Химические реагенты как физические тела в химико-технологических процессах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Химические реагенты как физические тела в химико-технологических процессах

Лапинский Андрей Викторович

Аннотация

химический реагент технологический гомогенный

Рассмотрены двойственные свойства участников химико-технологических процессов: как химических реагентов и как физических тел. На примере гомогенных и гетерогенных каталитических реакций и реакций ионного обмена продемонстрировано, что реагенты себя ведут в одних и тех же условиях по-разному как вещества, между которым происходит химическое взаимодействие и как физические тела-носители химических свойств.

Ключевые слова: двойственные свойства, ионообменные смолы, носители химических свойств, физические тела, химические реагенты

В современном химико-технологическом комплексе имеют место быстрые обновления существующих производств и возникновения новых. Учебники для подготовки химиков-технологов не всегда успевают отражать столь стремительные технические и технологические изменения. Например, если традиционно считалось, что разработка нового химико-технологического процесса - это масштабирование в сторону увеличения этого процесса от лабораторных объемов до промышленных, то в наше время существует обратная устойчивая тенденция переноса принципов и приемов крупных производств на значительно меньшие объемы до бытовых. В полной или частичной мере химико-технологические процессы копируются в моющих пылесосах с несколькими степенями очистки воздуха, современных стиральных машинах-автоматах, машинах для приготовления кофе, принтерах для цветной печати фотографий, миксерах, мультиварках, домашних многоступенчатых системах для финишной доочистки воды и тому подобном. Это означает, рядовые граждане обретают технические возможности самостоятельно получать высококачественные товары или услуги, производство или предоставление которых до недавнего времени считалось прерогативой узкопрофильных специалистов по химии, химической технологии или родственных профессий. Можно еще заметить, что подобное масштабирование в сторону уменьшения объемов производства и максимальной доступности в бытовых условиях касается уже не только сферы качества жизни, но и просто обычного отдыха. Речь идет о разновидностях хобби, которые описываются как «hand made» и которые тоже связаны с использованием принципов химической технологии, например, аматорское производство многочисленных парфюмерно-косметических средств в домашних условиях.

К сожалению, такая тенденция обратного масштабирования химико-технологических процессов еще не нашла должно отражения в современных педагогических и дидактических материалах [1]. Более того нам не известно, чтобы эта тенденция вообще обсуждалась в методологии преподавания таких учебных курсов как, например, «Общая химическая технология». 

Трансляцию принципов сложных химических производств или их отдельных элементов к технологиях, доступным потребителям в бытовых условиях ожидает дальнейшее бурное развития, как перспективного направления в современной химической технологии. Логично будет предположить, что, как в традиционных направлениях развития химических технологий, так и новейших будут широко задействованы принципы компьютерной алгоритмизации при разработке химико-технологических процессов, при масштабировании и в сторону увеличения и уменьшения объемов производств, а также при построении схем химических производств. 

Поэтому, чем больше разнообразных граничных условий, как критериев создания и функционирования химико-технологических процессов будут заложены в алгоритмы, тем качественнее будут товары или услуги, получаемые потребителями химической продукции в виде веществ, материалов или изделий из них и тем лучше будут и бытовые приборы, максимально приближенные к потребностями и возможностями широкой индивидуальных потребителей.

Одним из таких критериев, на наш взгляд, может быть двойственность проявлений участников химических взаимодействий, которая имеет место при протекании химико-технологического процесса. 

Двойственности проявлений состояния веществ, между которыми происходит химическое взаимодействие, как правило, может и не иметь существенного влияния на процесс. Однако такая двойственность должна быть учтена при составлении материальных или тепловых балансов и, обязательно, при составлении технологических схем химических производств. 

Во время химического взаимодействия вещества - химические реагенты имеют два проявления, которые являются неотъемлемыми друг от друга и природой как их природой (объективный фактор), так и их же целевым назначением в химико-технологическом процессе (субъективный фактор).

Итак, все вещества одновременно являются физическими телами в тои или ином агрегатном состоянии. Это чисто физическое проявление, то есть участники взаимодействий являются материальными объектами с постоянной массой, формой, собственными геометрическими размерами, которые в неоднородных системах еще и могут быть отделены от других аналогичных объектов-участников взаимодействий внешней поверхностью раздела.

В то же время, эти самые объекты являются химическими реагентами. Во время протекания химических реакций в большинстве случаев оба проявления совпадают, то есть вещества-участники расходуются и как химические реагенты и как физические тела. Причем как физические тела, они могут не просто расходоваться, но и менять свое конечное агрегатное состояние. Кстати, такое изменение агрегатного состояния вообще может быть внешним проявлением химической реакции как таковой. Приведем пример взаимодействия растворов бария хлорида и натрия сульфата.

 (1)

В данном случае (реакция (1)), исходные растворы бария хлорида и натрия сульфата будут расходоваться и как реагенты и как физические тела - носители этих реагентов, хотя общее содержание отдельно взятого растворителя, то есть воды, до и после прохождения взаимодействий не изменится. Но, изменяется агрегатное состояние, один из продуктов, Бария сульфат образуется не в виде раствора, а в виде кристаллов, в твердом агрегатном состоянии. К началу взаимодействия и в нулевой начальный промежуток времени после смешивания реакционная система (раствор-раствор) является гомогенной (однородной), а в конце взаимодействия представляет собой гетерогенную смесь (твердое-жидкое), т.е. пульпу. С точки зрения химической технологии такую гетерогенную смесь после полного протекания реакции надо разделить (например, фильтрацией или центрифугированием), тщательно отмыть от остатков исходных веществ, которые либо не прореагировали, либо были захвачены при осаждении, высушить, утилизировать промывные воды, очистить и охладить газы после сушки перед выбросом в атмосферу.

Другой случай - когда одни и те же вещества как физические тела и как реагенты одновременно себя ведут неодинаково. Таких случаев в промышленных процессах меньше, но при них следует иметь представление. Наиболее яркий пример - это поведение веществ-катализаторов. Как известно, катализаторы - это специфические вещества, которые существенно изменяют скорость химических реакций, не входят в состав конечных продуктов и не расходуются во время взаимодействий. Таким образом, катализаторы, теоретически, есть примером нерасходуемых участников химических реакций. На самом деле, нерасходуемость катализаторов является идеализацией. Насколько катализаторы не расходуются как физические тела, зависит от их агрегатного состояния, а как реагенты - от чувствительности к так называемым каталитическим ядам. Приведем пример из технологии производства серной кислоты. В этой технологии каталитической является стадия окисления оксида серы (IV) в оксид серы (VI).

В устаревшем нитрозном (башенном) способе в качестве катализатора используется оксид азота (III) оксид, который является газообразным веществом. Упрощенно каталитическое окисление ожно описать следующим химическим уравнением, хотя реальный процесс является многостадийным и значительно более сложным

 (2)

Реакция (2) - это пример гомогенного катализа, в котором все участники взаимодействия, и исходные вещества, и продукты, и катализатор находятся в одном агрегатном состоянии - газообразном. Катализатор, как вещество-реагент полностью восстанавливается, однако, как физическое тело он расходуется. Из-за ряда технологических факторов очень трудно в реальных промышленных условиях абсолютно полностью разделить между собой два любых газа, в том числе и такие как оксид серы (VI) (газ-продукт каталитического окисления) и оксид азота азот (III) (газ-катализатор). В результате катализатор отчасти расходуется как физическое тело и, в конце концов, как примесь переходит в состав целевого продукта - серной кислоты и несколько загрязняет ее. А неизбежные технологические потери катализатора, как физического тела пополняются в промышленных условиях постоянным подпиткой этим веществом. Итак, в данном, не идеализированном, а реальном технологическом процессе катализатор, несмотря на восстановление его реагентных свойств, все же является расходуемым физическим телом.

Современный же метод каталитического окисления оксида серы (IV) в оксид серы (VI) оксид является контактным, в нем применяются твердые катализаторы, которые в химической технологии еще носят общее название «контакты». В данном производстве используются сложные твердые катализаторы на основе соединений ванадия (V), им условно приписывается оксидная форма.

 (3)

Химическая реакция (3) является примером так называемого гетерогенного катализа, в котором агрегатное состояние катализатора отделения продукт-газа от твердого катализатора. Это означает, что катализатор не должен расходоваться также и как физическое тело. Именно этого следовало бы ожидать, если бы состав газов в реагентной смеси отвечал их химическим формулам. В реальных промышленных условиях состав отходящих газов не является столь идеальным в отношение их химической чистоты. Исходное сырье содержит определенные примеси, например соединения мышьяка и селена. При обжиге сырья оксиды мышьяка и селена в газообразном состоянии добавляются к оксиду серы (IV) и контактируют с катализатором. Соединения мышьяка и селена являются каталитическими (контактными) ядами, они взаимодействуют с катализатором и образуют на его активных центрах неактивные вторичные соединения, которые не оказывают целенаправленного каталитического воздействия. Катализатор отравляется и утрачивает свою реагентную активность. В дальнейшем требуется или восстановление катализатора, или его полная замена. В данном случае, из-за неизбежных взаимодействий с веществами-примесями, поступающими в реактор в составе реальной, а не идеализированной реагентной смесью, катализатор хотя и не расходуется как физическое тело, тем не менее постепенно расходуется как реагент. 

Промышленное производство аммиака из азота-водородной смеси начинается с паровоздушной конверсии природного газа. Этот процесс каталитический и осуществляется в две стадии, на каждой из которых используется свой катализатор. Природный газ, как сырье, добываемое из недр Земли не соответствует своей химической формуле потому, что содержит примесные соединения серы в газообразном состоянии. Катализаторы, которые задействованы на обеих стадиях паровоздушной конверсии природного газа, очень чувствительны к содержанию соединений серы, так как последние являются каталитическими ядами. Для очистки природного газа от соединений серы в технологической цепочке предусмотрена отдельная стадия очистки, в которой используется свой отдельный катализатор-поглотитель на основе цинка оксида (ГИАП-10, НИАП-02, который является одновременно и катализатором и хемосорбентом. Он за счет каталитического действия переводит все соединения серы в форму серы водород, поглощает его и связывает с цинком, таким образом трансформирует в химически неактивную форму (цинка сульфид). 

, (4)

, (5)

, (6)

. (7)

Реакции (4-7) демонстрируют, что во время работы этот катализатор-поглотитель не расходуется как физическое тело, однако за счет образования неактивного сульфида цинка расходуется как реагент. В этом случае для защиты основных катализаторов от контактных ядов применяется оригинальный технологический прием, основанный именно на способности материала не исчерпываться как физическое тело и , при этом, расходоваться качестве реагента. То есть, сравнительно недорогой катализатор-поглотитель целенаправленно приносится в жертву для защиты более дорогих катализаторов для реализации основного процесса, а также защиты оборудования от коррозионного воздействия соединений серы. Сам катализатор-поглотитель, как твердое вещество, не смешивается с газами и легко восстанавливается в первоначальное состояние путем продувки инертным газом без остановки технологического процесса. А в технологической схеме паровоздушной конверсии природного газа предусмотрена подсистема очистки от соединений серы с применением катализатора поглотителя, в которой предусмотрено его регенерация путем продувки [2]. 

Другой пример веществ и материалов, которые теряют свою реагентного способность, однако не расходуются, как физические тела - это ионообменные смолы, катиониты и аниониты. Они широко используются в процессах массовой подготовки воды для ее умягчения или деминерализации.

Ионообменные смолы представляют собой искусственные полимерные мелкие комкообразных гранулы, например с сополимера стирола с дивинилбензолом. Поверхность их обработана таким образом, что на ней содержится большое количество групп типа  или, способных к течению ионообменных взаимодействий:

 (8)

Ионообменная смола не растворяется в воде и потому как физическое тело не расходуется. Однако ее обменная способность за счет протекания реакции постепенно исчерпывается, то есть как реагенты ионообменные смолы являются расходными материалами. При этом такие материалы несложно принудительно восстановить в первоначальное состояние.

. (9)

Частный случай составляют производства, построенные на полном (по технологическим возможностям) рецикл веществ-реагентов. Наиболее известным промышленное получение натрия гидрокарбоната (питьевой соды) аммиачным методом (метод Сольве). В этой технологии аммиак применяется как вещество, которое:- переводит углерода (IV) оксид в состояние гидрокарбоната аммония, реакция (10);

- вместе с тем не входит ни в каком виде в состав целевого продукта, реакции (11) или (12).

, (10)

, (11)

. (12)

Поскольку аммиак, является синтетическим веществом, которое имеет свою себестоимость, и небезопасный по отношению к окружающей среде, его не просто отделяют от целевого продукта, но и регенерируют в полном объеме (за вычетом неизбежных технологических потерь) и возвращают в цикл. 

. (13)

Таким образом, опираясь на специфические химические и физические свойства аммиака (с водой образует слабое основание, является в условиях окружающей среды летучей веществом) аммиак, который в технологическом процессе расходуется и как физическое тело и как реагент, регенерируется (реакция (13)) в первоначальное состояние в полном объеме так же и как физическое тело и как реагент.

Двойственность проявлений реагентов и материалов - участников химико-технологичного процесса должно быть обязательно учтено при расчете расходных коэффициентов, составлении материальных и тепловых балансов, разработке технологических схем (защита катализаторов от механического разрушения, защита катализаторов от ядов, регенерация ионообменных смол, регенерации, обезвреживания или утилизации отработанных сорбентов), создание циклических потоков или полного рецикла. 

Рассмотрение двойных проявил поведения веществ-участников взаимодействий в химико-технологическом процессе дает возможность расширить критерии для:- обучение созданию алгоритмов построений технологических схем химических производств;

- алгоритмизации создания новых химических технологий;

- обновления или усовершенствования существующих химических технологий;

- создание программных экспертных систем, на основе которых возможно на высоком уровне надежности создавать схемы технологических производств при минимальном участии эксперта-человека.

Библиографический список

1. Яворський В.Т. Загальна хімічна технологія /В.Т. Яворський, Т.В. Перекупко, З.О. Знак та ін. - Львів: Львівська політехніка, 2014. - 540 с.

2. Вакк Э. Г. Получение технологического газа для производства аммиака, метанола, водорода и высших углеводородов: теоретические основы, технология, катализаторы, оборудование, системы управления: учебное пособие / Э. Г. ВАКК, Г. В. Шуклин, И. Л. Лейтес. - Москва: 2011. - 478 с.

Размещено на Allbest.ru