баз данных. Используя
возможности современных ЭВМ, принимая во внимание возможность хранения
громадных объёмов данных на современных носителях, при наличии необходимого
материала в электронном виде и при совершенных алгоритмах поиска последний
может быть произведён очень быстро.
Задача создания глобальной базы данных, охватывающая все области химии
или какой-либо один раздел, не представляется возможным по разным причинам.
Во первых, многие разработки представляют коммерческий интерес, и
внесение их в глобальную базу означает потерю капитала и технологии.
Во вторых, языковой барьер. Около 60% химических печатных изданий
издаётся на английском языке, около 20%-на русском и около 10%-на немецком
языках. Даже внедрение в базу лучших систем машинного перевода не
облегчает задачи, так как текст перевода не всегда отражает суть исходного
документа. А наличие мультиязычного интерфейса пользователя на программном
уровне довольно затруднительно и дорого [1].
В третьих, реализация различных алгоритмов поиска. Поиск идеально
должен производиться как с использованием текстовых данных, так и
химической формулы соединения, в текстовом режиме желательна реализация
поиска по не полностью введённым словам.
Целесообразно выделить две основные группы декларированных
ограничений: финансовые и системные. Под финансовыми ограничениями
понимаются стоимости (или стоимость) создания и эксплуатации системы.
Предполагается, что финансовые ограничения определяющие при проектировании.
Действительно, функциональность системы, точность оценок, достоверность
прогноза ограничена обычно исключительно финансовыми ограничениями [3].
В качестве системных ограничений выступают требования, которым должна
удовлетворять спроектированная система. В некоторых случаях в качестве
системных ограничений могут выступать допустимая (максимальная)
продолжительность создания и допустимая (минимальная) продолжительность
эксплуатации. Также возможны некоторые технические ограничения
использования тех или иных технических средств, методов наблюдений,
обработки и передачи информации [3].
Для разработки системы мониторинга, адекватной исследуемому объекту,
необходимо иметь математическую модель поведения объекта в конечных
условиях, отражающую реальное поведение объекта. Для этого необходимо иметь
результаты наблюдений за объектом исследования в течение конечного
промежутка времени и при конечном диапазоне исследуемых параметров. Так,
желательно на предварительном этапе сбора информации для последующего
создания математической модели объекта и ядра системы организовать
параллельные серии наблюдений, которые будут отвечать максимальным
значениям математических ожиданий наиболее значимых контролируемых
параметров. В общем случае, увеличение количества и качества наблюдений
приведёт к увеличению стоимости создания системы мониторинга, а уменьшение
наблюдений к уменьшению степени достоверности результатов мониторинговой
деятельности. Вместе с тем, сокращение сети наблюдений при сохранении
степени достоверности можно в определённой степени компенсировать более
развитым программным обеспечением системы и увеличением времени настройки
системы на конкретные условия. Таким образом, итерационный процесс создания
ядра системы призван обеспечить возрастание достоверности прогнозирования и
контроля. На каждой итерации выбор варианта ядра системы должен отвечать
рассмотренным выше ограничениям [3].
Также необходим предварительный контроль выполнения декларированных
ограничений, накладываемых на систему мониторинга. Анализу подлежат проекты
системы, которые удовлетворяют системным ограничениям (необходимое, но не
достаточное условие). Выбор ядра системы мониторинга из бесконечного
разнообразия конфигураций, в основном, основан на экономических критериях.
Стоимость создания и эксплуатации сети наблюдений, технических средств,
программного обеспечения ядра системы мониторинга должны отвечать
декларированным ограничениям. То есть, проектирование системы мониторинга
предполагает разработку нескольких вариантов, удовлетворяющих экономическим
критериям, с последующим выбором варианта, обеспечивающего наибольшую
достоверность мониторинговой деятельности [3].
Кроме того, необходимо обеспечение сопряжения с системами химического
мониторинга более высокого уровня, обеспечение сопряжения с системами иных
функциональных назначений, смежных с используемой (если таковые имеются)
[3].
ОБЗОР ИСПОЛЬЗУЕМЫХ И ПРОЕКТИРУЕМЫХ СИСТЕМ
Наибольшее распространение системы химического мониторинга получили в
химической технологии при моделировании технологических процессов. Так,
производства нитроглицерина, тротила, аммиачной селитры, фосфатов и других
крупнотоннажных продуктов химической промышленности полностью
автоматизированы ещё во второй половине прошлого века. Непрерывный способ
производства этих химических продуктов экономичен, безопасен (особенно это
касается нитроглицерина, в меньшей степени тротила и других взрывчатых
веществ). Математические модели технологических процессов создавались на
основании работы опытных установок, позднее их заменили полупромышленные
установки, далее производство переносилось на крупные агрегаты, управляемые
при помощи АВМ. Адекватность поведения системы управления производительным
процессом сравнивалась с многочисленными зарубежными аналогами и
впоследствии корректировалась [4]. Однако подобные системы недоступны для
изучения, так как они представляют коммерческую ценность для производителей
и охраняются ими от конкурентов.
Математическое моделирование с использованием ЭВМ разрабатывается и в
научно–исследовательских целях. Коротко рассмотрим доступные в последнее
время разработки.
Производство изопропилбензола (полупродукт комбинированного синтеза
фенола и ацетона по методу Сергеева-Удриса-Кружалова-Немцова). Предложен
способ усовершенствования стадии ректификации действующего производства
изопропилбензола путем снижения энергозатрат на проведение процесса. Для
достижения поставленной цели реализована эффективная стратегия
компьютерного моделирования с использованием универсальной моделирующей
программы ChemCad (моделирует реакторы многих типов, системы электролитов,
переработку нефти, теплообмен, ректификацию, абсорбцию, кристаллизацию и
др.). Цель расчётов сводилась к снижению энергозатрат при сохранении
качества продукции и действующего оборудования. Отличительная особенность
предлагаемой процедуры компьютерного моделирования состоит в том, что она
основана на принципах системного анализа химических производств, которые
наиболее приемлемы для действующих процессов: добавление азеотропного
агента для улучшение энергетических показателей производства в целом,
обеспечение адекватности компьютерных моделей отдельных процессов,
определение оптимального флегмового числа и положения тарелки питания в
колонных аппаратах, а также исследование различных вариантов рекуперации
тепла в технологической схеме и выбор наилучшего. В результате анализа
различных технологических схем получены технологические параметры процесса,
позволяющие снизить потребление тепловой энергии на 46,2% [5].
Биохимическая очистка сточных вод (используется 3D моделирование с
применением геоинформационной системы Arcinfo). Данный способ очистки
сточных вод широко внедрён в процессы очистки и доочистки промышленных и
коммунально-бытовых сточных вод ввиду хороших показателей степени и
скорости очистки вод от основных органических загрязнителей. Одним из
наиболее существенных недостатков этого метода является необходимость
строительства и эксплуатации сложных и дорогостоящих гидротехнических
сооружений (технологические отстойники, песколовки, аэротенки, хлораторные
и т.д). В зависимости от конкретных географических условий (расположение
природных водоёмов-приёмников очищенных сточных вод, магистральных
трубопроводов, ЛЭП и т.п.) и возможности реализации санитарных разрывов
между различными коммуникациями и между коммуникациями и объектами возможно
различное моделирование строительства новых и реконструкции действующих
очистных сооружений. Рассмотрены вопросы автоматизированного размещения
объектов, входящих в состав сооружений биохимической очистки, на
генеральном плане. Приведены постановка задачи, алгоритм решения и
программный комплекс для ее реализации [6].
Создание автоматизированного производства субстанций фармацевтических
препаратов. Обобщен опыт проектирования и создания комплекса по
производству субстанций фармацевтических препаратов (активных
фармацевтических ингредиентов), введенного в эксплуатацию на северо-западе
России в конце 2001 года. Показаны потенциальные возможности объекта и
обозначены проблемы, препятствующие его эффективному функционированию [7].
Планирование эксперимента при получении железосодержащей соли
полиакриловой кислоты (используется в медицине-препарат "феракрил", в
качестве основного компонента закалочной среды (ПК-2)). Соли получаются
полимеризацией акриловой кислоты в воде в присутствии редокс-системы (соль
Мора-персульфат калия), в состав этого полимера входит химически связанное
железо (0,5-2,5%). С целью определения оптимальных условий синтеза на
опытно-промышленной установке была установлена оптимизация метода синтеза
железосодержащей соли с применением метода математического планирования.
Методом крутого восхождения найдены оптимальные условия синтеза
железосодержащей соли полиакриловой кислоты [8].
Оценка работоспособности химико-технологических систем. Предложен
метод количественной оценки работоспособности химико-технологических систем
(ХТС), апробированный на проекте действующих производств серной кислоты из
серного колчедана методом двойного контактирования и двойной адсорбции
(ДКДА). Анализом объективно найдены узкие места данной технологии и в
работе аппаратов. Все полученные результаты оценки и анализа
работоспособности рассмотренного технологического процесса совпали с
информацией о недостатках работы производственных линий ДКДА. Этот метод
может использоваться для экспертизы надежности аналогичных систем (пищевые,
нефтехимические или подобные с поточными технологиями) и оценки возможности
их инвестирования с помощью единой характеристики-вероятности безотказности
работы, т.е. вероятности работоспособности ХТС [9].
Математическая модель процесса пуска установки каталитического
риформинга. Каталитический риформинг бензинов (КРБ) является важнейшим
процессом современной нефтепереработки и нефтехимии. Он служит для
одновременного получения высокооктанового базового компонента автомобильных
бензинов, ароматических углеводородов-сырья для нефтехимического синтеза и
водородосодержащего газа-технического водорода, используемого в
гидрогенизационных процессах нефтепереработки.
КРБ является в настоящее время наиболее распространенным методом
каталитического облагораживания прямогонных бензинов. Процесс пуска и
останова установки каталитического риформинга как объект управления и
изучения отличаются нестационарностью, высокой пожароопасностью,
разнообразием фракционного состава сырья (в зависимости от месторождения
нефти), качеством получаемого бензина и тяжелыми условиями работы персонала
(высокая ответственность в принятии решений по управлению, температура и
т.д.). В процессе пуска и останова различными способами контролируют около
150 параметров, в том числе 20 параметров-лабораторным способом и
визуально. На основании особенностей и физико-химических закономерностях
процесса каталитического риформинга предложена математическая модель пуска
и останова установки для адаптивных систем управления. Модель описывает
основные физико-химические закономерности процесса, отражает его
нелинейность, учитывает нестационарность, включает настройку структуры и
параметров модели на заданную модификацию установки, позволяет учитывать
процессы регенерации катализаторов, а также позволяет моделировать
нештатные ситуации, возникающие во время пуска и останова установки. [10].
Система управления производством субстанций лекарственных препаратов с
перенастраиваемой технологией. Разработан программный комплекс системы
управления многоассортиментным производством субстанций лекарственных
препаратов с перенастраиваемой технологией, включающий подсистемы
моделирования наиболее важных стадий производства субстанций. Комплекс
является адаптивным по отношению к характеристикам сырья, оборудования,
выбранной технологической схеме и виду выпускаемой продукции, его
применение для управления многоассортиментным производством субстанций
лекарственных препаратов позволяет повысить эффективность (за счет
настройки на различную номенклатуру), безопасность (за счет рекомендаций
оператору по ведению процесса) и качество (за счет выбора оптимальных
воздействий) управления. Необходимость обеспечения штатного (безаварийного)
функционирования сложного производства обуславливает использование
современных систем HMI (Human Machine Interface–человеко-машинный
интерфейс) и SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition–диспетчерское
управление и сбор данных) систем в составе комплекса автоматизации. Для
контроля и управления технологическими процессами используется SCADA
система WinCC от Siemens. Выбор именно этой системы обусловлен ее
функциональными возможностями, модульной открытой архитектурой и поддержкой
распространенных средств и технологий разработки.
WinCC, оперирующая в среде Microsoft Windows 95/98/NT, поддерживает
многие современные стандарты межпрограммного взаимодействия. Для обмена
данными с приложениями пользователя используются механизмы OLE (Object
Linking and Embedding–связывание и внедрение объектов) и DDE (Dynamic Data
Exchange–динамический обмен данными). Доступ к данным проекта WinCC,
которые хранятся в формате СУБД Sybase, осуществляется при помощи
интерфейса ODBC (Open DataBase Connectivity–открытый интерфейс доступа к
базам данных). Кроме того, WinCC полностью поддерживает протокол OPC (OLE
for Process Control–OLE для управления процессами) и может работать как в
режиме сервера, так и в режиме клиента. Встроенные средства разработки,
такие как редактор Global Script позволяют на языке С программировать
отклик на системные события, а поставляемый пакет ODK (Open Development
Kit–открытый набор разработки)– предоставляет разработчику полный интерфейс
программирования WinCC. Таким образом, множество проблем может быть решено
с использованием встроенных средств. Система внедрена в опытную
эксплуатацию в научно-производственном комплексе «Капитолово Кемикалз»
закрытого акционерного общества «Фармсинтез» [11].
Рассмотренные выше системы химического мониторинга в основним
представляют интерес для химической промышленности, либо так или иначе
привязаны к действующим технологическим процессам. Наиболее универсальной
из них является CHEMCAD фирмы CHEMSTATIONS Ltd (США). Кроме того, стоимость
программного обеспечения этих систем при условии приобретения лицензионного
пакета делает их недоступными для большинства предприятий и лабораторий.
ВЫВОДЫ
Для исследователя более рационален мониторинг с использованием
информации по интересующему его соединению или группе соединений. Помощь в
этом вопросе могут оказать патентные архивы, так как почти все разработки,
представляющие какой-либо коммерческий интерес, патентуются. Наиболее
информативны:
. ISI's Reaction Citation Index-охватывает мировые патенты и международные
журналы органической химии с 1980, обеспечивая доступ к больше чем
500,000 реакций [12];
. База данных (БД) ВИНИТИ-одна из крупнейших в России баз данных по
естественным, точным и техническим наукам включает материалы РЖ
(Реферативного Журнала) ВИНИТИ с 1981 г . Общий объем БД-более 20 млн.
документов, БД формируется по материалам периодических изданий, книг,
фирменных изданий, материалов конференций, тезисов, патентов, нормативных
документов, депонированных научных работ, 30% которых составляют
российские источники. БД ВИНИТИ пополняются ежемесячно, а БД Химия-2 раза
в месяц. Документы БД ВИНИТИ содержат библиографию, ключевые слова,
рубрики и реферат первоисточника на русском языке [13].
Кроме вышеупомянутой (БД) ВИНИТИ поиск информации о выбранном объекте
мониторинга может быть осуществлен на серверах:
. ChemSourcesTM-специализированный сервер для поиска химических веществ и
их производителей и поставщиков [14];
. ChemFinder Databases Search-поиск химических соединений по базам данных
Всемирной Паутины (более чем 100 химических информационных страниц,
индексированных в ChemFinder WebServer) [15];
. MDL Information Systems-база данных, содержащая более 100,000 соединений
[16];
. ChemFinder WebServer-это база данных CambridgeSoft, обеспечивает связи с
web-страницами, содержащим данные для большого количества химических
соединений. Реализован поиск по имени, молекулярному весу, молекулярной
формуле, CAS номеру или структуре (отправка в формате SMILES). Поиск
наиболее результативен с использованием программных продуктов
CambridgeSoft (ChemDraw Net, Chem3D Net, ChemDraw Net Plugin, ChemOffice
Net) [17].
Кроме того, существенную роль играет аппаратное обеспечение процесса
мониторинга. Ввиду того, что основу парка ЭВМ Вузов Украины и нашего
университета составляют машины с мощными процессорами III и IV поколений
(для процессоров Intel) и VI и VII поколений (для процессоров AMD), а также
учитывая высокие пропускные способности существующих линий связи на основе
технологии Ethernet и оптоволоконных линий, на аппаратном уровне работа
систем мониторинга легко реализуется.
ЛИТЕРАТУРА
1. On-line версия журнала «Химия Украины» доступна по ссылке:
http://www.business.dp.ua/ruschem/xu.htm
2. Доступ к каталогам удобен с использованием навигационной системы Хим РАР
(http://www.chemrar.ru/catalogs/main.htm).
3. В.Колодкин «Создание системы экологического мониторинга в зоне
антропогенных воздействий от объектов химико-технологического профиля»,
журнал «Химическая промышленность», 2002г., № 11, стр. 27-30; электронный
вариант статьи: http://www.thesa.ru/chemprom/2002_r/11_02/kolod.pdf
4. Е.Ю. Орлова "Химия и технология бризантных взрывчатых веществ", М.,
1976г.
5. Гартман Т.Н., Малиновский В.А. " Компьютерное моделирование узла
ректификации в производстве изопропилбензола с целью экономии
энергозатрат", журнал «Химическая промышленность», 2002г., № 10, стр. 1-
19 ;
электронный вариант статьи:
http://www.thesa.ru/chemprom/2002_r/10_02/gartman.pdf .
6. Е.Н.Малыгин, В.А.Немтинов, С.Я.Егоров " Автоматизированное
проектирование генерального плана сооружений биохимической очистки
сточных вод", журнал «Химическая промышленность», 2002г., № 12, стр. 1-7;
электронный вариант статьи:
http://www.thesa.ru/chemprom/2002_r/12_02/malygin.pdf
7. В.А.Островский, М.А.Гетьман, А.А.Малин, М.Б.Щербинин, Ю.В.Островский,
Т.Б.Чистякова " Опыт создания гибкого автоматизированного производства
субстанций фармацевтических препаратов в соответствии с нормами gmp",
журнал «Химическая промышленность», 2003г., № 1, стр. 4-18; электронный
вариант статьи: http://www.thesa.ru/chemprom/2003/01_03/ostrov.pdf
8. П.А. Подкуйко, Л.Я. Царик, Н.В. Зайцев " Планирование эксперимента при
получении железосодержащей соли полиакриловой кислоты", журнал
«Химическая промышленность», 2003г., № 1, стр. 30-34;
электронный вариант статьи:
http://www.thesa.ru/chemprom/2003/01_03/podku.pdf
9. Н.Н. Прохоренко, Н.Б. Кондуков, Н.Ю. Шовкопляс " Оценка
работоспособности химико-технологических систем", журнал «Химическая
промышленность», 2002г., № 8, стр. 1-10; электронный вариант статьи:
http://www.thesa.ru/chemprom/2002_r/08_02/prohor.pdf
10. Т.И. Белая, Т.Б. Чистякова " Математическая модель процесса пуска
установки каталитического риформинга–ядро интеллектуального тренажера",
журнал «Химическая промышленность», 2003г., № 2, стр. 41-45;
электронный вариант статьи:
http://www.thesa.ru/chemprom/2003/02_03/belaya.pdf
11. Ю.В. Островский, Т.Б. Чистякова, А.А. Малин " Система управления
производством субстанций лекарственных препаратов с перенастраиваемой
технологией", журнал «Химическая промышленность», 2003г., № 5, стр. 4-18;
электронный вариант статьи: www.thesa.ru/chemprom/2003/05_03/ostrov.pdf
12. http://www.chemweb.com/databases/rci/html/welcome.htm
13. http://www.viniti.msk.su
14. http://www.chemsources.com
15. http://www.chemfinder.com
16. http://www.mdli.com
17. http://chemfinder.cambridgesoft.com
| |
