Химико-технологический процесс и его содержание

Химико-технологический процесс и его содержание. Критерии эффективностихимико-технологического процесса
Химическаятехнология — это научная основа химической промышленности.
Под технологией вшироком значении понимают научное описание методов и средств производства вкакой-то отрасли промышленности. Т. е. — это обоснованная последовательностьопераций или действий, приводящих к достижению поставленной цели.
Химическаятехнология — это наука о наиболее экономичных и экологически обоснованныхметодах химической переработки исходного сырья в предмет потребления и средствапроизводства.Понятие о химико-технологическом процессе
Химическаяпромышленность дает народному хозяйству огромное количество продуктов, безкоторых невозможна жизнь современного общества. Сюда входят моторные топлива,масла, горючие газы, кислоты, смолы, волокна, лаки, краски и т.д.
Важнейшая задачахимической технологии — отыскание оптимальных условий для экономическицелесообразного осуществления химической реакции в виде технологическогопроцесса.
Химико-технологическийпроцесс — это процесс получения целевого продукта начиная с этапа подготовкисырья и заканчивая выделением этого целевого продукта.
Химико-технологическийпроцесс складывается из трех стадий:
1) подводреагентов в зону реакции при помощи абсорбции, адсорбции, конденсации паров,плавлением, растворением и др. (осуществляется, как правило, с использованиемфизических процессов (механических, гидромеханических, тепловых, массообменных));
2) химическиереакции — основа процесса (в ходе этого происходит глубокое изменениеструктуры, состава и свойств веществ, участвующих в нем);
3) отводпродуктов из зоны реакции за счет диффузии или перевода вещества из одной фазыв другую. Стадия выделения целевого продукта для большинства химическихпроизводств является необходимой. Технологический процесс, в которомдостигается абсолютная селективность и 100% -ный выход целевого продукта,просто экономически невыгоден. Возрастают расходные коэффициенты,энергетические затраты, вследствие чего стоимость продукта резко возрастает, итогда товар теряет своего потребителя.Классификация химико-технологических процессов
 
Основой классификации химико-технологических процессовявляется:
• способорганизации процесса (т.е. по параметрам технологического режима);
По способуорганизации химико-технологические процессы могут быть периодическими,непрерывными и комбинированными. При этом комбинированные процессы могутхарактеризоваться непрерывным поступлением сырья и периодическим отводомпродукта или наоборот.
• кратностьобработки сырья (т.е. по методам обработки);
По кратностиобработки сырья различают процессы с открытой, закрытой (циркуляционной) икомбинированной схемами. В процессах с закрытой схемой требуется неоднократныйвозврат непрореагировавшего сырья в зону химического взаимодействия до тогомомента, как оно превратится в конечный продукт.
• видиспользуемого сырья;
По видуиспользуемого сырья химико-технологические процессы условно подразделяют напроцессы, использующие минеральное сырье или сырье животного, растительногопроисхождения.
• агрегатное состояниевеществ, участвующих в реакции (т.е. по фазовому состоянию реагентов);
По агрегатномусостоянию веществ, участвующих в химической реакции, различают гомогенные игетерогенные химико-технологические процессы.
Гомогеннымипроцессами называют такие, в которых все реагирующие вещества находятся в однойкакой-нибудь фазе: газовой (г), твердой (т), жидкой (ж). В этих процессахреакция обычно протекает быстрее. В целом, механизм всего технологическогопроцесса в гомогенных системах проще, соответственно проще и управлениепроцессом. По этой причине на практике часто стремятся к гомогенным процессам, т.е.переводят реагирующие компоненты в какую-либо одну фазу.
В гетерогенныхпроцессах участвуют вещества, находящиеся в разных состояниях (фазах), т.е. вдвух и трех фазах.
К гетерогеннымпроцессам относятся, например, горение (окисление) твердых веществ и жидкостей,растворение металлов в кислотах и щелочах и др.
• по фазовомусостоянию продуктов реакции
• тепловой эффектхимической реакции;
По тепловомуэффекту химической реакции различают экзотермические и эндотермические процессы.
Химические процессы, которые протекают с выделениемтеплоты, называются экзотермическими.
Химическиепроцессы, протекающие с поглощением теплоты, называются эндотермическими. Количествовыделяемой или поглощаемой при этом теплоты называют тепловым эффектом процесса(теплотой процесса).
• направлениепротекания;
По направлениюпротекания химико-технологические процессы подразделяют на обратимые инеобратимые.
Теоретически всехимические реакции обратимы. В зависимости от условий они могут протекать как впрямом, так и в обратном направлениях.
В необратимыхпроцессах равновесие в реакциях полностью смещается в сторону продуктовреакции, а обратная реакция, как правило, не протекает.
Во всех обратимыхпроцессах устанавливается равновесие, при котором скорости прямого и обратногопроцессов уравниваются, в результате чего соотношение между компонентами вовзаимодействующих системах остаются неизменными до тех пор, пока не изменятсяусловия протекания процесса.
• тип основнойхимической реакции (т.е. по характеру химических реакций);
В зависимости оттипа основной реакции химико-технологические процессы подразделяют на процессыразложения (диссоциации), нейтрализации, замещения, обмена, окисления,восстановления, присоединения (синтеза).
Процессыразложения, наиболее характерные для технологии органических веществ,сопровождаются образованием более простых, чем исходное сырье веществ. Процессынейтрализации между веществом, имеющим свойства кислоты и веществом, имеющимсвойства основания, приводят к образованию веществ, теряющих характерныесвойства обоих соединений. Процессы присоединения сопровождаются синтезом болеесложных по сравнению с исходными веществами.
• условияпротекания.
По условиямпротекания химико-технологические процессы подразделяют на электрохимические,каталитические, фотохимические, радиационно-химические.
Электрохимические процессы
Электролиз нашелширокое промышленное применение: извлечение и очистка металлов, нанесение гальваническихпокрытий, анодирование и получение многих веществ.
Электролизомполучают алюминий, цинк, частично медь и другие металлы. Медь, цинк и другиеметаллы можно очистить с помощью электролиза. Такой процесс называетсярафинированием.
Нанесение покрытия(электроосаждение) осуществляется на катоде. Катод в этом случае погружается вэлектролит, содержащий ионы электроосаждаемого металла. В качестве же анодаиспользуется электрод из того металла, которым наносят покрытие.
Анодирование или анодное оксидирование — это образование на поверхности металла слоя его оксида приэлектролизе. Этому процессу обычно подвергают сплавы на основе легких металлов.При этом, на одном и том же металле можно получать фазовые оксиды с разнойструктурой, а, следовательно, и с различными свойствами (твердость, окраска,электрическая проводимость т.д.).
 Каталитические процессы
Основукаталитических процессов составляет катализ — наиболее эффективное ирациональное средство ускорения многих химических реакций.
Катализом называетсяувеличение скорости химических реакций или их возбуждение при действиивеществ-катализаторов, которые участвуют в реакции, вступая в промежуточныехимические взаимодействия с реагентами, но затем восстанавливают свойхимический состав после окончания акта (действия) катализа.
В качествекатализаторов в промышленности чаще всего применяют платину, железо, никель,кобальт и их оксиды, оксид ванадия (V), алюмосиликаты, некоторые минеральныекислоты и соли. Все каталитические реакции относятся к самопроизвольнымпроцессам. Со временем катализатор изменяется и после определенного срока можетполностью необратимо потерять свою активность.Прогрессивные химико-технологические процессы
Радиационно-химическуютехнология.
За последние двадесятилетия сформировалась новая область химической технологии — радиационно-химическаятехнология (РХТ). Ее предшественницей следует считать ядерную технологию,интенсивное развитие которой (с начала 40-х годов) стимулировалосьнеобходимостью срочного решения ряда задач, связанных с практическимиспользованием атомной энергии.
Цельюрадиационно-химической технологии является разработка методов и устройств длянаиболее экономичного осуществления с помощью ядерного излучения физических,химических и биологических процессов, позволяющих получать новые материалы илипридавать им улучшенные свойства, а также для решения экологических проблем. Выделениеэтого направления в отдельную область технологии обусловлено, прежде всего,особенностью действия ионизирующего излучения на вещество.
Основные преимущества радиационно-химической технологииможно сформулировать следующим образом:
• возможностьполучения уникальных материалов, производство которых другими способаминевозможно;
• высокая чистотаполучаемых продуктов;
• смягчениеусловий проведения процесса (температуры, давления);
• возможностьрегулирования скорости процесса за счет изменения интенсивности излучения и,следовательно, легкость автоматизации процесса;
• возможностьзамены в некоторых случаях многостадийных процессов синтеза одностадийными.
Радиационно-химическиепроцессы обуславливаются энергией возбужденных атомов, ионов, молекул.
Энергияионизирующего излучения превышает в сотни тысяч раз энергию химических связей. Механизмрадиационно-химических процессов объясняется особенностями взаимодействияизлучений с реагирующими веществами.
В качествеисточников ионизирующего излучения используются потоки заряженных частицбольшой энергии (электроны, частицы, нейтроны, излучение).
Выделим достоинства ионизирующего излучения:
• высокаяэнергетическая эффективность излучения, приводящая к тому, что по сравнению страдиционными видами технологии радиационная технология является в целомэнергосберегающей;
• высокаяпроникающая способность излучения, исходя их этого, излучение наиболее эффективноиспользовать для обработки блочных материалов и изделий, при стерилизациибиомедицинских материалов в упаковке, получении древесно-пластмассовых ибетонополимерных композиций;
• излучениепредставляет собой легко дозируемое средство обработки материалов и незагрязняет продукцию.
В настоящее времяразработаны и находятся в различных стадиях опытно-промышленной реализацииболее пятидесяти процессов радиационно-химической технологии, например:
• радиационнаяполимеризация и сополимеризация, включающая получение древесно-полимерных ибетон-полимерных материалов, радиационное отверждение покрытий;
• радиационноесшивание полимеров и радиационная вулканизация эластомеров;
•радиационно-химический синтез (радиационное хлорирование, сульфохлорирование углеводородов);
• радиационноемодифицирование неорганических материалов (улучшение адсорбционных икаталитических характеристик, радиационное легирование);
• радиационнаяочистка сточных вод.
Сегоднянаблюдается явное смещение интересов использования ионизирующих излучений: отполучения продуктов с уникальными и улучшенными свойствами к экономии сырья иэнергии.Фотохимические процессы
Фотохимическиепроцессы — это химические реакции, протекающие под действием световогоизлучения или вызываемые им.
Механизмфотохимических процессов основан на активизации молекул, реагирующих веществпри поглощении света.
В зависимости отроли и характера влияния светового луча фотохимические процессы разделяют натри группы:
1) Реакции,которые могут самопроизвольно протекать после поглощения реагентами световогоимпульса. Для этих процессов свет играет роль возбудителя и инициатора. Приобычных условиях эти процессы протекают крайне медленно, но световое облучениеих значительно интенсифицирует.
2) Процессы, дляпроведения которых необходим непрерывный подвод световой энергии к реагентам.
3) Процессы, вкоторых световой импульс, воздействуя на катализатор, активизирует его испособствует интенсификации химической реакции.
Основные достоинства фотохимических процессов по сравнениюс традиционными химическими воздействиями можно сформулировать следующимобразом:
• возможностьполучения уникальных материалов, производство которых другими способаминевозможно или экономически нецелесообразно;
• стерильностьсветового излучения и высокая чистота получаемых продуктов;
• смягчениеусловий проведения процесса (температуры, давления);
• возможностьрегулирования скорости процесса за счет изменения интенсивности световогопотока и, следовательно, легкость автоматизации процесса;
• возможностьзамены в некоторых случаях многостадийных процессов синтеза одностадийными.
Фотохимическиепроцессы находят широкое применение в органической химической технологии присинтезе новых химических соединений.Плазменные технологии
Плазменныетехнологии основаны на обработке сырья и полупродуктов концентрированнымипотоками энергии. Ныне известно более 50 таких технологий. Сформировалась инаучная база этой группы технологий — плазмохимия, изучающая процессы,протекающие при среднемассовой температуре рабочего газа 8000 — 10000°С.
Техникаплазменных технологий — это генераторы низкотемпературной плазмы — плазмотроны,единственные установки, позволяющие с высоким тепловым КПД (80 — 90%) осуществлятьнепрерывный регулируемый нагрев газа до столь высоких температур. Химия,металлургия, машиностроение — вот основные сферы применения плазменныхтехнологии.
Плазменныетехнологии в металлургии. Традиционные процессы здесь давно себя исчерпали, ини техническое совершенствование агрегатов, ни их дальнейшее укрупнение уже неприносят сколько-нибудь существенного экономического эффекта. Вместо доменныхпечей для процесса восстановления железа вполне можно использовать плазмотроны.Кстати, это будут и компактные, и весьма производительные агрегаты — ведьпроцесс там будет идти при температуре не 800°С, а при гораздо более высокой. Добавим,что плазменные технологические процессы а отличие от традиционных экологическичистых, не выделяют в окружающую среду сернистых и иных вредных газов.
На базеплазменных методов можно организовать эффективную разработку бедных, такназываемых забалансовых месторождений минеральных удобрений, в частностифосфоритов. Речь идет о способе азотнокислотной экстракции фосфоритов, причемазотную кислоту предлагается получать плазменным способом непосредственно извоздуха.
Важнаяособенность плазменных процессов заключается в том, что при высокихтемпературах химические реакции идут иначе, чем обычно. А это значит, что вплазмотронах можно получать материалы с новыми свойствами, в том числе принципиальноновые — композитные. В разных отраслях успешно используется метод плазменногонапыления — нанесения на поверхность деталей упрочняющих, термостойких,антикоррозионных, защитных, декоративных и других покрытий. Такие покрытаяпозволяют улучшить качество, повысить ресурс и надежность машин. Методомплазменного напыления можно восстанавливать изношенные поверхности деталей.
Благодаряплазменному упрочнению винты, изготовленные из обычной углеродистой стали,служат в несколько раз дольше винтов, чьи лопасти сделаны из превосходнойлегированной стали.
На базеплазменной технологии можно организовать резку стальных плит толщиной до 25 сми плит из цветных металлов толщиной 10-15 см. В принципе можно резать плиты ибольших толщин — для этого нужно существенно повысить величину токаэлектрической дуги в плазмотроне и ресурс катодного узла. Институт теплофизикиСО АН СССР предложил способы решения этой проблемы и создал проектсоответствующего плазмотрона.
Назовемеще несколько областей применения плазменных технологий.
Газификациякаменных и бурых углей, сланцев и торфа позволяет не только перерабатыватьмалокалорийное топливо в высококалорийное, но и получать ацетилен — исходныйпродукт для производства полимеров.
При высокойтемпературе в струе плазмы происходит разложение отходов на элементы споследующим Синтезом новых продуктов. Так открывается путь к безотходнымэкологически чистым технологиям.
Розжиг истабилизация горения пылеугольного топлива в топках электростанций,
Запуск с помощьюплазменных установок газотурбинных двигателей на перекачивающих станцияхтрансконтинентальных нефтепроводов — также работа для плазмотронов.
Ультразвуковойтехники и технологии.
Внедрениеультразвуковой техники и технологии позволяет автоматизировать и ускоритьразличные технологические процессы, повышать производительность труда улучшитькачество продукции.
Ультразвукобладает способностью концентрировать колоссальную энергию, которая можетпреобразовываться в тепловую, химическую, механическую. Энергия ультразвуковыхволн в миллиарды раз больше энергии слышимых звуков.
Широкоеприменение в современной технике и технологии приборов, основанных наиспользовании энергии ультразвуковых волн. Является одним из факторовтехнологического прогресса.
Ультразвукиспользуется при сварке и пайке, закалке и отпуске, размеренной обработкетвердых материалов, очистке металлических изделий от накипи и загрязнений,получении однородных горючих смесей, при сушке различных материалов, очисткавоздушных потоков и сточных вод от загрязняющих примесей.
Висследовательской практике ультразвук используется для обнаружения внутреннихдефектов металлов, определения концентрации различных веществ, непрерывногоконтроля за изменением их плотности и температуры.
В медицине спомощью ультразвука ставят диагнозы, лечат воспалительные процессы, очищаютраны, режут ткани, скрепляют переломы костей, лечат зубы, сваривают сосуды ибронхи.
Ультразвуковойметод обработки относится к механическому воздействию на материал, и назван такпотому, что частота ударов соответствует диапазону неслышимых звуков с частотой16-105 кГц.
Физическая сущность. Звуковые волны являются упругими механическимиколебаниями, которые могут распространятся только в упругой среде в отличия отэлектромагнитных колебаний. При распространении звуковой волны в упругой средематериальные частицы совершают упругие колебания около своих положенийравновесия (со скоростью, называемой колебательной). Сгущение и разрежениесреды в продольной волне характеризуется избыточным (звуковым) давлением.
Скоростьраспространения звуковой волны зависит от плотности среды, в которой движетсяволна, чем жестче и легче материал, тем больше скорость звуковой волны.
Прираспространении с материальной среде звуковая волна переносит определеннуюэнергию, которая может использоваться в технологических процессах.
Преимуществаультразвуковой обработки:
• возможностьполучения акустической энергии различными технологическими приемами;
• широкийдиапазон технологического применения — от размерной обработки до получения неразъемныхсоединений (сварка);
• простотаэксплуатации и автоматизации промышленных установок.
Кнедостаткам относятся:
• высокаястоимость акустической энергии;
• необходимостьизготовления спец. установок для генерации ультразвуковых колебаний, их передачии распространения.
Ультразвуковыеколебания сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть использованы какбазовые для разработки различных процессов.Критерии эффективности химико-технологического процесса (ХТП)
Совершенствованиехимических производств.
Успехи химическойпромышленности, перспективы развития, ее роль в народном хозяйстве иобеспечении качества жизни населения зависят от уровня научных итехнологических исследований.
Основныенаправления развития химической промышленности состоят:
в поиске новыхсоединений и материалов,
в повышенииэффективности производства химической продукции.
Эффективность посуществу определяется экономикой, и ее повышение обеспечивается:
А) снижениемзатрат:
на сырьё иматериалы
на энергию,
на капитальныевложения
Б) повышениемпроизводительности труда.
В) разработкой вопросовохраны труда и окружающей среды
Для повышенияэффективности ХТП:
А) инженерныеприемы:
рекуперацияэнергии
использованиетепла с помощью котлов-утилизаторов
оптимизациятехнологических схем разделения и выделения продуктов по минимуму затрат
улавливание ирекуперация отходов и др.
Б) открытие новыхреакций и каталитических систем (наиболее кардинальная мера)
В) выяснениедетального механизма протекающих реакций, позволяющее найти пути осуществленияпроцесса с максимальной эффективностью.
Использованиехимических приемов при решении инженерных задач характерно для российской школыхимиков-технологов. Это связано со сложившейся системой высшегохимико-технологического образования, которое включает наряду с инженернойдостаточно глубокую химическую подготовку. Этим российская система подготовкиинженеров-технологов отличается от западноевропейской и американской, которыеготовят отдельно химиков и инженеров-технологов. Поддержание традиций российскойвысшей инженерной школы, положительно влияющих на качество инженерных решенийее выпускников, во многом зависит от направленности школьного химическогообразования, которое должно в большей степени уделять внимание задачамхимической технологии и путям их эффективного решения.
Рассмотримнекоторые удавшиеся подходы к решению задач повышения эффективности химическойпромышленности путем использования результатов исследований по установлениюдетального механизма протекания химических реакций и достижений в области химиии катализа.
А) кумольныйметод получения фенола и ацетона [1] (создатели: советские химики-технологи П.Г.Сергеева, Б.Д. Кружалова и Р.Ю. Удриса, 1949 г).
Ранее основнымиисточниками фенола (промежуточного продукта промышленного органического синтеза)были:
фенол, выделяемыйиз продуктов коксования каменного угля,
и синтетическийфенол, получаемый из бензола через промежуточный синтез продуктов хлорированияили сульфирования:
/>
Ни один из этихисточников не мог обеспечить возрастающие потребности химической промышленностииз-за ограниченности ресурсов каменноугольного фенола и неприемлемостиприведенных выше путей синтеза для организации крупнотоннажных производств. Последнеесвязано с:
большим расходомсырья (хлор, щелочь, серная кислота), попадающего в конечном итоге в отходы (загрязненныефенолом смолы, разбавленная серная кислота со стадии сульфирования),
и жесткимиусловиями синтеза (до 3500С и 100 атм при щелочном гидролизе). Другимисловами, при промышленном использовании реакций (1) и (2) в себестоимостипродукта неприемлемо высока доля стоимости сырья (хлор, щелочь, серная кислотане попадают в конечный продукт, а полностью оказываются в отходах), капитальныхзатрат (объемное, малопроизводительное и дорогостоящее оборудование) иэнергетических затрат (высокие температуры и давление). Чрезмерно велико такжевредное воздействие отходов на окружающую среду.
Новый химическийпуть совместного синтеза фенола и ацетона, разработанный П.Г. Сергеевым, Б.Д. Кружаловыми Р.Ю. Удрисом, оказался значительно более технологичным и экономическиэффективным:
/>
Он базируется надоступном нефтехимическом сырье (бензол, пропилен), характеризуется высокойселективностью каждой стадии, мягкими условиями их проведения (100-1200С)и относительно небольшим количеством отходов по сравнению с рассмотренными вышепутями синтеза (в отходы попадают катализатор (AlCl3), смолообразныепродукты). При первой промышленной реализации (1949 год) выход фенола составил92%. В последующем этот способ синтеза фенола и ацетона получил распространениево всем мире и инженерно-технологическое совершенствование каждой стадиипозволило повысить общий выход фенола до 97%. Тем не менее проблема отходов вэтом процессе до сих пор полностью не решена. Вместе с тем новый химическийпуть синтеза (3) позволил существенно повысить экономическую эффективность засчет значительного сокращения расходов на сырье, энергию и оборудование.
Б) синтезацетальдегида и винилацетата (важный мономер) [2] (Дж. Смита (J. W. Smidt) иакадемика И.И. Моисеева, 1960 год) — пример кардинального решениятехнологической задачи путем открытия новой каталитической системы для осуществленияновой реакции
Ранее эти важныепродукты органического синтеза получали в промышленности из ацетилена.
Ацетальдегид — пореакции Кучерова:
С2Н2+ Н2О — Hg→ CH3CHO (4)
а винилацетат — погетерогенно-каталитической реакции (Zn (OAc) 2 на активированномугле) ацетилена с уксусной кислотой:
C2H2+ CH3COOH → CH3COOCH=CH2
 
Недостатком этихпроцессов является:
использование вкачестве исходного сырья ацетилена, получаемого электрокрекингом или пиролизомметана (1200-1500оС) или из карбида кальция.
Все эти процессыотличаются высокой энергоемкостью, что существенно повышает стоимость ацетилена.
наличиеэкологических проблем (отходы карбидного ацетилена, соединения ртути в реакцииКучерова).
В новой схеме (поСмиту и Моисееву) базировались на более дешевом нефтехимическом этилене иоснованы на следующих суммарных стехиометрических реакциях:
C2H4 +0,5O2 → CH3CHO (6); C2H4 + 0,5O2 + CH3COОН → CH3COОСН=СН2 + Н2О (7)
Эти неизвестныеранее реакции были реализованы Смитом и Моисеевым с помощью специально разработаннойновой каталитической системы на основе соединений палладия и меди. Научнообоснованный выбор каталитической системы (а не случайный, что было характернодля многих открытых ранее катализаторов) стал возможен благодаря имевшимся ктому времени достижениям в химии комплексных соединений и металлокомплексномкатализе. В основе каталитических превращений этилена в ацетальдегид ивинилацетат лежат следующие превращения этилена в координационной сферекатализирующего реакцию комплекса палладия.
В водной средеобразуется ацетальдегид:
/>
В среде уксуснойкислоты в результате аналогичных превращений получается винилацетат:
/>
Для переводакатализатора в исходную форму необходимо окислить палладий (Pd0PdII),что легко достигается с помощью солей CuII:
/>

Однохлористаямедь, в свою очередь, переводится обратно в CuII окислениемкислородом воздуха:
2HCl +2CuICl + 0,5O2 → H2O + 2CuIICl2(11)
Сложение всехреакций дает написанные выше суммарные стехиометрические реакции окисленияэтилена до ацетальдегида и винилацетата. Обе реакции протекают в мягких условиях(100-180оС) и с высокой селективностью. Малое количество отходов инизкая цена этилена по сравнению с ацетиленом способствовали быстрому имасштабному внедрению этих процессов в промышленность.Крупнотоннажный органический синтез
Благодарядостижениям каталитической химии в промышленности крупнотоннажногоорганического синтеза за последние десятилетия нашли применение многие новыереакции, существенно повышающие эффективность производства за счетиспользования дешевого сырья и высокой селективности этих реакций. Срединаиболее успешных примеров можно привести следующие.
Синтез уксуснойкислоты карбонилированием метанола с использованием гомогенного родиевогокатализатора с йодистым (CH3I) промотором:
/>
Селективность (илидоля полезного использования израсходованного сырья) в этой реакции превышает98% [1].
2. Совместноепроизводство стирола и оксида пропилена с использованием трех последовательныхреакций, включающих окисление этилбензола до его гидропероксида:
C6H5C2H5+ O2 → C6H5CHOOHCH3, (13)
эпоксидированиепропилена гидропероксидом при катализе комплексами молибдена:
/>
и каталитическую(Al2O3) дегидратацию образующегося метилфенилкарбинола достирола:
C6H5CHOHCH3→C6H5CH=CH2 + H2O (15)
Сложение реакций(13) — (15) дает суммарный процесс:
/>
Селективностьобразования оксида из пропилена достигает в этом процессе 97%, а стирола изэтилбензола — 90% [1].
В рассмотренныхниже реакциях (3-21) эффективность ХТП обеспечивается доступностью сырья, высокойселективностью, полным использованием атомов исходных реагентов в молекулах конечныхпродуктов (если не считать воды, образующейся в реакциях (7), (16), (17)
3. Синтезакрилонитрила окислительным аммонолизом пропилена на гетерогенномвисмутфосформолибденовом катализаторе (Bi2O3 ∙ 2MoO3∙P2O5):
CH2=CHCH3+ 1,5O2 + NH3 → CH2=CHCN + 3H2O(17)
В этом процессеселективность образования акрилонитрила из пропилена — 85%. Однако побочнообразующиеся из пропилена синильная кислота и ацетонитрил также являютсятоварными продуктами, что приближает полезное использование пропилена к 100% [1].
4. Синтезa-олефинов олигомеризацией этилена на металлокомплексном катализаторе:
(n + 2)CH2=CH2 → CH3CH2 (CH2CH2)nCH=CH2 (18)
По этой реакцииполучают широкую фракцию α-олефинов С8-С20. Дляполучения пользующейся спросом в производстве моющих средств фракции С8-С10высокомолекулярные α-олефины подвергают каталитической изомеризации, врезультате которой двойная связь смещается в среднюю часть молекулы (~CH=CH~). Извысших олефинов с внутренним расположением двойной связи необходимую фракцию α-олефинов(С8-С10) получают по гетерогеннокаталитической (WO3/Al2O3)реакции метатезиса с этиленом:
/>
Суммарнаяселективность получения необходимой фракции α — олефинов превышает 95% [3].
5. Новыйпромышленный синтез метилметакрилата из метилацетилена, являющегося отходомпиролизных производств:
CH3C≡CH+ CO + CH3OH → C6H5CH2=C (CH3)COOCH3 (20) 
Реакция протекаетпри катализе гомогенными комплексами палладия с селективностью 99% [4].
6. Производствоуксусного ангидрида по реакции карбонилирования метилацетата при катализекомплексами палладия:
CH3COOCH3+ CO → (CH3CO) 2O (21)
Селективностьобразования ангидрида по этой реакции превышает 98% [3].
Использованиеименно таких реакций в промышленности является кардинальным методом решенияпроблемы создания безотходных и малоотходных химических производств. Проблемырекуперации отходов, поиска путей их утилизации, очистки сточных вод,содержащих параллельно образующиеся при синтезе ненужные и вредные вещества (см.реакции (1) и (2)), при этом просто отпадают.
малотоннажнаяхимия: производство
красителей,
вспомогательныхвеществ различного назначения,
лекарственныхпрепаратов,
витаминов,
фотоматериалов
реактивов
всё это внастоящее время наиболее грязные химические производства (количество отходовсоставляет 100 кг на 1 кг продукции, при этом в выше рассмотренныхмноготоннажных — 0,01-0,05 кг на 1 кг продукции).
Это связано с:
многостадийностьюсинтезов;
применением в нихизбытка одного из реагентов без регенерации;
с широким использованиемприемов введения различных групп (Cl, NO2, SO3 и т.п.) толькодля того, чтобы заместить их потом на другие;
с применениемметодов очистки продуктов путем нейтрализации и подкисления с параллельнымобразованием солей;
с использованиемстехиометрических количеств таких окислителей, как перманганат или бихроматкалия и т.п.
Применение такихметодов вполне допустимо в лабораторном синтезе, когда целью его являетсяполучение желаемого продукта в возможно более короткий срок.
Промышленнойреализацией многостадийных малотоннажных процессов занималисьинженеры-технологи совместно с химиками-синтетиками, получавшими требуемыйпродукт в лаборатории. В результате были созданы производства, похожие наукрупненные лабораторные установки с той же химической основой и теми жеотходами. Специалисты в области катализа в большинстве своем не знают проблемтонкого органического синтеза, поскольку не сталкивались с ними ни во времясвоей творческой деятельности, ни в период обучения. Корректировка учебныхпланов подготовки специалистов с целью углубления инженерного образования ухимиков и химического у инженеров, в том числе и более глубокое рассмотрениевопросов химической технологии в школьном курсе химии, несомненно, приведет вперспективе к прогрессивным сдвигам в области повышения эффективности химическихпроизводств. Какое огромное поле деятельности открывается здесь длясовершенствования малотоннажных химических процессов, показывают немногочисленные,но эффектные примеры недавнего успешного применения последних достижений вкатализе для совершенствования промышленного производства продуктов тонкогоорганического синтеза.
Среди нихрассмотрим новые процессы синтезов алкиламиномеркаптобензотиазолов (компонентоврезиновых смесей), п-фенилендиамина (полупродукта полимерной химии ихимии красителей) и ибупрофена (препарата для лечения ревматизма) [4].
А) Синтезалкиламиномеркаптобензотиазолов
Традиционныймногоотходный путь синтеза алкиламиномеркаптобензотиазолов (или R'SNHR), где R- алкильные радикалы различного строения
/>
состоит ввведении хлора в исходный реагент с последующим замещением и попаданием его вотходы:
/>
Использованиеновой реакции, в которой в качестве катализатора применяют активированныйуголь, позволяет синтезировать эти продукты с полным использованием всех атомовисходных реагентов в конечном продукте, высокой селективностью и как следствиебез отходов:
R'SH +RNH2 + 0,5 O2 — С→ R'SNHR + H2O (23)
Фенилендиаминтрадиционно получали нитрованием хлорбензола с последующим замещением хлорааммиаком и восстановлением нитрогруппы:
/>
Новая безотходнаятехнология основана на использовании известной реакции окислительногоароматического замещения, в которой обычно применяемые неорганическиеокислители заменены на кислород:
/>
Обработкапродукта реакции (25) аммиаком в метанольном растворе приводит к образованию п-нитроанилинас регенерацией амида бензойной кислоты:
/>
Сложение реакций(25) и (26) дает суммарный процесс безотходного синтеза п-нитроанилина,гидрированием которого получают требуемый фенилендиамин:
/>
Б) синтезибупрофена
Новыйпромышленный трехстадийный синтез ибупрофена с использованием известныхкаталитических реакций крупнотоннажной химии реализован недавно фирмой «Hoechst-Celanese».Первая стадия состоит в ацилировании изобутилбензола уксусным ангидридом врастворе жидкого фтористого водорода, который является растворителем икатализатором. Параллельно образующаяся при этом уксусная кислота представляетсобой в этом процессе единственный побочный продукт:
/>
Последующиереакции каталитического гидрирования и карбонилирования дают ибупрофен свысокой селективностью и полным использованием атомов исходных реагентов вконечном продукте:
/>
Традиционныйсинтез ибупрофена исходит также из изобутилбензола, но состоит из шести стадий,включающих ацилирование со стехиометрическим количеством AlCl3,получение хлор — и азотсодержащих промежуточных продуктов, параллельноеобразование хлористого натрия и сульфата аммония. Общее количество отходовпревышает при этом количество конечного продукта более чем в 15 раз. Послеорганизации нового процесса по реакциям (28), (29) старое производство было немедленнозакрыто.
В заключениерассмотрим пример, иллюстрирующий повышение эффективности производства,достигнутое благодаря результатам исследований по установлению детальногомеханизма реализуемых в промышленности реакций. Этиленгликоль, используемый вкачестве антифриза и сырья для волокна и пластмасс, производится в количественескольких миллионов тонн в год по реакции гидратации оксида этилена:
/>
Наряду сэтиленгликолем в результате последовательных реакций образуются ди-, три- иполигликоли, имеющие более ограниченное применение:
/>
Реакции протекаютпри отсутствии катализаторов при 160-180оС. При этом константа скоростиреакций гликолей (Гл) с оксидом этилена (ОЭ) (k1 в кинетическомуравнении r1 = k1 [Гл] [ОЭ]) в 2,3 раза превышает константускорости основной реакции (k0в кинетическом уравнении r0= k0[H2O] [ОЭ]). Селективность образования гликоляопределяется отношением скоростей основной и побочной реакций
/>
которое, каквидно из приведенного уравнения, зависит от отношения констант (k0/k1)и отношения концентраций ([H2O] / [Гл]). Последнее тем выше, чемвыше исходное мольное отношение вода: оксид этилена. Для получения приемлемоговыхода этиленгликоля (90%) в промышленном некаталитическом процессе приходитсяиспользовать большой избыток воды по отношению к оксиду этилена (исходноемольное отношение [H2O] 0/[ОЭ] 0= 18, или неболее 12 вес. % оксида этилена в исходном водном растворе). На стадии выделениягликолей вся избыточная вода (9 т на одну тонну гликолей) подлежит выпаркепосле реакции, что требует значительных энергетических затрат.
Уменьшить этизатраты можно путем применения селективного катализатора, существенноускоряющего основную реакцию и не оказывающего влияния на скорость побочныхреакций гликолей с оксидом этилена. При этом скорость основной реакции будетпропорциональна концентрации катализатора (Кат), а приведенное выше отношениескоростей основной и побочной реакций для каталитического процесса будет иметьвид
/>
Как следует изэтого выражения, отношение [H2O] / [Гл] (или, что то же, [H2O]0/[ОЭ] 0) можно уменьшить увеличив путем создания необходимойдля этого концентрации катализатора. Так, если для некаталитической реакции приk0/k1 = 1/2,3 = 0,435 90% -ный выход гликоля достигаетсяпри мольном отношении [H2O] 0/[ОЭ] 0= 18, тодля каталитической реакции при (k0+ k0[Кат]) / k1= 4,35 такой же выход гликоля будет получен при десятикратном снижении избыткаводы и соответствующем снижении энергетических затрат на стадии выделенияготового продукта.
Селективные катализаторыреакции гидратации оксида этилена удалось найти в результате недавнопроведенных исследований детального механизма каталитических и некаталитическихреакций оксида этилена в растворах [5]. Такими катализаторами оказались солислабых кислот (CH3COONa, HCOONa, NaHCO3, Na2CO3,Na2HPO4 и др.). Механизм катализа этими солями состоит вследующем. В водном растворе молекула оксида этилена активируется путемобразования водородной связи с водой:
/>
Смещениеэлектронов связи C-O в образующемся комплексе к кислороду благоприятствуетпоследующей нуклеофильной атаке молекулой воды на атом углерода с образованиемэтиленгликоля по некаталитической реакции:
/>
Аналогичнаянуклеофильная атака этиленгликолем приводит к образованию побочногодиэтиленгликоля
/>
Также образуютсятри-, тетра — и полигликоли.
В присутствиисолей слабых кислот возможна нуклеофильная атака анионом, что приводит кпромежуточному образованию соответствующего эфира этиленгликоля. Например:
/>
Эти эфирынеустойчивы и быстро гидролизуются с образованием этиленгликоля и регенерациейаниона
/>
Сложение двухпоследних реакций дает реакцию гидратации оксида этилена, селективнокатализируемую анионом бикарбоната:
/>
Посколькускорость всего процесса лимитируется первой стадией, кинетическое уравнениекаталитической реакции имеет вид или с учетом параллельно протекающейнекаталитической реакции получаем уравнение, соответствующее приведенному вышеуравнению (15):
/>
или с учётомпараллельно протекающей некаталитической реакции получаем уравнение,соответствующее приведённому выше уравнению (15):
/>
На скоростьпобочных реакций (r1) нуклеофильный катализатор никакого влияния неоказывает, что создает условия для существенного повышения селективности.
Каждая сольслабой кислоты характеризуется своим значением каталитической константы, и,регулируя концентрацию катализатора [Кат], легко получить отношение,необходимое для требуемого выхода этиленгликоля при заданном исходном мольномотношении [H2O] 0/[ОЭ] 0. Все эти данныепозволяют найти условия осуществления промышленного процесса при низких мольныхотношениях [H2O] 0/[ОЭ] 0, обеспечивающихсущественное снижение энергетических затрат (до десяти раз) на стадии выделенияготового продукта. Успешная опытная проверка процесса позволила приступить кего промышленному осуществлению.
Валерий ФедоровичШвец, доктор химических наук, профессор Российского химико-технологическогоуниверситета им.Д.И. Менделеева, зав. кафедрой технологии основногоорганического и нефтехимического синтеза. Область научных интересов: исследованияв области кинетики, катализа и механизма органических реакций, моделирование иоптимизация на этой основе промышленных реакторов и технологических схем. Авторболее 180 научных работ и трех учебников для вузов.
Биологические процессы, используемые в технологии
Биологическиепроцессы, «подсмотренные» человеком в природе и реализованные впромышленном производстве, получили название биотехнологических.
Биотехнологияпредставляет собой совокупность промышленных методов, в которых используютсяживые организмы и биологические процессы для производства различных продуктов.
Терминбиотехнология возник еще в начале XX века, однако биотехнологические процессычеловечество использует с глубокой древности. Можно выделить такие сферы практическойдеятельности человека, как хлебопечение, сыроварение, виноделие, силосованиекормов, которые базируются на биотехнологических принципах. Выделяютдве группы отраслей, которые охватывает биотехнология:
• отрасли,занятые производством промышленной продукции;
• производствопродовольствия, выращивание дрожжей и бактерий для получения белков,аминокислот, витаминов; увеличение продуктивности сельского хозяйства; фармацевтическаяпромышленность, защита окружающей среды и уменьшение ее загрязненности (очисткасточных вод, переработка хозяйственных отходов, изготовление компоста).
Биотехнология — это новый этап современныхбиологических знаний и технологического опыта.
Возникнув настыке различных направлений — микробиологии, биохимии, биофизики, генетики идругих наук, базируясь на достижениях фундаментальных исследований,биотехнология стала одним из важнейших факторов развития общественногопроизводства. Она создает возможность получения с помощью легкодоступных ивозобновляемых ресурсов тех веществ и соединений, которые важны для жизни иблагосостояния людей.
Биотехнологиясегодня — это многопрофильная и комплексная отрасль производства. Она включаетв себя:
• традиционнуюбиотехнологию, основанную на реализации процессов брожения;
• современнуюбиотехнологию, реализованную в процессах микробиологического синтеза,генетической и клеточной инженерии, инженерной энзимологии (белковой инженерии).
К достоинствамбиологических процессов относится то, что они используют возобновляемое сырье (биомасса),протекают в мягких условиях (при комнатной температуре, нормальном давлении), сменьшим числом технологических стадий (этапов), их отходы доступны последующейпереработке.
Особенно выгодноприменение биотехнологических процессов (экономически и технологически) в случаепроизводства относительно дорогих, но малотоннажных продуктов.
Брожение(ферментация) — процесс расщепления органических веществ, преимущественно углеводов, на болеепростые соединения под влиянием микроорганизмов или выделенных из них ферментов.Этот процесс может осуществляться как с участием кислорода (аэробный процесс),так и без участия кислорода (анаэробный процесс).
Известныразличные типы брожения. Они классифицируются или по субстратам, которыеподвергаются разложению (например, пектиновое брожение клетчатки и др.), или,чаще, по конечным продуктам: спиртовое, молочнокислое, пропионово-кислое,метановое брожение и др., протекающие в основном анаэробно.
Как сказано выше,одним из основных субстратов многих типов брожения служат углеводы, многостадийнорасщепляющиеся в анаэробных условиях под действием ферментов.
Спиртовоеброжение осуществляется в основном с помощью дрожжей ряда Saccharomyces ибактерий ряда Zimomonas и завершается образованием этилового спирта.
Этот вид броженияпротекает в несколько стадий и используется для промышленного получения этанола(в основном из зерна ржи) — для алкогольных напитков, в виноделии, пивоварениии при подготовке теста в хлебопекарной промышленности.
В присутствиикислорода спиртовое брожение замедляется или вовсе прекращается.
Видоизмененнымтипом спиртового брожения является глицериновое брожение.
Молочнокислоеброжение вызывается бактериями Lactobacillus и Streptococcus. Молочнокислоеброжение имеет большое значение при получении различных молочных продуктов (кефир,простокваша и др.), квашении овощей (например, капусты), силосовании кормов дляживотных (в сельском хозяйстве). Пропионово-кислое брожение протекает поддействием пропионово-кислых бактерий. Оно используется в молочнойпромышленности для изготовления многих твердых сыров.
Масляно-кислоеброжение осуществляется бактерией ряда Clostridium и приводит к порче пищевыхпродуктов, вспучиванию сыра и банок с консервами. Раньше оно использовалось дляполучения масляной кислоты, бутилового спирта и ацетона.
Метановоеброжение начинается с разложения сложных веществ, например целлюлозы, до одно — или двухуглеродных молекул (СО2, НСООН, СН3СООН и др.), которое осуществляютмикроорганизмы, живущие в симбиозе (сожительство) с метанообразующимибактериями. Последние и синтезируют метан.
В природеметановое брожение встречается в заболоченных водоемах. Оно используется впромышленности и бытовых очистных сооружениях для обезвреживания органическихвеществ сточных вод. Образующиеся при этом метан в смеси с углекислым газомиспользуется в качестве топлива.
Под действиемнекоторых аэробных микроорганизмов протекает брожение, при котором углеродныйскелет исходного вещества (субстрата) не подвергается изменениям. К одному изтаких видов брожения относится образование уксусной кислоты из этанола (уксуснокислоеброжение) под действием т. н. уксуснокислых бактерий.
Микробиологическийсинтез (промышленнаямикробиология) — наука, изучающая промышленное получение веществ с помощьюмикроорганизмов.
Одна из важнейшихпроблем современности — восполнение дефицита белка на Земле. Чтобы получитьнеобходимое количество белка, необходимо повысить продуктивностьрастениеводства и животноводства, организовать производство питательных веществпутем микробиологического синтеза. Эти задачи успешно решает промышленнаямикробиология.
Возможностимикробиологической промышленности широко используются в медицине. Одним измощных современных средств борьбы с инфекциями являются вакцины, производимыепутем микробиологического синтеза.
В последнее времяв мировой сельскохозяйственной практике все большее внимание уделяетсябиологическому методу защиты возделываемых культур от вредителей и болезней. Создаютсяновые бактериальные удобрения и безвредные для окружающей среды средства борьбыс насекомыми-вредителями.
Дальнейшееразвитие промышленной микробиологии будет способствовать повышениюэффективности общественного производства, и резервы у промышленноймикробиологии есть: из 100000 видов микроорганизмов, которые известнычеловечеству, используется в настоящее время не более ста.
Основныезадачи, решаемые промышленной микробиологией:
• обеспечениенаселения наиболее ценными продуктами питания;
• избавлениечеловечества от опасных заболеваний;
• охранаокружающей среды и рациональное использование природных ресурсов;
• интенсификацияпроизводственных процессов в промышленности и сельском хозяйстве;
• разработкановых источников энергии.
Возможностьиспользования микробиологических методов для решения проблем энергетикиспособствовало появлению и развитию такого направления как биоэнергетика. Уже внастоящее время микробиологическим путем удается получать необходимую энергию ввиде газообразного топлива из биомассы (биогаз).
Все ширеиспользуются возможности промышленной микробиологии в горнорудной и металлургическойпромышленности. Наибольший практический опыт накоплен в области использованиямикроорганизмов для извлечения цветных металлов, урана и золота путембактериального выщелачивания их из бедных или труднообогащаемых другимиспособами руд. Такой способ обеспечивает комплексное и более полноеиспользование минерального сырья, повышает культуру производства, благоприятендля охраны окружающей среды.
Генетическаяинженерия — принципиально новое научное направление биотехнологии, позволяющеесоздавать искусственные генетические структуры путем целенаправленноговоздействия на материальные носители наследственности (молекулы ДНК). Применяягенно-инженерные методы, в принципе, возможно конструировать совершенно новыеорганизмы по заранее заданному “чертежу".
Прикладноеиспользование генетической инженерии привело к возникновению так называемойиндустрии ДНК, к примеру, производство физиологических активных веществбелковой природы для медицинских и сельскохозяйственных нужд.
Уже есть рядуникальных достижений генетической инженерии — промышленное производствоинтерферона, инсулина, гормона роста человека и т.д.
Весьмаперспективен синтез генно-инженерными методами специальных микроорганизмов,производящих в больших количествах такие важные вещества, как аминокислоты,ферменты, витамины, стимуляторы иммунитета. Методы генетической инженерии могутбыть использованы при решении задач биологической фиксации азота, повышенияэффективности биологических методов защиты растений, создания новых сортоврастений и пород животных. С помощью методов генетической инженерии вполнеможно исправлять наследственные заболевания у человека, создавать стимуляторырегенерации тканей, которые можно использовать при лечении ран, ожогов, переломов.
Клеточнаяинженерия. Благодаря методам клеточной инженерии, появилось возможностьпроизводить ценные продукты в искусственных условиях (вне организма).
Используя клеточную инженерию, ученым удается конструироватьновые высокоурожайные и устойчивые к болезням, неблагоприятным условиям средыценные для народного хозяйства растения.
Выведеныгибридные сорта картофеля, винограда, сахарной свеклы, томатов. Используяданную технологию, можно получать даже межвидовые гибриды: яблони с вишней,картофеля с томатом и т.д.
Не менеезначительны успехи клеточной инженерии и в работе с животными клетками. Создаютсябанки замороженных эмбрионов высокопородистых животных с последующей ихпересадкой обычным животным для последующего их выведения. Уже сейчасотработана технология получения за сезон до 15-20 высокопородистых телят отодной элитной коровы, вживляя на основе ее клеточного материала искусственныеэмбрионы низкопородистым коровам.
Клеточнаяинженерия позволяет нарабатывать биологически активные вещества на основекрупномасштабного культивирования клеток человека или животных и даже получатьпопуляции клеток того или иного органа, которые можно использовать дляпересадок. Таким путем выращивают искусственную кожу, клетки печени и дажеклетки нервной системы.
В последнее времяклеточная инженерия совершила поистине революционный прорыв в областииммунологии. Методами клеточной инженерии разработан метод, по которому клеткилимфоцитов (один из основных факторов иммунной защиты организма) соединяют сопухолевой клеткой. Создаются так называемые гибридомы, которые начинаютпроизводить противоопухолевые антитела.
Почувствительности и избирательности они не имеют себе равных. Гибридомнаятехнология открывает новую эру в иммунологии.
Не менеезначительны успехи клеточной инженерии и в работе с животными клетками. Клеточнаяинженерия позволяет нарабатывать биологически активные вещества на основекрупномасштабного культивирования клеток человека или животных и даже получатьпопуляции клеток того или иного органа, которые можно использовать дляпересадок. Таким путем выращивают искусственную кожу, клетки печени и дажеклетки нервной системы.
Инженернаяэнзимология — наука,разрабатывающая основы создания высокоэффективных ферментов для промышленногоиспользования, позволяющих многократно интенсифицировать технологическиепроцессы при снижении их энергоемкости и материалоемкости.
Энзимы (ферменты) являются универсальнымибелками-катализаторами, с помощью которых осуществляются все процессы в живойклетке. Они проявляют исключительно высокую каталитическую активность,значительно превосходящую активность катализаторов небиологическогопроисхождения.
Ферменты наиболеешироко используются при производстве сахара для диабетиков, некоторыхгормональных препаратов, используемых в медицине. Весьма перспективны ферменты вхимической промышленности, при получении тканей, кож, бумаги, другихсинтетических материалов.
При этомиспользование ферментов не только позволит качественно усовершенствоватьтехнологию, но и будет способствовать решению проблемы очистки окружающей среды.
Ферменты успешноиспользуются в технологических процессах пищевой промышленности, в частности,для получения глюкозно-фруктозного сиропа, глюкозы из крахмала, улучшениякачества молока и ряде других производств.Химическое равновесие в химико-технологическом процессе
Равновесие вхимико-технологическом процессе и оценка возможностей его смещения. Применениепринципа Ле-Шателье и правила фаз для определения параметров технологическогорежима.
Теоретически всереакции обратимы и стремятся к равновесию, т.е. готовый продукт распадается наисходные вещества, поэтому необходимо сдвинуть равновесие вправо, в сторонуобразования продуктов. Это можно сделать, изменив температуру, давление,концентрации исходных веществ или продуктов, предпочтительнее откачка последних.
Скоростьтехнологических процессов определяет производительность аппаратов и ихколичество. Скорость процесса можно увеличить за счет увеличения температуры,увеличения концентрации исходных веществ и давления, увеличением поверхностисоприкосновения фаз и применения катализатора.
Гомогенныепроцессы протекают в однородной среде, но, практически, всегда есть примеси.
Гетерогенныепроцессы характеризуются наличием двух и более взаимодействующих фаз.
Абсорбция — поглощение газов жидкостями с образованием растворов (получение кислот,улавливание продуктов нефтепереработки), обратный процесс — десорбция.
Адсорбция — поглощение газов и жидкостей твердыми поглотителями — очистка газов,улавливание летучих растворителей.
Перегонка жидкихсмесей — дистилляция (простое разделение) и ректификация (многократный процесс)- основаны на испарении летучих жидкостей и конденсации. Разделениеосуществляется за счет разных температур кипения компонентов смеси.
Широкоприменяется в нефтепереработке.
Пиролиз — термическая переработка горючих материалов для доступа воздуха (крекинга,коксование).
Полимеризация — химическое соединение молекул мономера в одну макромолекулу полимера.
Экстрагирование — избирательное растворение, применяется для очистки различных продуктов.
Диспергирование — рассеивание одного вещества в другом — производство паст.
Эмульгирование — получение эмульсий, т.е. систем, состоящих из двух несмешивающихся жидкостей.
Каталитическиепроцессы повышают скорость в тысячи и миллионы раз, улучшают качество продукции.В качестве катализаторов применяется большинство элементов периодическойсистемы и их соединений, для каждой реакции необходимо подбирать своикатализаторы. Суть ускоряющего действия катализаторов состоит в пониженииэнергии активизации химической реакции. Качество продукции повышается из-заселективного (избирательного) действия катализатора, ускоряющего основнуюреакцию и подавляющего побочные.
Контактныеаппараты — реакторы, использующие катализатор (контактную массу).
Аппаратыповерхностного контакта используют медь, серебро, платину в виде стружки,трубок, сеток. В аппаратах с фильтрующим (стационарным) слоем используюткатализатор, способным длительное время не терять активность и не отравляться (платина).
В аппаратах сдвижущимся или кипящим слоем можно использовать более дешевый катализатор,который работает всего несколько минут (часов), но затем быстровосстанавливается (регенерируется). В таких аппаратах получают высокооктановыекомпоненты бензина, сырье для химической промышленности.
Литература
1. Лебедев Н.Н. Технология основного органического и нефтехимическогосинтеза. М.: Химия, 1988.
2. Хенрици-Оливэ Г., Оливэ С. Координация и катализ. М.: Мир, 1980.
3. Industrial Applications of Homogeneous Catalysis / Ed. A.Motreux, F. Petit. D. Reidel Publishing Co., 1988.
4. Sheldon R. A. // Chem. Tech. 1994. P.39-47.
5. Shvets V. F., Makarov M. G., Kustov A. V., Suchkov J. P.Selective Catalysts for Alkylene Oxide Hydration. Intern. Symp. Selectivity inBasic and Appl.org. Chem. Tel Aviv, 1995.