Режим водопотребления

В населенных пунктах и на производственных предприятиях расход воды не бывает равномерный. Отношения максимального суточного расхода Q_maxсут в дни наибольшего водопотребления к среднему суточному расходу Q_ср.сут называют коэффициентом суточной неравномерности.

Колебания водопотребления (разбора воды из водопровода) происходит в очень короткие промежутки времени, измеряемые минутами и даже секундами, однако, при расчетах условно принимают, что в течение 1 часа водопотребление постоянно. Т.е. считают, что суточное водопотребление колеблется только по часам. Отношение Q_maxчас расхода к среднему часовому расходу Q_ср.час называется коэффициентом часовой неравномерности.

Для промышленных предприятий коэффициент часовой неравномерности хозяйственно-питьевого водопотребления принимается равным 3. Этот коэффициент для ТЭЦ-ПВС принимается равным 1; для аглофабрик – 1,1÷1,2; для прокатных станов - 1,15÷1,5 и т.д.

Водопроводные сооружения рассчитываются так, чтобы их пропускная способность и требуемый напор были достаточными в местах разбора.

Максимальный расход воды определяется умножением нормы расхода воды на коэффициент часовой неравномерности.

¹Более 10% всей потребляемой металлургическим заводом энергии расходуется на перекачку воды.

²Оросительная головка, снабженная тепловым замком – клапаном, закрытым легкоплавким припоем.

³Открытая оросительная головка системы автоматического пожаротушения.

ЛЕКЦИИ 7-8. Химическое производство. Химическая переработка жидкого топлива. Нефть и продукты нефти

К жидким химическим топливам относятся нефть и продукты ее переработки (нефтепродукты), а также продукты гидрирования твердого топлива. В настоящее время практическое значение имеют только нефтепродукты, для производства которых сырьем является нефть.

Нефтью называется жидкое ископаемое топливо, распространенное в осадочной оболочке литосферы Земли. Свое название нефть получила от персидского слова «нафта» — вытекающая, просачивающаяся.

В настоящее время общепринята теория органического (биогенного) происхождения нефти, согласно которой она образовалась в результате воздействия бактериального и геологических факторов на останки низших животных и растительных организмов, обитавших в толще воды (планктон) и на дне водоемов (бентос).

Большинство нефтей представляют маслянистые жидкости от тимно-коричневого до темно-бурого цвета, который зависит от содержания в них окрашенных смолистых веществ. Плотность нефтей составляет 0,82—0,90 т/м³, температура затвердевания лежит в пределах от - 20°С до +20°С. Вязкость нефтей значительно выше вязкости воды. Элементный состав нефтей колеблется в очень незначительных пределах: углерод 14—17% , водород 12—14% , сера 0,1 — 5% , кислород и азот (в сумме) до 1,0%.

В нефти различают углеводородную часть, неуглеводородную часть и минеральные примеси. Углеводородная часть нефти представляет собой раствор газообразных и твердых углеводородов в смеси жидких углеводородов различной природы и сложности. В низкомолекулярной части нефти, перегоняющейся до 350°С, содержатся вещества с молекулярной массой не более 250—300, а именно: алканы, моно-, би- и трициклические нафтены, моно- и бициклические ароматические углеводороды, углеводороды смешанного строения. В состав высокомолекулярной части нефти, перегоняющейся выше 350°С, входят вещества с молекулярной массой от 300 до 1000 — высокомолекулярные алканы, моно- и полициклические нафтены с боковыми цепями, ароматические углеводороды с боковыми цепями, конденсированные многоядерные соединения и полициклические углеводороды смешанного строения.

В зависимости от того, углеводороды какого класса преобладают в составе нефти, они подразделяются на парафиновые, парафино-нафтеновые, нафтеновые, парафино-нафтено-ароматические, нафтено-ароматические, ароматические. Наиболее распространены нефти так называемого смешанного основания, в которых нельзя выделить определенный класс углеводородов. В соответствии с технологической классификацией нефти подразделяются на группы по выходу фракций, выкипающих до 350° С, по потенциальному содержанию масел, по содержанию парафина и др.

В неуглеводородную часть нефти входят разнообразные кислородные (фенолы, нафтеновые кислоты, гетероциклы), азотистые (производные пиридина и хинолина, амины) и сернистые (тиофен, тиоспирты и тиоэфиры) соединения. По содержанию серы нефти делятся на:

—малосернистые (с содержанием до 0,5%),

—сернистые (с содержанием от 0,5 до 2,0% ) и

—высокосернистые (с содержанием выше 2,0%).

—Основная масса всех этих соединений концентрируется в

высокомолекулярной части нефти.

Минеральные примеси в нефти составляют различные соли, перешедшие в нее из пластовых вод, механические примеси песка и глины и эмульгированная вода. В нефтях в весьма малых количествах содержатся такие элементы, как ванадий, никель, железо, титан, германий и др.

В природе нефть находится в виде нефтяных залежей, так называемых ловушек, образовавшихся в результате движения нефти и газа по пористым пластам породы под воздействием гравитационного и тектонического факторов. При достаточно большом объеме этих залежей они называются нефтяными месторождениями. В большинстве случаев нефтяные залежи расположены на глубине от 900 до 2300 м.

Мировые разведанные запасы нефти оцениваются в 90 - 95 млрд т, прогнозируемые ресурсы составляют 250 - 270 млрд т. Распределение нефтяных месторождений по планете неравномерно. Наиболее крупные из них сосредоточены в Саудовской Аравии, Кувейте, Ираке, Венесуэле, Алжире, Иране, Ливии и США, Российской Федерации.

В зависимости от условий залегания и давления в нефтеносном пласте методы извлечения нефти из пробуренных скважин делятся на фонтанный, компрессорный и глубинно-насосный. При высоком давлении нефть поступает из недр земли под собственным давлением и через запорную аппаратуру направляется в сборные емкости (фонтанный метод). При малом давлении нефть извлекают методом газлифта путем накачивания в кольцевое пространство между трубами природного газа под давлением до 5 МПа. В скважине газ смешивается с нефтью, уменьшает ее вязкость и «транспортирует» ее на поверхность (компрессионный метод). При глубоком залегании нефти и низком давлении в пластах нефть извлекают с помощью поршневого насоса, опущенного в скважину, и приводимого в движение балансирным станком-качалкой, который обеспечивает возвратно-поступательное движение плунжера насоса.

При современном уровне техники и технологии добычи из нефтяных пластов извлекается лишь около 50% содержащейся в них нефти. Увеличение нефтеотдачи пластов до 10—90% может быть достигнуто тепловым воздействием на пласты (закачивание в скважину горячей воды, прогрев пласта сжиганием нефти), введением в скважину ПАВ, гидравлическим разрывом пласта и другими интенсифицирующими извлечение нефти из недр методами.

Нефтепродукты

В настоящее время вся извлекаемая из недр нефть подвергается переработке с целью получения из нее разнообразных нефтепродуктов, которые используют как в качестве целевых продуктов, так и в качестве сырья для дальнейшей переработки. Все нефтепродукты можно разделить на следующие группы.

1. Моторные топлива, в том числе:

—карбюраторное для поршневых двигателей с зажиганием от электрической искры (автомобильные и тракторные бензины);

—дизельное для поршневых дизельных двигателей с воспламенением от сжатия (дизельное топливо).

2.Котельные топлива для топок паровых котлов, генераторных установок, металлургических печей (мазут, гудрон).

3.Реактивное топливо для авиационных реактивных и газотурбинных двигателей (авиокеросины).

4.Смазочные масла для смазки трущихся деталей машин с целью уменьшения трения и отвода тепла (моторное, индустриальное, турбинное, компрессионное, цилиндровое масла).

5.Консистентные смазки для уменьшения трения между деталями, защиты от коррозии, герметизации соединений,

содержащие загустители (мыла, церезин, силикаты).

6.Продукты, используемые для нефтехимического синтеза (мазут, широкая фракция и др.).

Нефтепродукты, используемые в качестве топлив и смазочных материалов, должны удовлетворять определенным требованиям. Так, основными эксплуатационными характеристиками нефтяных смазочных масел являются вязкость, вязкостно-температурные свойства, маслянистость, подвижность при низких температурах, химическая стабильность, защитные свойства. К аналогичным характеристикам топлив для двигателей внутреннего сгорания относятся детонационная стойкость, фракционный состав, химическая стабильность, антикоррозионные свойства, а для дизельных топлив также вязкость, температура застывания и коксуемость. Важнейшей характеристикой моторных топлив является их устойчивость к детонации — детонационная стойкость.

Детонацией называется особый ненормальный режим сгорания топлива в двигателе, при котором часть топливной смеси, находящаяся перед фронтом пламени, воспламеняется мгновенно, в результате чего скорость распространения пламени достигает 1500—2500 м/с. Это приводит к резкому скачкообразному возрастанию давления в цилиндре и возникновению ударной детонационной волны. На режиме детонации мощность двигателя падает, расход топлива увеличивается и ускоряется износ деталей.

Мерой детонационной стойкости для карбюраторных двигателей является октановое, а для дизельных двигателей - цетановое числа. В основе их определения лежит принцип сравнения испытуемого топлива со смесями эталонных топлив.

Октановым числом (ОЧ) называется условная единица измерения детонационной стойкости, численно равная содержанию в объемных процентах изооктана (2,2,4-триметилпентана) в смеси с н-гептаном, которая детонирует при той же степени сжатия в цилиндре карбюраторного двигателя, что и топливо.

При этом октановое число изооктана СН₃-С(СН₃)₂–СН₂-СН(СН₃)-СН₃ принимается равным 100, а н-гептана СН₃-(СН₂)₅-СН₃ равным 0.

Октановое число зависит от класса, молекулярной массы и строения углеводорода, как это видно из нижеприведенных данных.

Октановое число повышается с увеличением молярной массы:

С₂Н₆ С₄Н₁₀ С₆Н₁₄ С₇Н₁₆ ;

0 26 93 125

степени разветвленности углеродной цепи:

СНз-(СН₂)₅-СНз 0

СН₃-С(СНз)2-СН₂-СН₂-СНз 19

СН₃-С(СНз)₂-СН(СНз)-СН₃ 104

и при переходе от алканов к алкенам, нафтенам и ароматическим углеводородам с одинаковым числом углеродных атомов:

С₆Н₁₄ С₆Н₁₂ цикло-С₆Н₁₂ С₆Н₆

26 63 77 106 .

Цетановым числом (ЦТ) называется условная единица измерения детонационной стойкости, численно равная содержанию в объемных процентах цетана (гексадекана) в смеси с

α-метилнафталином, которая детонирует при той же степени сжатия в цилиндре дизеля, что и топливо.

При этом цетановое число цетана С₁₆Н₃₄ принимается равным 100, а α-метилнафталина α-С₁₀Н₇-СН₃ равным нулю.

Общая схема переработки нефти

В общем случае переработка нефти на нефтепродукты включает ее подготовку и процессы первичной и вторичной переработки.

Подготовка извлеченной из недр нефти ставит целью удаление из нее механических примесей, растворенных солей и воды и стабилизацию по составу. Эти операции проводят как непосредственно на нефтяных промыслах, так и на нефтеперерабатывающих заводах.

Первичная переработка нефти (первичные процессы) заключается в разделении ее на отдельные фракции (дистилляты), каждая из которых представляет смесь углеводородов. Первичная переработка является физическим процессом и не затрагивает химической природы и строения содержащихся в нефти соединений. Важнейшим из первичных процессов является прямая гонка нефти.

Вторичная нефтепереработка (вторичные процессы) представляет собой разнообразные процессы переработки нефтепродуктов, полученных методом прямой гонки. Эти процессы сопровождаются деструктивными превращениями содержащихся в нефтепродуктах углеводородов и изменением их природы, то есть являются химическими процессами.

Вторичные процессы нефтепереработки весьма многообразны. Они подразделяются:

а) по назначению на:

—процессы, проводимые с целью повышения выхода легкокипящих фракций за счет высококипящих (крекинг);

—процессы, проводимые с целью изменения углеводородного состава сырья (риформинг);

—процессы синтеза индивидуальных углеводородов (алкилирование);

—процессы удаления из нефтепродуктов примесей (гидроочистка);

б) по условиям протекания на:

—термические процессы, протекающие под воздействием высоких температур и давлений;

—каталитические процессы, протекающие под воздействием высоких температур в присутствии катализаторов;

в) по состоянию перерабатываемого сырья на:

—процессы в жидкой фазе;

—процессы в паровой фазе.

Важнейшими из вторичных процессов является термический и каталитический крекинг, риформинг, алкилирование, коксование и гидроочистка нефтепродуктов. На рис. 1.1 представлена общая схема переработки нефти и нефтепродуктов.

Подготовка нефти к переработке

Извлеченная из скважин сырая нефть содержит попутные газы (50—100 м³/т), пластовую воду (200—300 кг/т) и растворенные в воде минеральные соли (10—15 кг/т), которые отрицательно сказываются на транспортировке, хранении и последующей переработке ее. Поэтому подготовка нефти к переработке обязательно включает следующие операции:

—удаление попутных (растворенных в нефти) газов или стабилизация нефти;

—обессоливание нефти;

—обезвоживание (дегидратация) нефти.

Стабилизированная нефть

В настоящее время разрабатываются методы магистральной транспортировки газонасыщенных нефтей, то есть доставки потребителю нефти и газа по одному трубопроводу. Это позволяет уменьшить расход энергии на перекачку продукта за счет снижения его вязкости и более полно утилизировать попутные нефтяные газы.

Стабилизация нефти. Сырая нефть содержит значительное количество растворенных в ней легких углеводородов C₁—С₄. При транспортировке и хранении нефти они могут выделяться, вследствие чего состав нефти будет меняться. Чтобы избежать потери газа и вместе с ним легких бензиновых фракций и предотвратить загрязнение атмосферы, эти продукты должны быть извлечены из нефти до ее переработки. Подобный процесс выделения легких углеводородов из нефти в виде попутного газа называется стабилизацией нефти. В зависимости от условий стабилизацию нефти осуществляют методом сепарации непосредственно в районе ее добычи на замерных установках, дожим-ных станциях и УПН или на газоперерабатывающих заводах.

В первом случае попутный газ отделяют от нефти многоступенчатой сепарацией в сепараторах-газоотделителях (траппах), в которых последовательно снижаются давление и скорость потока нефти. В результате происходит десорбция газов, совместно с которыми удаляются и затем конденсируются летучие жидкие углеводороды, образуя «газовый конденсат». При сепара-ционном методе стабилизации в нефти остается до 2% углеводородов состава C₁—C₄.

Обессоливание и обезвоживание нефти. Удаление из нефти солей и воды происходит на промысловых установках подготовки нефти и непосредственно на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ).

В обоих случаях процессы обессоливания и обезвоживания нефти связаны с необходимостью разрушения эмульсий, которые образует с нефтью вода. При этом на промыслах разрушаются эмульсии естественного происхождения, образовавшиеся в процессе добычи нефти, а на заводе — искусственные эмульсии, полученные при многократной промывке нефти водой для удаления из нее солей. После обработки содержание воды и хлоридов металлов в нефти снижается на первой стадии до 0,5— 1,0% и 100—1100 мг/л соответственно, и на второй стадии до 0,05—0,1% и 3—5 мг/л.

Для разрушения нефтяных эмульсий используются механические (отстаивание), термические (нагревание), химические и электрические методы. При химическом методе обезвоживания нагретую нефтяную эмульсию обрабатывают деэмульгаторами. В качестве последних используются различные неиногенные ПАВ типа защитных коллоидов: оксиэтилированные жирные кислоты, метил- и карбоксиметилцеллюлоза, лигносульфоно-вые кислоты и др. Наиболее эффективное удаление солей и воды достигается при электротермохимическом методе обессолива-ния, в котором сочетаются термохимическое отстаивание и разрушение эмульсии в электрическом поле.

Установки электротермохимического удаления солей и воды, или электрообессоливающие установки (ЭЛОУ), используются как на промыслах, так и на нефтеперегонных заводах. В этом методе разрушение нефтяной эмульсии происходит в аппаратах — электродегидрататорах под воздействием переменного тока напряжением 30—45 кВ, что вызывает передвижение и слипание капель воды, содержащих соли, и ее отделение от нефти. Обессоливание и обезвоживание нефти увеличивает сроки межремонтной работы установок гонки нефти и снижает расход тепла, а также уменьшает расход реагентов и катализаторов в процессах вторичной переработки нефтепродуктов.

Первичная перегонка нефти

Первичная перегонка нефти (прямая гонка) — процесс переработки нефти, основанный на разделении смеси составляющих ее углеводородов методом фракционной разгонки (ректификации) на отдельные дистилляты (фракции) с определенными интервалами температур кипения. Прямой гонке подвергается вся добываемая нефть. В соответствии с назначением получаемых дистиллятов различают три варианта прямой гонки:

—топливный процесс (получение различных видов топлив);

—топливно-масляный процесс (получение топлив и масел);

—нефтехимический процесс (получение сырья для химического производства).

Процесс прямой гонки проводится в установках трубчатого типа (название — по названию трубчатых печей), которые включают трубчатые печи различного типа, ректификационные и отпарные колонны, теплообменники и холодильники. В зависимости от глубины переработки нефти установки прямой гонки делятся на:

—одноступенчатые, работающие при атмосферном давлении (AT), и

—двухступенчатые (атмосферно-вакуумные АВТ), в которых одна ступень работает при атмосферном давлении, а другая при остаточном давлении 5—1 кПа.

Продуктами прямой гонки на установках AT являются моторные топлива (бензин, авиационный керосин), дизельное топливо и значительное количество остатка — мазута. На установках АВТ на второй ступени подвергается разгонке мазут с образованием смазочных масел и остатка — гудрона, перерабатываемого в битум, пек, нефтяной кокс. Этим на установках АВТ достигается большая глубина переработки нефти, нежели на установках AT.

Аппаратура, применяемая при прямой гонке нефти и других процессах нефтепереработки, должна обеспечивать нагревание сырья до высоких температур, при которых процесс протекает с достаточной скоростью и достаточно четким разделением получаемых продуктов. Основными аппаратами в этих процессах нефтепереработки являются трубчатые печи и ректификационные колонны.

В трубчатых печах нефть и мазут проходят по трубам, расположенным внутри печи, и нагреваются за счет теплоты сгорания жидкого или газообразного топлива. Печь состоит из двух камер: радиационной, где размещаются горелки и радиантные трубы, воспринимающие теплоту излучения, и конвекционной, в которой расположены трубы, обогреваемые дымовыми газами, выходящими из камеры радиации. Конструкции трубчатых печей весьма разнообразны. Они различаются способом передачи тепла (радиантные, конвекционные, радиантно-конвекционные), способом сжигания топлива (с пламенным и беспламенным горением), расположением труб змеевика. Экономически наиболее эффективным являются печи беспламенного типа с излучающими стенками. Производительность трубчатых печей установок АВТ составляет от 100 до 1000 т/ч при коэффициенте полезного действия (коэффициенте использования теплоты) до 10% . Из многочисленных конструкций ректификационных колонн в установках прямой гонки используются, главным образом, барботажные колпачковые колонны тарельчатого типа. Они содержат от 30 до 60 тарелок прямоточного действия с подвижными клапанами, что обеспечивает динамический режим работы колонны и постоянство скорости паров ректифицируемого продукта.

Состав и выход продуктов прямой гонки зависят от типа процесса и состава перегоняемой нефти. В табл. 1. приведен выход дистиллятов прямой гонки нефти по топливно-масляному варианту процесса.

Таблица 1. - Состав продуктов прямой гонки

Продукты	Интервал температур	Выход,%
	кипения, °С
Пepвая 1 ступень АВТ
Бензин	до 170	14,5
Лигроин	160—200	7,5
Керосин	200—300	11,0
Дизельное топливо	300—350	5,0
Мазут (остаток)	выше 350	55,0
Вторая	ступень АВТ (перегонка мазута)
Веретенное масло	230—250	10—12
Машинное масло	260—305	5
Легкое цилиндровое масло	315—325	3
Тяжелое цилиндровое масло	350-370	7
Гудрон (остаток)	выше 370	27—30

На современных нефтеперерабатывающих заводах используются комбинированные установки ЭЛОУ—АВТ, в которых совмещены процессы обессоливания и прямой гонки нефти. Мощность их достигает 6 млн т перерабатываемой нефти в год. Применение комбинированных установок значительно улучшает технико-экономические показатели процесса переработки нефти. Расходные коэффициенты для таких установок составляют: пар 49 кг, вода 4,1 м³, электроэнергия 37,5-10³ кДж, жидкое топливо 33,4 т на 1 т перерабатываемой нефти.

Крекинг нефтепродуктов

Крекингом называется вторичный процесс переработки нефтепродуктов, проводимый с целью повышения общего выхода бензина. Применение вторичных процессов в нефтепереработке позволяет увеличить на 30—35% выход светлых продуктов (моторных топлив), повысить их антидетонационные свойства и термическую стабильность, а также расширить диапазон производимого переработкой нефти химического сырья.

Крекинг нефтепродуктов может быть термическим и каталитическим. Термический крекинг проводится при температурах от 420 до 550°С и давлениях до 5 МПа. В настоящее время термический крекинг используется для получения ограниченного числа продуктов: котельного топлива из гудрона (висбрекинг), высокоароматизированного сырья, сырья для технического углерода (сажи), α-олефинов для производства моющих веществ. Для получения светлых нефтепродуктов, в том числе бензина, используется преимущественно метод каталитического крекинга. Это объясняется тем, что каталитические процессы нефтепереработки по сравнению с термическими имеют ряд преимуществ. К ним относятся:

—высокая скорость превращений углеводородов и, как следствие, более мягкие условия процесса и меньшие энергозатраты;

—увеличенный выход товарных продуктов, в том числе высокого качества (октановое число, стабильность);

—возможность проведения процесса в заданном направлении и получение продуктов определенного состава;

—использование сырья с высоким содержанием серы вследствие гидрирования сернистых соединений и выведения их в газовую фазу.

Термохимические превращения углеводородов

При высоких температурах углеводороды нефтяного сырья подвергаются разнообразным превращениям. Это первичные реакции деструкции, приводящие к образованию продуктов с меньшей молекулярной массой, и вторичные реакции изомеризации и конденсации, в результате которых образуются продукты с той же или большей молекулярной массой.

Тип этих реакций и, следовательно, скорость, глубина и последовательность превращений зависят от стабильности углеводородов различных классов в условиях крекинга. Мерой стабильности с достаточной степенью точности может служить величина изобарно-изотермического потенциала образования углеводородов AG°_o6, который является сильной функцией температуры. В табл. 1.2 приведены значения AG°_об углеводородов различных классов с одинаковым числом атомов углерода и углеводородов одного класса (алканов) с различным числом атомов углерода.

Из табл.2 можно сделать следующие выводы:

1 При низкой температуре (291°К) углеводороды различных классов, но с одинаковым числом углеродных атомов в молекуле, по уменьшению их стабильности располагаются в ряд (ряд термической устойчивости)

C_nH_2n+2>∆C_nH_2n>C_nH_2n>C_nH_2n-6 .

Таблица 2 - Значения ∆G°_об , кДж/моль углерода

Углеводород	Формула	Температура,°К
		291	100	1200
Гексан Циклогексан Гексен-1 Бензол	С6Н14 С6Н12 С6Н12 С6Н6	-0,29 31,1 17,6 129,9	317,9 221,2	554,9 300,5
Метан Этан Пропан Бутан	СН4 С2Н6 С3Н1 С4Н10	-50,1 -32,9 -23,5  -17,1	-2,3 66,6 127,4 115,0	41,0 151,6 255,4 355,1

2 Термодинамическая устойчивость углеводородов всех классов понижается с ростом температуры, но в различной степени, поэтому при высокой температуре (температуре крекинга) положение углеводородов в ряду термической устойчивости меняется:

C_nH_2n-6>C_nH_2n>∆C_nH_2n>C_nH_2n+2 .

3 Термическая устойчивость углеводородов одного класса падает с увеличением их молекулярной массы (числа атомов углерода).

Таким образом, при температуре крекинга в первую очередь деструкции подвергаются алканы и нафтены преимущественно с высокой молекулярной массой, а наиболее устойчивыми являются ароматические углеводороды и алкены. В результате в продуктах крекинга накапливаются ароматические углеводороды и низшие алкены, которые затем вступают во вторичные реакции полимеризации.

Крекинг нефтяного сырья в присутствии катализаторов (каталитический крекинг) имеет ряд особенностей, которые обусловили широкое использование его в нефтеперерабатывающей промышленности для производства моторных топлив. К этим особенностям относятся:

—высокая скорость процесса, в 500—4000 раз превышающая скорость процесса термического крекинга;

—увеличенный выход бензинов с большим содержанием изоалканов и малым содержанием алкенов, характеризующихся высоким октановым числом и стабильностью при хранении;

—большой выход газообразных продуктов, содержащих углеводороды C₁—C₄, являющихся сырьем для органического синтеза.

К катализаторам, используемым в каталитическом крекинге, предъявляются следующие требования:

—селективность;

—высокая активность при температуре крекинга,

—стабильность активности;

—устойчивость к истиранию, действию высоких температур и водяного пара.

Мерой активности катализатора при крекинге является «индекс активности», определяемый экспериментально на лабораторных установках. Индекс активности равен выходу бензина, перегоняющегося до 200°С при крекинге эталонного сырья в стандартных условиях.

Стабильностью катализатора называется его способность сохранять свою активность во время эксплуатации. Катализаторы каталитического крекинга достаточно быстро дезактивируются вследствие отложения на поверхности зерен кокса и нуждаются в регенерации.

В каталитическом крекинге в качестве катализаторов ранее применялись природные глины с содержанием оксида алюминия до 25% и индексом активности около 35. В настоящее время все установки каталитического крекинга работают на синтетических алюмосиликатных катализаторах, содержащих в своем составе цеолиты с индексом активности около 50: nNa₂O·mAl₂O₃·pSiO₂·qH₂O. Селективность катализатора может быть повышена введением в его состав оксида рения.

Носителем активности подобных катализаторов является гидратированный алюмосиликат HAlO₂·SiO₂, сохраняющий активность до 700°С. Все реакции, протекающие на поверхности алюмосиликатного катализатора, имеют цепной характер. Последовательность реакций крекинга углеводородов различных классов определяется скоростью адсорбции их на зернах катализатора, так как при температуре крекинга процесс идет в диффузионной области и лимитируется скоростью диффузии молекул сырья к поверхности катализатора. При этом ароматические углеводороды деалкилируются с образованием алке-нов и простейших ароматических углеводородов, нафтены дегидрируются, деалкилируются и расщепляются с разрывом цикла. Алкены, образовавшиеся при крекинге, деструктируют-ся, изомеризуются и гидрируются с образованием циклических и ароматических углеводородов.

Важнейшим направлением превращений при каталитическом крекинге являются реакции алканов, которые подвергаются реакциям деструкции и изомеризации. Последовательность реакций алканов на алюмосиликатном катализаторе может быть представлена в следующем виде.

1 Протонирование катализатора:

HAlO₂·SiO₂↔HAlSiO₄↔H⁺ + AlSiO₄^-

2 Дегидрирование алкана до алкена под воздействием тер мического фактора:

R-CH₂-CH₂-CH₃ ↔R-CH=CH-CH₃ + Н₂

3 Образование вторичного карбкатиона:

R-CH=CH-CH₃ + H⁺ ↔ R-C⁺h-CH₂-CH₃

4 Превращение вторичного карбкатиона по двум схемам:

1) крекинг до алкена:

R–C⁺H=CH₂÷CH₃↔R-CH=CH₂+C⁺H₃ ;

2) изометрия в стабильный третичный карбкатион через рестабильный первичный карбкатион с образованием конечных продуктов — изоалкана и изоалкена и вторичного карбкатиона, генерирующего цепь.

Распад молекул алканов может происходить в различных участках углеродной цепи, однако вероятность распада с образованием метана, этана и этилена незначительна. Поэтому в газе каталитического крекинга содержатся преимущественно углеводороды С₃—С₄. Таким образом, при каталитическом крекинге образуются преимущественно алканы и алкены изостро-ения и ароматические углеводороды и крекинг-бензин имеет высокое октановое число.

Вследствие низкой энергии активации реакций на алюмосиликатных катализаторах скорость их незначительно зависит от температуры. Она определяется, главным образом, активностью катализатора. Давление влияет на скорость реакций поликонденсации и коксообразования и практически не оказывает влияния на скорость распада углеводородов, протекающих на поверхности катализатора.

Характерной особенностью процесса каталитического крекинга является перераспределение (диспропорционирование) водорода. Это явление связано с тем, что в системе протекают одновременно как реакции дегидрирования с образованием алкенов, полимеризующихся на поверхности катализатора до кокса, так и реакции гидрирования и образования насыщенных соединений. Таким образом, в процессе крекинга одни молекулы обедняются водородом, а другие им насыщаются. Перераспределение водорода в процессе каталитического крекинга вызывает отложение кокса на поверхности катализатора и потерю его активности. Вследствие этого появляется необходимость в непрерывной регенерации катализатора, что достигается выжиганием кокса в токе воздуха. Поэтому работа катализатора при крекинге складывается из двух последовательных стадий: рабочего процесса в реакторе и восстановления активности в регенераторе (регенерация).

Существующие установки каталитического крекинга делятся на три типа:

—периодического действия со стационарным слоем катализатора;

—непрерывного действия с движущимся слоем катализатора;

—непрерывного действия с кипящим слоем микросферического или пылевидного катализатора. Установки этого типа наиболее распространены.

Сырьем для каталитического крекинга служат нефтепродукты, выкипающие в интервале 200—500°С. К ним относятся:

—широкая фракция прямой гонки мазута;

—соляровая фракция термического крекинга;

—газойль коксования нефтяных остатков.

Сырье должно удовлетворять определенным требованиям по содержанию смол, сернистых и азотистых соединений. Поэтому перед крекингом его подвергают гидроочистке.

Основными параметрами процесса каталитического крекинга являются температура, время контактирования паров сырья с катализатором и кратность циркуляции катализатора. Современные промышленные процессы каталитического крекинга используют непрерывно циркулирующий поток катализатора. Отношение массы катализатора к массе сырья, подаваемых в реактор, называется кратностью циркуляции катализатора (кг/кг):

N = т_к/т_с , (1.2)

где: т_к — масса катализатора, подаваемая в реактор, кг/ч;

т_с - масса сырья, подаваемая в реактор, кг/ч.

От кратности циркуляции катализатора зависят время пребывания его в зоне реакции и степень его закоксованности, а также количество теплоты, вносимой с катализатором в реактор как теплоносителем. С увеличением кратности циркуляции возрастает активность катализатора, повышается выход бензина и газа, но увеличиваются размеры регенератора и расход энергии на транспортировку катализатора в установке. Оптимальные значения параметров каталитического крекинга: температура 410—490° С, давление 0,1—0,2 МПа, объемная скорость сырья 1,5—3,0 ч^-1, кратность циркуляции катализатора 2,5—7,0 кг/кг.

Основными аппаратами установки каталитического крекинга являются реактор кипящего слоя и регенератор катализатора кипящего слоя. Реактор крекинга «КС» представляет цилиндрический стальной аппарат диаметром 4 м и высотой 40 м с верхним штуцером для ввода паров сырья и нижним — для вывода отработанного катализатора. Внутренний объем реактора разделен на три зоны: реакционную, отпарную и отстойную. В отпарную зону подается водяной пар для отделения адсорбированных на катализаторе углеводородов. Реакционная зона реактора заполнена кипящим слоем катализатора, который создается парами сырья высотой 5—6 м и плотностью 400 кг/м³. Производительность реакторов составляет 100 т/сутки.

Регенератор катализатора «КС» выполнен в виде стального цилиндрического аппарата диаметром 12 м и высотой 30 м, футерованного изнутри огнеупорным кирпичом. Регенератор внутри разбит на зоны, в каждой из которых размещены устройства для подвода воздуха, вывода газов регенерации и змеевики для отвода реакционного тепла. Кипящий слой в регенераторе создается током воздуха. Температура выжигания кокса в регенераторе составляет 650—720°С при расходе 12—15 кг воздуха на кг кокса. Производительность регенератора характеризуется массой кокса, выжигаемого в единицу времени с единицы реакционного объема.  Для  установок с микросферическим катализатором она составляет 12 - 14 кг/ч·м³.

Продуктами каталитического крекинга являются крекинг-бензин, легкий газойль (дизельное топливо), тяжелый газойль (широкая фракция) и крекинг-газ. В табл. 3 представлены выход и состав продуктов каталитического крекинга.

Таблица 3 - Выход и состав продуктов каталитического крекинга

Продукт	Выход, % массовых от сырья	Состав отбираемой фракции	Температура, °С
Крекинг -газ	10—20	Углеводороды Сз—C5 10%, из них изостро-ения до 40%
Крекинг-бензин	30—55	Изоалкены 25 %, изо-алканы до 55%, ароматические углеводороды 20-30%	до 195
Дизельное топливо	25—30	Ароматические углеводороды 40—10%	195-350
Широкая фракция	5—20	Конденсированные углеводороды 40—60%	350

Выход кокса при каталитическом крекинге составляет 4 - 1%.

Расходные коэффициенты для установки крекинга «КС» (на 1т сырья): топливо жидкое 6,7 кг, топливо газообразное 9,5 кг, электроэнергия 3,2-10⁵ кДж, катализатор 1,9 кг, водяной пар (потребляемый) 270 кг, водяной пар (вырабатываемый) 615 кг.

Другие виды крекинг-процессов: гидрокрекинг нефтепродуктов. Он относится к так называемым гидрогенизационным процессам нефтепереработки и проводится в среде водорода при высоких температуре и давлении, в присутствии бифункциональных катализаторов, катализирующих одновременно реакции расщепления, изомеризации и гидрирования углеводородов.

- каталитический риформинг нефтепродуктов.  Риформингом называется вторичный процесс переработки нефтепродуктов, проводимый с целью получения индивидуальных ароматических углеводородов, водорода или бензина с повышенным содержанием ароматических углеводородов. Процесс риформинга проводится в присутствии катализаторов (каталитический риформинг).

Физико-химические основы процесса

В условиях каталитического риформинга превращениям на катализаторе подвергаются углеводороды всех классов. Важнейшими реакциями при этом являются следующие.

1 Дегидроциклизация и изомеризация алканов:

2 Дегидрирование шестичленных и изомеризация с расширением цикла и дегидрирование пятичленных нафтенов:

3Циклодегидрирование

4 Деалкилирование и дегидроконденсация ароматических углеводородов:

Реакции конденсации приводят к образованию кокса, отлагающегося на поверхности катализатора и дезактивирующего его. Чтобы уменьшить отложение кокса, процесс риформинга проводят в атмосфере водорода. Однако повышение давления водорода смещает равновесие реакций дегидрирования и дегид-роциклизации влево. Поэтому оптимальное парциальное давление водорода в процессе риформинга определяется совместным влиянием обоих факторов. Очевидно, что интенсивность отложения кокса на катализаторе зависит от давления водорода: она незначительна при высоком давлении и весьма существенна при низком. Так как высокая закоксованность катализатора вызывает необходимость его регенерации, то в зависимости от давления процесс риформинга может проводиться в двух технологических вариантах:

—без регенерации катализатора и

—с регенерацией катализатора (ультраформинг).

Выбор катализатора риформинга определяется механизмом реакций, протекающих на нем. Реакции гидрирования и дегидрирования протекают по окислительно-восстановительному механизму и катализируются металлами, реакции изомеризации и гидрокрекинга протекают по ионному механизму и катализируются кислотами. Поэтому в каталитическом крекинге используются бифункциональные катализаторы состава {Me + + Al₂Оз}, где: Me = молибден, платина, рений, Al₂O₃ — катализатор изомеризации, промотируемый фторидами или хлоридами металлов, являющийся одновременно носителем.

В соответствии с природой катализатора различают следующие разновидности процесса риформинга:

—платформинг (катализатор — платина),

—рениформинг (катализатор — рений),

—риформинг на молибденовом катализаторе.

Вследствие низкой активности молибденовых катализаторов они в настоящее время в промышленности не используются. Высокой активностью и селективностью обладают полиметаллические катализаторы, содержащие платину, кадмий и рений, например, катализатор, КР-104, стабильно работающие без регенерации до одного года и обеспечивающие выход бензина с ОЧ до 90. Все катализаторы на основе платины чувствительны к каталитическим ядам, к числу которых относятся соединения серы, азота и некоторых металлов. Поэтому сырье перед подачей на операцию риформинга подвергается гидроочистке и сушке.

Превращения углеводородов при риформинге описываются уравнением реакции 1 порядка

U = к_ср(а-х),

где к_ср — усредненная константа скорости.

Тепловой эффект процесса зависит от удельного веса в нем эндотермических реакций ароматизации (∆Н₁) и, следовательно, от содержания в сырье нафтенов и экзотермических реакций гидрокрекинга (∆Н₂). Соотношение это таково, что суммарный тепловой эффект риформинга ∆Н = ∆Н₁ - ∆Н₂ < 0. Рифор-минг на платиновом катализаторе (платформинг) характеризуется следующими параметрами процесса:

—температура 470—520 С,

—давление водородсодержащего газа 2—1 МПа,

—объемная скорость сырья 1 — 2ч^-1,

—кратность циркуляции водородсодержащего газа 1300— 1100 м³/м³. Понижение температуры приводит к увеличению выхода бензина и уменьшению содержания в них ароматических углеводородов. Повышение давления снижает скорость образования газа и кокса, но уменьшает выход ароматических углеводородов. Снижение объемной скорости сырья влияет аналогично повышению температуры, однако при меньших скоростях возрастает объем аппаратуры и падает экономичность процесса.

Технология каталитического риформинга

В зависимости от цели процесса существует две разновидности каталитического риформинга:

—ароматизация — получение ароматических индивидуаль- ных углеводородов и

—облагораживание бензина — получение бензина с высоким содержанием ароматических углеводородов и высоким ОЧ.

Эти процессы различаются природой сырья, технологическим режимом и составом получаемых продуктов. В табл.4 приведены основные данные по этим процессам платформинга.

Таблица 4 - Характеристика процессов платформинга

Характеристика	Вариант платформинга
	Облагораживание	Ароматизация
Цель процесса	Повышение октаново-	Синтез индивидуальных
	го числа бензина	углеводородов
Сырье	Широкая фракция бен-	Узкие фракции бензина
	зина прямой гонки	прямой гонки
Температура, °С	410—520	410—520
Давление, МПа	3—4	2
Продукты процесса	Катализат 15%,	Бензол, толуол,
	газ 15%	ксилолы
Применение продуктов	Автобензин, газ для	Сырье для органическо-
	гидрокрекинга	го синтеза

Установки каталитического риформинга состоят из трех блоков:

—блока предварительной гидроочистки сырья;

—блока платформинга очищенного сырья (гидрогената);

—блока стабилизации бензина (катализата) в случае облагораживания бензина или блока выделения углеводородов в случае ароматизации.

Установки платформинга по режиму работы делятся на:

—установки со стационарным слоем катализатора и

—установки с движущимся слоем катализатора.

Технологический процесс платформинга, проводимый с целью получения индивидуальных ароматических углеводородов (ароматизация), не отличается принципиально по аппаратуре и условиям от процесса облагораживания бензина, но имеет ряд особенностей:

1   Сырье (бензин прямой гонки) предварительно разгоняется на узкие фракции, каждая из которых ароматизируется отдельно. Отбирают фракции с интервалами температур кипения: головная до 60°С, бензольная 62—15°С, толуольная 15—115°С и ксилольная 115—150°С.

2   Полученные ароматические углеводороды выделяются из ароматизированных фракций экстракцией этиленгликолем или диэтиленгликолем, в которых не растворяются алканы и нафтены.

3   Смесь ксилолов разделяется сверхчеткой ректификацией на колонне с 320 тарелками, а пара- и метаизомеры — кристаллизацией.

Выход ароматических углеводородов при ароматизиции составляет от массы бензина: бензол 25%, толуол 30%, ксилолы 20—30%, газ, содержащий водород, метан, этан и пропан до 20%.

Очистка нефтепродуктов

Полученные в результате прямой гонки и различных вторичных процессов нефтепродукты содержат компоненты, отрицательно сказывающиеся на их эксплуатационных свойствах. В светлых нефтепродуктах (бензин, керосин, дизельное топливо) содержатся алкены и алкадиены, органические соединения серы (тиоспирты тиоэфиры), нефтяные кислоты, высшие амины и азотсодержащие гетероциклы. Помимо этих примесей в дизельном топливе присутствуют высшие алканы с температурой затвердевания -10°С и выше, которые кристаллизуются при низких температурах. В нефтяных маслах, полученных разгонкой мазута, могут содержаться также смолы и полициклические ароматические углеводороды с боковыми цепями.

Многие из этих соединений вызывают нестабильность свойств нефтепродуктов при хранении и транспортировке, кор-розию аппаратуры, образование нагара и токсичных продуктов сгорания. Для их удаления используют методы депарафи-низации и очистки нефтепродуктов.

Депарафинизацией называется процесс выделения из нефтепродуктов твердых углеводородов, выпадающих в виде кристаллов при охлаждении. Наиболее распространенным методом депарафинизации стал метод с использованием селективных растворителей, основанный на различной растворимости углеводородов. В качестве растворителей используются ацетонто-луольная или метилэтилкетон-толуольная смесь и спиртовой раствор карбамида. При карбамидной депарафинизации карбамид образует с алканами нормального строения с числом углеродных атомов более шести и циклическими углеводородами с длинными алифатическими радикалами кристаллические комплексы

RH + CO(NH₂)₂ ↔ RH · CO(NH₂)₂ -∆Н .

Полнота извлечения алканов возрастает с понижением температуры (-∆Н), увеличением времени обработки нефтепродуктов растворителем и снижением вязкости системы. Для этого используют растворители, хорошо растворяющие как алканы, так и карбамид. Образовавшиеся кристаллические комплексы отделяют от нефтепродуктов отстаиванием, фильтрованием или центрифугированием. Для очистки нефтепродуктов от примесей используются методы адсорбции, абсорбции и гидрирования.

При адсорбционной очистке в качестве адсорбентов используют естественные глины, синтетические алюмосиликаты, активированный уголь. Для повышения адсорбционной активности поглотители предварительно активируют обработкой кислотами и прокаливанием и диспергируют до размеров частиц около 0,1 мм.

При абсорбционной очистке используют такие селективные растворители, как фенол, фурфурол, смесь фенола с пропаном, жидкий оксид серы (IV), серная кислота, гидроксид натрия. Так, например, при щелочной абсорбционной очистке протекают реакции:

H₂S + 2NaOH = Na₂S + 2Н₂О, RSH + NaOH = RSNa + H₂O,

RCOOH + NaOH = RCOONa + H₂O

с образованием соединений, растворимых в воде и удаляемых при очистке.

При кислотной очистке из нефтепродуктов удаляются, главным образом, алкены, ароматические углеводороды и некоторые соединения серы:

R-CH=CH₂ + H₂SO₄ = R-CH(OSO₃H)-CH₃,

С₆Н₆ + H₂SO₄ = C₆H₅OSO₃H + H₂O,

H₂S + H₂SO₄ = S + SO₂ + 2H₂O,

2RSH + H₂SO₄ = R-S-S-R + SO₂ + 2H₂O .

Технологическая схема абсорбционной очистки нефтепродуктов включает операции экстракции, разделения образующихся фаз, непрерывной регенерации растворителя и его обезвоживания.

Заключительной операцией очистки нефтепродуктов, которую проходят почти все нефтяные топлива прямой гонки, крекинга и риформинга, является гидроочистка. Ее используют также для облагораживания смазочных масел. Гидроочистка представляет одну из разновидностей гидрогенизационного процесса и протекает в условиях, близких к условиям гидрокрекинга и на тех же катализаторах.

В процессе гидроочистки из нефтепродуктов удаляются соединения серы, азота, кислорода и некоторых металлов и гидрируются ненасыщенные углеводороды:

RSH + H₂ = RH + H₂S

R₂S + 2H₂ = 2RH + H₂S

RNH₂ + H₂ = RH + NH₃

ROH + H₂ = RH + H₂O

R-CH=CH₂ + H₂ = R-CH₂-CH₃ .

Образовавшиеся продукты гидрирования отделяются от нефтепродуктов путем поглощения их сорбентами (этаноламин, раствор гидроксида натрия).

Коксование нефтяных остатков

Коксованием называется термохимический процесс превращения тяжелых остатков нефтепереработки (гудрон, асфальт, крекинг-остаток) в нефтяной кокс и светлые нефтепродукты (бензин, газойль). Коксование позволяет не только получать беззольный электродный кокс, но и увеличить выход светлых нефтепродуктов за счет расщепления высококипящих углеводородов коксуемых остатков и тем самым повысить глубину переработки тяжелого нефтяного сырья.

Коксования нефтяных остатков может проводиться в установках различного типа:

—в горизонтальных кубах периодического действия;

—в необогреваемых коксовых камерах полунепрерывного действия;

—в реакторах кипящего слоя непрерывного действия.

При коксовании в кипящем слое нагретое сырье контактирует в реакторе «КС» с подвижным, нагретым до более высокой температуры, чем сырье, инертным теплоносителем и коксуется на поверхности частиц этого теплоносителя. В современных установках этого типа (рис.1. 14) теплоносителем является гранулированный кокс с размерами частиц до 0,3 мм, который создает в реакторе кипящий слой.

В этом кипящем слое одновременно протекают три процесса:

— собственно коксование, сопровождающееся образованием продуктов разложения и уплотнения;

—прокаливание кокса и удаление из него летучих веществ;

—вторичные реакции продуктов коксования в паровой фазе.

Жидкое сырье подается в реактор, в котором поступающим снизу водяным паром создается кипящий слой кокса. Парогазовая смесь продуктов коксования поступает в парциальный конденсатор реактора, где разделяется на газ, бензиновый дистиллят, направляемый на ректификацию, и газойль. Коксовый теплоноситель из реактора подается в коксонагреватель, где частично сжигается в токе воздуха. Нагретый кокс охлаждается в коксовом холодильнике и поступает в бункер кокса, а частично возвращается в реактор. Дымовые газы из коксонагревателя проходят котел-утилизатор и выбрасываются в атмосферу.

Выход продуктов коксования (сырье — гудрон) составляет:

кокс 14%, газойль 63% , бензин 12% , газ 10%

ЛЕКЦИЯ 9. Биотехнология. Основные понятия.

Биотехнология – это совокупность промышленных методов, использующих живые организмы и биологические процессы для производства различных продуктов. Некоторые биотехнологические процессы были известны в древние времена: хлебопечение, приготовление вина, уксуса, сыра, способы обработки кожи и др. Научные основы биотехнологии были созданы благодаря работам Л. Пастера, положившим начало микробиологии, а также в результате изучения обмена веществ, ферментов и др.

Для биотехнологии характерны следующие особенности:

1. Ее процессы протекают при температуре и давлении, близких к нормальным. Это во многом альтернативная химическая технология.

Химическая технология использует в основном невозобновляемые источники сырья – нефть, каменный уголь, природный газ, руды, и производит в основном, увы, отходы.

Биотехнология же использует в основном возобновляемые ресурсы, а отходы ее биодеградируемы, т.е. включаются в биологический круговорот веществ. Биотехнология использует огромные запасы информации, которые накопились в генофонде живых организмов за время жизни  3 млрд. лет. Рождению тонкой биотехнологии послужили открытия последних лет. Синтез ДНК – как следствие генетическая инженерия, затем клеточная инженерия (иммунобиотехнология).

Современная биотехнология как наука возникла в начале сороковых годов и получила ускоренное развитие с 1953 г., после эпохального открытия Джеймса Уотсона и Френсиса Крика о химической структуре и пространственной организации двойной спирали молекулы ДНК. Новое стратегическое ее направление - генетическая инженерия - родилось к 1972 г., когда в лаборатории Поля Бэрга впервые была синтезирована рекомбинантная молекула ДНК, что окончательно закрепило за биотехнологией и ее центральным звеном - биоинженерией - важнейшее место в современной науке. В 50-е годы в биотехнологии возникает еще одно важное направление - клеточная инженерия. Генетическая и клеточная инженерия определили главные направления современной биотехнологии, методы которой получили широкое развитие в 80-е годы и используются во многих областях науки и производства в нашей стране и за рубежом.

Биотехнология как наука может рассматриваться в двух временных и сущностных измерениях: современном и традиционном, классическом.

Новейшая биотехнология (биоинженерия) - это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных (модифицированных) растений, животных и микроорганизмов в целях интенсификации производства и получения новых видов продуктов различного назначения.

Высшим достижением новейшей биотехнологии является генетическая трансформация, перенос чужеродных (природных или искусственно созданных) донорских генов в клетки-реципиенты растений, животных и микроорганизмов, получение трансгенных организмов с новыми или усиленными свойствами и признаками. По своим целям и возможностям в перспективе это направление является стратегическим. Оно позволяет решать принципиально новые задачи по созданию растений, животных и микроорганизмов с повышенной устойчивостью к стрессовым факторам среды, высокой продуктивностью и качеством продукции, по оздоровлению экологической обстановки в природе и всех отраслях производства.

Мощный всплеск исследований по биотехнологии в мировой науке произошел в 80-е годы, когда новые методологические и методические подходы обеспечили переход к эффективному их использованию и практике и возникла реальная возможность извлечь из этого большой экономический эффект. Научно обоснованный прогноз свидетельствует о том, что уже в начале XXI в. биотехнологическая продукция составит не менее 20% всего объема товаров, поступающих на мировой рынок.

Биотехнологические и биоинженерные методы применяются во многих отраслях науки и экономики. Их использование, особенно в генетической инженерии, может оказать существенное влияние в частности на развитие агропромышленного комплекса России. С учетом реальных достижений и значимости указанных приоритетных направлений науки ведущие биотехнологи и экономисты мира прогнозируют увеличение масштабов реализации биотехнологической продукции на мировом рынке в ближайшие годы на 20-25% от общего объема товарооборота.

Использование трансгрессивной селекции, основанной на отдаленной гибридизации, позволило решить ряд частных проблем устойчивости культурных растений к стрессовым факторам среды. Однако в целом эта проблема остается исключительно острой. В перспективе, в связи с прогнозируемым возможным ухудшением климата, она может стать еще более опасной. Что могут и что практически делают в этом направлении биотехнологи - клеточные и генные инженеры? Используя новые и новейшие, в том числе биотехнологические методы, они создали ряд генотипов растений с улучшенными или принципиально новыми качествами, с одиночной, групповой, реже комплексной устойчивостью к биотическим и абиотическим факторам среды.

Решающее значение для выполнения этой задачи имеют усилия генетиков, биотехнологов и селекционеров, направленные на идентификацию эффективных генов, детерминирующих важнейшие признаки устойчивых растений к биотическим и абиотическим стрессовым факторам среды.

Почти два десятилетия активной работы биотехнологов в селекционных и биотехнологических центрах страны позволили получить сотни и тысячи регенерантов растений, в том числе десятки и сотни с ценными свойствами: повышенной устойчивостью к засухе, высоким и низким температурам, засолению, опасным грибковым, бактериальным и вирусным заболеваниям, повышенной кислотности почвы.

Широкое распространение в мире и России получили исследования по природным фитогормонам и синтетическим регуляторам роста и развития растений как веществам, обладающим значительными биотехнологическими эффектами. Они являются составной частью питательных и селективных сред в биотехнологических исследованиях. Их использование позволяет решать практические задачи агропромышленного производства: регулирование онтогенеза растений и сроков созревания урожая, повышения его качества, устойчивости организмов к стрессовым факторам среды. Наибольшее распространение в практике АПК получили в свое время препараты антистрессового действия (картолин). К сожалению в последние годы производство регуляторов роста и развития растений и их применение в производстве резко сократилось. С учетом выявленной эффективности регуляторы роста растений в перспективе должны получить широкое распространение в науке и производстве.

Принципиально новым биотехнологическим направлением в животноводстве является получение трансгенных особей - доноров органов и тканей, используемых для лечения человека. Для этих целей в настоящее время проводятся эксперименты по получению трансгенных свиней, органы которых в наибольшей степени подходят для трансплантации в организм человека. Созданы и совершенствуются генные конструкции для интеграции в геном сельскохозяйственных животных - генов эритропоэтина, инсулиноподобного фактора, инсулина человека и др.

ЛЕКЦИЯ 10. Биотехнологические процессы в сельском хозяйстве, фармакологии.

Переработка и хранение сельскохозяйственной продукции биотехнологическим методом. Биотехнологические методы и приемы направлены на сохранение и улучшение вкусовых и других качеств продукции, основанных на применении биологических компонентов-добавок-консервантов и пищевкусовых соединений растительного и синтетического происхождения; мембранной технологии, трансгенных микроорганизмов, обеспечивающих надежную и длительную сохранность продукции. Современная промышленность, производящая витамины, аминокислоты, кормовые и пищевые добавки, почти полностью основана на современных методах биотехнологии. Объем их производства пока не удовлетворяет потребности заинтересованных отраслей и предприятий.

Биоконверсия и биоэнергетика.

Около половины валовой продукции растениеводства - солома и ботва сельскохозяйственных растений, около 300 млн. т навоза составляют органические отходы сельскохозяйственного производства. Только половина соломы и не более 30 % ботвы используется на корм скоту. Остальная солома и ботва практически не используется, сжигается или сгнивает на полях, в местах временного хранения.

Биотехнологи и инженеры предложили способы их биоконверсии – преобразования в биогаз. Из одной тонны сухого вещества навоза можно получить в специальных конверсионных установках до 400 м³ метана. Каждый кубометр метана при сжигании дает 8 тыс. мгДж энергии. Оставшиеся после биоконверсии навоза органические отходы содержат углерод, фосфор, калий, кальций, микроэлементы и могут быть использованы в виде органического удобрения. Биоконверсия навоза и других органических отходов может быть постоянным возобновляемым источником энергии и давать до 5 % от общего количества потребляемой энергии в сельском хозяйстве. Экспериментальные биоконверсионные установки в нашей стране созданы во Всероссийском институте электрификации и используются в ряде сельскохозяйственных предприятий, а также предприятий коммунального хозяйства.

Биотехнология как наука и отрасль производства переживает сегодня в мире период ускоренного развития. Россия, к сожалению, значительно отстает в этом отношении.

Общие масштабы развития биотехнологии в мире в XXI в. определяются глобальными проблемами по обеспечению необходимого уровня жизни людей и всех видов безопасности. Есть разные методы и подходы к определению потребности всего населения земного шара в ХХI в. в основных ресурсах. В обобщенном виде прогноз их роста можно представить в виде таблицы.

Прогнозные объемы производства и уровни затрат, которых необходимо достичь в XXI в (Россия).

Продовольствие	— увеличение в 2-3 раза
Энергообеспечение	— увеличение в 5-6 раз
Пресная вода (за счет опреснения)	— увеличение в 5-6 раз
Затраты на экологию	— рост в 10 раз
Затраты на регулирование климата	— в 20 раз
Затраты на поддержание здоровья населения	— в 20 раз
Затраты на восстановление и повышение плодородия почв	— в 10 раз
Затраты на восстановление лесов, лугов и пастбищ	— в 20 раз
Затраты на восстановление фауны (животного мира)	— в 10 раз
Затраты на освоение космоса	— в 20 раз
Затраты на предотвращение техногенных катастроф	— в 20 раз

С учетом реально сложившейся ситуации с ресурсами для жизнеобеспечения человечества, а также ближайшего и перспективного прогноза возможных изменений в количественных и качественных характеристиках на первое место по значимости должны быть поставлены глобальные меры по увеличению объемов потребляемой энергии в текущем столетии, как минимум, в 5-6 раз, продовольствия - в 2-3 раза, а увеличение затрат на экологическую безопасность - не менее чем в 10 раз, по сравнению с объемами и показателями конца XX - начала XXI вв.

Спорными являются цифры роста затрат на увеличение производства продовольствия - в 2-3 раза и освоение космоса в 20 раз. Масштабы продовольственного фонда ограничиваются нерегулируемыми факторами производства и прежде всего площадью пахотнопригодных земель и резервами поливной воды для орошения.

Исходя из экономической значимости биотехнологии и сегодня, и в перспективе правительства почти всех стран мира утвердили национальные программы по развитию биотехнологии и, в первую очередь, биоинженерии, и обеспечили высокий уровень их государственной поддержки и прежде всего бюджетного финансирования.

Таким образом, биопромышленность производит кормовые и пищевые белки пептиды, аминокислоты, ферменты, витамины, антибиотики, этанол, регуляторы роста растений, лечебные и иммунные препараты. В перспективе решение проблем связывания азота, синтеза белков и жиров, окисления серы в SO₂ и SO₃ и др. По мнению американских экспертов, биотехнология в наибольшей степени изменит жизнь человека в 21 веке.

Биологические процессы имеют существенные достоинства: они используют возобновляемое сырье, происходят в мягких условиях, их отходы доступны переработке. Применение биотехнологических процессов особенно выгодно экономически и технологически при производстве относительно дорогих малотоннажных продуктов.

Ферменты.Подавляющее большинство продуктов биопромышленности получают ферментацией с помощью микроорганизмов (главным образом, бактерий и грибов). Микроорганизмы очень разнообразны по строению и физиологическим свойствам, они переносят высокую кислотность, быстро размножаются. Хотя ферментация осуществляется живыми клетками, она основана на биохимическом превращении исходного субстрата под действием биологических катализаторов – ферментов.

Фермент – это белок, состоящий из аминокислот, соединенных в полипептидные цепи различной длины и в разной последовательности

Это так называемая первичная структура фермента, где боковые остатки, или важнейшие функциональные группы белков, возможно, выступают в качестве активных центров ферментов. На эти боковые группы и ложится основная нагрузка при работе фермента, пептидная же цепь играет роль опорного скелета. Согласно структурной модели Полинга - Кори, она свернута в спираль, которая в обычном состоянии стабилизирована водородными связями между кислотными и основными центрами (вторичная структура).

Для некоторых ферментов установлены полный аминокислотный состав и последовательность расположения их в цепи, а также сложная пространственная структура.

Строгая избирательность и высокая скорость - два основных признака ферментативного катализа, отличающие его от лабораторного и производственного катализа. Ни один из созданных руками человека катализаторов не может сравниться с ферментами по силе и избирательности воздействия на органические молекулы.

Активность фермента, как и любого другого катализатора, тоже зависит от температуры: с повышением температуры возрастает и скорость ферментативной реакции. При этом обращает на себя внимание резкое снижение энергии активации Е_А по сравнению к некаталитической реакцией. Правда, это происходит не всегда. Известно много случаев, когда скорость возрастает благодаря увеличению независящего от температуры предэкспоненциального множителя в уравнении Аррениуса.

Активность фермента зависит также от кислотности среды, в которой протекает химическая реакция. Создается впечатление, что ферментам предоставлено право решать, что в данном конкретном случае им выгодно - организовать более прочную связь активного центра с молекулой субстрата или произвести разупорядочение своей структуры.

Трудно сказать, каков механизм выбора пути активации субстрата. Во всяком случае, изучение кинетики ферментативной реакции и термодинамики образования промежуточных комплексов, хотя и дает ценную количественную информацию, не позволяет полностью раскрыть молекулярный и электронный механизм работы фермента. Здесь, как и при изучении обычных химических реакций, приходится идти по пути моделирования - грубо говоря, придумывания таких молекулярных механизмов, которые, по крайней мере, не противоречили бы данным эксперимента и элементарной логике химических реакций.

Анализ зависимостей скорости от рН является весьма эффективным средством идентификации функциональных групп белковой молекулы фермента, участвующих в процессе активации молекул субстрата. Зная природу активных центров, можно представить себе, как они работают. При этом пользуются теми же представлениями о механизме элементарных актов, которые сложились при изучении обычных реакций органической и неорганической химии. Вводить какие-то особые механизмы нет никакой необходимости. Существует твердое убеждение в том, что работа фермента сводится, в конечном счете, к совокупности простых операций, аналогичных тем, которые совершаются при взаимодействии органических молекул в обычных пробирочных условиях.

Таким образом:

1) В ферментативном катализе принимают участие функциональные группы, и механизм ферментативной реакции включает в себя определенную последовательность элементарных актов, которая обеспечивает энергетически более выгодный маршрут, чем неферментативная реакция;

2) активные центры на полипептидной цепи расположены так, чтобы в определенный момент и в определенном месте они могли взаимодействовать с молекулой субстрата и осуществить серию согласованных химических актов.

Несмотря на высокую стоимость ферментов, в биологическом производстве нашли применение амилаза, протеазы, пептин. В таблице представлены группы ферментов, используемых в различных областях биопромышленности.

Фермент	Промышленность	Использование
Амилазы (расщепляют крахмал)	Пивоваренная Текстильная Хлебопекарная	Осахаривание содержащегося в солоде крахмала Удаление крахмала, наносимого на нити во время шлихтования Крахмал в глюкозу. Дрожжевые клетки сбраживая глюкозу, образуют CO2, которые разрыхляют тесто.
Протеазы (расщепяют белки)
Папаин	Пивоваренная Мясная	Этапы процесса пивоварения, регулирующие количество пены Смягчение мяса.
Фицин	Фармацевтическая	Добавки к зубным пастам для удаления зубного налета
Трипсин	Пищевая	Производство продуктов для детского питания

Переворот в промышленном применении ферментов произвела их иммобилизация, т.е. физическое или химическое соединение фермента с твердым носителем (керамика, стекло, синтетические полимеры). При этом сохраняются каталитические свойства ферментов, увеличивается их стабильность, и устраняются трудности их отделения от непрореагировавшего субстрата и продуктов.

Новые направления физико-химической биологии значительно расширили возможности биотехнологии. Прежде всего, это относится к генетической биоинженерии, т.е. к использованию клеток, генетическая программа которых целенаправленно изменена введением в них молекул ДНК, созданных в лаборатории и кодирующих синтез нужного продукта. Второе направление развития биотехнологии связано с клеточной инженерией. Пользуясь способностью клеток растений превращаться на специальных средах в сформированное растение, клеточные культуры применяются для получения безвирусных растений, пытаются проводить селекцию форм с нужными свойствами. После этих открытий биотехнология смогла производить различные химические вещества, перерабатывать отходы, удобрения, концентрировать металлы из разбавленных водных растворов и т.д., т.е. биотехнология стала работать под девизом: «Клетки могут все». Подражание живой природе, освоение каталитического опыта живой природы – самое перспективное сегодня направление химической технологии.

Производство антибиотиков. Антибиотики - специальные продукты жизнедеятельности микроорганизмов и их модификации, которые обладают высокой физиологической активностью по отношению к определенным группам микроорганизмов (вирусам, бактериям, грибам, водорослям) или к злокачественным опухолям. Нужны в очень малых концентрациях (обладают высокой специфичностью).

Применение: в медицине, ветеринарии, с/х, пищевой промышленности как консерванты). В медицинской практике используются около 100 антибиотиков.

Получение: путем химической или биохимической трансформации.

Витамины.Витамины – низкомолекулярные органические соединения различной химической природы, необходимые для осуществления жизненно важных биохимических и физиологических процессов в живых организмах.

Применение: в профилактических и лечебных целях для коррекции их недостаточного поступления с пищей, профилактики и лечения гипо- и авитаминозов. Витамины и их производные применяют также как лекарственные средства в случаях, не связанных непосредственно с коррекцией витаминного дефицита, например, ретиноевая кислота (витамин А) и ее производные – противоопухолевые средства.

Получение: химическим (витамины А, В₆, тиамин, фолиевая кислота и др.) и микробиологическим (рибофлавин, витамин В₁₂) синтезом или выделяют из природных источников (витамин Е, аскорбиновая кислота и др.).

Однако несмотря на все преимущества, биотехнологии обладают рядом недостатков. Процессы протекают в разбавленных водных растворах, что приводит к низким скоростям протекания процессов. Биотехнологические процессы требуют отдельного производства ферментов, чаще всего, в стерильных условиях, что требует дополнительных затрат.

ЛЕКЦИЯ 11. Генная инженерия.

Генная инженерия – это особый раздел биотехнологий, Генетическая инженерия - это раздел молекулярной генетики, связанный с целенаправленным созданием новых комбинаций генетического материала. Основа прикладной генетической инженерии - теория гена. Созданный генетический материал способен размножаться в клетке-хозяине и синтезировать конечные продукты обмена.

Генетическая инженерия возникла в 1972 году, в Станфордском университете, в США. Тогда лаборатория П. Берга получила первую рекомбинатную (гибридную) ДНК или (рекДНК). Она соединяла в себе фрагменты ДНК фага лямбда, кишечной палочки и обезьяньего вируса SV40.

Строение рекомбинантной ДНК. Гибридная ДНК имеет вид кольца. Она содержит ген (или гены) и вектор. Вектор это фрагмент ДНК, обеспечивающий размножение гибридной ДНК и синтез конечных продуктов деятельности генетической системы - белков. Большая часть векторов получена на основе фага лямбда, из плазмид, вирусов SV40, полиомы, дрожжей и др. бактерий. Синтез белков происходит клетке-хозяине. Наиболее часто в качестве клетки-хозяина используют кишечную палочку, однако применяют и др. бактерии, дрожжи, животные или растительные клетки. Система вектор-хозяин не может быть произвольной: вектор подгоняется к клетке-хозяину. Выбор вектора зависит от видовой специфичности и целей исследования. Ключевое значение в конструировании гибридной ДНК несут два фермента. Первый - рестриктаза рассекает молекулу ДНК на фрагменты по строго определенным местам. И второй ДНК-лигазы - сшивают фрагменты ДНК в единое целое. Только после выделения таких ферментов создание искусственных генетических структур стало технически выполнимой задачей.

Этапы генного синтеза. Гены, подлежащие клонированию, могут быть получены в составе фрагментов путем механического или рестриктазного дробления тотальной ДНК. Но структурные гены, как правило, приходится либо синтезировать химико-биологическим путем, либо получать в виде ДНК-копии информационных РНК, соответствующих избранному гену. Структурные гены содержат только кодированную запись конечного продукта (белка, РНК), и полностью лишены регуляторных участков. И поэтому не способны функционировать в клетке-хозяине.

При получении рекДНК образуется чаще всего несколько структур, из которых только одна является нужной. Поэтому обязательный этап составляет селекция и молекулярное клонирование рекДНК, введенной путем трансформации в клетку-хозяина. Существует 3 пути селекции рекДНК: генетический, иммунохимический и гибризационный с мечеными ДНК и РНК.

Практические результаты генной инженерии. В результате интенсивного развития методов генетической инженерии получены клоны множества генов рибосомальной, транспортной и 5S РНК , гистонов, глобина мыши, кролика, человека, коллагена, овальбумина, инсулина человека и др. пептидных гормонов, интерферона человека и прочее. Это позволило создавать штаммы бактерий, производящих многие биологически активные вещества, используемые в медицине, сельском хозяйстве и микробиологической промышленности.

На основе генетической инженерии возникла отрасль фармацевтической промышленности, названная “индустрией ДНК”. Это одна из современных ветвей биотехнологии.

Для лечебного применения допущен инсулин человека (хумулин), полученный посредством рекДНК. Кроме того, на основе многочисленных мутантов по отдельным генам, получаемых при их изучении, созданы высокоэффективные тест-системы для выявления генетической активности факторов среды, в том числе для выявления канцерогенных соединений.

Основные этапы решения генно-инженерной задачи:

- Получение изолированного гена.

- Введение гена в вектор для переноса в организм.

- Перенос вектора с геном в модифицируемый организм.

- Преобразование клеток организма.

- Отбор генетически модифицированных организмов (ГМО) и устранение тех, которые не были успешно модифицированы.

Теоретическое значение генетической инженерии.

За короткий срок генная инженерия оказала огромное влияние на развитие молекулярно-генетических методов и позволила существенно продвинуться по пути познания строения и функционирования генетического аппарата.

ЛЕКЦИЯ 12. Химизация хозяйства и экология окружающей среды.

Химизация хозяйства – это процесс последовательного и нарастающего внедрения в промышленное производство и непроизводственную сферу химических материалов и методов химической технологии.

Цель химизации – интенсификация производства, рост производительности труда, повышение его эффективности.

Химизация земледелия и животноводства – это целый комплекс мероприятий, который включает:

1. Использование удобрений;

2. Применение химических средств защиты растений от болезней, вредителей и сорняков (пестициды, гербициды);

3. Регулирования роста и плодоношения растений, стимулирование роста животных и их плодовитости (фитогормоны). Фитогормоны влияют на распускание почек, рост стеблей, листьев, корней, вызывают отмирание у растений ненужных органов. Фитогормоны получают биотехнологией из продуктов жизнедеятельности грибов и высших растений. В последнее время разрабатывают стимуляторы плодовитости. Вакцина стимулятор роста животных.

4. Применение химических кормовых добавок в животноводстве: минеральные добавки (кормовые фосфаты – преципитат CaHPO₄xH₂O, фосфаты аммония (NH₄)₃РО₄, карбамид (NH₂)₂CO).

5. Использование полимерных и др. химических материалов в мелиорации, навигации и т.д.

6. Увеличение сроков хранения с/х продуктов за счет использования пленочных материалов и химической консервации.

Охрана окружающей среды. Научно – техническая революция и связанный с ней интенсивный рост химического производства вызвали различные негативные изменения в окружающей среде: отравление и загрязнение пресных вод, загрязнение Мирового океана, земной атмосферы, нарушение земного покрова Земли, опустошение недр, уничтожение почвы – плодородного слоя Земли, истребление животных и птиц вплоть до полного исчезнове­ния многих биологических видов.

Разумеется, говоря о вреде химической промышленности для окружающей среды, следует иметь в виду не только функционирующее химическое производство, но и целевые химические продукты. Напри­мер, синтетические полимеры в отличие от природных не разлагаются ферментами, и в этом смысле они биологически неуничтожаемы. То же самое можно сказать о любых синтетических материалах, которые после употребления сжигают, тем самым увеличивая загрязнение воздуха. Учитывая, что доля полимеров быстро растет в ассортименте химичес­кой промышленности, проблема их утилизации после использования в виде конкретных изделий становится все более актуальной.

С того времени, когда, медики впервые заговорили об опасности для здоровья свинца в атмосфере, радиоактивного стронция в молоке, а хлоруглеродов в питьевой воде подход к вопросу охраны окружающей среды существенно изменился. В настоящее время стала очевидной обратная зависимость между предельно допустимой концентрацией вредного вещества и стоимостью ее достижения. Сейчас мало сказать, что данное соединение может оказывать канцерогенное действие. Необходимо количественно сопоставлять опасность использования тех или иных веществ с затратами, вызванными заменой их менее вредными соединениями, а также потерями, которые повлечет за собой отказ от использования этих веществ. Опасность применения того или иного вредного вещества (если без него не обойтись) может быть техническими приемами сведена практически к нулю. Однако, чем ниже достигаемый при этом уровень степени риска, тем дороже это обходится. Поэтому постоянно приходится делать выбор между затратами и реальным риском. Выбрать оптимальный вариант можно только располагая надежной информацией. Особая роль тут отводится химикам. Стремиться к полному удалению того или иного вредного вещества из окружающей среды зачастую нет необходимости. Нельзя ставить знак равенства между фактом наличия токсичного вещества и опасностью, как это часто делается. Так СО, один из постоянных компонентов атмосферы, приобретает токсичность при с > 0,1% и оказывает отрицательное воздействие на здоровье когда его с > 10^-3%. Однако не следует делать вывод, что его необходимо полностью удалить из атмосферы (атмосфера содержит СО = 10^-4%). Очевидно, что задача состоит в том, чтобы решить, какая именно концентрация необходима, контролировать ее в интервале от порога токсичности до безопасного предела.

В последнее время подход «нулевого риска» постепенно вытесняется более сложным, но более мощным подходом разумного риска, который предусматривает соотношение степени риска, затрат на его снижение и эффективности того или иного технологического процесса, являющегося источником риска. Большое значение при этом имеет полный и точный анализ воздуха, воды, почвы, контроль над состоянием растений и животных.

Загрязнители могут влиять на состав природных соединений, список которых насчитывает сотни наименований. Определение химического состава загрязнителей очень важное направление исследований, так как уже стало известно, что механизмы переноса и токсичность заметно меняются в зависимости от состава.

Как же используются отходы химической промышленности? В настоящее время из 780 видов отходов, образующихся в химической промышленности, - полностью или частично применяются только 250, а стоимость сырья, теряемого в виде неиспользуемых отходов, оценивается астрономической цифрой.

Действительный и потенциальный вред, наносимый окружающей среде и человеку быстро развивающимися производствами, которые используют химический передел, вызвал серьезные опасения.

Основные мероприятия нашего государства по охране окружающей среды предусматривают:

1) комплексное использование сырья и разработку безотходной технологии;

2) создание систем оборотного и повторного использования воды, включая внедрение на промышленных предприятиях бессточных систем водоиспользования (рециклизация);

3) конструирование высокоэффективных очистных сооружений.

ЛЕКЦИЯ 13. Безотходное производство.

Под безотходной технологией понимается такой способ производст­ва, при котором рационально используются все компоненты сырья и энергии в цикле:

Последние 10-15 лет в мышлении специалистов, в их подходах к решению профессиональных задач произошли почти революционные изменения - вопросы охраны окружающей среды стали составной частью многих технологий, и экологическое образование сыграло свою роль. Не только инженеры и ученые – весь мир поворачивается к вопросам промышленной экологии. Теоретической предпосылкой таких решений являются понятия безотходного и малоотходного производства. Сейчас под безотходной технологией понимают такой принцип организации производства, при котором цикл: первичные сырьевые ресурсы – производство – потребление – вторичные сырьевые ресурсы построен с рациональным использованием всех компонентов сырья, всех видов энергии и без нарушения экологического равновесия.

Примером естественного «безотходного производства» являются некоторые природные экосистемы – в этих системах осуществляются полный круговорот веществ. Безотходное производство может мыслиться только теоретически, поскольку законы природы не позволяют полностью превращать энергию в работу (II закон термодинамики) и потери вещества не могут быть нулевыми, да и экосистемы вовлекают в круговорот не все вещества: животные, птицы и рыбы оставляют после своей гибели скелеты, моллюски – раковины. Но это понятие ставит цель: максимально приблизиться к теоретическому пределу. А цель, как известно, определяют и средства ее достижения. В данном случае это комплексная переработка сырья, разумное кооперирование и т.д. Понятие о безотходном производстве позволяет сформулировать требования к новым технологиям и новым аппаратам. В определении безотходного производства учитывается стадия потребления, что накладывает ограничения на свойства производимых продуктов потребления, влияет на их качество. Главные требования – надежность, долговечность, возможность возвращения в цикл на переработку или превращения в безвредную экологическую форму. Не может не тревожить, например, судьба контейнеров и упаковок из пластмассы, миллионы которых накапливаются в природной среде. Стремясь сделать контейнеры экологически безвредными, ученые специально создали неустойчивые в атмосферном воздухе и почве пластмассы, которые в естественных условиях способны терять форму и быстро разлагаться на безвредные простые вещества.

Еще одна сторона безотходных технологий – это внимание к сырью и его источникам. Рассмотрим, например производство аммиака. Реакция, используемая на большинстве современных аммиачных заводов довольно проста N₂+3H₂→2NH₃ и протекает при 450-500С и давлении около 300 мПа на катализаторе. Никаких отходов здесь в соответствии с уравнением реакции не должно образовываться. Является ли это производство безотходным? Ответ сегодня должен быть отрицательным, поскольку и при производстве N₂ и при получении Н₂ пока неизбежно образовывается большое количество отходов. Например, водород чаще всего получают конверсией природного газа, которая в простейшем случае описывается уравнениями

СН₄+Н₂ОСО+3Н₂

СО+Н₂ОСО₂+Н₂

Но и здесь исходные газы надо предварительно очистить от примесей соединений серы, а полученный Н₂ от остатков СО и больших количеств СО₂. Сам синтез NН₃ – тоже на практике не безотходен. Подобным образом можно стадию за стадией рассмотреть любые производства, убеждаясь что в реальности безотходное производство пока не существует. Правда термин «безотходное» в некоторых отраслях имеет иное содержание. Так в химической промышленности к безотходным относят производства, в которых материальные ресурсы используются на 90-98%. Это очень высокие показатели и если бы все предприятия их достигали экологическая обстановка в стране стала бы гораздо лучше.

Реальная задача стоящая сейчас перед промышленностью, сельским хозяйством и транспортом свести до минимума наносимый природе вред, т.е. перейти на малоотходные производства. Эти производства часть сырья и материалов переводят в отходы, которые направляются на длительное хранение, а часть сбрасывают в окружающую среду. При этом количество отходов должно находится на уровне ниже которого опускаться невозможно без оказания вредного воздействия на окружающую среду. Выбор глубины переработки сырья и «коэффициента безотходности» проводится с экономических позиций. Поэтому необходимо уметь измерить опасность.

Роль катализа в экологии. Огромную роль призван сыграть катализ в решении актуальнейшей проблемы - охраны окружающей среды. Нам некуда сбрасывать отходы, кроме как в ту же среду, в которой мы живем. Химики-каталитики настойчиво работают над этой проблемой и уже добились некоторых результатов. Разработаны специальные устройства для дожигания выхлопных газов автомобилей, работающие на основе каталитического окисления вредных компонентов газов. Подобраны катализаторы и условия для обезвреживания отходящих газов химических производств. Каталитические фильтры конструируются в виде патронов, заполненных металлической сеткой или керамическими материалами с нанесенными на них каталитическими агентами; работают эти фильтры при 250-350° С.

Мы привели температуру, при который ведут катализ реакций в промышленных условиях, отчасти для того, чтобы сравнить их с условиями подобных химических реакций, протекающих в организмах растительного и животного мира. Последние имеют гораздо большую скорость при обычных температуре и давлении. Достигается это с помощью биологических катализаторов - продуктов длительной, неизбежно сопровождающейся миллионами ошибок и тупиков, эволюции жизни на Земле. Вероятно, мы не скоро узнаем извилистый путь, по которому шла природа в поисках эффективных органических конструкций с их фантастической способностью ускорять в мягких условиях процессы в живых организмах.

В решении проблем окружающей среды важная роль принадлежит образованию. С самого раннего возраста каждый живущий на Земле человек должен знать к чему приводит беспечное отношение к окружающей среде. Он должен знать о заболеваниях, вызываемых загрязнениями среды, о генетических отклонениях, о гибели животных и растений, об уменьшении плодородия почв, об исчерпании запасов питьевой воды, и других негативных изменениях среды обитания. И не только знать, но и ощущать личную ответственность за ее состояние.

ЛЕКЦИИ 14-15. Перспективы развития мембранных технологий.

Мембранные технологии - авангардное направление развития науки и техники XXI века. В настоящее время трудно кратко сформулировать название прошлого столетия - век атомной энергии, век электроники, век компьютеров и т.д. Впрочем, он может быть назван и веком новых технологий и материалов, которые полностью преобразили всю сферу деятельности человека (состояние промышленности, сельского хозяйства, быта, медицины, здравоохранения и др.). В то же время XX столетие может быть названо веком накопления отходов и загрязнения окружающей среды, ликвидация которых (например, химического оружия), требует огромных средств, что нарушает нормальное развитие мировой цивилизации.

Процессы устойчивого развития общества и государства прямо связаны с решением основных глобальных проблем человечества - безопасностью проживания, обеспечением населения экологически чистыми продуктами питания и питьевой водой, созданием должного баланса между решением социально-экономических проблем и сохранением окружающей среды.

Реализованные в последнее время современные технологические процессы получения различных веществ и материалов, а также обработки отходов и сточных вод, как это не покажется странным, увеличивают общий объем отходов. Существующая мировая статистика свидетельствует о том, что в настоящее время только 7-12% исходного сырья преобразуется в конечный продукт. Примерно, 90% сырья на разных стадиях производства и потребления переходят в отходы, представляющие собой полуфабрикат, переработка которого может быть в несколько раз рентабельней, чем стандартного сырья, конечно, при условии реализации экологически безопасных технологий и получения при этом высококачественных конкурентоспособных продуктов. В этой связи сегодня можно сделать предположение, что XXI век будет в значительной степени посвящен созданию экологически безопасных и, самое главное, малозатратных экономически и технологически обоснованных процессов переработки материалов, отходов и получения на их базе полезных и необходимых для общества продуктов.

Одним из приоритетных способов обработки веществ и материалов является мембранная технология, которая помогает произвести разделение растворенных веществ с помощью пористой перегородки (мембраны). Мембранные методы разделения жидких и газообразных сред уже сегодня заняли прочное место в арсенале промышленных технологических процессов, хотя полное становление и отдача мембранной науки и технологии ожидается в XXI веке. Существуют области, где мембранная технология вообще не имеет конкурентов. Здесь следует упомянуть аппарат "искусственная почка" для экстракорпорального гемодиализа, применяемый с целью выведения из крови токсических веществ, регулирования водно-электролитного баланса и кислотно-щелочного равновесия в организме. Искусственную почку используют для временного замещения выделительной функции почек при острой и хронической почечной недостаточности. В основе работы искусственной почки — принципы диализа. Мембранной технологии нет равных в создании сверхчистых веществ и зон в микроэлектронике, выделении термолабильных биологически активных веществ и

Значение мембранной технологии в последние годы резко возросло, прежде всего, как технологии, способной навести мост через пропасть, разделяющую промышленность и экологию. Решением Правительственной комиссии по научно-технической политике от 21 июля 1996 г. мембранная технология получила статус генной технологии федерального уровня, также как катализ, молекулярный дизайн, новые материалы, генная инженерия и другие мировые приоритеты. К этому необходимо добавить взаимосвязь или, если так можно выразиться, взаимопроникновение, взаимообеспечение этих технологий. Причем, в отличие от ряда других, мембранная технология обслуживает несколько десятков приоритетных направлений развития науки и техники на федеральном уровне. К этому необходимо добавить полное исключение возможных негативных последствий ее использования, что невозможно гарантировать, например, при неконтролируемой реализации генной инженерии.

Получил свое подтверждение глобальный характер воздействия и влияния мембранной технологии на реализацию российских и мировых научно-технологических приоритетов. Генная технология федерального уровня "Мембраны" вошла в 17 приоритетных для российской науки направлений, в которых российские ученые опережают мировой уровень, причем, без использования мембранных процессов невозможно обеспечить поддержание необходимого научно-технического уровня в 12^и приоритетах. К этому необходимо добавить серьезные возможности мембранных процессов в решении важнейшей задачи современного этапа развития нашего общества - технологического обновления отечественной промышленности.

Жизненная необходимость широкомасштабного внедрения мембранных процессов определяется многими факторами и, прежде всего, их прямым влиянием на обеспечение национальной безопасности, решением наиболее острых социально-экономических проблем и перспективами их практического использования.

Высокий авторитет российских ученых-мембранщиков, общепризнанный мировой уровень фундаментальных и прикладных исследований, высокая степень готовности разработок, близкий срок реализации и непреходящая актуальность являются весомым подтверждением необходимости сосредоточения усилий федеральных органов для принятия мер ее промышленной реализации.

Мембранная техника и мембранные технологические процессы могут быть задействованы сразу в нескольких направлениях:

• Мембранные процессы очистки сточных вод с выделением ценных компонентов в машиностроении, целлюлозно-бумажной, текстильной и пищевой промышленности, коммунальном хозяйстве и других отраслях.

• Экологически безопасные и ресурсосберегающие процессы получения ценных нефтепродуктов из природного газа и газового конденсата, отходящих газов нефтепереработки, селективное выделение биогаза при переработке органических отходов.

• Переработка вторичного пищевого сырья с выделением ценных компонентов (в т.ч. продуктов детского и диетического питания) из молочной, сырной и творожной сыворотки, кукурузного и картофельного крахмала, рапса, сои и других пищевых продуктов. Очистка пищевых масел от фосфолипидов и следов металлов.

• Катионпроводящие полимерные мембраны для электрохимических генераторов.

• Мембранные сенсоры и биосенсоры для компактных высокочувствительных систем управления и приборов.

• Мембранные дозаторы и пролонгаторы лекарственных препаратов с контролируемой скоростью дозировки в ткани и органы, покрытия на раны и ожоги, искусственная поджелудочная железа.

• Мембранные процессы для бактериологического контроля воды, анализа сыворотки крови, аппараты для плазмофореза и оксигенации крови.

• Процессы селективного массопереноса с использованием жидких мембран для извлечения и концентрирования химических продуктов из различных сред.

• Научные основы получения мембранных катализаторов и мембранных каталитических реакторов, методы исследования проницаемости и дефектности мембранных систем для разделения и концентрирования компонентов. Мембранные реакторы для безотходных процессов получения продуктов при минимальных энергозатратах без сбросов сточных вод и выбросов в атмосферу.

• Научные основы получения новых классов термически и химически стойких мембранообразующих полимеров с функциональными группами разной природы.

• Принципы направленного конструирования керамических и композиционных высокотемпературостойких, химически стойких и высокоселективных мембран для микро- ультра- и нанофильтрации, первапорации и газоразделения.

Без использования мембранной науки и мембранных процессов реализация многих генных технологий потребует больших материальных и временных затрат. Это еще раз подтверждает глобальный и межотраслевой характер мембранных процессов, что дает нам основание говорить о мембранной науке и технологии как авангардном направлении исследований XXI века, реализующим структурообразующие и социальнозначимые технологии и обеспечивающим инновационный характер развития отечественной промышленности.

Наша страна имеет все возможности в кратчайшие сроки не только подойти к решению рада проблем промышленности, производства продуктов, водоснабжения и др, на основе мембранных технологий, но и выйти на мировой рынок мембранной техники с оригинальными конкурентоспособными разработками.

Мембранная наука продолжает занимать ведущие позиции в мире. Например, благодаря многолетней государственной поддержке уже к концу 80-х годов удалось получить ряд фундаментальных результатов в области физико-химии мембранного разделения, создать производства мембран разных типов, мембранных модулей, установок. Сформировалась отечественная научная школа, теоретические и прикладные работы наших ученых и инженеров получили широкое признание в России и в мире, установились рабочие контакты с зарубежными университетами и фирмами.

В области мембранной техники русские ученые и инженеры трижды удостаивались премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники, мембранные аппараты для получения питьевой воды получили серебряную и золотую медали на выставке "Эврика" в Брюсселе. Мембранная продукция и технологии проданы в США, ФРГ, Китай, Аргентину, Австралию, Ю.Корею, Тайвань и другие страны. Серьезным доказательством востребованности ученых-мембранщиков в России является тот факт, что за последние годы ни один из сколько-нибудь крупных ученых в этой области не уехал за рубеж.

В России в настоящее время выпускается достаточно широкий ассортимент мембран, мембранных элементов и установок, в т.ч. установки для разделения и очистки жидкостей на базе современных неорганических мембран, аппараты для газоразделения, мембранные системы для отделения плазмы крови, мембраны и мембранные элементы для очистки воды и органических жидкостей, мембраны и мембранная аппаратура для современных методов анализа воды и др. Обращает на себя внимание разработанный и изготовленный в соответствии с заданием тендера Миннауки России передвижной исследовательско-технологический мембранный комплекс. Его использование для отработки новых технологий позволит получать исчерпывающий набор экспериментальных результатов с последующим выбором оптимальных параметров основных стадий процесса. Этот комплекс уже сегодня вызвал серьезный интерес в российских регионах (Саратов, Владимир, Нижний Новгород) и за рубежом (Германия, Нидерланды). Достаточно широкий ассортимент выпускаемой конкурентоспособной мембранной продукции свидетельствует о наличии в этой области востребованных промышленностью разработок, но есть необходимость принятия комплекса мер для резкого расширения объемов производства. Это не так просто сделать в современных условиях, хотя мощности по выпуску мембранной продукции удалось сохранить. Для решения этого вопроса осуществляется ряд мероприятий, которые позволят достаточно резко ускорить как объем производства, так и выход на российский и мировой рынок этой наукоемкой продукции.

Есть серьезные основания заявить о возможности в кратчайшие сроки на базе российских и отечественных разработок при определенной помощи государства не только осуществить структурные сдвиги в решении важнейших проблем промышленности, производства продуктов питания, водоснабжения и др., обеспечив страну конкурентоспособной продукцией и технологиями, но и выйти на мировой рынок мембран и мембранных технологий. При всем многообразии фирм-производителей мембранной техники количество фирм-производителей мембран за последние пять лет практически не изменилось, а у нас они есть и они имеют все необходимые предпосылки для занятия своей ниши в этой наукоемкой сфере продуктов и услуг.

В стране ведется разработка мембран новых поколений с целенаправленно формируемой структурой, что позволит при выборе определенных режимов разделения повысить проницаемость и избирательность мембран по целевым компонентам с достижением стабильности их функциональных характеристик. Предполагается осуществить широкий поиск новых возможностей мембранных технологий как по разработкам новых мембранных процессов для решения актуальных прикладных проблем, так и по оптимизации технологических схем существующих процессов. Для этого, прежде всего, требуется разработка новых подходов к синтезу мембранных материалов, к формированию мембранных слоев, к их модификациям.

Фактически речь идет о конструировании мембран на молекулярном уровне, о целенаправленном формировании "путей переноса" целевых компонентов (ионов, молекул, коллоидных частиц нанометровых размеров) с учетом всей совокупности определяющих их перемещение факторов - лигандного окружения, сольватных оболочек, действующих сил. В настоящее время эти идеи уже частично реализованы при разработках ряда отечественных мембран (ионообменных, первапорационных) на основе жесткоцепных полимеров. Ведутся исследования по конструированию обратноосмотических, некоторых типов газоразделительных, ультрафильтрационных мембран (трековых, с заряженной поверхностью). По ряду показателей создаваемые мембраны превысят уровень лучших зарубежных мембран соответствующего целевого назначения.

Принципиально новые возможности мембранного разделения могут быть достигнуты при формировании бездефектных мембранных слоев субмикронной толщины. В этом случае, как следует из теоретических результатов наших ученых, могут быть достигнуты аномально высокие значения избирательности переноса по целевым компонентам при общем высоком уровне проницаемости. Фактически речь идет о технике нанометровых масштабов для мембранного разделения, аналогичной наноэлектронике. Трудности практической реализации такой техники очевидны, и требуются значительные средства для постановки таких работ.

Решению проблем широкомасштабной реализации мембранной технологии будут способствовать следующие факторы:

• государственная поддержка мембранной науки и технологии;

• наличие в России квалифицированных исследователей, технологов, техников и рабочих, имеющих большой опыт по разработке, созданию и реализации в промышленности мембран, мембранной техники и технологии;

• высокая конкурентоспособность российских мембран, мембранных элементов и аппаратов, а также наличие их промышленных производств, которые при необходимости могут быть легко расширены;

• высокая степень подготовки для промышленной реализации;

• утверждение Правительством ряда федеральных целевых программ, в которых значительное место отведено решению экологических и социальных проблем с помощью мембранных технологий;

• наличие региональных экологических и социальных программ, где уже в настоящее время используется мембранная технология (Москва, Владимир, Саратов, Нижний Новгород и др.).

К настоящему времени изготовлены и испытаны на реальных средах образцы мембранного оборудования для очистки сточных вод, часть которого уже поставляется заказчикам, в т.ч. для регенерации отработанных моющих растворов и смазочно-охлаждающих жидкостей, разделения водомасляных эмульсий, стоков масложиркомбинатов, трюмовых вод судов, балластных вод танкеров, нефтесодержащих вод от очистки акваторий портов и платформ для добычи нефти в море и др. Производительность этих установок находится в диапазоне 150-6000 л. в час. Созданные станции комплексной очистки сточных вод от красителей и ПАВ обеспечивают 95% степень оборотного использования воды при диапазоне производительности от 5 до 50 куб. м. в час. Установки для очистки сточных вод гальванических производств обеспечивают 98% очистку от солей тяжелых металлов с диапазоном производительности от 1 до 25 куб. м. в час.

В то же время, в связи со сложностями оплаты мембранных установок промышленными предприятиями (проще и дешевле эти воды более или менее разбавляя, сбрасывать), наблюдается резкое падение спроса на мембранную технику, хотя она сейчас в 2-3 и более раз дешевле импортных аналогов при одинаковом качестве, К этому необходимо добавить отсутствие какой-либо регулирующей системы закупки импортных мембран, мембранных элементов и установок; очень часто при наличии высококачественных отечественных аналогов, закупается импортная продукция (иногда по демпинговым ценам), забывая при этом, что расходы на заменяемые узлы и элементы установок через год-два будут сопоставимы с их полной стоимостью. С этим явлением ряд отечественных организаций столкнулись уже в 80-х годах, когда наши автомобильные заводы закупили ультрафильтрационное оборудование для регенерации грунтов после их нанесения на различные окрашиваемые автомобильные детали. Тогда НПО "Полимерсинтез", г. Владимир в соответствии с рядом постановлений Правительства разработал и создал производства ультрафильтрационных элементов, которые с успехом заменили импортные аналоги. Вообще говоря, сколько либо серьёзная реализация мембранной техники и технологий в настоящее время без поддержки государства или регионов проблематична. Там, где органы государственной власти уделяют этому вопросу достаточное внимание, налицо и соответствующий результат. Например, во Владимире при поддержке местной администрации практически во всех детских лечебных учреждениях, родильных домах, ряде клиник и школ установлены мембранные установки для получения высококачественной питьевой воды.

Необходимым и обязательным условием реализации законченных научно-исследовательских работ в области мембранной технологии является разработка механизма привлечения на рыночных условиях негосударственных инвестиций. Они, совместно с государственным сектором финансирования и поддержки этого направления, обеспечат решение федеральных задач промышленной реализации наиболее эффективных научных разработок на рыночных условиях, повышения на этой основе её экономической эффективности и усиление социальной и экологической направленности. Необходимо подчеркнуть, что только комплексная реализация фундаментальных, прикладных и производственных проблем в сочетании с грамотной инновационной политикой позволят, в достаточно полном объёме, реализовать мембранные процессы, внеся свой вклад в обеспечение структурной перестройки и восстановления российской экономики. Успешная реализация мембранных проектов позволит поднять материальное положение и престиж ученых и производственников, что будет гарантировать невозможность "утечки мозгов" в этом важнейшем направлении мировой науки, где авторитет российских учёных чрезвычайно высок. Ориентация фундаментальных и прикладных исследований на рыночные принципы реализации (с частичной государственной поддержкой) создаст условия для селекции научных учреждений, коллективов и отдельных учёных, что должно привести к структурной перестройке научных учреждений и повышению эффективности всей научной сферы. В конечном счете, на базе предлагаемой концепции должна сформироваться российская модель бизнеса, которая на равных должна конкурировать с американской, европейской и японской моделями. Как только главными условиями для жизненного успеха станут интеллект, квалифицированный труд и облагороженная предпринимательская деятельность, улучшится отношение основных слоёв населения к бизнесу.

Развитие мембранной науки и технологии и последующая реализация мембранных процессов приведет к решению очень многих проблем. Кроме того, применение мембранных технологий приведет к инновационным преобразованиям в нашей экономике и обеспечит ее бескризисное существование.