Глава 11. ПРОГРЕССИВНЫЕ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Химико-технологические процессы играют важную эконо­мическую роль в народном хозяйстве страны, так как лежат в основе производства важнейших традиционных материалов: чугуна, стали, меди, стекла, цемента, химических волокон, пластмасс, каучука и резины, минеральных удобрений, бензи­на, кокса и новых видов сырья и материалов, заменяющих природные и применяющихся в различных отраслях промыш­ленности. Большое достоинство химико-технологических про­цессов состоит также и в том, что они совершенствуют произ­водство, улучшают его технико-экономические показатели. Велика роль этих процессов в создании энёрго-, трудо- и ре­сурсосберегающих технологий. В настоящее время принята следующая классификация химико-технологических процессов:

1. По агрегатному состоянию взаимодействующих веществ: а) однородные провесы (томленные); б) неоднородные процессы (гетерогенное).

2. По значению параметров технологического режима: а) низкотемпературные и высокотемпературные; б) каталити­ческие и некаталитические; в) протекающие под вакуумом, нормальным и высоким давлением; г) с низкой концентра­цией вещества и высокой концентра­цией вещества.

3. По характеру протекания процессов во времени: а) периодические; б) непрерывные);

4. По гидродинамическому режиму — две предельных случая перемешивания реагирующих компонентов с продуктами реак­ции: а) полное смешение; б) идеальное вытеснение, при котором исходная смесь не перемешивается с продуктами реак­ции.

5. По температурному режиму: а) изотермические процессы (температура постоянна во всем реакционном объеме); б) адиабатические процессы (нет отвода или подвода тепла); в)политермические процессы, (тепло частично отводится или компенсируется подводом; температура в реакционном аппа­рате изменяется неравномерно).

6. По тепловому эффекту процессы делятся на: а) экзотермические (с выделением тепла); б) эндотермический (с поглощением тепла).

К прогрессивным химико-технологическим процессам относятся биохимические, радиационно-химические, фотохимические и плазмохимические процессы.

Эти процессы сходны с каталитическими по механизму ускорения химических реакций, которые с участием соответст­вующих возбудителей идут по иному пути, чем в их отсут­ствие. Возбудителями служат световые излучения (фотохи­мические процессы), ионизирующие излучения высокой энер­гии (радиационно-химические процессы) и биохимические катализаторы — ферменты микроорганизмов.

Применение биохимических, процессов в химической тех­нологий имеет особенно большое будущее. В живой природе под действием высокоактивных; биологических катализаторов — ферментов и гормонов — происходят всевозможные био­химические и каталитически/реакции. Они происходят в ат­мосферных условиях (без повышения температуры, давле­ния) с высоким выходом.

Техническая микробиология изучает новые, биохимичес­кие методы производства самых разнообразных химических продуктов. Уже, сейчас осуществлены на практике микробио­логические синтезы антибиотиков, витаминов, гормонов. Особенно важное значение имеет, использование биохимичес­ких методов. Для синтеза пищевых продуктов, в частности белков. Известно, что в мире ощущается недостаток белко­вых продуктов и одним из основных путей расширения пи­щевых ресурсов является реализация производства белков биохимическими методами с помощью микроорганизмов.

В промышленности давно используется следующие биохимичес­кие процессы — биологический синтез белковых кормовых дрожжей, различные формы брожения с получением спиртов и кислот, биологическая отчистка сточных вод и т.п.

В настоящее время применяется синтез различных белко­вых материалов в промышленных масштабах народного хо­зяйства, в основном микробиологическом синтезом; фермен­тными системами микроорганизмов, а также промышленное использование микробиологического синтеза белков из лег­ких масел, нормальных парафинов, метанола, этанола, ук­сусной кислоты и других органических соединений, получаемых преимущественно из нефти. Используя для микpoбиологического синтеза всего 4% современной мировой добычи нефти, можно обеспечить белковый рацион 4 млрд. человек, т.е. почти все население земного шара.

С помощью некоторых бактерий, усваивающих водород, вовлечь в реакцию кислород и атмосферный диоксид да, при этом получить формальдегид и воду. Таким образом, бактерии синтезируют очень нужный для химической промышленности формальдегид и очищают воздух от двуокиси углерода.

Кроме того, сами бактерии могут быть использованы для производства кормов, так как наполовину состоят из полноценного белка.

Микробиологические процессы широко применяются в гидролизной промышленности при сбраживании сахаристых веществ в получении спиртов, виноделии, изготовлении кормовых дрожжей, в сыроварении, при обработке кож и т.п.

Биохимические процессы используется также для извлечения белков и углеводов из травы, древесных и сельскохозяйственных отходов, изготовления искусственной пищи из
водорослей (таких, как хлорелла), синтеза пищевых масел, сахаров, жиров.

Радиационно-химические процессы происходят при дей­ствии ионизирующих излучений высокий энергии — электромагнитных - излучений (рентгеновское излучение, -излучение) и заряженных частиц высокой энергии (ускоренные электроны, р- и а- частицы, нейтроны). При облучении ре­агирующих веществ сначала происходит столкновение заря­женных частиц с молекулами веществ с образованием неста­бильных активированных молекул; последние распадаются на атомы или взаимодействуют с невозбужденными молеку­лами, образуя ионы и свободные радикалы, которые, взаимо­действуя друг с другом или с непревращенными молекулами, образуют конечные продукты.

Радиационно-химические про­цессы протекают с высокой скоростью, так как энергия акти­ваций резко снижается по сравнению с реакциями неактиви­рованных молекул, энергетический барьер радиационно-хи­мических реакций невелик (около 20 — 40 кДж/моль), поэто­му радиационно-химические процессы могут осуществляться при относительно низких температурах.

В промышленности применяют многие реакции органического синтеза — галогенирования, сульфирования, окисле­ния, присоединения по двойной связи и др. Большое значе­ние радиационные методы имеют в технологии высокомолекулярных соединений, особенно в целях повышения механической прочности и термической стойкости полимеров путем "сшивания" макромолекул.

В настоящее время применяется процесс радиационной вулканизации каучука; разработаны радиационно-химические методы производства прочных и термостойких изделий из полимеров (пленки, трубы, кабельная изоляция и др.).

Фотохимические реакции происходят в природе и срав­нительно давно используются промышленностью. Фотохими­ческими называются реакции, вызываемые и ускоряемые действием света. Их элементарный механизм состоит в акти­вации молекул при поглощении фотонов. Большинство промышленных фотохимических реакций происходит по цепному механизму, т.е. молекулы, поглотившие фотон, диссоцииру­ют, и активированные атомы или группы атомов служат ини­циаторами вторичных реакций.

По такому типу протекают галогенирование углеводородов и других веществ, синтез полистирола, сульфохлорирование парафинов и т.п. Природ­ный фотосинтез требует непрерывного подвода световой энергии. Синтез углеводородов из диоксида углерода воздуха совершается под действием солнечного совета, поглощаемого пигментом растений — хлорофиллом (диалог гемоглобина крови).

Квант лучистой энергии, поступая в реакционную смесь при е< облучении, является "активной частицей", передающей свою энергию для возбуждения атомов и моле­кул. Величина кванта энергии должна быть соответствующей энергии активации, это определяется длиной волны излучения.

Так, например, известно, что фотобумагу проявляют при красном свете, так как длина волны красного излучения большая, и квант энергии недостаточен для возбуждения ре­акции разложения бромида серебра.

Механизм фотохимических реакций может быть различен: 1) реакция возможна, но идет с очень малой скоростью. Под действием излучения концентрация активных частиц увели­чивается, реакция переходит в режим цепных и идет само­произвольно с увеличивающейся скоростью. Например, смесь Н₂ и С1₂ может сохранятся очень долго, но при ультрафиоле­товом облучении она реагирует со взрывом.

Для реакций этого типа квантовый выход очень высокий. Квантовый вы­ход—это отношение числа полученных молекул к числу по­глощенных квантов энергии ; 2) реакция невозможна без дополнительного поступления энергии в систему. Бели эта энергия поступает в виде излучения, то квантовый выход близок или равен единице (фотосинтез в растениях).

Квантовый выход может быть и меньше единицы, если кванты лучистой анергии расходуются на побочные процес­сы» Примером применения фотохимических процессов в ма­шиностроении и приборостроении является фототравление, когда под действием ультрафиолетового излучения ускоряет­ся процесс растворения металла или полупроводника в тон­ком слое травителя.

При фотокаталитических процессах фотоны поглощаются не реагентами, а катализаторами, ускоряющими химическую реакцию, т.е. реакция ускоряется в результате суммарного действия катализатора и световой энергии.

Плазмохимические процессы возможны при сильном на­гревании веществ, в процессе которого происходит термичес­кая диссоциация, и молекулы газовой фазы разлагаются на атомы, превращающиеся затем в ионы. Плазма — это иони­зированный газ, содержащий заряженные частицы: газовые ионы и свободные электроны. Вследствие ионизации плазма электропроводка, но она электронейтральна, так как поло­жительные заряды ионов и отрицательные(электроны)в сред­нем взаимно нейтрализуются. Высокие температуры, при которых возникает плазма, создаются в электрической дуге в зоне газовых разрядов, при ядерных реакциях и др.

Плазму условно разделяют на низкотемпературную (t 10³—10⁵ К) и высокотемпературную (t 10⁶— 10⁸ К). В химической промышленности используется низкотемпературная плазма, в которой кроме газовых ионов и свободных электронов, содер­жатся недиссоциированные молекулы. Молекулы и свобод­ные радикалы в плазме вступают в химические реакции, скорость которых весьма велика вследствие активирующего действия высокой температуры. Плазмохимические процессы интенсифицируют химические реакции, а потому являются перспективными.

В плазме целесообразно проводить эндотермические хими­ческие реакции, для которых равновесный -выход продукта максимален при высоких температурах. Плазмохимические процессы — получение ацетилена и технического водорода из метана природного газа; этилена и водорода на углеводородов нефти; синтез цианистого водорода из азота и углеводо­родов; получение пигментного диоксида титана и др.

Большое будущее имеет осуществление процесса прямого синтеза оксида азота в плазме из атмосферного воздуха. Этот способ заменит многостадийный метод синтеза и окисления аммиака.