Статья рассказывает о том, как случайное открытие Томаса Вильсона — получение карбида кальция и ацетилена — привело к возникновению целой отрасли современной химической промышленности. Автор показывает, как ацетилен стал основой для автогенной сварки, производства удобрений, синтеза спирта, уксусной кислоты, растворителей, пластмасс и даже искусственного каучука. Отдельно описан новый советский технологический прорыв: выплавка карбида кальция не в электрических печах, а в доменной печи с кислородным дутьём. Этот метод резко снижает энергозатраты, устраняет необходимость в обжиговых печах и одновременно даёт ценный газ для синтеза аммиака, топлива и спиртов. Материал демонстрирует, как химия ацетилена превратилась в стратегическую индустрию, а советские инженеры предложили более эффективный путь её развития.
Почти полвека назад канадец Томас Вильсон производил опыты в электрической печи типа Геру. Он пытался получить металлический кальций и его сплавы. Опыты шли неудачно, в печи вместо металлического кальция получалась какая-то черная масса. Остывшую массу рабочие выбрасывали в реку как отброс. При этом они замечали странное явление. Как только масса погружалась в воду, на поверхности воды начинали энергично выступать пузыри какого-то газа. Опыт повторили уже в лаборатории. Велико было удивление наблюдателей, когда от поднесённой к газу зажжённой спички он вспыхнул, давая сильно коптящее пламя.
Вильсон заинтересовался этим явлением. Он детально исследовал массу, которая до сих пор считалась отбросом, и убедился, что получил в электрической печи карбид кальция. А газ, выделяющийся при действии воды на карбид, оказался очень ценным веществом — ацетиленом.
Предприимчивый канадец сразу оценил своё открытие и взял патент на технический способ получения карбида кальция из обожжённой извести и угля.
Вскоре американская алюминиевая компания, директором которой был Вильсон, приступила к постройке первого в мире завода карбида кальция. Это было в 1895 г.
Одновременно с Вильсоном способ выплавки карбида кальция в электрической печи был открыт знаменитым французским химиком Муассаном.
*
Промышленный способ производства карбида кальция, найденный Вильсоном, давал возможность довольно просто и в больших количествах добывать ацетилен, получавший всё большее и большее применение в технике.
Первоначально ацетилен использовался преимущественно для освещения домов, улиц. В дальнейшем химики обнаружили, что если сжигать ацетилен в струе кислорода, то получается пламя с очень высокой температурой, порядка 4000°. Это свойство ацетилена положило начало новой отрасли техники — автогенной сварке и резке металлов, широко применяемой в различных областях промышленности. Таким жарким пламенем можно легко плавить стальную плиту толщиной более 50 миллиметров, резать толстые рельсы, сваривать котлы и т. д.
*
В начале XX столетия возникают заводы, перерабатывающие карбид кальция в новый продукт — цианамид кальция. Этот продукт получается в процессе действия газообразного азота на тонко размолотый карбид кальция при температуре 1000°. Цианамид кальция — прекрасное удобрение, содержащее азот. Кроме того, из цианамида кальция легко извлечь аммиак, служащий для производства азотной кислоты.
Но особенно замечательные перспективы открылись перед карбидной промышленностью в связи с работами выдающегося русского химика-органика М. Г. Кучерова. В 1881 г. Кучеров, исследуя ацетилен, нашёл условия для прохождения реакции между ацетиленом и водой. Этот сам по себе как будто малозначительный факт сыграл громадную роль в дальнейшем развитии промышленной химии.
В результате реакции, открытой Кучеровым, получилось новое химическое соединение, так называемый ацетальдегид, обладающий весьма замечательными свойствами. Если пары ацетальдегида в смеси с водородом пропустить через никель, размельчённый специальным способом, то ацетальдегид присоединяет к себе водород, образуя винный спирт — вещество, в котором нуждаются свыше трёхсот различных отраслей производства.
К ацетальдегиду можно присоединить и кислород. В этом случае возникает другой важнейший химический продукт — уксусная кислота. Последняя необходима не только пищевой промышленности. Производство нитролаков для авто- и авиапромышленности, экстракция жиров и масел нуждаются в сотнях тысяч тонн растворителей, вырабатываемых из уксусной кислоты. Из неё же получается очень ценное вещество уксусный ангидрид. Если целлюлозу в определённых условиях обработать уксусным ангидридом, то можно получить невоспламеняющуюся киноплёнку, искусственный шёлк лучшего качества, прозрачные негорючие пластические массы. Уксусный ангидрид применяется для производства душистых веществ, красок, фармацевтических препаратов. При взаимодействии уксусной кислоты с известью получается уксуснокислый кальций. Из него при нагревании можно получить ацетон, который имеет исключительное значение в производстве бездымного пороха и целлулоида.
Так синтез Кучерова значительно расширил область применения ацетилена. Но это были только первые шаги в развитии новой отрасли химии.
*
Учёные давно заметили, что некоторые вещества склонны к определённому роду превращений. Небольшие молекулы этих веществ в определённых условиях температуры и давления в присутствии специальных химических соединений, называемых катализаторами, соединяются друг с другом в более сложные молекулы. Последние обладают новыми физическими и химическими свойствами.
Этот процесс укрупнения молекул, называемый полимеризацией, открывает заманчивые перспективы в преобразовании вещества. Крупнейших успехов в этой области химики достигли, опять-таки используя ацетилен. Оказалось, что в определённых условиях сам ацетилен и некоторые продукты, получаемые из него, очень склонны к реакции полимеризации. В зависимости от условий проведения полимеризации получаются вещества с самыми разнообразными качествами. В технике они имеют общее название — пластические массы. В настоящее время путём полимеризации можно получить пластмассы заранее заданной твёрдости, растяжимости, устойчивости против разрушающего действия холода, тепла или масел и кислот.
Пластмассы, вырабатываемые из ацетилена, находят самое разнообразное применение. Ими пропитывают полотно для придания ему водонепроницаемости. Они служат изоляционным материалом в электроаппаратах, кабелях, радиоаппаратуре. Они заменяют цветные металлы и дорогие породы дерева.
Всюду, где требуется прочность в соединении с лёгкостью, прозрачностью, стойкостью против атмосферных влияний и химической коррозии, используются пластические массы, изготовляемые из ацетилена.
*
Однако наиболее поразительным достижением химии ацетилена является переработка его в каучук.
Уже с самого начала XX столетия целая плеяда крупнейших химиков мира напряженно работает над вопросом получения искусственного каучука. Среди этих учёных почётное место занимают выдающиеся русские химики-органики Остромысленский, Кондаков, Лебедев, Бызов, Фаворский как пионеры и творцы химии каучука.
Академик Лебедев предложил промышленный способ производства каучука из спирта. Как мы уже видели, спирт можно вырабатывать из ацетилена. Кроме того, есть возможность получать каучук и из других продуктов переработки ацетилена, например из ацетона.
Таким образом, химия ацетилена открыла путь для производства каучука из широко распространённых в природе и очень дешёвых исходных продуктов, как уголь, известь и вода.
 |
Исходными материалами для получения карбида кальция служат
уголь и известь. Из карбида кальция получается ацетилен, применяемый в
различных отраслях химии. В частности, ацетилен перерабатывается в спирт —
ценное сырье для производства каучука. |
Таково необычайно разнообразное применение карбида кальция и ацетилена в различных отраслях техники. Естественно, что всё это способствовало быстрому росту карбидной промышленности. В результате карбид превратился в один из самых распространённых и важнейших продуктов современной химической индустрии: производительность мировой карбидной промышленности достигла 3 млн. тонн карбида кальция в год. Одна лишь эта отрасль химической промышленности с её мощными электрическими печами потребовала в 1935 г. 10 млрд. киловатт-часов электрической энергии. Мощность отдельных электрических печей для плавки карбида кальция достигает 30 тыс. киловатт.
*
Несмотря на то, что карбид кальция получил такое громадное распространение, принципы его производства в своих существенных частях остались такими же, как и во времена Томаса Вильсона. До сих пор карбид кальция получается в электрических печах. В мощном пламени вольтовой дуги при температуре, достигающей 2500°, происходит соединение углерода кокса с обожжённой известью. В результате этой реакции происходит образование химического соединения, состоящего из углерода и кальция, карбида кальция (\(CaC_2\)), — и выделяется окись углерода.
Этот способ производства очень, дорог. Прежде всего, помимо электрических печей, нужны ещё специальные печи для получения обожжённой извести. А самое главное, расходуется колоссальное количество электрической энергии. Так, например, для получения 1 тонны карбида нужно затратить от 3000 до 3500 киловатт-часов электрической энергии. При этом из них производительно используется только 500 киловатт-часов, то есть всего лишь 15%, остальная энергия пропадает напрасно в виде различного рода тепловых и других потерь.
Перед химиками возникла проблема — найти более дешёвый способ производства карбида кальция. Такой способ был предложен ещё в 1902 г. немецким учёным Бархерсом. Это — простое термическое получение карбида, без применения электроэнергии.
Идея Бархерса заключается в следующем. Реакция между углеродом кокса и обожжённой известью происходит при высокой температуре. В электропечи источником тепла служит вольтова дуга. Но необходимое для данной реакции тепло и высокую температуру можно получить и другим путём — сжигая кокс в струе воздуха, обогащённого кислородом. Если бы такой процесс удалось осуществить в каком-либо аппарате, это значительно упростило и удешевило бы производство карбида.
Однако идея Бархерса не получила осуществления за границей. Впервые она, как и много других передовых технических идей, приобретает реальное воплощение в нашей стране.
*
Применение кислородного дутья в доменном процессе при выплавке высококачественных чугунов приводит к получению в домне очень высоких температур. Это обстоятельство натолкнуло химиков Института азота на мысль выплавлять карбид кальция в доменной печи с кислородным дутьём. Были проведены соответствующие опыты, которые дали интереснейшие результаты.
Какие же выгоды сулит новый доменный процесс и какова технологическая схема нового производства?
Чтобы выплавлять обычным способом 150 тонн карбида в сутки, нужно построить четыре электропечи мощностью в 5000 киловатт каждая. Для снабжения этих печей электрической энергией необходимо иметь электростанцию мощностью в 25 тыс. киловатт. Кроме того, для обеспечения карбидной плавки обожжённой известью пришлось бы создать мощный цех, оборудованный четырьмя тридцатитонными обжигательными печами.
Всё это сложное хозяйство отпадает при получении карбида кальция в доменной печи. 150 тонн этого продукта можно выплавлять ежесуточно в доменной печи, которая в два раза меньше обычной домны, применяемой в металлургии. Помимо домны нужно ещё соорудить кислородную станцию, которая давала бы для дутья воздух, обогащённый кислородом.
*
Однако если электрическая печь ничего, кроме карбида, не производит, то новая домна не только плавит карбид, но в то же время является мощным генератором весьма ценного газа, используемого для получения синтетического аммиака, спирта, искусственного жидкого топлива. Эта же самая домна, кроме 150 тонн карбида кальция, сможет ещё дополнительно давать такое количество газа, которого хватит для выработки 95 тыс. тонн аммиака в год. А при существующем положении для химического завода, вырабатывающего ежегодно 95 тыс. тонн аммиака, требуется построить специальную газогенераторную станцию, оборудованную восемью мощными газогенераторами.
В зависимости от состава дутья изменяется и состав выходящих из домны газов. В случае необходимости можно получать газ для синтеза горючего, для производства спиртов. Между тем в электрической печи отходящий газ трудно улавливать, и там он бесцельно сжигается в надпечном пространстве.
Как и при металлургическом доменном процессе, шихта в нашей домне загружается сверху. Шихта состоит из кокса и необожжённой извести. А снизу, в горн печи, через фурмы вдувается воздух, обогащённый кислородом.
Газ, образующийся в горне печи, подымается кверху. При этом он за счёт своего тепла сушит и подогревает подаваемую в печь шихту и обжигает известь. В зависимости от состава исходного дутья уходящий из верхней части домны (колошника) газ направляется на соответствующий химический завод для дальнейшей переработки.
*
В горне печи при температуре 2500° происходят образование и плавка карбида. В расплавленном состоянии он стекает на дно печи и затем через соответствующие отверстия, летки, выпускается в приёмники. После остывания он дробится на куски, упаковывается в жестяные цилиндры и в таком виде отправляется на стройки, фабрики и заводы. Часть карбида остаётся на комбинате и поступает в газогенераторный цех. Здесь карбид загружается в особые газогенераторы. В них происходит химическая реакция между карбидом кальция и водой, в результате которой выделяется газообразный ацетилен.
Ацетилен из центральной газогенераторной станции направляется на соответствующие предприятия, чтобы там превратиться в разнообразные химические продукты, начиная с уксусной кислоты, искусственных горючих и кончая пластмассами.
Комментариев нет:
Отправить комментарий