Сергей Суханов - Перелом. Часть 3 [СИ]

Причем эти спирты можно было изготавливать одновременно с производством метилового спирта, просто добавив в катализатор немного щелочных или щелочноземельных металлов, точнее - их оксидов. С катализаторами мы, правда, намучались - слишком много там тонкостей. Их назначение - предоставить активные центры, на которых будет происходить нужная реакция. В принципе, получение метанола из синтез-газа возможно и на голом цинке, без хрома, и на других металлах - но именно сочетание цинка и хрома дает наибольший выход продукта - хром выступает в качестве активатора для цинка, то есть вещества, усиливающего активность катализатора. До конца мы еще в этой схеме не разобрались, но пока все выглядело следующим образом. Водород и оксид углерода адсорбируются на поверхности кристаллов цинка, то есть сближаются друг к другу и получают возможность поскорее вступить в реакцию. То есть и без катализатора реакции бы состоялись, что мы и наблюдали, но с катализатором они проходили чаще, интенсивнее - выход продукта за единицу времени существенно повышался. И хром препятствовал росту кристаллов цинка, то есть делал их более мелкими, увеличивал поверхность, на которой могли собраться реагенты - в этом, скорее всего, и заключалась роль хрома.

Активность катализаторов зависела и от способа их приготовления. Например, по "сухому" методу окись цинка и хромовый ангидрид измельчались, смачивались и формовались в таблетки диаметром пять-десять миллиметров. При "мокром" методе к суспензии оксида цинка добавляют раствор хромового ангидрида и потом сушат, то есть получается более однородная смесь, к тому же последующее высушивание оставляет множество пор и поверхность катализатора увеличивается - так, если для сухих внутренняя поверхность одного грамма катализатора была порядка ста квадратных метров (да, "огородная" сотка), то в мокрых - почти двести. В результате активность "мокрых" катализаторов становится на 10-15% выше, чем "сухих". Мы начинали сразу с мокрых - не хотелось измельчать еще и ангидрид. А с начала 1943го перешли уже на следующий способ изготовления - осаждением из азотнокислых солей цинка и хрома и последующим прокаливанием в атмосфере водорода. Преимуществом этого метода было то, что резко снижались потребные количества катализатора - его пленка крепилась на подложке, которая и обеспечивала механическую прочность. А за счет более мелких кристаллов активность была довольно высокой - примерно посередине между сухими и мокрыми. К такому способу пришли по аналогии с одним из способов изготовления активных пленок для ИК-техники, поэтому решили попробовать этот метод и в производстве катализаторов.

Пленочные катализаторы были лучше таблетированных прежде всего тем, что подложку можно было сделать полой и пропускать через нее охлаждающую жидкость - для нас первый год бичом была невозможность точного и быстрого контроля температуры в реакционной камере, катализаторы перегревались и получались локальные спекания кристаллов - активность резко падала. Так что подложки избавили нас хотя бы от этой напасти, хотя забивание внутренних полостей и поверхности водой и углеродом - одними из продуктов реакций - все так же продолжалось - тут уж приходилось регенерировать катализаторы - либо вытаскивать из камеры и прокаливать в водороде, либо продувать горячим водородом саму камеру. Исследовали и метод повышенной подачи водорода через определенные промежутки времени в ходе самого синтеза - предполагалось, что это не позволит вредным продуктам накапливаться в порах. А то если не делать регенерацию, поверхность грамма могла снизиться и в десять раз - до 10-15 квадратных метров. И это при том, что производительность катализаторов и так была не слишком высокой - если говорить о таблетированных катализаторах, то не больше двух литров метанола на литр катализатора в час.

То есть катализаторов требовалось много, точнее - дофига. Мы в том числе поэтому-то и перешли на цинк-хром-медные катализаторы, что для них требовалось гораздо меньше хрома, а то в цинк-хромовых самого хрома было как минимум 20%, и чтобы получать те самые тридцать пять тонн метилового спирта в час, чего мы достигли к осени сорок третьего, нам бы потребовалось как минимум двадцать пять тонн катализаторов, в которых должно было быть пять тонн хрома. А так потребность снижалась минимум в три раза, к тому же уже половина аппаратов у нас работала не на насыпных катализаторах, когда тысячи таблеток засыпаются в емкость и через эту кучу потом прогоняется синтез-газ, а на планарных - площадь катализатора мы сохранили ту же самую, а его массу уменьшили в пять раз. Правда, тут потребовалось организовывать вихревые потоки, чтобы повысить вероятность столкновения молекул синтез-газа с поверхностью катализатора, тогда как в насыпных аппаратах это происходило естественным путем - продираясь в промежутки между таблетками, газ постоянно сталкивался с их поверхностью, менял направление, завихрялся. Так что с планарными катализаторами были свои сложности, но хрома требовалось раз в двадцать меньше.

Мне, кстати, потом между делом рассказали, почему не использовали синтез бензина по методу Фишера-Тропша - для синтеза при низком давлении требуются кобальто-магниевые катализаторы, а кобальта у нас в сорок втором практически не было - привезли с большой земли на самолете несколько десятков килограммов, но мы их использовали для напыления на поверхности - прежде всего в ДВС. А с железными катализаторами потребные давления уже приближаются к давлениям гидрогенизации, так что выгода в плане производства аппаратуры теряется. Да и регулировать температуру сложнее. Впрочем, были и другие причины. Все дело в этой дурацкой молекуле кислорода, что присутствует в угарном газе. Ведь в бензине ее нет, следовательно, ее надо куда-то девать - вот она и уходит либо в воду, либо в спирты - то есть у бензина крадется водород, который вообще-то не так-то просто добыть - надо пыхать паром на раскаленный уголь, а это - затраты топлива. Так что немцы и сами не очень-то использовали этот метод - так, позднее мы узнали, что из шести миллионов тонн синтетического бензина в 1942 они произвели этим методом всего шестьсот тысяч тонн (в РИ - данные по 1943 году), то есть десять процентов, а остальные девяносто процентов пришлись на другие методы - в частности - ту же гидрогенизацию - в этом методе также есть этап получения синтез-газа, но потом эта смесь проходит через колонны с поглотителями угарного газа - собственно, через оксиды щелочных металлов - и дальше к сырью идет практически чистый водород.

Но и по метанольным катализаторам работы у нас продолжались - мы испытывали разные вещества. Для этого были созданы автоматизированные устройства по работе с высокими давлениями и температурами - стальные цилиндры, вентили, насосы - почти то же самое, что и в промышленных установках, но гораздо меньше размерами. С помощью этих устройств и ставились десятки опытов - не только по метанолу, но и по крегингу, риформингу - мы нарабатывали статистику взаимодействия катализаторов с сырьем при разных значениях давлений, температур, скорости потока. Кстати, именно в этих исследованиях и стала наконец вырисовываться компьютеризированная система управления экспериментом. Ранее я уже рассказывал, что наши лабораторные устройства имели простецкий командоаппарат с управлением от перфоленты, который позволял ввести "многостаночную" работу, когда один оператор мог обслуживать несколько устройств, на каждом из которых проводились однотипные эксперименты со своими параметрами. Отслеживание хода эксперимента - открытие заслонок, запуск и остановка двигателей, отслеживание температуры - все это управлялось автоматикой, построенной на схеме из операционных усилителей и дискретной схемы, которая управляла всем этим оркестром. Так вот экспериментаторы, набравшись опыта, стали приходить к мысли, что и каждым из этих оркестров тоже можно управлять. Народ понемногу дозревал. Более того - раз дискретные схемы управления однотипны, а различаются только схемы включения датчиков и операционных усилителей, то в принципе дискретную схему можно бы вынести и вовне - и она будет считывать с перфолент нужные команды и параметры температур, давлений и что там еще - для каждого аппарата своя перфолента - и управлять несколькими устройствами. Надо "всего-лишь" добавить схему выбора того устройства, с которого в данный момент принимаются сигналы датчиков и которому передаются параметры очередного шага.