Молекулы под давлением | ТМ 1939-01

Инж. Д. ГАМБУРГ, Рисунки А. КАТКОВСКОГО

По сигналу из трех мартенов одновременно хлынула огненными ручьями расплавленная сталь, заполняя большую продолговатую форму.

Когда сталь остыла, громадную 20-тонную болванку повезли в термический цех. Особой обработкой в подогреваемых масляных ваннах металлу долго, в течение ряда месяцев, придавали необходимую внутреннюю структуру. Затем с помощью кранов болванку доставили в механический цех и установили на токарном станке, имеющем в длину более 20 м. Здесь в болванке просверлили продольное сквозное отверстие и после этого ее снова отправили в цех термической обработки, чтобы еще и еще повысить прочность металла. Прошло много месяцев, прежде чем на дворе завода появилось готовое изделие. Что это?

Человек, неискушенный в современной химической технике, скажет, что перед ним мощная дальнобойная пушка, предназначенная по меньшей мере для береговой обороны.

Однако это не пушка, а самый мирный аппарат, изготовленный для химического завода. В этом аппарате сложные химические провесы протекают под сверхвысоким давлением. Вот почему такое исключительное внимание уделено его прочности.

*

Есть известные условия, при соблюдении которых химические реакции протекают весьма успешно. Еще в те времена, когда химия переживала свой младенческий период, для ускорения химических процессов применялось нагревание. Многие химические процессы без нагревания вообще немыслимы. А такие реакции, как горение угля, нефти, выплавление железа из руды и пр., возможны лишь при усиленном подогреве. Например, для того чтобы шла химическая реакция между коксом и рудой в доменной печи, нужно создать температуру в 1500°, и чем выше будет эта температура, тем быстрее пойдет процесс.

Другим условием, которое ускоряет ход реакции, является перемешивание веществ, вступающих между собой в химическое взаимодействие. Этим обстоятельством пользовались еще алхимики.

Таковы были главные средства физического воздействия, которыми в прошлом столетии располагали химики для ускорения хода химических реакций.

Современная наука и техника дали в руки химиков новое мощное оружие — высокое и сверхвысокое давление. И это оружие преобразило до неузнаваемости старое химическое производство. Современный химический завод так же мало напоминает химическое предприятие XIX в., как гидроэлектростанция наших дней — водяную мельницу далекого прошлого.

Применение давления внесло коренные изменения в самый характер химических процессов. Необычайно возросла их скорость. А самое главное заключается в том, что стали возможны такие процессы, о которых раньше нельзя было и мечтать. Например, искусственное получение нефти из угля, аммиака — из водорода и азота; получение спиртов из окиси углерода и водорода, мочевины — из углекислоты и аммиака и многое другое.

Необычайно изменились и масштабы производства. Современное химическое предприятие, работающее с высокими давлениями, — это огромный комбинат, который производит миллионы тонн ценнейших продуктов. Такой комбинат является крупнейшим потребителем электроэнергии и нередко имеет в своем распоряжении мощную электростанцию.

Можно без преувеличения сказать, что применение высоких и сверхвысоких давлений в химической технике открыло новую эру развития промышленной химии.

*

В чем же смысл ведения химических процессов под давлением?

Проделаем небольшой опыт. Начнем подогревать воду, находящуюся в открытом сосуде. При температуре 100° вода закипит и станет превращаться в пар. Сколько бы дальше ее не нагревали, все равно температура воды выше 100° не поднимется.

Если закрыть сосуд плотной крышкой, то получится модель котла. С помощью насоса будем нагнетать в этот котел воздух, т. е. повысим давление над водой, и теперь снова продолжим наше нагревание. Теперь вода, находящаяся под повышенным давлением, сможет иметь температуру выше 100°, и при этом она не будет кипеть. Если довести давление до 6 атмосфер, то вода закипит при температуре 159,2°, при давлении в 196 атмосфер вода начнет кипеть лишь тогда, когда температура ее поднимется до 370°.

Так, применяя высокое давление, можно добиться того, что вода при температуре 370° останется в жидком состоянии, чего никак не может быть при обычном давлении. Это обстоятельство имеет для химии огромное значение.

В самом деле, как быть с жидкостью, которая кипит при низкой температуре, а вступает в реакцию с другим веществом при довольно высокой температуре? Если эту жидкость нагревать, то она улетучится или распадется на свои составные части прежде, чем вступит в реакцию с другим веществом. Для химии XIX в. такая задача была неразрешима. В наше время подобные реакции весьма успешно протекают под высоким давлением. Таков, например, процесс получения крекинг-бензина; так получается бензин из тяжелых отходов нефти при воздействии на них водородом, находящимся под давлением.

Мало того, если вести перегонку при температуре, которая превышает точку кипения нефти (а это возможно только под высоким давлением), то значительно возрастает выход ценного бензина. Современные методы крекинг-процесса позволяют получить из одного и того же количества нефти вдвое большее количество бензина, чем при обычных методах.

Чем это объясняется? Молекулы тяжелой нефти состоят из большого количества атомов углерода и водорода. При высокой температуре они распадаются на более мелкие молекулы легких фракций нефти, главной составной частью которых является бензин.

Подобный процесс перегонки нефти совершается под давлением в 55 атмосфер и выше.

Но, пожалуй, самое замечательное заключается в том, что крекинг-процесс под давлением водорода позволяет вырабатывать искусственный бензин из таких продуктов, как асфальт, смола, пек и даже низкосортный уголь. Можно смело сказать, что высокое давление проложило дорогу промышленности искусственных нефтяных продуктов.

Итак, высокое давление позволяет во многих случаях вести химические процессы с жидкостями при больших температурах. Но можно ли, применяя давление, безгранично увеличивать температуру жидкого вещества?

Вернемся к нашему опыту с котлом, где вода под давлением в 196 атмосфер достигла температуры 370°. Оказывается, что при дальнейшем нагревании и каком угодно высоком давлении вода будет только испаряться. Температура ее выше 370° не поднимется.

Таким образом, 370° — это для воды критическая температура.

Любая жидкость имеет свою критическую температуру. Критическая температура — это поворотная точка в качественном состоянии жидкого вещества. Чем она замечательна? Тем, что в этой точке количественное накопление высоты давления приводит к новому качественному состоянию жидкости.

Этот пример — наглядная иллюстрация к знаменитому закону марксовой диалектики о переходе количества в качество.

В этой связи интересно вспомнить слова Энгельса, приведенные в IV главе «Краткого курса истории ВКП(б)» (стр. 103):

«Так называемые константы физики (точки перехода от одного состояния в другое состояние. — Ред.) суть большей частью не что иное, как название узловых точек, где количественное изменение, прибавление или убавление движения вызывает качественное изменение в состоянии соответствующего тела, — где, следовательно количество переходит в качество.

Такова диалектика явлений природы.

*

Теперь обратимся к тому, что нового внесло применение давлений в масштабы и производственную мощь химических предприятий.

Газы, с которыми приходит иметь дело на химическом производстве, обладают при атмосферном давлении незначительным весом. Кубометр азота весит 1,25 кг, а кубометр водорода — всего лишь 0,1 кг. Таким образом, 1 т азота занимает объем в 800 куб. м, а 1 т водорода — 10 тыс. куб. м. На современном же химическом предприятии участвуют в производственном процессе десятки и сотни тонн различных газов. Можно представить, какие гигантские объемы аппаратуры потребовались бы при ведении этих химических процессов в условиях атмосферного давления.

Высокое давление загоняет в небольшие объемы огромное количество газа. Так, 1 т азота под давлением в 1 тыс. атмосфер вмешается в объеме 1,7 куб. м, а при давлении в 5 тыс. атмосфер занимает всего 1,1 куб. м вместо 800 куб. м при нормальном давлении.

Еще более поразительные цифры получаются в отношении водорода. 1 т водорода при давлении в 5 тыс. атмосфер занимает вместо 10 тыс. куб. м объем всего лишь в 8,6 куб. м, т. е. уплотняется в 1163 раза.

Так высокое давление в сотни и тысячи раз сокращает объемы производственной аппаратуры для химических предприятий.

Такие объемы занимает одно и то же количество газов под атмосферным давлением (слева) и под давлением а 5 тыс. атмосфер (справа). Применение высоких давлений в химии изменило до неузнаваемости химическое производство.

Как же сказывается высокое давление на скорости течения химических процессов?

В основе всякой химической реакции лежит взаимодействие молекул различных веществ. Это взаимодействие совершается в форме столкновений молекул, заключенных в определенном объеме. Чем больше таких столкновений и встреч, тем сильнее протекает реакция.

Если в двух одинаковых объемах заключено разное количество молекул реагирующих веществ, то при одной и той же температуре больше столкновений произойдет там, где этих молекул больше. При высоком и особенно сверхвысоком давлении в единице объема скопляется огромное количество молекул, отчего резко возрастает взаимодействие между ними и во много раз ускоряется ход реакции.

Существует целый ряд очень важных химических реакций, которые при обычном давлении практически вовсе не совершаются или же из громадного количества участвующих в такой реакции газов получается весьма ничтожное количество конечных продуктов.

При обычном давлении азот и водород, находящиеся в смеси, вступают в реакцию, образуя аммиак. Но в каком количестве? Если реакция ведется при температуре 563°, то аммиака получается всего 0,1 % от общего количества смеси.

Совершенно иная картина получается, если вести эту реакцию под давлением. При давлении в 100 атмосфер в аммиак превратится более 10% смеси азота и водорода, при давлении в 400 атмосфер выход аммиака из смеси составит уже 21,1%. Но ведь можно поднять давление еще выше. Можно перейти к сверхдавлениям — от 2 тыс. до 5 тыс. атмосфер, и в этом случае больше половины всей смеси превратится в аммиак. Ясно, что такой процесс получения аммиака без высоких давлений просто немыслим.

Компрессор, развивающий давление в 250—300 атмосфер. Он кажется игрушечным по сравнению с...

...мощным компрессором, который создает давление в 800 атмосфер.

*

Вполне понятно, что высокое давление стало проникать в химические процессы и играть в них главенствующую роль лишь тогда, когда металлургия и машиностроение сумели создать прочнейшую аппаратуру, которая способна выдерживать столь огромное давление.

До нашего столетия химики пользовались главным образом стеклянной аппаратурой, керамиковой, чугунной, свинцовой, т. е. такими материалами, которые не в состоянии выдерживать сколько-нибудь значительного давления. Даже прочнейшие манесмановские трубы, сделанные из стали и выдерживавшие гидравлическое давление в сотни атмосфер, при высоких температурах и давлении разлетались на кусочки, как если бы эти трубы были изготовлены из стекла. Сосуды из прочной толстой стали свободно пропускали водород, словно они были сделаны из пористой губки.

Понадобились годы длительной и упорной работы химиков и конструкторов, прежде чем была решена сложнейшая задача создания химической аппаратуры. Дело заключалось не только в прочности материала, но и в качестве его. Если, например, в толстую трубу из обычной углеродистой стали накачать водород, имеющий температуру 500°, то уже через 80 часов труба рассыплется на мелкие куски. Произойдет это потому, что водород при высокой температуре проникает в сталь, соединяется с углеродом стали, обезуглероживает и разрыхляет ее. Образуется хрупкое углеродистое железо, которое не выдерживает высоких давлений.

Как же техника разрешила проблему прочности и химической стойкости производственной аппаратуры?

Сначала поступали таким образом: аппарат, работающий под давлением и действием горячего водорода, делали из двух труб, вложенных одна в другую. Внутренняя труба была сделана из мягкого железа, через которое легко проникает горячий водород. Наружная труба представляла собой толстую стальную рубашку, которая способна выдерживать необходимое давление. Таким образом, одна труба противодействовала давлению газа, а другая — химическому воздействию горячего водорода. Водород, проникая через внутреннюю трубу, собирался в особых желобках и оттуда выходил наружу через тонкие отверстия во внешней трубе. Вообще водород просачивается через железную трубу очень медленно, и поэтому утечка газа была невелика.

Однако более полное решение этого вопроса — создание химической аппаратуры — стало возможно, когда были найдены легированные стали. Благодаря небольшим добавкам к обычной стали таких металлов, как хром, вольфрам, ванадий, молибден и пр., сталь приобрела достаточную прочность. Кроме того, легированная сталь не подвергается разъеданию водородом.

Кроме водорода, в химических процессах, проходящих под высоким давлением, большое участие принимают окись углерода и сероводород. Окись углерода, действуя на сталь, превращает ее в хрупкий карбид железа, а сероводород при высокой температуре соединяется с железом и образует рыхлое сернистое железо.

Эти два опасных врага химической аппаратуры также были побеждены. Для противодействия окиси углерода начали применять сплав меди с марганцем, а для предотвращения вредного действия сероводорода химическую аппаратуру стали покрывать защитным слоем цинка.

Так создавалась новейшая химическая аппаратура, которая способна выдерживать огромные давления, высокие температуры и вредное воздействие химических газов.

Первые химические аппараты для ведения процессов под давлением выдавали ничтожное количество продуктов, исчисляемое в граммах.

Современная аппаратура, способная выдерживать давление в сотни атмосфер, выдает ежедневно десятки и сотни тонн химических продуктов.

Но задача заключалась не только в том, чтобы создать такую аппаратуру. В кругооборот химических производств вошли такие вещества, как азот, водород, окись углерода, и притом в громадном количестве. Проведение реакций с такими взрывоопасными газами, да еще при столь высоком давлении потребовало предельной автоматизации и механизации химических процессов. В новых условиях человеческие руки и глаза не могли более непосредственно служить надежными регуляторами производственных процессов. Появились всевозможные автоматы, регуляторы, контрольно-измерительные приборы. Управление, регулировка и контроль всего сложного хозяйства завода осуществляются автоматически из небольшого количества пунктов. Специальные приборы не только контролируют ход химического процесса, но при малейшем отклонении этого процесса от нормы сами регулируют его.

Особые приборы регулируют температуру в аппаратах, скорости газовых потоков, работу компрессоров, а в случае аварии автоматически выключают тот или иной агрегат.

Компрессоры мощностью в несколько тысяч лошадиных сил обладают громадной производительностью: они пропускают в течении часа десятки тысяч кубометров газа и сжимают его до нескольких сотен, а иногда и тысяч атмосфер. Эти мощные установки работают бесперебойно в течение многих месяцев.

Еще недавно, в начале XX в., химическое предприятие имело полукустарный вид.

А сейчас химическое предприятие, применяющее технику высокого давления, поражает своими масштабами, своей оригинальной аппаратурой.

Оборудование современного химического завода настолько прочно, герметично и совершенно, что завод работает бесперебойно в течение многих месяцев, равномерно выдавая необходимую продукцию. Современное химическое предприятие является прекрасным образцом творческого содружества металлургов, машиностроителей, электриков и химиков.

Современное химическое предприятие — это мощный индустриальный гигант с многочисленными цехами, с густой сетью рельсовых путей.

Высокое и сверхвысокое давление с каждым годом открывает в области химии все новые и новые возможности. Меньше чем за 25 лет оно получило такое широкое распространение, что стало обязательным и главным условие целого ряда химических производств. В наше время сотни различных химических процессов ведутся под высоким давлением.