Страница 48 из 52
Мы убедились: влияние тепла на ход химического взаимодействия огромно. Кинетика процесса в маленькой пробирке и большом реакторе будет одинаковой лишь в том случае, когда температуры распределены равномерно по всему объему. А ведь тепло выделяется непрерывно при каждом элементарном акте химического взаимодействия. Между тем равномерный отвод тепла из зоны реакции зависит от размеров и конструкции аппарата. И это не все. На перенос тепла и вещества влияют также свойства катализатора, размеры и взаимное расположение его зерен. Потому-то результаты химического процесса и зависят от масштабов эксперимента.
Странное дело: лилипуты не хотят превращаться в Гулливеров!
Проектирование промышленной установки обычно проходит долгий путь постепенного увеличения габаритов. Сначала, конечно, просто колба. Лабораторная установка. За ней укрупненная, опытная, дальше полупромышленная, наконец заводская.
Ну и что? Чем больше этапов, тем лучше будет отработана технология. Да, но сколько это займет времени?
Десять, а то и все пятнадцать лет! Столько обычно отнимает путь от лабораторного стенда до заводского цеха.
Выходит, новое химическое предприятие, пущенное сегодня, освоило технологию 1950–1955 годов? Значит, перерезая традиционную ленточку, мы входим во вчерашний день? И это при теперешних-то темпах научного прогресса! Трудно поверить, чтобы за два семилетия, которые необходимы для внедрения нового способа, не состарилась технология, слывшая когда-то прогрессивной. Да и потребность в «новом» химическом продукте может отпасть!
Однако допустим невероятное — что такого не произойдет. Все равно десяти лет мало, слишком мало, чтобы выбрать наилучший вариант из всех возможных конструкций аппарата. Для этого пришлось бы на каждом этапе изготовлять сотни образцов одной и той же модели, которые отличаются, скажем, диаметром труб, формой реакционной камеры, толщиной ее стенок, структурой каталитической массы, условиями контакта между катализатором и реагентами и так далее и тому подобное. Между тем построить даже одну-единственную установку — дело нелегкое. Это многие недели, а то и месяцы работы литейщиков, слесарей, токарей, сварщиков. Это многие килограмм, а то и центнеры дефицитных материалов. А экономика несговорчива. А время нетерпеливо.
И только богатый опыт да недюжинная интуиция способны выручить конструкторов.
Но вот реактор спроектирован и «выполнен в металле». Казалось бы, цель достигнута и заботы химиков на этом кончаются. Нет! Предстоит еще найти наиболее выгодный технологический режим для созданной конструкции.
Самолет может летать туда-сюда и базироваться на любом аэродроме. Если «ТУ-104» стал в ремонт, его легко подменить. «ИЛ-18» или другой его собрат — на графике рейсов такая перестановка почти не скажется. Химический же аппарат накрепко привинчен болтами к опоре, жестко соединен трубами с остальными элементами производственной схемы. За этим чисто поверхностным различием кроется глубокий смысл. Реактор — неотъемлемое звено длинной технологической цепочки. Если он вышел из строя — замирает вся линия. И, в свою очередь, его «самочувствие» зависит от поведения всех других аппаратов и коммуникаций. Малейшее отклонение от стационарного режима на предыдущем участке непрерывного потока вносит искажения в динамическое равновесие внутри нашей системы. Как это возмущение скажется на выходе продукта? В каких пределах допустимы пульсации ритма? Каков оптимальный режим?
Мы знаем, что нагревание увеличивает скорость реакции N2 + 3H2↔2NH3. И в то же время уменьшает выход нужного продукта — аммиака. Какая температура наиболее выгодна?
Правда, можно сместить равновесие вправо, повысив давление. Однако это зависит от мощности насосов и крепости стенок аппарата. Какое давление наиболее разумно?
Конечно, катализатор пришпоривает процесс, ускоряя наступление равновесия. Но чем быстрее ход реакции, тем сильнее «устает», «отравляется» ее ускоритель. Добавить побольше «бодрящего вещества» — значит изменить условия теплопередачи в контактном аппарате (реактор так называется потому, что именно в нем реагенты и катализатор приходят в соприкосновение).
Какое количество катализатора наиболее рационально?
А как подобрать самое подходящее сочетание всех условий процесса? Да так, чтобы и экономика и техника безопасности не были в претензии? Иными словами, как нащупать оптимальный режим с определенным допуском отклонений в ту или иную сторону?
Целый клубок вопросов, где тесно переплелись разноречивые желания и возможности, требования и ограничения!
Нет ничего удивительного, что по завершении строительства крупных промышленных объектов иногда вдруг новая установка начинает капризничать, а то и вовсе объявляет забастовку. На укрощение строптивой приходится терять время, ставить бесчисленные опыты в нервозной атмосфере, когда завод стоит, ожидая устранения недоделок. Недоделок? Если бы это было так! Ведь предварительные эксперименты были проведены со всей тщательностью. Установка на всех предшествующих этапах проверена и перепроверена. И вот — надо же! — такая незадача…
Как же так? Неужели теория спасовала перед практикой? Разве не говорилось о том, сколь огромны достижения науки в изучении химической кинетики и теплофизики? Неужели нет такого катализатора, который ускорил бы процесс перехода от лабораторной модели к безотказно действующему заводскому аппарату?
Есть! Математическое моделирование.
Цифры вместо интуиции. Эта эпоха уже настала.
Еще в тридцатые годы, когда академик Курнаков в окружении многочисленных исследователей совершенствовал свою топологическую химию, появились научные работы совершенно нового направления в математической химии. Их автором был молодой ученый Георгий Боресков, ныне член-корреспондент АН СССР. Он сформулировал и решил первые задачи по математическому моделированию химических процессов. Теоретически рассчитывать промышленные реакторы, не строя полупромышленных установок, исходя лишь из экспериментов в пробирках… Это противоречило всему конструкторскому опыту в химической технологии. О таком не слыхивали даже крупнейшие зарубежные специалисты, помогавшие Стране Советов создавать химические комбинаты в Березниках, Дзержинске, в Кузбассе и Донбассе. Да и наши ученые скептически отнеслись тогда к новым идеям. Слишком уж громоздким оказывался математический аппарат при анализе самых простеньких процессов. И хотя работы Борескова имели теоретический интерес, с точки зрения практической они считались бесперспективными.
А теперь…
«В 1963 году, — заявил президент нашей академии Мстислав Всеволодович Келдыш, — получены первые результаты методов физического и математического моделирования к расчету некоторых химико-технологических процессов, что сокращает сроки перехода от лабораторных опытов к промышленной реализации процессов. Эта проблема настолько важна, что в предстоящем году на ней должны быть сосредоточены усилия и химиков, и физиков, и математиков».
Мыслимое ли дело — проводить технологический процесс без контактного аппарата? Даже без самих веществ — непосредственных участников химического процесса?
Мыслимое. Просто необходимое. Ибо иного, более эффективного пути масштабного перехода пока что попросту не дано.
Помните язык курнаковских чертежей и гипсовых изваяний? Подобная «графика» и «скульптура» — тоже математическое моделирование. Там по диаграмме можно было проследить, как меняются свойства системы в зависимости от ее состава. Здесь моделью служит набор математических уравнений, описывающих химические и физические процессы в аппарате. Разумеется, без экспериментов с колбами и пробирками не обойтись и здесь.
Но вот что самое интересное: лабораторная установка вовсе не обязана быть моделью заводского аппарата! Таковой служит именно система математических уравнений. Странно, не правда ли?
Когда авиаконструкторы строят модель будущего самолета, у них получается лилипут, как две капли воды схожий с Гулливером. Чертежи одни. Только масштабы разные. Так поступали раньше и химики. Они старались в миниатюре воссоздать промышленный реактор. И максимально приблизиться к реальным условиям его работы. Дескать, чем точнее маленькая копия, тем совершенней большой оригинал. А оказалось наоборот.