Техника - молодёжи 1966-10, страница 10
УПРАВЛЯТЬ ХИМИЧЕСКИМИ Г. БОРЕСКОВ, академии Новосибирск РЕАКЦИЯМИ Катализ и катализаторы — слова сами по себе, разумеется, известные каждому. Химические реакции можно замедлить или ускорить с помощью этих интереснейших веществ. Катализаторы возбуждают химические реакции или изменяют их скорость благодаря особому химическому взаимодействию с участниками реакции, которое открывает им новый, более легкий и быстрый путь превращения. Катализатор восстанавливает свой состав после завершения цикла промежуточных превращений. Причем иногда мы пользуемся весьма незначительными количествами катализатора. Так, один лишь килограмм ванадиевой смеси за пять лет позволяет получить 10 тыс. т серной кислоты. Катализ играет ведущую роль и в живой природе. Сложные комплексы химических превращений в организмах, обусловливающие дыхание, пищеварение, синтез белков и других соединений, преобразование химической энергии в механическую в мышцах, осуществляются с помощью катализаторов, называемых ферментами или энзимами. Академик И. П. Павлов называл ферменты а полном смысле возбудителями жизни. Думая о будущем науки, интересно отметить, что эти природные катализаторы иногда значительно превосходят применяемые в промышленности. Первая наша наиболее трудная задача — создать научные основы предвидения каталитического действия и выбора катализатора для данных реакций. Ведь еще до сих пор очень многие экономически выгодные химические процессы нельзя применить из-за отсутствия нужного катализатора. Для ускорения каждой реакции должен быть найден особый катализатор, часто очень сложного состава. Эмпирические поиски занимают много времени и сил и не дают уверенности, что найдено лучшее решение. Умение теоретически предвидеть характер каталитического действия внесло бы громадное облегчение и открыло новые горизонты прогресса химии и химической технологии. К сожалению, теория не может предсказать скорость даже простейших каталитических реакций, не говоря уже о более сложных случаях. Создать хороший катализатор — это не только определить его химический состав. Это недостаточное условие его высокой активности. Необходимо создать у твердого катализатора большую внутреннюю поверхность, а для этого надо сделать его пористым, со сложной структурой, облегчающей доступ реагирующих веществ к активной поверхности. Благодаря пористому строению внутренняя поверхность большинства промышленных катализаторов в десятки тысяч раз превосходит наружную поверхность зерен и достигает часто сотен квадратных метров на один лишь кубический сантиметр катализатора! Сейчас мы уже можем теоретически предсказывать наивыгоднейшую пористую структуру. Эта структура часто оказывается сложной, состоящей из крупных канальцев и мелких пор. Только улучшая пористую структуру, можно существенно повысить выход полезного продукта. Так, например, совершенствование пористой структуры ванадиевого катализатора повышает скорость реакций в среднем в 1,5 раза. Каталитические методы создают и принципиально новые возможности технологии. Таковы, например, процессы каталитической полимеризации высокомолекулярных веществ. Как известно, в этих случаях молекула полимера непрерывно растет за счет присоединения к ней новых молекул мономера. А катализатор не только способствует присоединению очередной молекулы, но и определяет ее пространственное расположение относительно предыдущих. Таким образом удается регулировать внутреннюю архитектуру полимера, а следовательно, и его свойства. Катализатор ускоряет химическую реакцию. Но на практике для того, чтобы результаты наших экспериментов ушли в производство, нужен еще один ускоритель. Сейчас в большинстве случаев после окончания лабораторных исследований тянется эмпирическая многостадийная отработка процессов: сначала на модельных, потом укрупненных, затем опытных и, наконец, опытно-промышленных установках. Столь длинная цепь возникает из-за сложности технологических процессов и неумения предвидеть работу реакторов при увеличении их масштаба и изменении конструкции. Поэтому внедрение длится очень долго, а исследователь за всю свою творческую жизнь успевает в лучшем случае разработать несколько процессов. На каждую ступеньку обычной промышленной «лестницы» (переход от лаборатории к заводу) уходит 2—3 года. Да и в этих условиях никак нельзя ручаться, что процесс оптимальный, что мы выжали из катализатора все возможное. Почему это так? Дело в том, что при химических превращениях одновременно идут два процесса — химический и физический. От масштабов производственной установки оба они не зависят. Но их взаимодействие в большом сосуде отлично от того, что мы наблюдаем в малом. Короче говоря, в лаборатории нельзя полностью промоделировать промышленную установку. Поэтому и приходится шагать по пресловутым «ступенькам», постепенно увеличивая объем установок, на что идут годы и годы. Вот почему мы и занялись математическим' моделированием сложных химических процессов с участием катализаторов. Иначе нельзя. Прежде всего мы создаем математическое описание процесса. А затем сложные вычислительные машины устраивают обсчет полученных уравнений. При этом иногда появляются характеристики, которые экспериментально и не получались. Естественно, что математическому уравнению все равно, о каком сосуде идет речь, большом или малом. Вернее, мы просто учитываем самими уравнениями возможные взаимодействия и взаимоотношения химии и физики. Разумеется, все это столь просто получается лишь на бумаге. Каждому известно, сколь важное значение для вычислительной машины имеет программа. Правильное и точное уравнение, четкий учет всех параметров реакции и их взаимодействие — вот залог успеха. Но насколько легче и скорее много раз проверить уравнения и их решение, чем единожды переходить от лаборатории к заводским цехам старым эмпирическим методом. Мы, новосибирцы, можем сообщить, что изучили таким образом около 15 сложных химических процессов. И технология 10 из них уже проверена промышленно. Сэкономлены годы обычного постепенного перехода от лабораторной модели к промышленной заводской установке. ^первые в мире мы решили одну из таких задач за год. Завод, который действовал старым путем, за два года не Прошел и четверти пути! Это была большая творческая победа нашего института. И задача, которая встает сейчас перед физико-химиками, предельно ясна. Мы должны искать ускоритель. И это сделает доселе мало признанный тройственный союз физики, химии и математики! ШАГИ И САМОЧУВСТВИЕ Сенсации прошлого столетия «Один швейцарский врач взялся в течение 1В93 года считать с помощью педометра все сделанные им шаги. Не принимались в расчет только самые незначительные передвижения и ходьба по комнате. Врачу приходилось ходить с утра до 10 часов вечера, только изредка он ездил на конке или в экипаже. Всего за год он сделал 9760 тыс. шагов, то есть по 26 742 шага (в том числе по 1500 — 2000 шагов по лестницам) в сутки. Когда врач делал около 30 тыс. шагов в сутки, то он чувствовал заметную усталость. При большем же числе шагов на следующий день замечалось некоторое одеревенение ног, и для полного восстановления сил обычного сна (с 10 час. вечера до 4 утра) было недостаточно. 30 тыс. шагов составляет, таким образом, для человека границу между приятной и чрезмерной усталостью». «Нива». 1894 г. Прислал И. КЕРНЕС 6 |
