Как химики управляют реакциями

 

 

Какими средствами пользуются химики для того, чтобы получать разнообразнейшие продукты из доступных видов сырья дешево, с незначительной затратой труда?

Вспомним, от чего зависит течение химических реакций.

Скорость реакций растет обычно очень сильно при нагревании исходных веществ. Для того чтобы в доменной печи шло быстро восстановление железа и образование чугуна, в нее вдувают предварительно подогретый воздух. Еще недавно подогревали воздух до 800-900°, а сейчас уже в некоторых печах — до 1200°.

Один из важнейших способов управления течением химических реакций — повышение температуры. Применение этого способа тем более удобно, что большое число реакций
идет с выделением тепла, и, таким образом, желательная температура достигается без затраты топлива.

Под давлением 100 тыс. атм графит превращается в алмаз.

Сравнительно недавно стали пользоваться еще одним способом воздействия на ход реакции — проводя некоторые реакции не под атмосферным давлением, а под повышенным, часто в сотни и тысячи атмосфер. Так, чтобы получить из газа этилена замечательную пластмассу — полиэтилен, реакцию проводят под давлением в 1500 атм. А для превращения графита в алмаз необходимо давление в 100 тыс. атм. В производстве синтетического аммиака реакцию проводят при давлении до 1000 атм и температуре до 550°. Иногда оказывается целесообразным проводить реакцию при высокой температуре и под давлением во много раз ниже атмосферного. Так сейчас получают из природного метана ацетилен — сырье для синтеза многих органических продуктов.

Уже давно было замечено одно интересное явление. При определенных условиях какая-либо химическая реакция не идет. Но достаточно, не меняя этих условий — температуры, давления, добавить к исходным веществам некое «постороннее» вещество, как реакция начинает идти быстро. И что всего удивительнее, добавленное вещество при этом не изменяется. Вы, вероятно, уже поняли, что разговор идет о катализаторах (см. т. 3, ст. «Химическое взаимодействие и катализ»). Вот яркий пример промышленной каталитической реакции: смешаем сернистый ангидрид с воздухом и будем смесь пропускать через стеклянную трубку, подогреваемую пламенем газовой горелки. Какую бы температуру мы ни поддерживали, никакой реакции не произойдет. Но если предварительно в стеклянную трубку поместить немного окиси железа, сернистый ангидрид окислится кислородом воздуха в серный ангидрид. Эта реакция лежит в основе важнейшего современного способа получения серной кислоты — контактного способа. Катализаторы позволяют очень гибко управлять течением химических реакций. Катализ широко используется в химической промышленности. Сначала катализаторы применили в производстве серной кислоты, затем в ряде других неорганических производств — таких, например, как синтез аммиака, производство азотной кислоты. Но особенно эффективными они оказались в применении к синтезу органических веществ.

В последние десятилетия катализ широко внедрился в переработку нефти, природных горючих газов и др. Почти все новые процессы переработки нефти и газов — каталитические. Именно благодаря катализу удалось превратить нефть и природные газы в основное химическое сырье, которое теперь служит для получения азотных удобрений, синтетических каучуков, синтетических волокон, пластмасс и других продуктов.

По мере того как наши знания о таинственных веществах — катализаторах — углубляются (до сих пор теория действия катализа еще недостаточно разработана), все более расширяется производственное значение этого метода управления химическими реакциями в производстве.

Бесконечный перечень Мы захотели изучить химию и для начала решили составить список всех известных химикам веществ. Мы берем большой блокнот и на каждой его странице помещаем по сто названий. Пишем мы очень быстро — за 5 мин. заполняем страницу. Трудимся по 6 час. в день, не зная праздников и выходных. Свои записи мы начали 1 января. Проходит зима, весна сменяется летом, тысячи исписанных листков загромождают стол. И мы с ужасом убеждаемся в том, что конца работы не видно. Больше 400 дней потребуется для того, чтобы записать названия всех известных химикам веществ. Для этого потребуется больше 30 тыс. страниц! Ведь одних только органических соединений химики насчитывают более 3 млн. И каждый месяц они находят в природе и готовят в лабораториях еще по две с лишним тысячи новых веществ.

 

Химические заводы

 

 

Что же представляют собой современные химические заводы, на которых проводятся разнообразнейшие химические процессы при разных температурах, давлениях, при участии многочисленных катализаторов? Вы знаете, как проводят химические реакции в школьном кабинете, некоторые из них вы проводили сами. А как эти же реакции проводят на заводах? Ведь там перерабатывают не граммы, а тонны и тысячи тонн исходных веществ!

Пойдем на сернокислотный завод. Сюда ежедневно поступают вагоны с серным колчеданом. Его нужно выгрузить, разместить на складе, крупные куски измельчить, отобрать для обжига куски определенных размеров, доставить измельченный колчедан к печам, загрузить его в печь, выгрузить из печи образующийся твердый остаток — огарок (окись железа). Можно ли все эти операции проводить вручную? Конечно, нет. На современном заводе транспортировку, измельчение, загрузку, выгрузку совершают машины-дробилки, транспортеры, шнеки, элеваторы и т. д. Машины и механизмы приводятся в движение электродвигателями. Между тем всего еще тридцать-сорок лет назад рабочие на сернокислотных заводах забрасывали колчедан в печь и выгребали горячий огарок лопатами. Какая это была трудная работа, сколько рабочих требовалось для того, чтобы обжечь даже небольшое количество колчедана!

Пульт управления и контроля на химическом заводе

Известно, что любой процесс нужно проводить при определенных условиях: при заданных температуре, давлении и т. д., — как говорят, при определенном режиме. Кто же и как поддерживает заданный режим? Очевидно, для управления процессом прежде всего необходимо знать, как работает данная машина, данный аппарат, т. е. знать, например, какая температура в печи, какое количество колчедана в нее поступает в течение часа, каков состав образующегося газа — процент содержания сернистого газа. На глаз все эти показатели не определишь. Нужны измерительные приборы и инструменты, например термометры и пирометры, газоанализаторы и т. д.

Чтобы иметь возможность непрерывно следить за ходом процесса, быстро устранять отклонения от нормального режима, все показания приборов, контроль централизуют — все показатели передаются на общий щит. Это, конечно, облегчает работу человека, управляющего данным аппаратом или группой аппаратов, и делает управление более надежным. Можно пойти и дальше — установить автоматы, которые сами будут поддерживать заданный режим.

Пусть, например, температура в колчеданной печи повысилась до верхнего допустимого предела. Стрелка пирометра достигла крайнего положения, и тогда автоматически включается регулятор количества воздуха, подаваемого в печь, температура понижается. Ясно, что такое устройство более надежно поддерживает заданный режим, чем человек.

Роль человека изменилась — теперь требуется такой аппаратчик, который был бы знаком не только с процессом, происходящим в печи, и способами его регулирования, но и с автоматическими устройствами. Основное внимание приковывается к наблюдениям за работой автоматов. Но, конечно, нужно знать также и процесс.

Остается ли заданный режим неизменным в течение длительного времени или его нужно изменять? На тот же завод серной кислоты поступил колчедан с меньшим содержанием серы, чем обычно. Значит, нужно изменить режим работы печи, а быть может, и режим работы других аппаратов. Кто это сделает, кто обдумает новые условия, рассчитает их и даст указания аппаратчику? Инженер-химик или заведующий цехом? Пока еще действительно, как правило, требуется в каждом случае вмешательство кого-либо из названных лиц. Но в последнее время развивается новая отрасль техники — техника управляющих машин. Такая машина принимает информацию о течении процесса, сама на основе этой информации находит наивыгоднейшее решение и отдает команду, как перестроить процесс.

В 100 раз прочнее Есть такая деталь подшипника—«чугунныйвкладыш». Каждый квадратный сантиметр чугунной детали может выдержать давление от 15 до 25 кГ. Делают подшипники и из текстолита (его готовят из пластмасс и растительных волокон). Такие подшипники выдерживают нагрузку 2500 кГ/см^2. Возьмем текстолитовый подшипник диаметром в 160 и длиной в 250 мм. Он поместится на листе школьной тетради. Выдержит же этот подшипник тяжесть в 1 млн. кГ — вес большого дома.