Значительный прогресс в области промышленного использования им-мобилизованных ферментов достигнут в США, где эти процессы нашли довольно широкое распространение в пищевой промышленности. В ка-честве примера можно привести производство сиропов для кондитерской промышленности из крахмала. С помощью ферментов осуществляются реакции превращения крахмала в глюкозу и последующая изомеризация глюкозы в сладкий сахар - фруктозу. Таким путем производится около 500 тыс. фруктозы в год. Значительный перспективный интерес представ-ляет разработка ферментативного метода получения сахаров из целлю-лозы.
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КАТАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ
При осуществлении газовых реакций на твердых катализаторах в промыш-ленности преимущественно используются каталитические реакторы с не-подвижным слоем зернистого катализатора. Поскольку каталитические реакции обычно связаны с выделением или поглощением тепла и опти-мальный температурный режим требует определенного изменения тем-пературы с ростом степени превращения, катализатор располагается от-дельными слоями, между которыми помещаются теплообменные устрой-ства. Все это, включая распределительные устройства, приводит к весьма сложным конструкциям. На рис. 8 приведена конструкция современного реактора для производства серной кислоты. Расход металла достигает 0,8 т на тонну суточной производительности. На долю катализатора при-ходится всего 6% от объема аппарата.
Более интенсивное проведение процесса возможно в аппаратах с псевдоожиженным слоем катализатора. В этом случае применяются мел-козернистые катализаторы, взвешиваемые в потоке реакционной смеси (рис. 9). Преимущества связаны с повышенной величиной коэффициента теплоотдачи, снижающей необходимую поверхность теплообмена, высокой эффективной теплопроводностью слоя и уменьшением влияния внутренней диффузии вследствие меньшего размера зерен катализатора. Трудности связаны с повышенными требованиями к механической прочности катали-затора и необходимостью дополнительных устройств для отделения катализаторной пыли, выносимой из реактора.
Основной недостаток реакторов с взвешенным слоем катализатора заключается в интенсивном перемеши-вании реакционной смеси вдоль реактора, в результате чего ее состав во всем реакторе близок к конечному составу на выходе из аппарата. Для подавляющего большинства каталитических реакций как скорость, так и избирательность снижаются с ростом степени превращения, это обстоя-тельство существенно ухудшает показатели работы реактора. Степень ухудшения зависит от кинетики каталитической реакции. Она тем выше, чем сильнее зависят скорость и избирательность от глубины превращения. Для уменьшения этого недостатка в Институте катализа было предложено заполнять реактор с псевдоожиженным слоем катализатора специальной насадкой из спиральных колец, уменьшающей продольное перемешивание реакционной смеси, что позволило в некоторых случаях повысить выход продуктов парциального окисления. Существуют и другие приемы устра-нения перемешивания реакционной смеси, например работа с восходящим потоком катализатора.
Следует упомянуть оригинальней способ осуществления каталити-ческой реакции в неподвижном слое катализатора в нестационарных ус-ловиях.
Основная идея нового способа заключается в том, что катализатор выполняет не только свою основную функцию ускорения реакции, но так-же и регенератора тепла. Способ применим для осуществления экзотерми-ческих реакций, преимущественно обратимых. Для этого зона реакции должна перемещаться по слою катализатора, что достигается периодиче-ским изменением мест ввода и вывода реакционной смеси в реакторе. Бла-годаря регенерации тепла в слое отпадает необходимость во внутренних теплообменниках, что существенно упрощает конструкцию реактора и уменьшает расход металла. В нестационарных реакторах могут перера-батываться реакционные смеси с низкой начальной температурой и малым тепловым эффектом. Тепло реакции выделяется в зоне высоких температур, и переключение направления движения газа как бы запирает эту зону вы-соких температур внутри слоя катализатора. Применение нестационар-ного режима позволяет в этих случаях обходиться без подогревателей.
НОВЫЕ ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КАТАЛИЗА
Энергетика. Катализ получил значительное распространение в решении энергетических проблем. Так, в создании топливных элементов решающее значение имеют каталитические свойства электродов. Весьма перспектив-ным направлением в энергетике является использование солнечной энер-гии для получения энергоемких веществ, например осуществление разло-жения воды с образованием водорода и кислорода. Обширные исследова-ния в этой области ведутся в США, ФРГ и других странах. При этом так-же используются катализаторы типа полупроводниковых веществ или иммобилизованных ферментов. Здесь нет возможности вдаваться в эти специальные направления и целесообразно ограничиться более простой областью использования катализа для сжигания топлива.
Надо заметить, что большая часть топлива используется не на круп-ных электростанциях, а сжигается на небольших установках для подогре-ва разного рода технологических смесей. Так как при этом не требуются и даже не допускаются в большинстве случаев высокие температуры, то про-цесс горения ведут с большим избытком воздуха или разбавляют перед использованием топочные газы воздухом. В обоих случаях это приводит к значительным потерям тепла с отходящими газами. Применение катали-заторов позволяет устранить этот недостаток. В Институте катализа Э. А. Левицким и сотр. разрабатывается каталитический генератор тепла. Его идея заключается в том, что процесс горения топлива происходит на катализаторе, находящемся э форме псевдоожиженного слоя. Применение этого генератора позволяет повысить тепловую напряженность реакцион-ного объема до 108 ккал/(м3-ч) (т. е. приблизительно на 2 порядка) и тепло-вой коэффициент полезного действия до 80-90%*
Недавно была доказана возможность использования каталитического генератора тепла для регенерации активного угля, после использования его для очистки сточных вод, содержащих органические загрязнения, ре-генерации осушителей и других изотермических процессов.
Получение жидкого топлива из угля. С повышением стоимости нефти связан рост интереса к процессам получения жидкого топлива из угля.
В США выделены очень большие средства для проведения исследовательских работ по усовершенствованию этих процессов. К изысканиям привлечены и европейские фирмы в ФРГ и Англии. За основу взяты старые катали-тические методы, использо-вавшиеся Германией во вре-мя войны. Они представле-ны схематично на рис. 10.
Новым методом гидри-рования является экстрак-ция органического вещества угля с получением тяжелого масла, подвергаемого далее катали-тическому гидрированию под давлением. Интересен и новый путь - через газификацию угля и синтез метанола с последующей каталитической де-гидратацией с образованием углеводородов, из которых легко производит-ся (вероятно, путем риформинга) высококачественное моторное топливо. Построены крупные установки синтеза метанола с применением медьсо-держащего катализатора, позволяющего эффективно проводить процесс при низких температурах и давлениях.
Большое внимание уделяется и направленному ведению процесса Фишера - Тропша путем разработки селективных катализаторов.
Каталитическое обезвреживание газовых выбросов и сточных вод. Очень важной и обширной областью применения катализа является обез-вреживание выбросов промышленности и транспорта. Общая схема исполь-зования каталитических процессов для этих целей представлена на рис. 11.
В последние годы этой проблеме, особенно в части обезвреживания выхлопных газов автотранспорта, уделяется очень большое внимание во всех развитых странах.
Надежно решена задача сжигания органических соединений и окиси углерода в газовых выбросах промышленных предприятий. Разработаны активные и устойчивые катализаторы и реакторы, позволяющие полно-стью обезвредить выбросы производства формальдегида, ряда органиче-ских полупродуктов, кабельного производства и других. Принципиально решена, но еще не полностью реализована задача очистки от окислов азо-та выхлопных газов азотнокислотных заводов.
Существенно сложнее задача обезвреживания выхлопных газов авто-транспорта вследствие резкого изменения их состава и различия условий для восстановления окислов азота и окисления органических соединений и окиси углерода. Использование простых и надежно работающих кон-струкций каталитических дожигателей требует одновременного решения задачи автоматического регулирования работы двигателя. Надо признать, что мы существенно отстаем в этой области от США, где ведущие автомо-бильные фирмы затрачивают громадные средства на исследования для ре-шения задачи обезвреживания автомобильных выбросов и достигают су-щественных успехов. Газы удается почти полностью очищать от окиси уг-лерода и углеводородов и в значительной степени от окислов азота,
Еще более трудной задачей является каталитическая очистка сточных вод. В последнее время удалось достигнуть определенных успехов в очист-ке сточных вод некоторых производств от фенолов, сернистых соединений и других вредных компонентов путем применения в качестве катализато-ров комплексов некоторых переходных металлов, а также комплексных катализаторов, закрепленных на носителях,
Проведенное рассмотрение роли катализа в различных областях про-мышленного производства свидетельствует о том, что катализ играет ве-дущую роль в техническом npoгpecсe всех отраслей промышленности, свя-занных с химическими превращениями. Особенно важно, что качество катализаторов определяет важнейшие техноэкономические показатели про-изводств, а возможности повышения качества катализаторов потенциаль-но неограниченно велики. Отсюда следует, что в области катализа лежит основной и легче всего реализуемый резерв повышения эффективности химических производств. Для использования этих возможностей необхо-димо создать условия для опережающего развития исследований в области катализа, в том числе и фундаментальных.
Крайне важно также и опережающее развитие производства промыш-ленных катализаторов при непрерывном повышении их качества путем быстрого использования новых рецептур.
Катализ является мощнейшим средством повышения эффективности и качества продукции в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и ряда других отраслей промышленности. Его перспективная роль велика также в развитии энергетики и решении проблемы охраны природной среды.