ПУТЬ К НОВЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ
М.СЛИНЬКО, член-корреспондент РАН.
г.Москва.
 |
|
Организаторы Института катализа -- Г.Боресков и
М.Слинько. |
Сегодня мне хотелось бы обратиться к истории и вспомнить, как
создавался Институт катализа СО АН, самый первый из своих
собратьев. Но прежде я кратко остановлюсь на истории формирования
и становления самого катализа: чтобы понимать новое, надо хорошо
знать старое.
Моя трудовая деятельность началась в январе 1932 г. в
серно-кислотном секторе Государственного института по
проектированию заводов основной химии (Гипрохим). Для того
времени было характерно единство образования, исследования,
проектирования и эксплуатации заводов. Проектирование заводов по
получению серной кислоты и серы осуществлялось под руководством
главного инженера химической промышленности и одновременно
заведующего кафедрой химической технологии Московского
химико-технологического института им. Д.И.Менделеева, крупнейшего
ученого профессора Н.Юшкевича. Основой проектируемых процессов
был катализ и каталитические реакции.
В том же 1932 г., в декабре, на 1-й Всесоюзной конференции
сернокислотной промышленности, я познакомился с сотрудником
Одесского политехнического института Г.Боресковым, и у нас
возникли совместные работы по созданию оптимальных конструкций
серно-кислотных контактных аппаратов.
После переезда Г.Борескова в 1937 г. в Москву в НИУИФе эти работы
стали осуществлять более активно и интенсивно. В результате были
созданы физико-химические основы расчета контактных аппаратов и
разработаны промышленные трубчатые аппараты Т-2 и полочные
аппараты с адиабатическими слоями катализатора К-39. Сейчас они
применяются в мире повсеместно.
В 1946 г. в Физико-химическом институте им. Л.Я.Карпова под
руководством Г.Борескова была организована лаборатория
технического катализа.
Какие же задачи стояли перед лабораторией? Они были связаны с
разработкой проблем катализа в областях новой техники, а именно:
-
получение тяжелой и тритиевой воды путем электролиза в сочетании
с изотопным обменом между водородом и водяным паром и
ректификацией жидкого водорода, что предполагалось осуществить
совместно с рядом других институтов. Необходимо было решить
проблему тонкой очистки водорода от кислорода до чистоты меньше,
чем 10-10 долей;
-
обеспечение безопасности ядерных установок при накоплении
гремучей смеси путем каталитического взаимодействия водорода с
кислородом;
-
каталитические процессы в реактивной технике.
Я подробно останавливаюсь на поставленных задачах, поскольку
именно необходимость их решения убедила нас в том, что нужен
Институт катализа.
Для решения проблемы получения тяжелой воды следовало спуститься
до молекулярного уровня. В 1946 г. не были известны константы
равновесия изотопных реакций, определяющие коэффициенты
разделения изотопов. Экспериментально установить их не
представлялось возможным из-за отсутствия достаточного количества
высококонцентрированной по изотопам воды. Расчет констант
равновесия на основе спектральных данных методами статистической
физики позволил решить поставленную задачу. Этот пример показал
нам, что результатам расчета следует доверять больше, чем прямым
опытным данным при условии, если расчет опирается на более
надежные и прецизионные экспериментальные данные по сравнению с
глобальным экспериментом опытных установок. В дальнейшем это
стало принципом наших исследований.
Разработка технологии тонкой каталитической очистки водорода от
кислорода необходима была для предупреждения накопления твердого
кислорода в ректификационной колонне. Процесс нельзя было изучить
экспериментально из-за отсутствия методов анализа, позволяющих
измерить содержание кислорода в области 10-10 долей. Решить эту
проблему можно было только в условиях сочетания натурного и
вычислительного экспериментов. Натурный эксперимент проводили в
области концентраций, доступных точному измерению концентрации
кислорода, а далее, на основе математических моделей,
предсказывали условия тонкой очистки водорода.
Интерационная процедура сочетания вычислительного и натурного
экспериментов позволяет преодолеть ограничения возможностей
прямого измерения протекания каталитического процесса и
предельных возможностей физических приборов.
Математическое моделирование на основе сочетания вычислительного
и натурного экспериментов ознаменовало собой возникновение нового
подхода к изучению химических систем и, в частности, катализа.
Оно свело воедино задачи химической кинетики, физики, математики
и технологии. Изменился не только объем наших знаний, но и
характер мышления, углубилось понимание протекающих явлений.
При разработке каталитических процессов в реактивной технике
наряду с каталитическими характеристиками необходимо знание
аэродинамики каталитических слоев. Потребовалось использование
регулярных, однородных, геометрически правильных структур.
Опыт решения названных проблем позволил сформулировать принципы
организации Института катализа и его задачи:
1. Создание теории катализа, сочетающей физико-химическую истину
с математической строгостью, и решение на основе теории
промышленных задач. Единство теории и практики. Единство
фундаментальных и прикладных наук. Деление может быть только
тактическое, но не стратегическое.
2. Математическое моделирование каталитических реакций, процессов
и реакторов на основе фундаментальных знаний. Детальное
исследование механизма и кинетики каталитических реакций.
3. Сбалансированное сочетание вычислительного и натурного
экспериментов при исследовании и получение математических моделей
каталитических систем.
4. Широкое применение современных физических и физико-химических
методов исследования на микро-, мезо- и макроуровнях
каталитических систем.
5. Усовершенствование методов определения каталитической
активности в безградиентных условиях, создание модельного корпуса
массового испытания катализаторов.
6. Разработка теории и практики приготовления промышленных
катализаторов заданной структуры, формы, избирательности и
активности. Организация выпуска опытных партий катализаторов и
носителей.
7. Исследование и разработка конкретных каталитических процессов
и реакторов от начала до внедрения.
8. Аэродинамическое моделирование каталитических реакторов и их
отдельных элементов.
9. Координация исследований в области катализа в СССР. Анализ
состояния промышленного катализа в СССР.
С первых дней в институте были начаты исследования по
математическому моделированию каталитических реакций, процессов и
аппаратов на аналоговых ЭВМ МН-7 и МН-14 и цифровой машине М-20,
установленной в Институте математики. Первыми процессами явились
окисление SO2 в SO3 и окисление этилена в окись этилена.
Приступили к изучению нелинейных явлений, и, прежде всего, проблемы
устойчивых и неустойчивых состояний.
Особое значение придавали динамике неустойчивости в теории
катализа, технологии каталитических процессов и обеспечению
устойчивой работы промышленных реакторов.
Становление новых подходов в катализе и математического
моделирования химико-технологических процессов в нашей стране
проходило с большими трудностями. Почему?
Новый подход потребовал от экспериментаторов доведения
исследований до моделей, способных предсказывать протекание
процессов в заданных условиях, а от проектантов -- умения
анализировать модели, определять оптимальные условия и без
опытных установок принимать решения для промышленных установок.
Отделение общей и технической химии Академии наук организовало
свое специальное заседание с докладом В.Левина об обсуждении
нового подхода.
В другом Отделении Академии -- физико-химии и технологии
неорганических материалов и Менделеевском институте академиком
В.Кафаровым была создана тоталитарная обстановка всемогущества
химической кибернетики, подобной обстановке в лысенковской
биологии. Огромна роль работ СО АН в спасении развития теории
химической технологии в нашей стране.
Важное значение в становлении Института катализа имело
научно-техническое сотрудничество с бельгийским концерном UCb в
1965 г. В ходе его удалось доказать возможность получения нитрила
акриловой кислоты окислительным аммонолизом пропилена в
организованном взвешенном слое катализатора. Институту катализа
был присужден орден Трудового Красного Знамени. Работа имела
принципиальное значение и для теории.
В настоящее время появились новые возможности интеллектуальных
достижений, которые в значительной мере углубят основные
исследования явления катализа на молекулярном уровне. Они
вытекают из наших развивающихся способностей исследовать
элементарные стадии химических превращений и изучать
короткоживущие промежуточные образования.
В XX веке катализ позволил решить многие научно-технические
проблемы. Однако использование скрытых возможностей катализа
находится еще на начальной стадии, и в XXI веке катализ обеспечит
дальнейшее устойчивое безопасное развитие нашего общества.
стр.
| 
