Глазами Монжа-Бертолле - Лев Викторович Бобров
Заводской реактор… Так это же и есть конечная цель химического моделирования! Как ее достигнуть?
Мы узнали, что химики умеют проникнуть в любые тайны пробирки. Что они могут описать кинетику любого процесса подходящими математическими уравнениями. Но они не в силах перейти сразу же от лабораторной колбы к заводскому аппарату. Не работает теория подобия, по которой авиаконструкторы рассчитывают самолеты. Почему же так?
Химический реактор и впрямь чем-то напоминает самолет. Внутри обоих поддерживаются неизменными температура и давление. Оба рассчитаны на определенную пропускную способность. Только у одного — молекулы, у другого — пассажиры. Чем больше размеры того и другого, тем выше производительность. Полезный «выход» зависит от скорости. Правда, реактор в отличие от самолета стоит на месте. Но существенной разницы здесь нет. Через оба аппарата — летательный и химический — идет поток индивидов. В одном случае биологических, в другом — химических.
Оба потока подвержены случайностям. Но и тот и другой поддаются теоретико-вероятностному анализу. А вот поди ж ты…
Различие начинается в тот момент, когда мы вспомним, что конструкция самолета зависит от свойств внешней среды, а не содержимого, как у реактора. Летательный аппарат — герметичный обтекаемый ящик, рассчитанный на внешние нагрузки, на взаимодействие с течениями воздушного океана. Содержимое этого ящика заботит конструкторов в меньшей степени. В конце концов какая разница, кого или что будет транспортировать воздушный лайнер? Люди, письма, газеты, продовольственные или промышленные товары — все одно какой груз. От его вида не зависят главные требования к конструкции самолета. Сила тяги, скорость, прочность, долговечность, грузоподъемность — все упирается прежде всего в аэродинамические качества машины. Иными словами, в то, насколько хорошо подогнаны формы самолета к непрерывному напору стремительного встречного ветра. А это соотношение между потоком воздуха и формой самолета почти не зависит от масштабов эксперимента.
Иное дело химический аппарат. В нем вид оболочки зависит прежде всего от характера содержимого. Клокочущего, бурлящего, пышущего жаром, распирающего что есть силы внутренности труб и котлов. Снаружи здесь такая же спокойная и комфортабельная обстановка, как и в салоне «ТУ-104». Зато внутри… Именно там непрерывный поток, а не снаружи, как у самолета. Правда, поток установившийся, как и за бортом воздушного корабля. Стационарный режим, который поддается математическому анализу. Но тут-то и кончается последняя капелька сходства.
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
