Нестационарная кинетика и развитие представлений об эволюции химических систем

Еще совсем недавно, в 1950-х годах, в острой полемике с тео­риями неоднородной поверхности катализаторов рождалось уче­ние видного специалиста в области катализа Г. К. Борескова о потере энергетической активности свежеприготовленньгх ката­лизаторов в ходе реакции и о достижении ими «стационарного состояния». Г. К. Боресков убедительно доказал, что под влияни­ ем реакционной среды свежие катализаторы изменяют свой состав и структуру, достигая стационарного состава и соответствующей ему удельной каталитической активности. Считается и ныне, что подавляющее большинство промышленных каталитических про­цессов осуществляется в стационарных условиях.

Но, начиная с 1970-х годов, химики все больше стали обращать внимание на то, что те оке самые причины воздействия реакцион­ ной среды на катализаторы, которые обусловили появление кинетики стационарных процессов, оказываются ответственными и за наличие нестационарных режимов работы каталитических систем. Было установлено, что в одних случаях стационарное состояние катализаторов не реализуется из-за блокировки их поверхности плотным слоем какого-либо адсорбата, скорость образования которого выше скорости достижения стационар­ности. В других случаях было зафиксировано в ходе реакций несколько нестационарных режимов со скачкообразными перехода­ми между ними. Открыто и изучено множество автоколебатель­ных процессов, свидетельствующих об особом типе нестационар­ности.

Началось, таким образом, отрицание отрицания. Причем исследователи приходят к выводам, что стационарный режим, надежная стабилизация которого казалась на первый взгляд залогом высокой эффективности промышленного процесса, яв­ляется лишь частным случаем нестационарного режима! С 1970-х годов обнаружено много случаев нестационарных режимов, спо­ собствующих интенсификации реакций! Появились работы, опи­ сывающие искусственно создаваемые нестационарные режимы, при которых оказывается возможным не только легче реали­ зовать оптимальные условия реакций, но и достигнуть улучшения качества продуктов, например, более эффектного распределения молекулярных весов в полимерах. Таких публикаций становится все больше, и они требуют решения целого ряда новых проблем, связанных с изучением одновременного изменения состава ре­акционной смеси, состава и структуры катализаторов. Требуется создание новых методов математического моделирования и оп­тимизации, теории управления нестационарными процессами, а затем и принципиально новых конструкций реакторов для этих процессов.

Изучение нестационарной кинетики начато недавно. Но уже сейчас можно видеть, как важен и широк ее объект, насколько реальнее она подходит к исследованию химических систем, ор­ганизация которых в том отношении сложна, что она динамична, эволюционна.

Одним из ведущих звеньев в развитии нестационарной кинети­ки является теория саморазвития открытых каталитических сис­тем, ибо иных путей к существенному улучшению работающих в реакторе катализаторов нет, кроме естественного отбора наи­более активных центров катализа и обусловленных этим отбором направленных кристаллоструктурных изменений.

Таким образом, первой прикладной областью, где теория само­ развития открытых каталитических систем может быть широ­ко и эффективно использована, является «нестационарная техно­ логия». Ближайшими же практическими результатами этой теории являются уже исследованные в лабораторных условиях процессы, в основу которых положено энергетическое сопряжение реакций, в том числе таких, на которые наложены строгие тер-модинамические ограничения. В этом случае одна реакция помога­ет другой; в системе развиваются процессы, направленные против равновесия, сама же система приобретает динамическую устой­чивость, или «устойчивое неравновесие». Этот принцип и использо­ван для осуществления ряда реакций, которые пока не были ре­ализованы иными путями.

8. Общие итоги развития учения о химических процессах

Таким образом, если принять во внимание уже достигнутые успехи как химии экстремальных состояний, так и каталитиче­ский химии, а тем более успехи в таких областях, как металло-комплексный катализ, моделирование биокатализаторов, химия и технология иммобилизованных систем, «нестационарная техно­логия», важным звеном которой должна стать теория самораз­вития открытых каталитических систем, то в ближайшей перспек­тиве можно видеть богатейшие возможности развития поистине новой химии.

Эта новая химия уже теперь становится способной решить такие задачи, для реализации которых до сих пор еще вовсе не было предпосылок. В частности, в области тяжелого органиче­ского синтеза это задачи: а) значительного ускорения химических превращений в мягких условиях за счет главным образом объедине­ния в катализаторах будущего достоинств гетерогенного, гомо­генного и металлоэнзимного катализа; б) достижения близкой к 100% селективности процессов; в) осуществления новых важных энергетически затрудненных процессов за счет сопряжения эндо-и экзотермических реакций; г) существенной экономии углеводо­родного сырья и перехода от нефти к углю как более распростра­ненному сырьевому источнику. Но химия теперь имеет реальные предпосылки и для решения таких общих задач, как а) моделирова­ние и интенсификация фотосинтеза; б) фотолиз воды с получени­ем водорода как самого высокоэффективного топлива; в) промыш­ленный синтез широкого спектра органических продуктов, и в пер­вую очередь метанола, этанола, формальдегида и муравьиной кислоты, на основе углекислого газа; г) промышленный синтез многочисленных фтор материалов.

Такого рода задачи еще до недавнего времени казались не вполне реальными; лишенные каких бы то ни было теоретических и экспериментальных оснований, они в большей степени оказы­вались во власти воображения. Сегодня эти задачи предстоит решать совершенно иначе; для их решения созрели все необ­ходимые объективные предпосылки. И это обстоятельство явля­ ется залогом успешного претворения в жизнь задач по созданию малоотходных, безотходных и энергосберегающих промышленных процессов, рачительного использования каждого килограмма сырья и каждого киловатта энергии для производства необходимых материалов.

 

⇐ Предыдущая123456

Поделиться: