Древесина
Один из видов сырья текстильной промышленности – целлюлоза, вырабатываемая из древесины. Но все же значительная масса древесины идет на изготовление разнообразных пиломатериалов для строительной и мебельной промышленности. Производство целлюлозы для бумажной промышленности составляет 80% и синтетических волокон – 20%.
В мебельной промышленности широко применяются древесностружечные и древесноволокнистые плиты, изготовление которых базируется на органических связующих веществах. Современные химические технологии при производстве древесноволокнистых плит и целлюлозы позволяют использовать любой древесный материал, даже тот, который раньше считался не пригодным для обработки.
Древесина в отличие от ископаемого горючего сырья сравнительно быстро восстанавливается. В этой связи, а также в силу того, что цены на ископаемое органическое сырье будут расти, следует ожидать, что основная доля производства пластмасс, эластомеров и синтетических волокон будет реализована при переработке древесины в промежуточное химическое сырье – этилен, бутадиен и фенол. А это означает, что древесина станет не только строительным материалом и сырьем для производства бумаги, но и важным химическим сырьем для получения искусственных веществ: фурфурола, фенола, текстиля, топлива, сахара, белков, витаминов и других ценных продуктов. Например, из 100 кг древесины можно изготовить примерно 20 л спирта, 22 кг кормовых дрожжей или 12 кг этилена.
Древесина – не единственный вид органического сырья. Другие разновидности биомассы: солома, камыш и т. п. – посредством химических технологий могут превращаться в такие же ценные продукты, что и те, которые производятся из древесины.
Микробиологи обнаружили, что грибы, вызывающие белую гниль древесины, могут приносить пользу. Их способность видоизменять некоторые компоненты древесины положена в основу новой технологии изготовления стройматериалов: после обработки грибом опилки, стружки и другие отходы склеиваются в монолитную массу. Так получают экологически чистые древесные плиты.
Одна из важнейших областей использования древесины – целлюлозно-бумажная промышленность. Мировое производство целлюлозы в середине 70-х годов достигло 100 млн. т в год. В настоящее время из древесины изготавливается основная масса различных видов бумаги и картона. Технология их изготовления сравнительно проста. Вначале кусочки древесины величиной со спичечную коробку превращают в волокнистую древесную массу. Затем после формования и прессования такой массы с добавленными в нее клеем, наполнителями и пигментными красителями осуществляется процесс сушки. Такая относительно несложная технология применяется давно, но все же отличается от той, на основании которой еще в 105 г. пекинский придворный Цай Лунь впервые изготовил бумагу из волокон конопли, льна и тряпок.
Какие же изменения наметились в технологии производства бумаги в последние десятилетия? Изменения прежде всего связаны с появлением заменителя бумаги – синтетического материала. При синтезе природных и искусственных материалов значительно улучшается качество бумаги. Например, введение пластмасс в волокнистую массу повышает прочность, эластичность бумаги, ее устойчивость к деформации и т. д.
Бумага из пластмассы особенно хороша для высококачественного печатания географических карт, репродукций и т. п. Доля производимой пластмассовой бумаги сравнительно невелика.
С развитием электронно-вычислительной техники и массового производства персональных компьютеров бумага перестает быть основным носителем информации. Однако все же возрастание объемов печатной продукции (книг, газет, журналов и т. п.), а также рост производства промышленной продукции, нуждающейся в упаковочных материалах, неизбежно приводит к ежегодному приросту производства бумаги примерно на 5%. А это означает, что потребность в древесине – важнейшем природном сырье – постоянно возрастает.
Еще в V тысячелетии до н. э. в древнем Египте выплавлялись первые стеклоподобные материалы. Стеклянная посуда в том виде, как она представляется нам сегодня, изготавливалась в XV в. до н. э. Однако вместе с тем стекло долгое время не находило широкого применения, поскольку ни броню, ни каску, ни даже ручную дубинку из столь хрупкого материала изготовить нельзя.
Первые гипотезы о структуре стекла появились в 20–30-е годы XX в., хотя с древних времен выплавлялись стекла более 800 различных составов, из которых производилось около 43 тыс. разновидностей изделий. Как и прежде, стекло обладает одним существенным недостатком – хрупкостью. Создать стекло нехрупким – одна из труднейших задач даже с учетом современных технологий.
Стекло состоит преимущественно из силикатной массы (до 75% SiO 2). Результаты электронно-микроскопических исследований структуры стекла показали, что при охлаждении расплава стекла возникают каплеобразные области, отличающиеся от окружающей их массы расплава химическим составом и стойкостью к химическим воздействиям. Размеры таких областей от 2 до 60 нм. Изменяя величину, число и состав данных областей, можно изготовить стеклянную посуду с очень высокой химической стойкостью. При разделении каплеобразных областей происходит кристаллизация – образуются кристаллы (размером около 1 мкм) со структурой стеклокерамического вещества – ситалла. Таким образом можно изготовить прозрачный или похожий на фарфор материал, коэффициент теплового расширения которого варьируется в таких широких пределах, что его можно прочно соединять с многими металлами. Некоторые стеклокерамические материалы выдерживают высокотемпературный перепад, т.е. не растрескиваются при резком охлаждении от 1000° С до комнатной температуры.
В начале 70-х годов разработана новая разновидность ситалла, который можно обрабатывать, как обычный металл, т. е. его можно обтачивать, фрезеровать, сверлить, а на деталях из него можно даже наносить винтовую резьбу. Область применения ситаллов – автомобилестроение, электротехника, химическое машиностроение, домашнее хозяйство.
Стекло, охлажденное при обычной температуре, имеет прочность на изгиб около 50 Н/мм 2 , а термически закаленное стекло – примерно 140 Н/мм 2 . При дополнительной химической обработке получается сверхпрочное стекло с прочностью на изгиб от 700 до 2000 Н/мм 2 . Химическая обработка заключается в том, что на поверхности стекла небольшие по размеру ионы натрия путем ионного обмена заменяются более крупными ионами калия. Химически упрочненное стекло не разбивается даже при сильном ударе и поддается механической обработке в отличие от термически закаленного стекла.
Высокой прочностью обладают композиционные материалы, включающие химически обработанные стекла со слоями пластика. Такой материал в некоторых конструкциях может заменить металл. Бронестекло толщиной 20–40 мм, состоящее из нескольких склеенных искусственной смолой стекол, не пробивается пулей при выстреле из пистолета.
Иногда для облицовки зданий применяются цветные стекла, та или иная окраска которого достигается введением оксидов металлов. Цветные стекла поглощают инфракрасное излучение. Таким же свойством обладают стекла с напыленным на их поверхность тонким слоем металла или сплава. Данные стекла способствуют поддержанию нормального микроклимата в помещении: летом они задерживают лучи палящего солнца, а зимой сохраняют тепло.
Широко применяются стекловолокнистые материалы. Ими можно армировать, отделывать, склеивать, декорировать, изолировать, фильтровать и т. п. Объем их выпуска огромен – в 1980г. он составлял около 1 млн т/год. Стеклонити для текстильной промышленности имеют диаметр около 7 мкм (из 10 г стекла можно вытянуть нить длинной 160 км). Стеклонить обладает прочностью до 40 Н/мм 2 , что гораздо прочнее стальной нити. Ткань из стекловолокна не смачивается и устойчива к деформации, на нее можно наносить разноцветные рисунки.
Применение стекловолокна в качестве светопровода породило новую отрасль естествознания – волоконную оптику. Стекловолокна – весьма перспективные средства передачи информации.
Хорошо известны изоляционные свойства стекла. Однако в последнее время все чаще говорят о полупроводниковых стеклах, которые изготавливаются методом тонкопленочной технологии. Такие стекла содержат оксиды металлов, что и обеспечивает им необычные, полупроводниковые свойства.
С помощью низкоплавкой эмали из стекла (570 °С) удалось изготовить надежное покрытие для алюминия. Покрытый эмалью алюминий обладает комплексом ценных свойств: высокой коррозионной стойкостью, эластичностью, ударопрочностью и др. Эмали можно придать различные цвета. Такой материал выдерживает агрессивную промышленную атмосферу, не подвергается старению.
Область применения стеклопродукции постоянно расширяется, а это означает, что уже сегодня стекло становится универсальным материалом. Современное стекло – традиционный материал, обладающий новыми свойствами.
Силикатные и керамические материалы
Постоянно развивающаяся строительная индустрия потребляет все большее количество строительных материалов. Свыше 90% из них – силикатные материалы, среди которых лидирует бетон. Его производство в мире превышает 3 млрд. т/год. На бетон приходится 70% общего объема всех строительных материалов. Самая важная и самая дорогая составляющая бетона – цемент. Его мировое производство с 1950 по 1980гг. увеличилось почти в 7 раз и в 1980 г. достигло почти 1 млрд. т.
Прочность на сжатие обычного бетона составляет 5–60 Н/мм 2 , а для лабораторных образцов превышает 100 Н/мм 2 . Высокопрочный бетон получается в результате термической активации цементного сырья при 150° С. Высоким требованиям отвечает полимербетон, но он пока еще дорог. Освоено производство и огнеупорного бетона, выдерживающего температуру до 1800°С. Процесс затвердевания обычного бетона составляет не менее 60–70% общего производственного времени. К сожалению, действенный и легко доступный ускоритель схватывания – хлорид кальция – вызывает коррозию железной арматуры, поэтому производится поиск новых дешевых ускорителей затвердевания. Иногда применяются ингибиторы схватывания бетона.
Находит применение силикатный бетон, состоящий из смеси извести и кварцевого песка, или золы угольных фильтров. Прочность силикатного бетона может достигать от 15 до 350 Н/мм 2 , т. е. превышать прочность бетона на основе цемента.
Представляет интерес бетон с полимерной структурой. Он легок, в него можно забивать гвозди. Полимерная структура создается введением алюминиевого порошка в качестве расширительной добавки.
Разрабатываются различные сорта легкого бетона из цемента и полимеров небольшой плотности. Такой бетон отличается высокими теплоизоляционными свойствами и прочностью, малым влагопоглащением и легко поддается обработке различными способами.
При введении асбеста в цементный раствор получается асбобетон – широко распространенный строительный материал, весьма стойкий к изменениям погодных условий.
Широкое применение находят керамические материалы. Из керамики производят более 60 тыс. различных изделий – от миниатюрных ферритовых сердечников до гигантских изоляторов для высоковольтных установок. Обычные керамические материалы (фарфор, фаянс, каменная керамика) получают при высокой температуре из смеси каолина (или глины), кварца и полевого шпата. Из керамики изготавливаются крупноформатные блоки, пористый и пустотелый кирпич, а для специальных целей (например, для дымовых труб) – закаленный кирпич.
В последние десятилетия к керамике стали относить и бессиликатные композиционные материалы из различных оксидов, карбидов, силицидов, боридов и нитридов. Такие материалы сочетают в себе высокие термическую и коррозийную стойкость и прочность. Некоторые композиционные материалы начинают разрушаться только при температуре выше 1600° С.
Высокопрочностные материалы, в которых (в результате прессования порошка при 1700° С) до 65% Аl 2 О 3 внедряется в кристаллическую решетку Si 3 N 4 , выдерживают температуру выше 1200° С. В сосудах из такого материала можно плавить медь, алюминий и другие металлы. Из комбинации кремний–алюминий–азот–кислород можно получить многообразные керамические материалы, обладающие высокими техническими качествами.
Металлокерамические композиционные материалы имеют высокую твердость и чрезвычайно высокую термостойкость. Из них изготавливаются камеры сгорания для космических ракет и детали для металлорежущих инструментов. Такие материалы производятся методом порошковой металлургии из металлов (железа, хрома, ванадия, молибдена и др.) и оксидов металлов (преимущественно Аl 2 О 3 ), карбидов, боридов, нитридов или силицидов. В металлокерамике сочетаются качества керамики и металлов.
Сравнительно недавно – в начале 90-х годов – синтезирован керамический материал на основе оксидов меди, обладающий удивительным свойством – высокотемпературной сверхпроводимостью. Такой материал переходит в сверхпроводящее состояние при 170 К.
Вне всякого сомнения, в результате исследования структуры и свойств новых керамических материалов будут найдены способы синтеза композитов с раньше неизвестными свойствами.
Средства сохранения материалов
Важно не только получить высококачественный материал, но и сохранить его. Воздействие окружающей среды ухудшает качество материала: происходит его преждевременное старение, разрушение и т. п. К существенному разрушению металлов, особенно нецветных, приводит их коррозия, при длительном воздействии влаги древесина подвергается гниению и т. д. Поэтому для сохранения качества материалов и изготовленных из них изделий применяются различные средства защиты.
Принято считать, что человек научился изготавливать металлические изделия более 4500 лет назад, и с тех пор он борется с коррозией. По некоторым оценкам, ежегодные потери железа в результате коррозии составляют почти 15% мировой продукции стали, а это означает, что примерно каждая седьмая домна на земном шаре работает впустую.
Самая распространенная мера защиты от коррозии – окраска, т. е. нанесение защитного слоя масляной или синтетической краски. Слой краски защищает изделия из древесины от гниения. Широко применяются краски на основе алкидных смол.
Обычное покрытие кажется эффективным, когда краска наносится на чистую поверхность. Однако процесс очистки поверхности – трудоемкая операция, поэтому проводится поиск защитных покрытий для нанесения на поврежденную коррозией поверхность без предварительной ее очистки. Одно из таких покрытий уже синтезировано в виде краски, содержащей цианамид цинка, при реагировании которого с ржавчиной образуется цианамид железа, надежно защищающий поверхность от коррозии.
Для приготовления красок и лаков широко применяются органические растворители и разбавители. После нанесения краски органические вещества испаряются, загрязняя атмосферу. Такого недостатка лишены жидкие лаки без растворителей, а также краски, разбавленные водой. Весьма эффективно порошкообразное покрытие электростатическим способом, при котором в качестве связующих веществ применяются термопласты и «сшитые полимеры» (эпоксидные смолы, поливинилацетат, полиолефины). С помощью полиэфиров и высокомолекулярных полиамодов можно получить цветные или прозрачные слои толщиной около 0,02 мм, прочно сцепляемые с окрашиваемой поверхностью.
Представляют практический интерес электропроводящие краски, необходимые для изготовления печатных схем, антенн и т. п.
Антикоррозийными свойствами обладают нержавеющие стали, содержащие дорогостоящие металлы хром или никель. Гораздо дешевле напыление на обычную сталь слоя алюминия или хрома небольшой толщины– менее 0,001 мкм.
Один из перспективных способов защиты от коррозии – формирование слоя своеобразной ржавчины, предохраняющего металл от дальнейшего разрушения. Обычная ржавчина, состоящая из рыхлого слоя оксида железа, способствует дальнейшему разрушению материала. Защитный слой ржавчины образуется на поверхности деталей из стали, содержащей, например, 0,7–0,15% фосфора, 0,25–0,55% меди, 0,5–1,25% хрома и 0,65% никеля. К настоящему времени уже разработаны десятки разновидностей таких сталей, обладающих удивительным свойством самозащиты. Их можно формовать и сваривать, а стоимость их на 10– 30% выше обычных сталей. Из них можно изготавливать вагоны, цистерны, трубопроводы, строительные конструкции и многое другое, что требует устойчивости к атмосферным воздействиям.
Замена материалов
На смену старым материалам приходят новые. Это происходит обычно в двух случаях: когда возникает дефицит старого материала и когда новый материал более эффективен. Материал-заместитель должен обладать лучшими свойствами. Например, к материалам-заменителям можно отнести пластмассы, хотя считать их определенно новыми материалами вряд ли возможно. Пластмассы могут заменить металл, дерево, кожу и другие материалы. Более 1/3 мирового потребления пластмасс приходится на промышленность. Тем не менее, по некоторым оценкам, только 8–15% стали заменяется пластмассами (преимущественно при изготовлении трубопроводов), бетоном и другими материалами. Сталь обладает вполне приемлемым соотношением между стоимостью и прочностью, возможностью варьирования свойств и способов обработки – все эти качества сдерживают быстрое и массовое ее вытеснение пластмассами и другими материалами.
Не менее сложной является проблема замены цветных металлов. Во многих странах идут по пути экономного, рационального их потребления.
Преимущества пластмасс для многих сфер применений вполне очевидны: 1 т пластмасс в машиностроении экономит 5–6 т металлов. На изготовление пластмассовых изделий требуется всего 12–33% рабочего времени, необходимого для изготовления тех же изделий из металла. В производстве, например, пластмассовых винтов, зубчатых колес и др. сокращается число операций обработки и повышается производительность труда на 300–1000%. При обработке металлов материал используется на 70%, а при изготовлении изделий из пластмасс – на 90–95%.
Замена другого широко применяемого материала – древесины – началось еще в первой половине XX в. Прежде всего появилась фанера, а позднее – древесноволокнистые и древесностружечные плиты. В последние десятилетия древесина стала вытесняться алюминием и пластмассами. В качестве примеров можно назвать игрушки, предметы быта, лодки, строительные конструкции и т. п. В то же время наблюдается тенденция увеличения потребительского спроса на товары, изготовленные из древесины.
В дальнейшем пластмассы будут заменяться композиционными материалами, разработке которых уделяется большое внимание.
Долгое время необходимые человеку товары повседневного спроса (продукты питания, одежда, краски) производились путем переработки преимущественно природного сырья растительного происхождения. Современные химические технологии позволяют синтезировать из сырья не только естественного, но и искусственного происхождения многочисленную и многообразную по своим свойствам продукцию, не уступающую природным аналогам. Потенциальные возможности химических превращений природных веществ поистине безграничны. Все возрастающие потоки природного сырья: нефти, газа, угля, минеральных солей, силикатов, руды и т.п. – превращаются в краски, лаки, мыло, минеральные удобрения, моторное топливо, пластмассы, искусственные волокна, средства защиты растений, биологически активные вещества, лекарства и различное исходное сырье для производства других необходимых и ценных веществ.
Темпы научно-технических разработок химических технологий быстро растут. Если в середине XIX в. на промышленное освоение электрохимического процесса получения алюминия потребовалось 35 лет, то в 50-е годы XX в. крупномасштабное производство полиэтилена при низком давлении было налажено менее чем за 4 года. На крупных предприятиях развитых стран примерно 25% оборотных средств расходуется на научно-исследовательские работы, разработку новых технологий и материалов, что позволяет примерно через 10 лет существенно обновлять ассортимент выпускаемой продукции. Во многих странах промышленные предприятия выпускают около 50% продукции, которая 20 лет назад вообще не производилась. На некоторых передовых предприятиях ее доля достигает 75–80%.
Разработка новых химических веществ – трудоемкий и дорогостоящий процесс. Например, для нахождения и синтеза всего лишь нескольких лекарственных препаратов, пригодных для промышленного производства, необходимо изготовить не менее 4000 разновидностей веществ. Для средств защиты растений данная цифра может достигать и 10000. В недалеком прошлом в США на каждый внедряемый в массовое производство химический продукт приходилось примерно 450 научно-исследовательских разработок, из которых отбиралось всего лишь 98 для опытного производства. После опытно-промышленных испытаний лишь не более 50% отобранных продуктов находили широкое практическое применение. Однако практическая значимость полученных таким сложным путем продуктов настолько велика, что затраты на исследования и разработку очень быстро окупаются.
Благодаря успешному взаимодействию химиков, физиков, математиков, биологов, инженеров и других специалистов появляются новые разработки, обеспечивающие в последнее десятилетие внушительный рост производства химической продукции, о чем свидетельствуют следующие цифры. Если общий выпуск продукции в мире за 10 лет (1950–1960) увеличился примерно в 3 раза, то объем химической продукции за этот же период возрос в 20 раз. За десятилетний период (1961– 1970гг.) средний годовой прирост промышленной продукции в мире составлял 6,7%, а химической – 9,7%. В 70-е годы прирост химической продукции, составляющий около 7%, обеспечил ее увеличение примерно вдвое. Предполагается, что при таких темпах роста к концу нынешнего столетия химическая промышленность займет первое место по выпуску продукции.
Химические технологии и связанное с ними промышленное производство охватывают все важнейшие сферы народного хозяйства, включающего различные отрасли экономики. Взаимодействие химических технологий и различных сфер деятельности людей условно представлено на рис. 6.1, где введены обозначения: А – химическая и текстильная промышленность, целлюлозно-бумажная и легкая промышленность, производство стекла и керамики, производство различных материалов, строительство, горное дело, металлургия; Б – машино- и приборостроение, электроника и электротехника, средства связи, военное дело, сельское и лесное хозяйство, пищевая промышленность, охрана окружающей среды, здравоохранение, домашнее хозяйство, средства информации; В – повышение производительности труда, экономия материалов, успехи в здравоохранении; Г – улучшение условий труда и быта, рационализация умственного труда; Д – здоровье, питание, одежда, отдых; Е – жилища, культура, воспитание, образование, охрана окружающей среды, оборона.
Приведем несколько примеров применения химических технологий. Для производства современных компьютеров нужны интегральные схемы, технология изготовления которых основана на использовании кремния. Однако в природе нет кремния в химически чистом виде. Зато в больших количествах есть диоксид кремния в виде песка. Химические технологии позволяют обычный песок превратить в элементный кремний. Еще один характерный пример. Автомобильный транспорт сжигает громадное количество топлива. Что нужно сделать, чтобы добиться минимального загрязнения атмосферы выхлопными газами? Частично такая проблема решается с помощью автомобильного каталитического конвертора выхлопных газов. Радикальное же ее решение обеспечивается применением химических технологий, а именно химическими манипуляциями над исходным сырьем – сырой нефтью, перерабатываемой в очищенные продукты, эффективно сгораемые в двигателях автомобилей.
Значительная часть населения земного шара прямо или косвенно связана с химическими технологиями. Так, к концу 80-х годов XX в. только в одной стране – США – в химической индустрии и родственных отраслях было занято более 1 млн. человек, в том числе свыше 150000 ученых и инженеров-технологов. В те годы в США продавали химической продукции примерно на 175–180 млрд. долл. в год.
Химические технологии и связанная с ними индустрия вынуждены реагировать на стремление общества сохранить окружающую среду. В зависимости от политической атмосферы такое стремление может колебаться от разумной осторожности до паники. В любом случае экономическое следствие – рост цен на продукцию, обусловленный затратами на достижение желаемой цели сохранения окружающей среды, на обеспечение безопасности рабочего персонала, на доказательства безвредности и эффективности новых продуктов и т. п. Разумеется, все эти затраты оплачивает потребитель и они существенно отражаются на конкурентоспособности выпускаемой продукции.
Представляют интерес некоторые цифры, касающиеся выпускаемой и потребляемой продукции. В начале 70-х годов XX в. средний горожанин использовал в повседневной жизни 300–500 разнообразных химических продуктов, из них около 60 – в виде текстильных изделий, примерно 200 – в быту, на рабочем месте и во время отдыха, примерно 50 медикаментов и столько же продуктов питания и средств приготовления пищи. Технология изготовления некоторых пищевых продуктов включает до 200 различных химических процессов.
Около десяти лет назад насчитывалось более 1 млн. разновидностей продукции, выпускаемой химической промышленностью. К тому времени общее число известных химических соединений составляло более 8 млн., в том числе примерно 60 тыс. неорганических соединений. Сегодня известно более 18 млн. химических соединений. Во всех лабораториях нашей планеты ежедневно синтезируется 200–250 новых химических соединений. Синтез новых веществ зависит от совершенства химических технологий и в значительной степени от эффективности управления химическими превращениями.
Химия в современных технологиях
Елпатова Ольга Ивановна,
Преподаватель химии
Цель работы – проанализировать историю создания ЭВМ и показать, какие химические элементы используются в развитии компьютерных технологий.
На протяжении нескольких последних десятилетий компьютерная технология развивается по пути все большей миниатюризации деталей и все большего удорожания их производства. Микропроцессоры последних поколений содержат огромное число транзисторов (10 млн. и более), имеющих размеры в десятую долю микрона (10 -7 метра). Следующий шаг в сторону микромира приведет к нанометрам (10 -9 метра) и миллиардам транзисторов в одном чипе. Еще чуть-чуть - и мы попадем в диапазон атомных размеров, где все начинают действовать законы квантовой механики.
Ричард Фейнман еще лет двадцать назад заметил, что законы физики не будут препятствовать уменьшению размеров вычисляющих устройств до тех пор, «пока биты, не достигнут размеров атомов, и квантовое поведение не станет доминирующим». Другая проблема, указывающая на то, что современная технология создания компьютеров изживает себя - это проблема приближения к пределу быстродействия. Так, современные компьютерные носители способны вмещать миллионы записей, с которыми уже не справляются существующие алгоритмы поиска.
Это привело к повышению производительности ЭВМ в целом. Отправной точкой всех «технологических прорывов» в компьютерной технике являются открытия в фундаментальных науках, таких как физика и химия.
В вычислительной технике существует периодизация развития электронных вычислительных машин. ЭВМ относят к тому или иному поколению в зависимости от типа основных используемых в ней элементов или от технологии их изготовления.
Анализ истории создания ЭВМ показал, что в развитии компьютерных технологий наметилась тенденция к уменьшению размеров ключевых элементов и увеличению скорости их переключения. За основу мы взяли теорию о пяти поколениях компьютеров вместо шести, т.к. мы считаем, что находимся на рубеже четвертого и пятого поколениях.
Одним из первых химических элементов встречающихся в истории ЭВМ является германий. Германий один из самых важных элементов для технического прогресса, так как наряду с кремнием германий стал важнейшим полупроводниковым материалом.
По внешнему виду германий нетрудно спутать с кремнием. Эти элементы не только конкуренты, претендующие на звание главного полупроводникового материала, но и аналоги. Впрочем, несмотря на сходство многих технических свойств, отличить германиевый слиток от кремниевого довольно просто: германий в два с лишним раза тяжелее кремния.
Формально, полупроводник – это вещество с удельным сопротивлением от тысячных долей до миллионов омов на 1 см.
Замечательна чувствительность германия не только к внешним воздействиям. На свойства германия сильно влияют даже ничтожные количества примесей. Не менее важна химическая природа примесей.
Добавка элемента V группы позволяет получить полупроводник с электронным типом проводимости. Так готовят ГЭС (германий электронный, легированный сурьмой). Добавив же элемент III группы, мы создадим в нем дырочный тип проводимости (чаще всего это ГДГ – германий дырочный, легированный галлием).
Напомним, что «дырки» – это места, освобожденные электронами, перешедшими на другой энергетический уровень. «Квартиру», освобожденную переселенцем, может тут же занять его сосед, но у того тоже была своя квартира. Переселения совершаются одно за другим, и дырка сдвигается.
Сочетание областей с электронной и дырочной проводимостью легло в основу самых важных полупроводниковых приборов – диодов и транзисторов.
Создание диодов легло в основу первого поколения компьютеров на основе электронных ламп в 40-х годах. Это электровакуумные диоды и триоды, представляющие собой стеклянную колбу, в центре которой размещалась вольфрамовая нить накала.
Вольфрам причисляют обычно к редким металлам. Он отличается от всех остальных металлов особой тяжестью, твердостью и тугоплавкостью.
В начале XX в. вольфрамовую нить стали применять в электрических лампочках: она позволяет доводить накал до 2200°C и обладает большой светоотдачей. И в этом качестве вольфрам совершенно незаменим в наши дни. Незаменимость вольфрама в этой области объясняется не только его тугоплавкостью, но и пластичностью. Из одного килограмма вольфрама вытягивается проволока длиной 3,5 км, т.е. этого килограмма достаточно для изготовления нитей накаливания 23 тыс. 60-ваттных лампочек. Именно благодаря этому свойству мировая электротехническая промышленность потребляет всего около 100 т вольфрама в год.
Электронную начинку UNIVAC составляло более 5000 вакуумных ламп. Память на ртутных колбах позволяла хранить информацию объемом до полутора килобайт. Наиболее примечательным элементом в конструкции UNIVAC был специальный накопитель, который позволял записывать информацию и считывать ее с магнитной ленты. Использование электронной лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы - 7см, машины были огромных размеров. Каждые 7-8 мин. одна из ламп выходила из строя, а так как в компьютере их было 15 - 20 тысяч, то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось очень много времени. Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для эксплуатации "современного" компьютера того времени требовались специальные системы охлаждения.
Появление первого поколения компьютеров стало возможно благодаря трем техническим новшествам: электронным вакуумным лампам, цифровому кодированию информации и созданию устройств искусственной памяти на электростатических трубках.
Во втором поколении компьютеров вместо электронных ламп использовались транзисторы, изобретённые в 1948 г. Это был точечно-контактный прибор, в котором три металлических "усика" контактировали с бруском из поликристаллического германия. Поликристаллический германий получали вплавлением индия с обеих сторон пластинки ГЭС. Для всех областей нужен германий очень высокой чистоты – физической и химической. Для достижения ее выращивают монокристаллический германий: весь слиток – один кристалл.
Транзисторы были более надёжны, долговечны, обладали большой оперативной памятью.
С изобретением транзистора и использованием новых технологий хранения данных в памяти появилась возможность значительно уменьшить размеры компьютеров, сделать их более быстрыми и надежными, а также значительно увеличить емкость памяти компьютеров.
Подобно тому, как появление транзисторов привело к созданию второго поколения компьютеров, появление интегральных схем ознаменовало собой новый этап в развитии вычислительной техники - рождение машин третьего поколения .
Интегральная схема, которую также называют кристаллом, представляет собой миниатюрную электронную схему, вытравленную на поверхности кремниевого кристалла площадью около 10 мм 2 . До 1965 г. большая часть полупроводниковых приборов делалась на германиевой основе. Но в последующие годы стал развиваться процесс постепенного вытеснения германия самим кремнием . Этот элемент – второй по распространенности на Земле после кислорода. Не идеальный, а просто высокочистый и сверхчистый кремний стал важнейшим полупроводниковым материалом. При температуре, отличной от абсолютного нуля, в нем возникает собственная проводимость, причем носителями электрического тока являются не только свободные электроны, но и так называемые дырки – места, покинутые электронами.
Вводя в сверхчистый кремний те или иные легирующие добавки, в нем создают проводимость того или иного типа. Добавки элементов третьей группы менделеевской таблицы ведут к созданию дырочной проводимости, а пятой – электронной.
Кремниевые полупроводниковые приборы выгодно отличаются от германиевых, прежде всего лучшей работоспособностью при повышенных температурах и меньшими обратными токами. Большим преимуществом кремния оказалась и устойчивость его двуокиси к внешним воздействиям. Именно она позволила создать наиболее прогрессивную планарную технологию производства полупроводниковых приборов, состоящую в том, что кремниевую пластинку нагревают в кислороде или смеси кислорода с водяным паром, и она покрывается защитным слоем SiO 2 .
Вытравив затем в нужных местах «окошки», через них вводят легирующие примеси, здесь же присоединяют контакты, а прибор в целом тем временем защищен от внешних воздействий. Для германия такая технология пока невозможна: устойчивость его двуокиси недостаточна.
Под натиском кремния, арсенида галлия и других полупроводников германий утратил положение главного полупроводникового материала. В 1968 г. в США производилось уже намного больше кремниевых транзисторов, чем германиевых.
Маленькая пластинка из кристаллического материала размерами примерно 1 мм 2 превращается в сложнейший электронный прибор, эквивалентный радиотехническому блоку из 50-100 и более обычных деталей. Он способен усиливать или генерировать сигналы и выполнять многие другие радиотехнические функции.
Первые интегральные схемы (ИС) появились в 1964 году. Появление ИС означало подлинную революцию в вычислительной технике. Ведь она одна способна заменить тысячи транзисторов, каждый из которых в свою очередь уже заменил 40 электронных ламп. Быстродействие ЭВМ третьего поколения возросло в 100 раз, а габариты значительно уменьшились. В это же время появляется полупроводниковая память, которая и по сей день используется в персональных компьютерах в качестве оперативной.
Появилась идея интегральной микросхемы – кремниевого кристалла, на который монтируются миниатюрные транзисторы и другие элементы. В том же году появился первый образец интегральной микросхемы, содержащий пять транзисторных элементов на кристалле германия. Ученые довольно быстро научились размещать на одной интегральной микросхеме сначала десятки, а затем сотни и больше транзисторных элементов. Компьютеры третьего поколения работали со скоростью до одного миллиона операций в секунду.
Начиная с середины 70-х все меньше становится принципиальных новаций в компьютерной науке. Прогресс идет в основном по пути развития того, что уже изобретено и придумано, - прежде всего, за счет повышения мощности и миниатюризации элементной базы и самих компьютеров.
В начале 70-х годов. была предпринята попытка выяснить, можно ли на одном кристалле разместить больше одной интегральной схемы. Развитие микроэлектроники привело к созданию четвертого поколения машин и появлению больших интегральных схем . Появилась возможность размещать на одном-единственном кристалле тысячи интегральных схем.
Это позволило объединить в единственной миниатюрной детали большинство компонентов компьютера - что и сделала в 1971 г. фирма Intel, выпустив первый микропроцессор. Центральный процессор небольшого компьютера оказалось возможным разместить на кристалле, площадью всего в четверть квадратного дюйма (1,61 см 2 ). Началась эпоха микрокомпьютеров.
Интегральные схемы содержали уже тысячи транзисторов. Каково же быстродействие современной микро ЭВМ? Оно в 10 раз превышает быстродействие ЭВМ третьего поколения на интегральных схемах, в 1000 раз - быстродействие ЭВМ второго поколения на транзисторах и в 100000 раз - быстродействие ЭВМ первого поколения на электронных лампах.
Следовательно, нужны компьютеры с более высокими скоростными характеристиками. Поэтому специалисты во всем мире взялись за решение этой проблемы путем создания вычислительной системы будущего. В настоящее время ведутся экспериментальные разработки квантового компьютера, биокомпьютера , нейрокомпьютера , оптического компьютера, вероятностного компьютера наноэлектроники, нанокомпьютера, нанороботов, молекулярно-механических автоматов, высокотемпературных полупроводниковых материалов.
увеличение единичной мощности узлов и агрегатов
Необходимость увеличения единичной мощности узлов связано с возрастанием потребности в продукции и ограничением площадей для размещения оборудования. При увеличении мощности сокращаются капитальные зааты и амортизационные отчисления на единицу готовой продукции. Сокращается численность обслуживающего персонала, что приводит к сокращению фонда заработной платы и увеличению производительности труда. Увеличение единичной мощности узлов наиболее характерно для непрерывных многотоннажных производств. В случае производства фармацевтических и косметических средств это не является определяющим фактором в большинстве случаев.
разработка экологически чистых технологий, уменьшающих или исключающих загрязнение окружающей среды отходами производства (создание безотходных технологий)
Это очень важная проблема, особенно для производств, связанных с химическими превращениями веществ, в частности при производстве биологически активных веществ и субстанций, входящих в конечные выпускные формы. В то же время, в случае непосредственного производства лекарств и косметических средств проблема отходов не является столь важной. Это связано с тем, что по своей сути эти производства должны быть безотходными, а образование отходов возможно только при нарушении технологического регламента.
Использование совмещенных технологических схем
Эта проблема очень важна при организации производств малотоннажных продуктов. Для малотоннажных производств, в частности для промышленности тонкого органического синтеза, характерен очень большой ассортимент продукции. В то же время ряд продуктов может производиться с использованием сходных технологических приемов на одной и той же технологической схеме. То же самое имеет место и в случае производств фармацевтических препаратов и косметических средств, когда на одной и той же технологической схеме могут производиться аналогичные выпускные формы (таблетки, кремы, растворы) различных наименований.
Повышение энергетической эффективности производства
В случае производства фармацевтических и косметических препаратов эта проблема не имеет большого значения, так как в подавляющем большинстве случаев процессы протекают при комнатной температуре и не имеют высокого теплового эффекта.
Следующим важным вопросом, который мы должны рассмотреть с точки зрения общих вопросов организации производства, являются условия, влияющие на выбор аппаратурного оформления химико-технологического процесса и способ организации процесса.
1.2.3. Условия, влияющие на выбор аппаратурного оформления химико-технологического процесса
Качество целевого продукта определяется строгим соблюдением норм технологического регламента и грамотным выбором основного оборудования, необходимого для реализации производства. Под основным оборудованием подразумевается то оборудование, в котором проходят основные технологические стадии: химические реакции, приготовление исходных компонентов, производство целевых конечных продуктов и т.д. Остальное оборудование, которое необходимо для обеспечения технологического процесса, является вспомогательным. Таким образом, первой задачей, которую необходимо решить при организации производства, является выбор технологического оборудования. Этот выбор определяется рядом условий, некоторые из которых приведены ниже
Температура и тепловой эффект процесса
Определяют выбор теплоносителя и конструкцию элементов поверхности теплообмена.
Давление
Определяет материал аппарата и конструктивные особенности оборудования по механической прочности.
Среда процесса
Определяет выбор материала аппарата с точки зрения коррозионной устойчивости и способ защиты от коррозии. В случае производства фармацевтических препаратов и косметических средств на выбор материала аппарата определяющее влияние оказывают требования, предъявляемы к качеству конечного продукта, особенно по содержанию примесей металлов и органических соединений.
Агрегатное состояние реагирующих веществ
Определяет способ организации процесса (периодический или непрерывный), способ загрузки исходных компонентов и выгрузки конечных продуктов, конструкцию перемешивающих устройств.
Кинетика процесса
Определяет способ организации процесса и тип оборудования.
Способ организации процесса
Определяет выбор типа оборудования.
В условиях постоянного развития науки и промышленности химия и химическая технология предлагают миру постоянные инновации. Как правило, их суть заключается в совершенствовании методов переработки сырья в предметы потребления и/или средства производства. Происходит это благодаря целому ряду процессов.
Новые химические технологии позволяют:
- вводить в хозяйственную деятельность новые виды сырья и материалов;
- перерабатывать абсолютно все виды сырья;
- заменять дорогостоящие компоненты более дешевыми аналогами;
- комплексно использовать материалы: получать из одного вида сырья разные продукты и наоборот;
- рационально расходов, вторичная переработка.
Можно сказать, что общая химическая технология, во многом перераспределяет и регулирует производственные процессы, что на сегодняшний день очень актуально в силу множества положительных факторов, имеющих значение для людей, связанных с промышленностью.
Классификация и описание подотраслей
Химические технологии можно классифицировать по типам веществ, с которыми ведется работа: органическими и неорганическими. Специфика работы зависит от поставленных задач и особенностей сферы, на которую ориентирован конечный продукт.
Химическая технология неорганических веществ - это например, производство кислот, соды, щелочей, силикатов, минеральных удобрений и солей. Все эти продукты широко используются в разных отраслях промышленности, в частности, металлургии, а также в сельском хозяйстве и др.
В фармацевтике и машиностроении часто используют каучуки, спирт, пластмассы, различные красители и т.д. Их производством занимаются предприятия, использующиетехнологии получения органических веществ. Многие из этих предприятий занимают серьезные позиции в отрасли и совей работой существенно влияют на экономику государства.
Абсолютно все процессы и аппараты химической технологии подразделяются на пять основных групп:
- гидромеханические;
- тепловые;
- диффузионные;
- химические;
- механические.
В зависимости от особенностей организации, процессы химической технологии бывают непрерывные и периодические.
Современные задачи химической технологии
В связи с повышением интереса к экологической ситуации в мире возрос спрос на инновации, способные оптимизировать процессы производства, уменьшить объемы расходуемого сырья. Это касается также энергетических затрат. Данный вид ресурсов является очень ценным в рамках производства, потому за его расходованием необходимо следить и по возможности минимизировать. С этой целью сегодня активно разрабатываются и внедряются энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии. С их помощью производство рационализируют, предотвращая чрезмерные затраты расходных материалов разных категорий. Таким образом, уменьшается вредное воздействие технологий химического производства и антропогенных факторов на природу.
Химическая технология в промышленности на сегодняшний день стала неотъемлемой частью процессов изготовления конечного продукта. Сложно оспорить тот факт, что именно эта сфера человеческой деятельности оказывает наиболее пагубное влияние на состояние планеты в целом. Именно поэтому ученые делают все возможное для предотвращения экологической катастрофы, хотя темпы популяризации и внедрения таких разработок все еще недостаточны.
Применение современных химических технологий способствует улучшению состояния природы, минимизируя объемы используемых в производстве материалов, обеспечивая замену токсичных веществ более безопасными и внедрение в производство новых соединений и т.д. В задачей является восстановление ущерба, нанесенного окружающей среде: истощение ресурсов планеты, загрязнение атмосферы. На протяжении последних лет особенно активно проводятся различные исследования в сфере экологии и рационализации влияния производств на окружающую среду. Обязательный характер приобретает совмещение эффективной деятельности предприятия с безопасностью и нетоксичностью конечных продуктов.
Теоретические основы химической технологии
По мере развития смежных отраслей, подвергаются постоянной модернизации и обновлению основные процессы и аппараты химической технологии, глубже изучаются основные аспекты производства, принципы их работы и эксплуатация машин, используемых для выполнения операций. Базу таких дисциплин составляют теоретические основы химической технологии.
В государствах, признанных мировыми лидерами, обучение студентов на технических специальностях именно в этом направлении считается наиболее важным. Причиной тому, во-первых, определяющая роль процессного инжиниринга в деятельности химической промышленности. А во-вторых, растущее значение данной дисциплины на межотраслевом уровне.
Несмотря на существенные отличия между разными отраслями промышленности, в их основе лежат одни и те же принципы, вписываются различные физические закономерности, химические процессы, тесно взаимосвязанные с современными инженерными отраслями, в том числе материаловедением. Химические технологии за последние годы глубоко проникли даже в те сферы, где допустить их присутствие никому не приходит в голову. Таким образом, на современных рынках все чаще заходит речь о роли процессного инжиниринга в более глобальном смысле, нежели в рамках операций одной отрасли.
Основы химической технологии в отечественном образовании
Успешное развитие той или иной отрасли невозможно при отсутствии качественных учебных заведений, выпускающих квалифицированных специалистов. Поскольку химическая промышленность является важной составляющей экономики страны, требуется создать все необходимые условия для подготовки ценных кадров в этой сфере. На сегодняшний день основы химической технологии являются частью обязательной программы по смежным специальностям во многих высших учебных заведениях по всему миру.
К сожалению, принципы обучения техническим направлениям в России и некоторых странах СНГ кардинально отличаются от методик, принятых в европейских странах и Америке. Это, как правило, негативно сказывается на качестве высшего образования. Например, основные акценты все еще делаются на узких химико-технологических специальностях, а также много внимания уделяется конструкторско-эксплуатационным отраслям механики. Столь узкопрофильные характеристики высшего образования стали основной причиной отставания отечественных производств от зарубежных по таким критериям, как качество продукции, ресурсоемкость, экологичность и т.д.
Основная ошибка состояла в недооцененности процессного инжиниринга как системообразующей и всесторонне применимой дисциплины, и на данный момент основная задача отечественной промышленности - уделять намного больше внимания ее освоению и развитию. На сегодняшний день вопросы подготовки квалифицированных кадров, а также налаживания и оптимизации производства - наиболее насущные проблемы на территории СНГ и РФ в частности.
