Высокоэффективных химико-технологических процессов.

Научно-технический прогресс в области химической тех­нологии должен полностью изменить ее лицо как самостоя­тельной области науки и как сферы материального произ­водства. Многие химические производства, в особенности крупнотоннажные, относятся к числу наиболее консерватив­ных в отношении существа химического процесса, типов потребляемого сырья, аппаратурного оформления и приме­няемых энергетических воздействий.

Все это тем более парадоксально, что химия как ника­кая другая область предоставляет множество принципиаль­ных возможностей и путей решения любой конкретной тех­нологической задачи. Химическая технология до сих пор, делая выбор между теми или иными возможностями, как правило, руководствуется соображениями наиболее простых инженерных решений, основанных на упрощенных, полу­эмпирических методах.

Основной чертой новой технологической идеологии дол­жен стать научный системный подход, рассматривающий в единстве физико-химический, физико-математический, ин­женерно-технический, экономический, экологический и со­циальный аспекты организации производства. Такое пони­мание должно быть нацелено на создание малостадийных (в идеале одностадийных) надежных, безопасных, малоэнерго­емких, высокопроизводительных и экономичных, непрерыв­ных и безотходных, гибких (легко перестраиваемых) по сырью и целевым продуктам производств.

Бесспорно, что первое место в создании новых технологий принадлежит _ катализу. Только на основе катализа можно искать и разрабатывать процессы с высокой селективностью, производительностью, экономичностью и низкой энергоем­костью. Много неосвоенных возможностей связано с ыетдд,-, локомплексным,,датализом, позволяющим создавать прямые м'ётоды превращения сырья в целевые продукты и исключить многие промежуточные стадии синтеза. Так, карбонилиро-вание метанола в уксусную кислоту происходит на комплекс­ных соединениях родия с селективностью по метанолу 99 %, а окисление этилена в ацетальдегид — с селективностью вы­ше 95 % . Созданы высокоэффективные процессы гидрофор-милирования, прямого синтеза ароматических изоцианатов из нитроароматических соединений, синтез винилацетата из этилена и уксусной кислоты и др. Высокая селективность ме-таллокомплексного катализа характерна также для электро­химических процессов (например, электрохимическое окис­ление олефинов в присутствии солей осмия дает почти 100%-ный выход г ли колей).

Металлокомплексные катализаторы, используемые на

современном уровне, имеют ряд недостатков, которые ча­стично (а иногда и полностью) нивелируют их достоин­ства. Принципиально важной является задача созда­ния такой молекулярной организации катализатора, которая обеспечила бы длительную работу каждого активного цент­ра без его разрушения, а также возможность легкого доступа к этому центру реагирующих молекул и удаления продуктов превращения. Достойны внимания и активные раз|)а_ботки различных способов такой организации, включая закрепле­ние активных центров на поверхности твердых тея, «класте­ризацию» группы активных центров на активных поверхно­стях, внедрение активных центров в молекулярную структу­ру органических кристаллов (например, между плоскостями углеродных атомов графита).

Большие перспективы открывает иммобилизаци,я гомоген­ных комплексных, катализаторов в полимерных гелях, то есть закрепление их на макромолекулах путем химического или полухимического связывания. Этот принцип организа­ции катализа имеет особое достоинство: он позволяет осу­ществлять такие процессы, которые требуют участия не­скольких активных центров (подобно ферменту нитрогена-зе, в котором восстановление азота происходит с одновре­менным участием двух активных центров). Принцип им­мобилизации часто рассматривают как принцип моделирова­ния ферментов; это — важнейшее направление химической технологии будущего. К нему тесно примыкает другое важ­ное и активно развивающееся направление — катализ на иммобилизованных ферментах. С ними связаны крупные перспективы в технологии искусственной пищи (синтез бел­ков, аминокислот, глюкозы), в медицине, в химическом ана­лизе биологически активных соединений, в иммунологии, в микроэнергетике (в частности, в топливных элементах), в органическом синтезе.

Катализ должен сыграть ведущую роль в создании техно­логий переработки природного газа и нефти в ценные хими­ческие продукты; ключевым звеном таких процессов является каталитическая активация насыщенных углеводородов (в частности, метана). В связи с энергетической конъюнктурой все возрастающую актуальность приобретает создание ка­талитических высокопроизводительных технологий перера­ботки твердых топлив (угля, сланцев, торфа, древесины, бы­товых и сельскохозяйственных отходов) с целью получения водорода, моноксида углерода, искусственной нефти и нефте­продуктов.

Крупным успехом современной химии стало открытие яв­ления восстановления (фиксации) молекулярного азота на гомогенных катализаторах. Важная задача теперь — раз­работать промышленную технологию фиксации азота с вы­сокой производительностью, селективностью и низкой энер­гоемкостью.

В отношении переработки диоксида углерода — неорга­нического сырья, имеющегося в безграничном количестве — лидирующее место должно также принадлежать катализу. Каталитическая утилизация СО2 и синтез на его основе про­дуктов, получаемых из нефти,— проблема сегодняшнего дня химии. Уже намечены некоторые принципиальные пути, связанные с тем, что на никелевых, кобальтовых и рутение­вых катализаторах взаимодействие СО2 с водородом дает метан, а на оксидных катализаторах — метанол. Имеющиеся некаталитические пути утилизации СО2 гораздо менее эко­номичны. Развитие катализа и создание нового поколения катализаторов неразрывно связаны с новыми подходами к аппаратурному оформлению технологических схем, разра­ботке новейших принципов разделения сред, интенсифика­ции тепло- и массопереноса, а также широкому внедрению методов математического моделирования и оптимизации как реакторной части технологической схемы, так и всей схемы целиком.

Важное место в химической технологии и химической энергетике занимают процессы горения, включая горение газов в двигателях, газификацию и горение жидких и твер­дых топлив. Оптимизация условий горения, возможная только на основе фундаментальных исследований химических процессов в пламени, вносит огромный вклад в общегосудар­ственную задачу экономии топливных ресурсов.

В этом отношении интересные перспективы открывает использование инициирующей способности пламени, в част­ности, в процессах пиролиза предельных углеводородов для получения мономеров (этилен, пропилен). За счет этого уда­ется достигнуть увеличения выхода продукта на 12—15%, снизить температуру процесса, увеличить срок безостановоч­ного действия печей крекинга и в итоге получить экономиче­ский эффект в сотни миллионов, рублей. На том принципе возможны разработки технологий других химических про-дуктов и создание экономического дизельного двигателя с повышенным КПД.

Использование инициирующей способности пламени и так называемых сверхадиабатических режимов горения поз­воляют по-новому построить процессы подземной газифика­ции твердых горючих ископаемых и оптимизировать внутри-пластовое горение для повышения нефтеотдачи.

Сверхадиабатические режимы достигаются выравнива­нием теплоемкостей потоков газообразных и твердых веществ, вводимых в реакционную зону за счет их разбавления инерт­ными веществами (вода, зола и т. п.) и обеспечивают практи­чески любую необходимую температуру в интервале 500— 1500 °С. Построенные по этому принципу реакторы газифи­кации твердых горючих достигают высочайшего энергетиче­ского КПД (90 %!) и позволяют с высокими скоростями газифицировать высокозольные угли, сланцы и битуминоз­ные песчаники с содержанием негорючей части 60—90 % . Запасы таких полезных ископаемых очень велики, но в на­стоящее время из-за отсутствия экономичных способов сжи­гания или переработки не добываются и даже не учитывают­ся как возможное сырье. Сверхадиабатические режимы позволяют наладить переработку и утилизацию отходов лес­ной и целлюлозно-бумажной промышленности, а также бы­товых и промышленных отходов, содержащих органические компоненты, при этом высокое содержание негорючих ми­неральных веществ (90 % и, возможно, выше) и высокая влажность не являются препятствием для реализации про­цесса.

Принципиально новое направление крупномасштабной химической технологии основано на использовании атомной энергии в химических целях. Новая технология базируется на энергоемких терморадиационных процессах (ТР), осу­ществляемых за счет комбинированного использования теп­ловой и радиационной энергии ядерных энергоисточников (атомных реакторов, сильноточных ускорителей). Под воз­действием радиационной энергии легко осуществляется наиболее энергоемкий процесс расщепления стабильной мо­лекулы на химически активные фрагменты (ионы, радика­лы), в тепловом варианте для этого требуются энергоисточ­ники с температурой в несколько тысяч градусов. Тепловое же воздействие (причем при умеренных температурах 100— 1000 °С) служит для стимулирования тех каналов реакций активных частиц, которые приводят к образованию жела­тельных целевых продуктов.

Таким образом, могут быть организованы энергоемкие химические производства, включая синтез искусственных энергоносителей (водорода, окиси углерода) на основе пере­работки угля и других видов твердого топлива, фиксация атмосферного азота, получение ценных химических про­дуктов. Сюда же относятся процессы очистки выбросных га­зов ТЭЦ и промышленных предприятий от экологически вредных примесей.

Одним из наиболее проработанных является ТР-процесс гетерогенной конверсии дробленого угля водяным паром в водород и синтез-газ под действием пучка ускоренных электронов (радиационный выход водорода около 100%). Себестоимость радиолитического водорода при использова­нии 20 МВт-ного электронного ускорителя составит 170— 190 руб/т, что заметно ниже, чем для известных тепловых процессов, таких как парокислородная конверсия угля (264—384 руб/т) или электролиз (800 руб/т).

Отличительными особенностями ТР-технологии газифи­кации угля являются:

— высокий КПД по излучению и электроэнергии в целом;

— проведение процесса при атмосферном давлении;

— высокая удельная скорость газификации и, как след­ствие, малые габариты аппаратуры;

— отказ от применения катализаторов;

— практическая безынерционность и легкость управле­ния;

— исключение из технологического процесса кислорода и использование угля как сырья, а не как топлива.

К новому поколению технологий, несомненно, относится и Плазмохимическая технология, которая развивается исклю­чительно быстро, охватывая новые области промышленности, медицины, сельского хозяйства. В малой химии количество промышленных плазмохимических процессов уже превыси­ло 100.

Наибольший интерес представляет плазмохимия неравно­весных процессов, идея которой впервые была предложена в нашей стране и подхвачена во всем мире. К сожалению, в СССР это направление технологии и соответствующие ей (, ундаментальные исследования недооцениваются, несмотря на многочисленные (около 30) уже реализованные неравно­весные плазмохимические процессы.

Плазмохимическая технология обладает несомненными преимуществами, включая одностадийность, возможность реализовать в неравновесных условиях уникальные, неосу­ществимые другими методами процессы; возможность полу­чения ультрадисперсных порошков и неорганических за­щитных пленок; возможность использования сырья, трудно­перерабатываемого традиционными методами; малая инер­ционность, важная, в частности, при использовании проваль­ной нагрузки электростанций; возможность легкой автома­тизации и управления.

Более быстрая и широкая промышленная реализация плазмохимической технологии означала бы важнейший пси­хологический сдвиг в творческих концепциях химиков, ин­женеров и проектантов.

Не вызывает сомнений все возрастающая роль мембранной технологии, в области которой темпы роста финансирова­ния значительно опережают таковые во всех других направ­лениях техники. Особенностью мембранных процессов явля­ются малая энергоемкость, безреагентность, проведение их, как правило, при температуре окружающей среды и сравни­тельно невысоких давлениях, простота конструкций и обслу­живания установок, возможность их полной автоматизации, простота масштабирования. Среди многочисленных приме­ров экономической выгодности и в ряде случаев незамени­мости мембранных процессов выделим лишь некоторые, которые относятся к собственно химической технологии. С помощью мембранного метода Япония решила проблему производства собственной поваренной соли и отказалась от импорта. В производстве каустической соды и хлора мембран­ные электролизеры произвели настоящую революцию в смыс­ле интенсификации многомиллионных по тоннажу произ­водств, повышения качества продукции, ликвидации источ­ников загрязнений ртутью окружающей среды. В США построено более 100 промышленных установок по выделе­нию водорода из сбросовых потоков производства аммиака, метанола и процессов гидрокрекинга производительностью по выделяемому газу в несколько десятков тысяч кубических метров в час при средней стоимости одной установки 1,5— 3 млн. долларов со сроком окупаемости 1 год.

К настоящему времени стоимость оборудования для мем­бранной технологии в капиталистических странах превыша­ет 1 млрд долларов.

Электрохимические технологии переживают сейчас за рубежом своеобразный ренессанс, и это не случайно: они позволяют осуществить химические процессы с высокой и регулируемой скоростью, высокими КПД, селективностью, глубиной и локализацией, практически недостижимыми при использовании обычных окислительно-восстановительных процессов. Электрохимические процессы легко поддаются автоматизации.

Среди наиболее масштабных примеров отставания оте­чественной электрохимической технологии следует назвать отсутствие хлорных производств на основе наиболее про­грессивного мембранного электролиза (в капиталистических странах общая мощность мембранных электролизеров пре­высила 1 млн тонн хлора в год), высокую энергоемкость производства алюминия (почти в 1,5 раза выше, чем за ру­бежом), явно недостаточный объем работ по созданию энерго­установок на основе топливных элементов, слабое развитие промышленных производств органического электросинтеза (на Западе в промышленном масштабе реализовано более 20 процессов, в том числе производство полупродуктов для синтеза найлона, себациновой кислоты, витаминов, лекарст­венных препаратов, металлорганических катализаторов).

Для того чтобы ликвидировать наше отставание в ука­занных выше областях и увеличить вклад электрохимиче­ской технологии в промышленное производство, необходимо уделить первостепенное внимание таким научным направле­ниям, как:

— разработка научных основ создания электродных ма­териалов для высокопроизводительных электролизеров, топливных элементов, химических источников тока, электро­химических преобразователей солнечной энергии;

— разработка теории электрохимических процессов в экстремальных условиях (высокие электрические поля, вы­сококонцентрированные электролиты, интенсивные турбу­лентные потоки), включая гидродинамику электролизеров, влияние выделения продуктов на распределение тока и кон­центрационные профили в электролитах, массоперенос в нестационарном состоянии концентрированных растворов, макрокинетику транспорта электролитов через диафрагмы и мембраны;

— разработка теории новых типов электролитов (псевдо-ожиженных, суспензионных, пористых, микросферических и др.) для повышения выхода продуктов путем устранения диффузионных затруднений.

Основные химические производства нуждаются в сущест­венной перестройке, которая требует резкой активизации научных исследований в перечисленных ниже (по отраслям) направлениях:

Азотная промышленность

— разработка новых биологических и химических путей фиксации атмосферного азота при умеренных температурах и давлениях;

— поиск новых средств и технологических приемов сни­жения энергоматериальных затрат в производстве аммиака;

— создание методов прогнозирования эксплуатационной надежности и принципов автоматизации сложных химико-технологических систем применительно к агрегатам боль­шой единичной мощности;

— разработка принципиально"~новых методов концентри-рования газов.

Производство фосфорсодержащих минеральных удобрений и серной кислоты

— освоение гибкой полугидратной технологии экстрак­ционной фосфорной кислоты, позволяющей повысить извле­чение фосфорного ангидрида до 99 % и получать гранулиро­ванный фосфогипс для утилизации в других областях на­родного хозяйства;

— разработка технологии переработки высококарбонат­ного фосфоритового сырья с предварительным выделением нерастворимого остатка;

— создание новых технологий, позволяющих осуществлять в едином реакторе процесс конверсии и абсорбции серного ангидрида.

Производство хлора и каустической соды

— широкое внедрение технологии получения каустиче­ской соды в мембранных электролизерах с целью кардиналь­но снизить расход энергии и прекратить отравление окру­жающей среды ртутью;

— разработка неорганических ионообменных мембран для получения каустической соды в виде плава электролизом расплава соли.

Содовая промышленность

— разработка безаммиачных комбинированных техноло­гий получения кальцинированной соды путем замены ам­миака органическими аминами, что позволит экономить энергоресурсы, уменьшить объемы отходов, повысить сте­пень использования сырья.

Производство полимеров

Существенные ресурсы в преодолении нашего оставания в области производства полимеров заключены в совершенст­вовании и создании новых принципов переработки полиме­ров в изделия, основанных на применении кратковременных экстремальных воздействий (давлений, сдвиговых напряже­ний, деформаций и высоких температур). Это в первую оче­редь касается создания высокопрочных и высокомодульных волокон и технических нитей из гибкоцепных полимеров.

Новые технологические возможности открывают переход от бесструктурных связующих композиционных материалов к высокоплавким термопластичным кристаллизующимся по­лимерным связующим. С их помощью может быть достигну­то многократное повышение скорости формования за счет исключения медленной стадии химического отверждения и переход к высокопроизводительным и даже непрерывным способам формования полимерных конструкционных мате­риалов, качественно превосходящих по механическим свой­ствам существующие материалы на основе термореактивных смол (при тех же характеристиках армирующих нитей).

Полимерные волокна являются исходным материалом для получения углеродных волокон — армирующих наполни­телей многих композиционных материалов. Значительное увеличение производства углеродных волокон высокой проч­ности может быть достигнуто за счет ускорения стадии пи­ролиза полиакрилонитрильных волокон (имеются сообще­ния о 10-кратной интенсификации этого процесса). Задача снижения цены углеродных волокон должна быть решена разработкой их получения из каменноугольных и нефтяных пеков, а также из природного газа.

Создание новых поколений твердотельных материалов со структурно-чувствительными свойствами (волноводы, эле­менты памяти, сенсоры) потребовало коренных технологиче­ских изменений, связанных с развитием:

— новых технологий получения сырья (веществ, реаген­тов), отличающихся особой чистотой, а для твердого сырья — также высокой однородностью и 'активностью;

— новых технологий переработки сырья в целевые про­дукты, обеспечивающих в последних высокую химическую, гранулометрическую и фазовую однородность.

Отечественный ассортимент высокочистых веществ (65 простых и 260 соединений) значительно уступает зарубеж­ному (2300), причем это отставание наиболее существенно по летучим гидридам (3 против 13), галлидам (17 против 49) и металлорганическим соединениям (9 наименований про­тив 49), крайне необходимых для развития микроэлектрони­ки и волоконно-оптической связи. Достигнутый уровень чистоты, также недостаточный и по большинству примесей, включая содержание анионов и катионов тяжелых метал­лов, должен быть повышен на 2—3 порядка. Решение задачи видится в разработке процессов очистки от гомогенных загрязнений на селективных гетеродиффузионных мембра­нах, в использовании лазерных приемов возбуждения моле­кул примесей с использованием энергии возбуждения для целей их связывания, в устранении «человеческого фактора» робототехникой, но во всех случаях предполагается опере­жающее развитие методов анализа (особенно экспрессных на уровне 10~6—10~7%) и необходимой измерительной аппарату­ры. Принципиально важным является создание комплекса гибкого производства особо чистых веществ. Разумеется, что проблема качественного сырья усугубляется, если оно подвергается в дальнейшем топохимическим превращениям (оксидное и солевое сырье в крупнотоннажном производстве ферритов, пигментов, пьезокерамики).

Что касается новых технологий получения прецизионных материалов с высокой однородностью, то помимо уже упомя­нутой плазмохимической технологии большие перспективы связывают с «золь-гель» и криохимическими процессами.

Криохимическая технология основана на хорошо сбалан­сированном сочетании тепла и холода и представляет целый комплекс процессов. Основным является криокристаллиза-ция, то есть замораживание раствора солей материалообра-зующих компонентов, обеспечивающее быстрое отвердение как растворителя, так и растворенных веществ и сохранение в твердой фазе высокой химической однородности, присущей исходному раствору. Полученный в форме криогранул про­дукт дегидратируется методом сублимационной сушки или криоэкстрагирования, а затем подвергается термообработке для получения высокодисперсных продуктов.

Идея криохимической технологии твердофазных материа­лов, реализованная практически одновременно в нашей стране и за рубежом, легла в основу прогрессивной техноло­гии разнообразных материалов, включая керамику, стекла, композиты. Криохимические порошки помимо однородности отличаются микропластичностью и высокой реакционной способностью. Особенно привлекательна возможность соз­дать в многокомпонентных и многофазных продуктах крио­химической технологии необходимую объемную организа­цию, в частности, благодаря использованию приемов крио-пропитки и криоосаждения. Дальнейшее развитие криохи-мическая технология получит при создании гибких хими­ческих процессов. И это вполне естественно. Сочетая исполь­зование тепла и холода, криохимическая технология легко адаптируется к вариациям сырья и способна в рамках еди­ного аппаратурного оформления быстро перестраиваться на получение новых целевых продуктов.