ПРОМЫШЛЕННАЯ ХИМИЯ


ПРОМЫШЛЕННАЯ ХИМИЯ

Мощная отрасль нашего народного хозяйства — химическая промышленность — состоит из множества производств.

Здесь и производство синтетических материалов — каучука, пластмасс, волокон, всякого рода красителей, лекарственных, душистых и других веществ.

Николай Александрович Морозов.

Открытие метода разукрупнения молекул, содержащихся в продуктах растительного происхождения, позволило организовать новое, так называемое гидролизное производство.

А создание новой технологии производства цемента открыло пути к построению таких огромных сооружений, которые были совершенно немыслимы раньше.

В основании и развитии этих сложных производств участвовали наши соотечественники,

Нефть добывали многие народы на протяжении не одного тысячелетия. Она служила для освещения, для отопления, ею даже лечились. Но переработка нефти и использование ее> ценнейших продуктов для технических целей начались сравнительно недавно.

В современной нефтеперерабатывающей промышленности существуют три различных метода переработки нефти: перегонка, пиролиз и крекинг.

Перегонка нефти — это физический метод разделения нефти на составные части путем их испарения и последующего сжижения. Молекулы составных веществ при этом остаются неизменными.

Пиролиз и крекинг — химические методы переработки нефти. Под влиянием высокой температуры содержащиеся в нефти большие молекулы веществ разрываются на мелкие.

Пиролиз производится при температуре около 700—750° и давлении, близком к атмосферному. Это ведет к тому, что молекулы с длинной прямой' углеродной цепью расщепляются; получившиеся осколки молекул перестраиваются, вследствие чего образуются молекулы с кольчатым строением, так называемые ароматические углеводороды, а также непредельные углеводороды. Значительная часть ароматических и непредельных углеводородов уплотняется, образуя смолы. Ароматические углеводороды являются очень ценным химическим сырьем.

Крекинг проводят при более низких температурах, чем пиролиз. Цель крекинга — получение бензина путем переработки высококипящих частей нефти. Бензин образуется в результате разложения исходного продукта нефти. Как и при пиролизе, происходит перестройка молекулы.

Русские инженеры и ученые создали аппаратуру для перегонки нефти и были изобретателями некоторых методов ее переработки.

В 1823 году братья Василий, Герасим и Макар Дубинины на построенном ими возле Моздока нефтеперегонном заводе получили керосин в производственном масштабе. Имеются чертежи аппаратов и описание способа производства керосина; сохранилось прошение крестьян Дубининых царскому наместнику на Кавказе графу Воронцову, написанное 9 августа 1846 года. С целью расширения производства Дубинины просили у Воронцова или 7 тысяч рублей деньгами на десять лет без процентов, или разрешения пользоваться некоторым количеством нефти. В прошении говорилось о достигнутых успехах в «усовершенствовании способа очищения черной натуральной нефти в белую», о распространении этого способа на Кавказе, о вывозке белой нефти, то есть керосина, уже «в течение 20 лет многими тысячами пудов внутрь России». И дальше, как бы в доказательство своего изобретения, Дуби-

Перегонный куб Дубининых

Нефтеперегонный аппарат непрерывного действия, сконструированный Д И. Менделеевым.

нины писали: «А что действительно мы первые завели в Моздоке очищение нефти, обучали других людей и таковое производство распространяем с 1823 года, в том представили письменные свидетельства тамошнего местного начальства и городских жителей».

Убедителен и другрй .документ — письмо тому же Воронцову начальника Кавказского округа, посланное 21 марта 1847 года. В этом письме подтверждалось открытие Дубиниными способа очищения черной нефти, то есть получения керосина, и сообщалось, что имеется сделанное изобретателями «описание сего способа, чертежи устроенного ими заведения и образец перегнанной белой нефти». При этом подчеркивалось, как «белая нефть, изобретенная Дубиниными, распространилась в продажу по разным городам Российской империи в большом количестве и по качеству доброты употребляется в аптеках».

В России было известно, что еще раньше Дубининых, в 1745 году, в Печорском крае, на реке Ухте, имелся завод купца Набатова, на котором Федор Прядунов ежегодно вырабатывал около 20 тысяч литров очищенного нефтяного продукта типа керосина, который использовался тогда в смеси с растительным маслом в качестве горючего для освещения.

Американская «(Нефтяная энциклопедия» указывает, что в Америке пионером нефтяной индустрии является полковник Дрэк, соорудивший в 1858 году нефтеперегонную установку.

В Германии первым выделил керосин из нефти немецкий ученый Рейхенбах. Работа его относится к 1830 году. Произведена она была

в лабораторнохМ масштабе.

Интересно отметить, что в 1878—1880 годах Д. И. Менделеев предложил конструкцию непрерывно действующего аппарата для перегонки нефти. Фирма «Нобель» использовала это изобретение.

Другой способ переработки нефти — пиролиз — предложил русский ученый Александр Александрович Летний (1848—1884).

Нефть при высокой температуре выделяет горючие газы. Этот газ получали пропусканием нефти или нефтяных остатков через накаленные реторты и использовали для городского освещения. При добывании «нефтяного газа» оставался деготь. А. А. Летний разработал метод переработки этого бросового продукта в ценные вещества. В своей работе «Исследование продуктов древесно-нефтяного газа», опубликованной в 1877 году, он писал: «Если

деготь вторично пропустить через накаленные железные трубы, то в нем образуются новые вещества,

которых не было раньше ни в нефти, ни в дегте — бензол, толуол, ксилол, нафталин, антрацен и другие».

Предложенный А. А. Летним пиролиз нефти является в наши дни одним из важнейших способов ее переработки.

Этот метод получил в России промышленное распространение.

3 1835 году продукты пиролиза нефти — бензол, нафталин и антрацен — продавались заводом инженера Рагозина на Нижегородской ярмарке и вывозились за границу.

На все эти продукты тогда возник спрос, так как они служили исходным материалом для получения красителей, а также лекарственных, душистых и взрывчатых веществ.

Русские исследователи стремились усовершенствовать пррцерс пиролиза и увеличить количество получаемых ароматических углеводородов.

В 1890 году химик А. Н. Никифоров, работая в лаборатории Н. Д. Зелинского, открыл, что повышенное давление способствует реакции пиролиза цефти.

Он' сконструировал для этого специальную реторту? а в начале 1900 года около Кинешмы был пущен завод, на котором по способу Никифорова получали ароматические углеводороды и вырабатывали из них нитробензол, анилин и другие продукты.

Русские ученые указали также пути превращения нефти в более ценные сорта искусственного жидкого' топлива.

Русский инженер и заводчик В. И. Рагозин в 1879 году при аварии с перегонным кубом обратил внимание на то, что вследствие высокой температуры (поднявшейся при аварии) из нефтяных остатков были получены легкие продукты — бензин и керосин, которые путем обычной перегонки уже были отогнаны. После этого Рагозин провел лабораторные опыты, подтвердившие возможность получения бензина и керосина из тяжелых частей нефти путем их высокотемпературной обработки.

Инженер Владимир Григорьевич Шухов (1853—1939), которого, весь мир знает как крупного ученого, талантливого конструктора и механика, в 1890 году предложил аппарат для переработки нефти, в котором можно было получить из нефти значительно большее количество керосина и бензина, чем его добывали при обычной перегонке.

Обычная перегонка нефти при температуре 150—220°С дает до 20 процентов бензина. Если же перегонку вести в специальном аппарате Шухова, при большом давлении и повышенной температуре, то количество отгоняемого бензина будет значительно больше. Часть сложных, больших молекул нефти при столь сильном температурном воздействии расщепляется на более мелкие. А из таких именно молекул и состоит бензин.

При цовыщенных температуре и давлении молекула твердого вещества — парафина — расщепляется на две молекулы жидкого горючего.

органического вещества зависит от величины молекулы.

Подобное же изобретение в 1912 году осуществил американец Бор-тон. При поддержке компании Рокфеллера оно нашло очень широкое применение в Америке. Несколько лет спустя это изобретение распространилось в России. По-английски оно называлось «крекинг» (от слова «расщеплять»).

Что же произойдет с нефтью при обработке ее в указанном аппарате Шухова? Как изменяется при этом химическое строение ее составных частей? Для этого рассмотрим, что представляют собой главные составные части нефти.

Бензин есть смесь веществ, молекулы которых в основном содержат от шести до одиннадцати углеродных атомов, а также имеют пяти- и шестичленные циклопарафиновые углеводороды и другие соединения. Керосин представляет собою смесь веществ с более длинными молекулами. Вещества с еще более многозвеньевыми молекулами известны как смазочные масла. Чем крупнее молекулы, тем тверже становятся вещества. Битум — смесь самых крупных молекул — уже тверд.

В специальном аппарате, сконструированном Шуховым, под воздействием температуры и давления длинные молекулы масел и твердых веществ — парафинов — разорвутся. Они превратятся прц этом в две-четыре молекулы, которые и составляют бензин.

Вот почему метод Шухова и позволил за счет крупных молекул увеличить выход бензина из одного и того же количества нефти. В 1909 году из одной тонны нефти получали лишь 110 килограммов бензина, а через двадцать лет — 470 килограммов, то есть в четыре с лишним раза больше.

Однако расщепление молекул не всегда происходит точно так, как это необходимо. Химики научились управлять процессом расщепления и всегда получать то, что им необходимо. При повышенной температуре и атмосферном давлении разрыв молекул происходит у краев; при этом наряду с бензином образуется газ. При невысокой температуре и большом давлении молекулы рвутся преимущественно в центре, тогда увеличивается выход бензина.

Новую страницу в историю крекинг-процесса вписал академик Н. Д. Зелинский.

Осенью 1918 года, когда Кавказ был отрезан от молодой Советской республики и на учете была каждая бочка авиационного бензина, Николай Дмитриевич Зелинский разработал метод получения авиационного бензина из отходов нефти с помощью катализатора. По этому методу соляровое масло и керосин перерабатывали в авиационный бензин. Позднее по методу академика Зелинского производили авиационный бензин в Америке.

Аппарат Шухова и метод Зелинского позволили получать бензин не только из отходов нефти, но и из сланцев, из низкосортного угля и другого малоценного топлива.

Один из основных продуктов переработки нефти — бензин — имеет, как мы знаем, огромное значение для автотранспорта и особенно для авиации. Однако с этим необходимым продуктом не все' шло гладко. До тех пор, пока скорость самолета несколько превышала 100 километров в час, бензин прекрасно исполнял свою службу. С дальнейшим увеличением скорости, когда от мотора требовалась большая мощность, он «ваболевал». На самом лучшем авиационном бензине мотор отказы-

вался нормально работать: его сильно трясло.

При больших давлениях и температурах, которые необходимо создавать в цилиндре мотора повышенной мощности, часть молекул бензина расщепляется на мелкие.

А они не выдерживают условий сжатия в цилиндрах мотора и взрываются раньше времени. Бензин, как говорят, детонирует. Встал вопрос о создании нового авиационного бензина — синтетического. Научные основы для этого имелись в многочисленных трудах академика Н. Д. Зелинского и других отечественных ученых.

Еще в прошлом веке русским химиком В. В. Марковниковым, исследовавшим бакинскую нефть, было найдено, что она состоит главным образом из циклических углеводородов — нафтенов, молекулы которых построены не, в виде цепочки, а в форме колец.

В конце прошлого века академик синтетическим путем.

Всего Николай Дмитриевич Зелинский синтезировал 25 нафтенов. Созданные им методы легли в основу получения синтетического бензина.

Синтетическая «пища» для авиамоторов — в полном смысле слова производственное чудо: эта «пища» поднимает мощность моторов, увеличивает дальность действия и наращивает скорость самолетов.

Нефтеперегонный аппарат непрерывного действия системы В. Г. Шухова.

Зелинский получил нафтены

Титульный лист книги Коновалова.

Среди продуктов, получаемых из нефти, есть химическое, инертное вещество — парафин. И название свое это вещество получило от латинских слов «парум аффинис», что значит малоактивный. Сюда же может быть отнесен также вазелин и горный воск. Все попытки химиков «расшевелить» эти неактивные вещества были тщетны. Они не вступали ни (в какие соединения. Их так и назвали: «химическими мертве

цами».

За «(воскрешение» этих «мертвецов» взялся русский химик Михаил Иванович Коновалов (1858—1906). В качестве «живой воды» им была использована азотная кислота.

Работая с нефтью, он в 1889 году нашел, что азотная кислота при нагревании в запаянных сосудах превращает парафиновые углеводороды в так; называемые нитропарафины, обладающие значительной химической активностью. Так были получены новые ценные химические продукты, необходимые для синтеза многочисленных веществ.

НИГПРОВЯНИЕ

1-АЕГЦВ.^т ьГь.~р 23 1^,ШДЛ^»1Гь|У'^Дс,тв0 . ■

Реакция эта под названием реакции нитрования Коновалова вошла в историю науки.

Ученые продолжали исследовать процесс нитрования. Раскрыли механизм этого процесса советские химики, в том числе академик С. С. Наметкин и профессор А. И. Титов.

Вещества, полученные путем нитрования парафиновых углеводородов, то есть их нитропроизводные, обладают химической активностью. Их легко превращать в различные промышленные полуфабрикаты и продукты.

Разработаны методы получения из нитропарафинов пластмасс, синтетического волокна, взрывчатых и лекарственных веществ, растворителей и др. Нуждаются в нитропарафинах производства синтетического топлива, смазочных масел и других продуктов.

Методами нитрования можно превращать в ценнейшие вещества не только парафиновые, но и особенно ароматические углеводороды, например бензол. Бензол приобретает очень большую ценность после его превращения в нитробензол: из последнего легко получают ценнейший продукт — анилин, являющийся сырьем для бесчисленного количества исключительно важных веществ (красителей, химикатов, лекарств и т. д.).

Тысячи разнообразнейших ароматических углеводородов приобретают после нитрования новые свойства.

Советские ученые • открыли, как использовать для нитрования не азотную кислоту, а промежуточный продукт при ее получении — окислы азота. Новый процесс удешевляет и необычайно упрощает производство нитроуглеводородов.

Так благодаря трудам и исследованиям ученых и инженеров нефть стала богатейшим источником для получения сложнейших и полезнейших продуктов химической промышленности.

^ ^ ф

Отечественной химической науке принадлежит заслуга в развитии промышленного производства сахара из древесины. Из такого сахара вырабатывают спирт и другие вещества.

Образование сахаристых веществ в растении происходит по следующей схеме. Из углекислого газа и воды в зеленом листе строятся простые сахаристые вещества, такие, как виноградный сахар — глюкоза

и фруктовый сахар — фруктоза. Если глюкоза и фруктоза соединяются вместе, то образуется сахароза — тот сахар, с которым мы пьем чай. Более сложные вещества, образуемые в растениях, — крахмал, целлюлоза и другие — уже не имеют сладости.

Превращение крахмала в сахаристое вещество — глюкозу — осуществил русский академик К. С. Кирхгоф.

Это превращение выполнено им в 1811 году при нагреваний крахмала с разбавленными кислотами. Процесс был назван гидролизом.-К. С. Кирхгоф, сразу увидев в своем открытии большие практические возможности, разработал на базе его технологический процесс получения патоки и кристаллической глюкозы.

Вскоре уже работали первые заводы крахмало-паточной промышленности. А ее развитие, в свою очередь, поставило перед химической наукой новую интересную задачу — превращение древесины в сахаристые вещества.

Готовая продукция, которую вырабатывает зеленый лист, — это крахмал, состоящий из больших молекул, каждая из тысяч остатков глюкозы. Растение откладывает его в свои запасные пищевые «склады» или же использует для расширения и роста или восстановления своего организма. Но чем больше укрупняется и усложняется сахарная постройка, тем меньше остается в ней сладости. Сложной молекулярной постройкой из остатков глюкозы является и целлюлоза. Из нее растение строит свой скелет.

Простые сахара растворяются в воде, а построенные из них крахмал и целлюлоза не растворяются. Это очень важно для растения, иначе все его тело и скелет растаяли бы от первого дождя.

Разрушить скелет растения и превратить его твердое несладкое тело с помощью гидролиза в сахаристые вещества — вот задача, вставшая перед наукой в наше время. И эту задачу разрешила наша отечественная химия. Превращение целлюлозы в сахаристое вещество достигнуто было в 1931 году В. И. Шарковым и другими советскими учеными.

Когда-то на лесопильных заводах скапливались целые горы опилок. Приходилось изобретать специальные мусоросжигательные печи для их уничтожения.

Отходы, от которых раньше старались избавиться, служат сейчас ценным сырьем для гидролизной промышленности. Древесина превращается или в пищевые продукты для скота — сахар, белковые и жировые

На химических заводах опилки превращаются в спирт, а спирт — в синтетический каучук.

^Отопилок^ОООлтр. спирта «И20кг.СК-►ИЗДЕЛИЯ

1 ТОННА сухиу опилск

Заменяет

ПРИ

ИЗГОТОВЛЕНИИ

СПИРТА

300 кг, 1 тонну

ЗЕРНОВОГО ХЛЕБА КАРТОФЕЛЯ

1 ТОННА СУХИХ ОПИЛОК

МОЖЕТ ДАТЬ

ййййй. 1а.

650кг 300кг 40кс

КОРМОВОГО + ЛИГНИНА + УКСУСИ САХАРА КИСЛОТЫ

1 ТОННА СУХИХ ОПИЛОК

500КГ

ДРОЖЖЕЙ

Химики превращают древесные опилки в цен-ные продукты.

дрожжи, или в техническое сырье — спирт, глицерин, фурфурол и другие, на которые раньше расходовались картофель и зерно.

Одна тонна опилок нормальной влажности заменяет тонну картофеля или 300 килограммов зерна и дает 650 килограммов сахара или 220 литров спирта.

Небольшой лесопильный завод, оборудованный двумя пилорамами, может за год обеспечить опилками производство миллиона литров спирта.

Сотни миллионов тонн растительных отходов — соломы, мякины, шелухи, зерен — остаются ежегодно в сельском хозяйстве. Теперь и им найдено применение в промышленной химии. Наши ученые Н. А. Сычев, Н. А. Четвериков и академик А. Е. Порай-Кошиц разработали метод, по которому из тонны сухой соломы получают до 100 литров спирта.

Спирт, вырабатываемый гидролизной промышленностью, служит сырьем для производства ценнейшей продукции, в том числе синтетического каучука.

и* *

Русские мастера издавна славились приготовлением цемента.

В 1825 году московская типография Пономарева отпечатала книгу Егора Челиева «Полное наставление, как приготовлять дешевый и лучший мертель или цемент, весьма прочный для подводных строений...». В этой книге был описан способ приготовления цемента не из готового природного материала, а из искусственно составленной смеси извести и глины, обожженных и размолотых в порошок.

Вот как описывает Челиев метод производства цемента в своей книге.

«Здесь, — пишет он, — предлагаются опыты, по которым мертель делан в Москве из извести, выжженной из Мячковского камня и которая была на воздухе более 10 лет, и глины кирпичной, а также мусоров стенного и штукатурного... и найдена надлежащая пропорция...»

Автор подробно рассказывает далее об изготовлении мергеля: о смешении глины с известью в твориле, о набивке форм, о сушке кирпичей, затем об обжиге мергеля.

В книге приводится ряд ценных указаний: как, например, производить добавку гипса для повышения схватывания цемента, как использовать известняк вместо извести и т. д.

Искусство русских мастеров в производстве цемента совершенствовалось с каждым десятилетием. Но только в наше время, когда развивающаяся социалистическая индустрия стала предъявлять все больший и больший спрос на цемент, его производство было поставлено на строго научную основу.

Советские инженеры создали много новых сортов цемента с разными качествами.

Одни из них от примесей боксита или глинозема приобретают способность быстро твердеть и не разрушаться в морской воде. Это глиноземистые, или бокситовые, цементы. Другие, с добавками песка и растворимого стекла, противостоят разрушающему действию кислот. Это кислотоупорные цементы. Третьи, приготовляемые со смесью измельченного шамота и огнеупорной глины, обладают огнеупорными свойствами.

Создаются также цветные, декоративные цементы, предназначенные для художественного оформления и внутренней отделки зданий.

Михаил Васильевич Ломоносов проверяет открытый им великий закон сохранения.

Окрашивают эти цементы введением минеральных красителей в цементную смесь до ее обжига. Производится цемент специальных сортов, допускающий напряжение в несколько раз большее, чем обычный.

Бетон применяется главным образом при устройстве фундаментов зданий и гидротехнических сооружений.

Но бетон долгое время оставался несовершенным. Бетонным плотинам были опасны «укусы» молекул химических веществ, растворенных в воде; на бетон разрушающе действует резкая смена температур. С этими недостатками бетона справились.

Решена задача водонепроницаемости и морозостойкости бетона Разработаны методы «облагораживания» бетона с помощью поверхностно-активных органических веществ.

Создан быстро схватывающийся цемент, сокращающий время твердения в десять раз по сравнению с обычными марками цемента.

Большим достижением советской промышленной химии является создание особого вида «расширяющегося» цемента.

Раньше, чтобы в тоннель метро не просачивались подземные воды, соединения частей металлических колец уплотняли свинцом. Теперь расширяющийся и быстро твердеющий цемент пришел на смену свинцу. Советские ученые использовали особые «дрожжи». Они заставили кристаллизоваться в цементном тесте при определенных условиях молекулы сульфоалюмината кальция. При кристаллизации объем цемента увеличивается. Расширяющийся цемент получен советскими инженерами.

Мы рассказали о создании русскими химиками передовых методов производства бензина, сахара, цемента. Но можно было бы написать еще немало страниц о разработке нашими химиками новых способов получения и других продуктов промышленного производства.

Печь Челиева.



Истории, рассказы о русской науке и технике, Болховиттинов В. 1957