Тел.: +7 (383) 330-67-71, факс: +7 (383) 330-80-56, E-mail: bic@catalysis.ru
630090, Россия, Новосибирск, пр-т Ак. Лаврентьева, 5
(Выступление на конференции, посвященной 5-летию
научно-технического журнала "Катализ в промышленности" 28 февраля 2006 г.)
Вспомним время и обстановку, когда возникла необходимость создания нового журнала по катализу.
Шоковая терапия и реформы 90-х годов привели к резкому снижению научно-технического потенциала химических отраслей страны. Развал Советского Союза был делом искусственным и его спровоцировали руководящие "товарищи"-предатели. За годы смуты и бездарных реформ мы потеряли огромную собственность, нажитую коллективным трудом химиков. Потери более чем в два раза превысили ущерб, причиненный в годы Великой Отечественной войны.
Распад Советского Союза явился геополитической катастрофой века. Отделение бывших республик СССР нанесло ущерб как нашей химической промышленности, так и промышленности самих республик. Получили развитие негативные процессы: были разрушены ранее установленные связи между заводами, разгромлены все отраслевые организации и институты, в том числе и журнал "Химическая промышленность" - старейший печатный орган химических отраслей. Отраслевые институты оказались без молодых кадров, без заказов, без перспектив.
В Академии наук длительное время считалось, а во многих институтах считается и сейчас, что химическая технология – это наука второго сорта. Именно поэтому академические журналы не печатали статьи по промышленному катализу. Только журнал "Теоретические основы химической технологии" является исключением, но объем возможных статей в нем ограничен.
В этой обстановке остро ощущалась необходимость нового журнала в области промышленного катализа. Решая вопрос об организации журнала и определении его структуры и содержания, мы обратились к нашей истории становления химической промышленности. История является идеальным полигоном для определения путей развития отрасли. Обращаясь к истории и изучая её, мы устанавливаем непрерывность творчества.
Становление катализа, химической технологии и химической промышленности произошло в конце 20-х годов. Руководители Советской России очень быстро осознали жизненную необходимость создания полноценной собственной научно-технической базы и создали ряд высококвалифицированных промышленных институтов: ЦАГИ, ГИВД, НИФХИ им.
Л.Я. Карпова, ГИПХ и другие.
Сформировалось первое поколение советской научно-технической интеллигенции, которое ощущало свою причастность к историческим свершениям нового государства. Они создали крупномасштабную науку, великолепное образование, не уступающее западному, что облегчило нашу победу в Великой Отечественной войне и в послевоенный период способствовало решению крупных научно-технических проблем в области создания новой техники. Этот период характеризовался энтузиазмом научной молодежи и старшего поколения и коллективным творчеством, в основе которого лежали прогрессивные идеи. Мы умели делать то, что не умели делать на Западе. Мы превосходили Запад в области химической технологии (Chem. Eng. Sci.). В этом я убедился во время службы в оккупационных войсках в Германии.
Я прошел войну в составе 1-й Гвардейской танковой армии. Эта армия после войны располагалась в Саксонии (Дрезден), а командующий армией генерал-полковник М.Е. Катуков был генерал-губернатором Саксонии. Я по его поручению, как начальник Отдела штаба армии, курировал химическую промышленность и демонтаж оборудования химических заводов. Изучив химическую промышленность Германии, которая считалась лучшей в мире в довоенные годы, и её исследовательские центры, я понял, что в основе промышленной технологии лежал чисто эмпирический путь изучения процессов, осуществляемых на большой серии опытных установок. В результате созданные процессы не были оптимальными. Так, например, лучший сернокислотный аппарат, созданный Баденской анилиновой и содовой фабрикой (BASF) в Людвигсхафене мощностью 50000 т/год, состоял из трех слоев катализатора с промежуточным теплообменом и одного слоя с внутренним теплообменом, содержал 595 трубок различного диаметра. Аппарат был намного сложнее в эксплуатации и менее продуктивен, чем наши контактные сернокислотные аппараты.
Опираясь на многолетние традиции передовых ученых и инженеров нашей страны, а также учитывая принципы организации и работу Сибирского отделения РАН, нами были приняты следующие методологические и методические основы журнала:
Редакция и редколлегия журнала ставила перед собой следующие задачи:
Какие научно-технические задачи стоят перед журналом? Они определяются задачами развития промышленного катализа. Промышленные каталитические процессы многочисленны и многообразны. Поэтому в кратком выступлении невозможно перечислить многие актуальные проблемы, которым журнал должен уделять внимание. К тому же будущее российского рынка в настоящее время не имеет определенности. Поэтому необходима гибкость в определении перспектив. Для примера укажу несколько актуальных проблем, достойных обсуждения.
Создание конкурентоспособных энерго- и ресурсосберегающих промышленных каталитических процессов в следующих направлениях:
Из многочисленных проблем нашего развития я остановлюсь на трех наиболее важных из них, которые необходимы для решения этих задач:
Кинетика каталитических реакций. Кинетическая модель, как с теоретической, так и с практической точки зрения дает всю необходимую информацию для математического моделирования каталитического процесса, конструирования реактора и создания системы управления. На основе кинетической модели определяются оптимальные условия проведения процесса в промышленности, необходимое количество катализатора для достижения заданной избирательности и степени превращения, а также выбирается эффективная конструкция реактора. Однако, при существующей методике определения кинетической модели её получение является самым медленным этапом исследования. В большинстве случаев кинетическая модель реакции неизвестна, и исследователи вместе с инженерами-технологами спешат проектировать реактор интуитивно и на основе ограниченных экспериментальных измерений. Вследствие этого удлиняются сроки освоения каталитического процесса, возникает большое число ошибок и промышленность терпит значительные экономические потери. Поэтому сроки получения кинетических моделей имеют огромное практическое значение для быстрого исследования и освоения нового процесса.
Чтобы кинетическая модель могла служить опорой для решения практических вопросов, предварительная кинетическая модель должна быть получена не более, чем за месяц, а полная модель не более, чем за 4 месяца. Этим условиям должна удовлетворять техническая оснащенность и организация круглосуточных работ на нескольких установках.
До перестройки наши исследования в области кинетики реакций промышленного катализа превосходили Запад. Поэтому и математическое моделирование каталитических процессов проводилось значительно раньше и более полно, чем на Западе. В настоящее время исследования в области химической кинетики проводятся очень редко. Не организуются конференции по кинетике каталитических реакций. Напомню, что третья, и она же последняя, конференция проходила в 1992 г. в г. Иваново.
Надо понимать, что наши достижения в промышленном катализе зависят от понимания кинетики реакции промышленных каталитических процессов и надежности их кинетических моделей. Не зная кинетики реакций многих промышленных каталитических процессов, мы очень плохо характеризуем свойства промышленных катализаторов.
По характеристикам катализаторов, выпускаемых промышленностью, нельзя судить о результатах их работы в промышленных реакторах.
Основой методологии экспериментальных исследований каталитического процесса и кинетики реакций является сочетание натурного (НЭ) и вычислительного (ВЭ) эксперимента в автоматизированных системах научных исследований (АСНИ).
Функциональная схема АСНИ представлена на рис. 1. Структура методологии сочетания НЭ и ВЭ состоит в последовательности проведения всех этапов цикла, где каждый очередной цикл приближает к решению поставленной задачи.
Основной смысл последовательности этапов состоит в предварительном расчете и определении того, что и как надо измерять. Хотя математика стала уже неотъемлемой частью технологии каталитических процессов, необходимо дальнейшее усиление роли математики. Её значение все более возрастает в научно-техническом прогрессе промышленного катализа.
Сбалансированное сочетание вычислительного и натурного экспериментов дает нам возможность:
В большинстве случаев промышленные катализаторы содержат активные компоненты и пористую структуру наноразмеров. Однако сейчас, когда возникли инструменты, позволяющие измерять и манипулировать на наноскопическом уровне, методы нанотехнологии для получения промышленных катализаторов пробрели новое значение. Нанотехнология относится конечно не к размерам гранул катализатора, а к деталям внутренней структуры.
Молекулярная технология катализа есть научно-техническая мечта. Создаваемые путем молекулярной самоорганизации избирательные, активные катализаторы, структура которых регулируется в диапазоне атомов и молекул, является совершенно новой реальностью, которая может не иметь аналогов в природе.
Исследование каталитических систем на всех масштабных уровнях, начиная с молекулярного, требует участия специалистов многих отраслей знания. Поэтому необходим коллектив разных специалистов-единомышленников, образующий коллективный интеллект, возможности которого постоянно расширяются в отличие от индивидуального интеллекта. Как следствие, для исследования каталитических процессов необходим коллектив единомышленников, превосходящий критическую массу.
Хочу сказать несколько слов о каталитических реакторах. В ближайшее время будут широко использоваться многофункциональные реакторы с совмещенными процессами, особенно для малотоннажных каталитических процессов. Совмещение реакционных и массообменных процессов имеет целью повышение выхода целевых продуктов и уменьшение затрат энергии. Сочетание этих процессов позволяет повысить интенсивность как реакционных, так и массообменных процессов и преодолеть термермодинамические ограничения. К совмещенным относятся следующие группы процессов:
Для интенсификации этих процессов найдут применение стационарные процессы при нестационарном состоянии катализатора и реакторы с организованной симметричной насадкой и улучшенной геометрией:
Создание многопроцессорных электронных вычислительных машин открыло возможность моделирования потоков реакционной смеси в аппаратах каталитических производств на основе уравнений Навье-Стокса. Эта область получила название вычислительной аэродинамики (Computational Fluid Dynamic – CFD).
Применение методов вычислительной аэродинамики позволит улучшить понимание работы аппаратов и реакторов и найти оптимальные геометрические формы и размеры. Результаты вычислений хорошо дополняет томография, с помощью которой можно получить изображение внутренней структуры анализируемого аппарата или реактора. В настоящее время вычислительная аэродинамика (CFD) стала новым мощным орудием инженера-химика и технолога в познании работы аппаратов каталитических процессов. Открывается возможность решать задачи, не подлежащие прямому экспериментальному решению.
Области применения вычислительной аэродинамики (CFD):
Заключение
С точки зрения инновационного развития последние 15 лет были потеряны. Мы наблюдаем небольшой рост продукции, но не развитие промышленности. Нам сейчас необходимо определение целей развития. Мы должны представить себе ближайшие и долговременные перспективы в области промышленного катализа.
Настал момент, когда необходим переход на новый, качественно другой, более высокий интеллектуальный уровень на всех этапах создания каталитического процесса. У нас нет ни времени, ни ресурсов для реализации эмпирического метода проб и ошибок. Этот путь сейчас для нас губителен. Наша предпринимательская элита пребывает, в значительной мере, в плену Запада. Недооценка интеллектуального потенциала наших специалистов ставит под угрозу наши надежды на скорый выход России из глубочайшего кризиса и содействует агрессивному поведению зарубежных фирм. Например, иностранные фирмы, торгующие катализаторами крекинга, рассматривают наш внутренний рынок как свою вотчину.
Мы должны понимать, что самый короткий путь создания конкурентоспособного каталитического процесса – это путь, основанный на детальном знании всех сторон процесса, а это означает, что мы должны принять методические, технические и организационные мероприятия по сокращению сроков исследования и разработки каталитических процессов.
Большие компании и фирмы должны научиться для своего же блага опираться на знания. Экономика и техника, опирающиеся на Знания – это современный этап развития общества. Рынок знаний наиболее динамично развивается и носит глобальный характер. Инвестиции в знания должны расти быстрее, чем инвестиции в основные фонды промышленности. Богатство в интеллектуальной деятельности, а не в недрах, определяют современный этап развития страны. Руководители фирм должны понимать, что мы соревнуемся с фирмами, имеющими нарастающий опыт в течение столетий (Дюпон – 200 лет, Мобил – 150 лет), тогда как мы с энтузиазмом разрушили и, в значительной мере, потеряли собственные школы, опыт и знания. Нам многое необходимо строить заново. Поэтому нам необходимо резко увеличить капиталовложения в получение знаний, в том числе и в журнал. Это надо делать срочно, пока ещё не всё потеряно. Недостаточное финансирование науки создает условия для её уничтожения.
Структура методологии получения математической модели каталитического реактора
Научные основы химической технологии включают 4 блока научных дисциплин: химию, физику, инженерные науки, математику на базе современных ЭВМ. На рис. 2 стрелками показано участие и роль отдельных блоков на различных этапах исследований.
Нелинейная динамика, как эффективный междисциплинарный подход, выходит на первый план. Пройденный ею путь уже сейчас позволяет более просто и эффективно анализировать и решать задачи промышленного катализа.
Мы надеемся, что в дальнейшей работе журнала и в определении его научно-технической политики будут участвовать более широкие круги специалистов, предпринимателей и представителей фирм, что будет способствовать развитию отечественного промышленного катализа. Опираясь на самоотверженный труд наших специалистов, мы преодолеем всю меру несчастий, легших на плечи нашего народа.
М.Г. Слинько