Биотехнология. Промышленное получение водорода и его использование

Биотехнология - отрасль промышленности, основанная на использовании живых организмов, культур клеток и биологических процессов для производства продуктов, полезных для народного хозяйства, медицины и ветеринарии, для формирования экологически доброкачественной среды обитания человека и животных. Процессы биотехнологии широко используются для получения важных биологически активных веществ (аминокислот, нуклеозидов, ферментов, витаминов, полиненасыщенных жирных кислот, антибиотиков, вакцин, сывороток,

гормонов, феромонов и др.), применяющихся в качестве безопасных пищевых добавок, лекарственных средств, препаратов для ветеринарии, пестицидов для защиты растений от болезней и вредителей, биоудобрений и стимуляторов роста растений. Развитие генетической и клеточной инженерии позволило получать методами биотехнологии такие ценные продукты как белки человека и животных (интерфероны, интерлейкины, гормон роста, инсулин человека, моноклональные антитела и др.), использующиеся для лечения инфекционных заболеваний,

гормональных нарушений, для терапии и диагностики рака, для трансплонтации донорских органов. На фоне истощающихся запасов нефти значительно возростает роль биотехнологии в производстве топлива (биогаза, биоэтанола, биодизеля),причем экологически чистого топлива,так как горение таких веществ приводит к образованию воды и углекислого газа, растворителей (ацетон, изопропанол), исходных продуктов для крупнотанажного и тонкого химического синтеза на основе возобновляемого сырья растительного и животного происхождения

( в Бразилии уже существует технологический способ производства биоэтанола, получаемый из возобновляемого сырья - древесины, которой в Амазонском плоскогорье в избытке). Существенный вклад вносит биотехнология в контроль и предотвращение загрезнения окружающей среды природными и техногенными токсичными соединениями, содержащимися в бытовых отходах, газоводушных выбросах и сточных водах промышленных предприятий. Методы биотехнологии используются также для очистки окружающей среды

от экотоксикантов, в частности, для восстановления почвы природных водоёмов от нефти и нефтепродуктов. Прогнозируется, что 21 век будет биотехнологии, которая призвана полностью удовлетворить человечество продуктами питания, источниками энергии, защитить планету от техногенных загрязнений, решить проблему рака ,СПИДа, продлить жизнь и отодвинуть старость Разработан эффективный метод биосинтеза арахидоновой кислоты, которая применяется в кардиологии,а также в сельском хозяйстве в качестве регулятора роста

растений. Созданы методы синтеза оптически чистого S - кетопрофена, являющегося основой создания ряда нестероидных противовоспалительных препаратов, а также метод региоселективного микробиологического окисления бетулина (из доступного растительного сырья) в бетулиновую кислоту, являющуюся перспективным нетоксичным противораковым препаратом. Разработаны методы синтеза оптически чистых синтонов (спиртов, кислот, эфиров, эпоксисоединений) ряда

низкомолекулярных биорегуляторов (средств защиты растений - феромонов насекомых и лекарств). Создан эффективный технологичный метод синтеза S - хроманилэтанола, являющегося ключевым синтоном а - токоферола (витамина Е),с использованием эффективных и доступных клеточных биокатализаторов. Ведется разработка биотехнологий глубокого извлечения цветных и драгоценных металлов из руд и отходов горно-обогатительных комбинатов ,а также биотехнологий уничтожения и утилизации техногенных загрязнений

и создания альтернативных источников энергии из возобновляемого сырья. В основе фундаментальных исследований кафедры лежит направленный био - органический синтез биологически активных веществ на основе нефтехимических продуктов и растительного сырья, разработка нетрадиционных методов интенсификации химических и биохимических процессов с использованием ультразвука, микроволнового излучения и методов утилизации отходов промышленных производств, биоремедиации воды и почвы от экотоксикантов.

. ПОЛУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДОРОДА В настоящее время водород стал настолько широко применяемым продуктом, что от разработки экономичных способов его производства зависит дальнейший прогресс таких отраслей промышленности, как химическая, нефтеперерабатывающая и нефтехимическая, металлургическая, пищевая, машиностроительная и ряд других В промышленности водород получают и используют как в чистом виде, так и в смеси с другими газами, например в виде азотоводородной смеси для синтеза аммиака или смеси со и

ОД для синтеза метанола. В пятидесятых годах до восьмидесятых годов производимого водорода расходовалось на синтез аммиака. В дальнейшем быстро развивалось потребление водорода в нефтепереработке и в нефтехимии, и доля его для синтеза аммиака значительно сократилась. Производство аммиака. Возникнув перед второй мировой войной, производство синтетического аммиака превратилось в крупную отрасль современной химии уступает по общему тоннажу только производству серной кислоты.

Технология синтеза аммиака является показателем научно-технического уровня промышленности, так как создание мощных аммиачных комплексов является результатом достижений металлургии, машиностроения, энергетики, приборостроения, вычислительной техники и других отраслей промышленности. Бурное развитие азотной промышленности диктуется необходимостью удовлетворения населения земли продуктами питания. На производство удобрений (включая сам аммиак) расходуется около 80-85$ всего произведенного

аммиака, 15-20/8 используется в промышленности для других целей . мировое производство аммиака в I960 г. составило 13,2 млн.т, в 1970 - 49,9 млн.т, в 1975 - 58,6 млн.т и в 1980 г 80 млн.т. Следует отметить, что аммиачное производство в 70-х годах в основных капиталистических странах практически не увеличивало выпуск продукции. Мировое производство аммиака значительно возросло, в основном, за счет высоких темпов его роста в социалистических

и развивающихся странах. По выпуску аммиака СССР занимала ведущее место в мире. Производство аммиака сосредоточено в настоящее время на крупных установках производительностью 200-500 тыс.т/год, или 36 -90 тыс. т/год по водороду. В настоящее время наиболее распространенным является аммиачный комплекс, построенный по энерготехнологическому принципу и включающий в себя многорядную трубчатую печь паровой конверсии под давление 3,5-4,0 МПа, шахтный реактор вторичной паровоздушной конверсии, двухступенчатую

конверсию окиси углерода, очистку от двуокиси углерода, агрегат синтеза и турбокомпрессорную установку, работающую на собственном паре. Производство метанола и других органических продуктов. По объему производства и многообразию областей применения метанол является одним из основных продуктов органического синтеза. Он служит сырьем для получения большого количества соединений, содержащие метальные группы: аминов, эфиров, галогенопроизводных и др. Половина выпускаемого метанола расходуется для производства 4формальдегида,

на основе которого вырабатываются синтетические смолы и пластмассы. До 5-10/6 его приходится на выработку диметилтерефталата, метилметакрилата, уксусной кислоты, растворителей. В будущем возможно более широкое использование метанола в органическом синтезе и химической промышленности в целом, а также применение его в качестве топлива, источника водорода, в микробиологическом синтезе, для очистки сточных вод и других целей. В химической промышленности большое значение имеет синтез высших

спиртов, альдегидов, кетонов, кислот и углеводородов на основе водорода и окиси углерода. Производство этих продуктов потребляет более 5% водорода и в дальнейшем доля водорода для них будет возрастать. Таким образом, наряду с синтезом аммиака синтез органических продуктов является крупнейшим потребителем водорода. Мировое производство метанола к концу 1980 г. составило около 13 млн.т и по оценкам экспертов будет возрастать на 7-10$ в год, ее- ли не произойдет спада в экономике основных капиталистических

стран. Примерно по четверти указанного количества метанола приходится на СССР и США и 50/5 - на все остальные страны, но в настоящее время уже наметились тенденции к перераспределению производства метанола. Оно более интенсивно развивается в странах, обладающих большими сырьевыми и энергетическими ресурсами. В связи с этим повышается роль нефте- и газодобывающих стран, и международная торговля метанолом будет расти высокими темпами. СССР становится одним из основых экспортеров метанола.

Установки по производству метанола являются энерготехнологическими и могут выдавать тепловую анергию в виде пара на сторону. В настоящее время строятся метанольные комплексы производительностью от 300 до 2500 т/сутки (38-250 т/сутки по водороду), т. в. крупнее, чем аммиачные. Разработаны проекты производства мощностью до 5000 т/сутки метанола, но строительство их пока проблематично. В СССР строятся метанольные комплексы мощностью 750 тыс.т/год или 2400 т/сутки, признанные для условий

нашей страны наиболее оптимальными. ' Процессы нефтепереработки и нефтехимии. Водород используется в процессах гидроочистки от сернистых соединений нефтяных фракций, гидрокрекинга, гидрирования бензола, гидродеалкилирования, гидростабилизации пиробензинов и многих других. Особенно быстро развиваются процессы гидроочистки и облагораживания сернистых нефтей в целях предотвращения.загрязнения воздушного бассейна. До недавнего времени для этого на большинстве заводов было достаточно

технического водорода, получаемого в качестве побочного продукта процессов расщепления углеводородов и главным образом каталитического реформинга бензиновых фракций. В настоящее время необходимо строительство специальных водородных установок. Значительно возрастает потребление водорода с углублением переработки нефти: большие количества его необходимы для гидрокрекинга тяжелых нефтепродуктов с целью получения моторных топлив .

Во всем мире спрос на светлые нефтепродукты растет быстрее, чем добыча нефти. Это обусловливает развитие производства водорода в нефтеперерабатывающей промышленности. В настоящее время на основе синтез-газа разрабатываются промышленные способы получения этилена, этанола, бензина, низших ароматических соединении этиленгликоля, уксусного ангидрида, адетонитрила. Промышленное внедрение производства названных веществ будет зависеть главным образом от их экономичности

и конкурентоспособности с традиционными процессами. Потребление водорода в процессах нефтехимии также увеличивается, но доля его, расходуемая для этих производств, не будет превышать 10-15$. Металлургия и металлообработка. В металлургии широко применяются восстановительные газы, состоящие из водорода и окиси углерода, иногда используется технический водород. Замена части кокса в доменной печи на восстановительный газ увеличивает

ее производительность и приводит к экономии кокса. Большое количество восстановительного газа требуется при бездоменном производстве губчатого железа. Водород необходим для получения многих редких и цветных металлов, широко используется в порошковой металлургии. Для предохранения металла от окисления в процессах его переработки применяются защитные среды, содержащие большое количество водорода. Безокислительный нагрев стали получает все более широкое

распространение. Водород - моторное топливо и универсальный энергоноситель. В настоящее время водород в качестве горючего применяется в ракетных двигателях межконтинентальных и космических ракет .Идею использования водорода в качестве топлива для ракет высказал К.Э.Циолковский. Реализация ее содействовала видающимся успехам в освоении космоса. Жидкий водород - превосходное топливо. Удельные тяговые усилия двигателя на водороде выше, чем на других

видах горючего, ион имеет максимальную мощность на единицу веса. Продуктом его сгорания является только вода, имеющая малую молекулярную массу. Благодаря этим свойствам водород, по-видимому, будет широко использоваться в авиационных реактивных двигателях. По программе НАСА (США) в 80-х годах для космических исследований и разработок будет ежегодно расходоваться около 10 тыс.т водорода. По имеющимся уже проектам в середине 80-х годов должны быть созданы

авиационные водородные двигатели и в конце 80-х годов -экспериментальные самолеты. фирма "Локхид" (США) намерена использовать самолеты с водородными двигателями для рейсов США - Европа -Ближний Восток. В настоящее время ведутся работы по использованию водорода как топлива для двигателей внутреннего сгорания с целью снижения токсичности выхлопных газов. Фирма "Даймлер Бенц" разработала проект городского автобуса с запасом водорода в гидридах

металлов на 400 км пробега. В Канаде намечается пустить трансконтинентальный экспресс на водородном топливе. С экологической точки зрения водород - идеальное топливо, способное заменить любой вид топлива в энергетике, промышленности, на транспорте и в быту. Он может быть использован как на небольших передвижных и на крупных энергетических установках. Во многих случаях водород способен заменить электроэнергию, кроме того, транспорт его может быть экономичнее,

чем передача электроэнергии. Поэтому водород может стать основой энергетики будущего. Сырье и способны получения водорода. Практически весь получаемый в промышленных масштабах водород образуется в результате реакций окисления углеводородов или углерода связанным или свободным кислородом. Не более 2% водорода получается в результате электролиза воды и другими методами. Промышленными, способами получения водорода являются следующие:

I) паровая каталитическая конверсия легких углеводородов с подводом тепла; 2) автотермическая каталитическая конверсия легких углеводородов; 3) высокотемпературная кислородная конверсия различных типов углеводородного сырья; 4)кислородная или парокислородная газификация твердого топлива; 5)термоконтактные методы разложения углеводородов;

6) электролиз воды; 7) извлечение водорода как побочного продукта процессов нефтепереработки и нефтехимии. Выбор того или иного метода производства водорода и водородсодержащих смесей зависит от наличия источников . 20-х - 40-х годах основным источником получения водородсодержащих газов служили уголь, кокс и коксовый газ 18$ водорода производилось электролизом воды. Наряду с этим в 40-х годах начали применять природный газ и жидкое топливо. В настоящее время получают из углеводородного сырья примерно 90$ водорода, около 8%

- из твердого топлива, а остальное - электролизом воды и другими способами. Однако в связи с дефицитом углеводородного сырья процессы газификации твердого топлива снова начинают привлекать внимание. Газификация топлива. Процесс осуществляется в газогенераторах с неподвижным или движущимся слоем мелкозернистого топлива (угля, сланца, торфа). В нижнюю часть аппарата подается воздушное, кислородное, паровоздушное или парокислородное дутье.

Газификация происходит при температурах 1300-2000°С. В зависимости от состава дутья и температуры получают газ с различным соотношением . Процессы газификации были разработаны в 30-40-х годах, они осуществлялись при низком давлении, и для настоящего времени являются малоэффективными. К началу 70 х годов процессы газификации были усовершенствованы и построено несколько крупных заводов для получения искусственных газов, аммиачных и метанольных установок

на угле. Современные процессы газификации твердого топлива осуществляются под давлением до 40 ат и являются непрерывными. Освоены надежные методы золоудаления и очистки газов от пыли. Перерабатываться могут практически любые виды углей с энергетическим коэффициентом полезного действия до 90$. Эти процессы находят практическое при -менение в странах, где отсутствуют источники углеводородного сырья, в частности в Индии и Южной Африке. По прогнозам, газификация твердых топлив к концу двадцатого

столетия получит широкое развитие. Высокотемпературная конверсия углеводородов. Процесс представляет собой неполное окисление углеводородов с образованием СО и /% Существует несколько разновидностей процесса. Конверсия может проводиться кислородом, воздухом, обогащенным кислородом и парокислородной смесью. Реакции протекают в свободном объеме при температуре 1300-Т500°С.

В связи с практически полным превращением углеводородов при таких температурах давление процесса можно поднять до 80-90 ат. Жидкое сырье, которое не может быть испарено, распыляется в полый газификатор форсунками с помощью парокислородной смеси. Особенностями процесса, влияющими на технико-экономические i показатели, являются: необходимость использовали технически чистого кислорода при получении водорода; высокая температура газов экономичности процессов. на выходе, требующая высокотемпературных установок душ использования

тепла газов; в процессе неизбежно образуется сажа, и требуются аппараты очистки; не накладывается ограничений на содержание серы в исходном сырье. В качестве сырья для высокотемпературной конверсии могут быть применены любые углеводорода, начиная от метана и кончая высокосернистыми мазутами . Способы высокотемпературной конверсии приводного газа и мазута при давлении 3,0 МПа получили некоторое распространение в промышленности.

Перспективной является газификация этим способом сернистых мазутов и нефтяных остатков, так как легкие углеводороды могут конвертироваться более экономичными каталитическими способами. По всем показателям самым экономичным сырьем является природный газ, несколько уступает ему нафта (нефтяные фракции, выкипающие до 200° С) . Но на выбор сырья оказывают влияние его запасы и стоимость. В настоящее время около 80$ водорода (включая синтез-газы) получают паровой конверсией природного газа

и нафты. Но сокращение мировых запасов нефти,и газа и дифивдт их в ряде стран вынуждают использовать твердое топливо. В настоящее время в Советском Союзе свыше 90$ аммиака и метанола производится из природного газа, и в дальнейшем доля его еще несколько увеличится. На нефтеперерабатывающих заводах используются также нефтяные газы. В связи с быстрым ростом производств, требующих водород, необходимо разрабатывать ноше, более экономичные

методы его получения. Но в настоящее время наиболее актуальным является усовершенствование и повышение экономичности производств, основанных на каталитической конверсии природного газа и легких нефтяных фракций. Этим способам посвящены последующие разделы монографии.