ПРОМЫ́ШЛЕННЫЙ КАТА́ЛИЗ

ПРОМЫ́ШЛЕННЫЙ КАТА́ЛИЗ, ис­поль­зо­ва­ние ка­та­ли­за­то­ров и ка­та­ли­тич. про­цес­сов в про­из-ве важ­ной для на­род­но­го хо­зяй­ст­ва про­дук­ции. П. к. име­ет клю­че­вое зна­че­ние для хи­мич. сек­то­ров эко­но­ми­ки про­мыш­лен­но раз­ви­тых стран, по­сколь­ку до 80–90% всех совр. хи­мич. тех­но­ло­гий опи­ра­ют­ся на ка­та­ли­тич. про­цес­сы. Ка­та­ли­тич. тех­но­ло­ги­ям при­над­ле­жит гл. роль в фор­ми­ро­ва­нии совр. со­стоя­ния то­п­лив­но-энер­ге­тич., неф­те­пе­ре­ра­ба­ты­ваю­ще­го, неф­те­хи­мич. и хи­мич. ком­плек­сов эко­но­ми­ки. Кро­ме это­го, ве­ли­ко зна­че­ние ка­та­ли­тич. тех­но­ло­гий в энер­ге­ти­ке, за­щи­те ок­ру­жаю­щей сре­ды, пи­ще­вой и фар­ма­цев­тич. пром-сти, в т. ч. для по­лу­че­ния ка­че­ст­вен­ных мед. пре­па­ра­тов, средств за­щи­ты рас­те­ний и эко­ло­ги­че­ски чис­той пи­ще­вой про­дук­ции. Ка­че­ст­во ка­та­ли­за­то­ров и ка­та­ли­тич. про­цес­сов яв­ля­ет­ся оп­ре­де­ляю­щим при вы­бо­ре ис­ход­но­го сы­рья для про­из-ва це­ле­вых про­дук­тов, ре­сур­сос­бе­ре­же­ния и энер­го­эф­фек­тив­но­сти ба­зо­вых мно­го­тон­наж­ных про­изводств. При­ме­не­ние ка­та­ли­тич. про­цес­сов – наи­бо­лее эф­фек­тив­ный и эко­но­мич­ный спо­соб в ре­ше­нии про­блем эко­ло­гии и ра­цио­наль­но­го ис­поль­зо­ва­ния ре­сур­сов пер­вич­но­го сы­рья пу­тём уг­луб­ле­ния его пе­ре­ра­бот­ки и во­вле­че­ния не­ис­поль­зуе­мых от­хо­дов. На­уч­но-тех­нич. уро­вень пром. тех­но­ло­гий, ос­но­ван­ных на ка­та­ли­тич. про­цес­сах, яв­ля­ет­ся од­ним из осн. по­ка­за­те­лей эко­но­мич. не­за­ви­си­мо­сти и без­опас­но­сти стра­ны. Раз­ра­бот­ка и ос­вое­ние но­вых пром. ка­та­ли­за­то­ров и сор­бен­тов, об­нов­ле­ние их ас­сор­ти­мен­та, рас­ши­ре­ние ис­поль­зо­ва­ния в разл. сфе­рах эко­но­ми­ки оп­ре­де­ля­ют струк­ту­ру, тех­нич. уро­вень и про­гресс хи­мич. и смеж­ных с ни­ми от­рас­лей пром-сти.

В Рос­сии c при­ме­не­ни­ем ка­та­ли­тич. тех­но­ло­гий про­из­во­дит­ся до 15% ма­те­ри­аль­ной со­став­ляю­щей ВВП. Эко­но­мич. эф­фект от ис­поль­зо­ва­ния ка­та­ли­тич. тех­но­ло­гий в США и не­ко­то­рых др. стра­нах пре­вы­ша­ет 30% ма­те­ри­аль­ной со­став­ляю­щей ВВП за счёт ис­поль­зо­ва­ния этих тех­но­ло­гий для бо­лее глу­бо­кой, чем в Рос­сии, пе­ре­ра­бот­ки уг­ле­во­до­род­но­го сы­рья, т. е. по­лу­че­ния хи­мич. про­дук­ции с бoльшей до­бав­лен­ной стои­мо­стью, а так­же бо­лее ши­ро­ко­го ис­поль­зо­ва­ния ка­та­ли­тич. при­ро­до­охран­ных тех­но­ло­гий, осо­бен­но для ней­тра­ли­за­ции вы­хлоп­ных га­зов ав­то­мо­би­лей.

Наи­бо­лее круп­но­тон­наж­ны­ми (сум­мар­ное ми­ро­вое про­из-во – сот­ни мил­лио­нов тонн про­дук­ции в год) ка­та­ли­тич. про­цес­са­ми в неф­те­пе­ре­ра­бот­ке яв­ля­ют­ся кре­кинг и гид­ро­кре­кинг тя­жё­лых неф­тя­ных фрак­ций с це­лью по­лу­че­ния бен­зи­нов и оле­фи­нов как сы­рья для неф­те­хи­мии, ри­фор­минг бен­зи­но­вых фрак­ций, их изо­ме­ри­за­ция и про­цес­сы ал­ки­ли­ро­ва­ния для по­вы­ше­ния ок­та­но­во­го чис­ла бен­зи­нов, гид­ро­очи­ст­ка в це­лях по­вы­ше­ния эко­ло­гич. ка­че­ст­ва мо­тор­ных то­п­лив. В неф­те­хи­мич. и хи­мич. пром-сти наи­бо­лее круп­но­тон­наж­ны­ми (ми­ро­вое про­из-во от со­тен ты­сяч до мил­лио­нов тонн про­дук­ции в год) ка­тали­тич. про­цес­са­ми яв­ля­ют­ся по­лу­че­ние мо­но­ме­ров для син­те­за по­ли­ме­ров и син­те­тич. кау­чу­ка, под­го­тов­ка (глу­бо­кая очи­ст­ка) этих мо­но­ме­ров для по­сле­дую­щей по­ли­ме­ри­за­ции и не­по­сред­ст­вен­но про­цес­сы по­ли­ме­ри­за­ции, а так­же произ-во сер­ной, азот­ной, си­ниль­ной и ук­сус­ной ки­слот, ам­миа­ка, ме­та­но­ла, аль­де­ги­дов и т. п. Мн. круп­но­тон­наж­ные хи­мич. про­из-ва ис­поль­зу­ют це­лый ком­плекс (ино­гда по 5–6) взаи­мо­увя­зан­ных ка­та­ли­тич. тех­но­ло­гий. Так, про­из-во ам­миа­ка с ис­поль­зо­ва­ни­ем при­род­но­го га­за и азо­та воз­ду­ха в ка­че­ст­ве ис­ход­но­го сы­рья вклю­ча­ет ка­та­ли­тич. ста­дии па­ро­вой пред­кон­вер­сии и кон­вер­сии ме­та­на в син­тез-газ, вы­со­ко- и низ­ко­тем­пе­ра­тур­ной кон­вер­сии син­тез-га­за в во­до­род, ме­та­ни­ро­ва­ния мо­но­кси­да уг­ле­ро­да и не­по­сред­ст­вен­но син­те­за ам­миа­ка из чис­тых во­до­ро­да и азо­та.

Круп­но­тон­наж­ные ка­та­ли­тич. про­цес­сы яв­ля­ют­ся од­ни­ми из наи­бо­лее со­вер­шен­ных с точ­ки зре­ния эко­но­ми­ки и эко­ло­гич. чис­то­ты про­из-ва и об­ла­да­ют ми­ним. зна­че­ния­ми эко­ло­гич. Е-фак­то­ра – от­но­ше­ния мас­сы за­тра­чен­но­го сы­рья к мас­се по­лу­чен­ной це­ле­вой про­дук­ции (Е<2–5).

Очень ши­ро­ка но­менк­ла­ту­ра про­дук­тов сред­не­тон­наж­ных (от 10 до 100 тыс. т про­дук­ции в год) ка­та­ли­тич. про­цес­сов неф­те­хи­мич. и хи­мич. пром-сти, ох­ва­ты­ваю­щих тех­но­ло­гии глу­бо­ко­го и се­лек­тив­но­го гид­ри­ро­ва­ния и окис­ле­ния, де­гид­ри­ро­ва­ния, ок­со­син­те­за, ал­ки­ли­ро­ва­ния, син­те­за га­ло­ген­со­дер­жа­щих со­еди­не­ний, хи­мич. средств за­щи­ты рас­те­ний и мно­гое др. Ма­ло- и мик­ро­тоннаж­ные ка­та­ли­тич. про­цес­сы (ме­нее 10 тыс. т, ино­гда – неск. ки­ло­грам­мов про­дук­ции в год) ис­поль­зу­ют для син­те­за и мо­ди­фи­ка­ции наи­бо­лее слож­ных ор­га­нич. и эле­мен­то­ор­га­нич. со­еди­не­ний, в т. ч. в це­лях про­из-ва суб­стан­ций для фар­ма­цев­ти­ки и иных био­ло­ги­че­ски ак­тив­ных ве­ществ.

В пи­ще­вой пром-сти круп­но­тон­наж­ным ка­та­ли­тич. про­из-вом яв­ля­ет­ся гид­ри­ро­ва­ние рас­тит. жи­ров с це­лью по­лу­че­ния мар­га­ри­нов; го­мо­ген­ные ка­та­ли­тич. про­цес­сы ле­жат в ос­но­ве гид­ро­ли­за цел­лю­ло­зы с це­лью по­лу­че­ния са­ха­ров. Круп­ней­ший по мас­шта­бам био­ка­та­ли­тич. про­цесс – ана­эроб­ная фер­мен­та­ция са­ха­ров и крах­ма­ла в тех­нич. и пи­ще­вой эти­ло­вый спирт.

В энер­ге­ти­ке и транс­пор­те ка­та­ли­тич. тех­но­ло­гии ис­поль­зу­ют для очи­ст­ки от­хо­дя­щих, вы­хлоп­ных и ды­мо­вых га­зов, сточ­ных вод от при­ме­сей, спо­соб­ных к хи­мич. пре­вра­ще­ни­ям. В при­ро­до­ох­ран­ных тех­но­ло­ги­ях наи­бо­лее круп­но­мас­штаб­но при­ме­не­ние ка­та­ли­за для окис­ле­ния ди­ок­си­да се­ры до три­ок­си­да, се­ро­во­до­ро­да до эле­мент­ной се­ры, ам­миа­ка до мо­ле­ку­ляр­но­го азо­та, вос­ста­нов­ле­ния или раз­ло­же­ния ок­си­дов азо­та до мо­ле­ку­ляр­но­го азо­та, ми­не­ра­ли­зации (глу­бо­ко­го окис­ле­ния) ле­ту­чих и рас­тво­рён­ных ор­га­нич. и эле­мен­то­ор­га­нич. со­еди­не­ний. В по­след­ние го­ды пром. ка­та­ли­тич. тех­но­ло­гии ста­ли ис­поль­зо­вать в круп­ных те­п­ло­ге­не­ри­рую­щих энер­го­ус­та­нов­ках для сжи­га­ния (ка­та­ли­тич. окис­ле­ния) га­зо­об­раз­ных, жид­ких и твёр­дых то­п­лив, в т. ч. низ­ко­ка­ло­рий­ных. Ка­тали­тич. про­цес­сы очи­ст­ки от со­еди­не­ний се­ры ши­ро­ко ис­поль­зу­ют в под­го­тов­ке при­род­но­го га­за к транс­пор­ти­ров­ке или пе­ре­ра­бот­ке. В нач. 2000-х гг. на­ме­ти­лось су­ще­ст­вен­ное уве­ли­че­ние ро­ли П. к. в про­из-ве син­те­тич. то­п­ли­ва из при­род­но­го га­за, по­пут­ных неф­тя­ных га­зов и уг­ля, а так­же био­то­п­ли­ва из во­зоб­нов­ляе­мо­го рас­тит. сы­рья.

П. к. тре­бу­ет оп­ти­ми­за­ции взаи­мо­согла­со­ван­ных тре­бо­ва­ний к вы­со­кой удель­ной про­из­во­ди­тель­но­сти об­ще­го про­из-ва це­ле­вой про­дук­ции, его эко­ло­гич. чис­то­те и энер­го­эко­но­мич­но­сти, а так­же об­щей эко­но­ми­ке про­из-ва. Это, в свою оче­редь, на­ла­га­ет осо­бые тре­бо­ва­ния к взаи­мо­увяз­ке па­ра­мет­ров функ­цио­ни­ро­ва­ния ап­па­ра­тов (ре­ак­то­ров) все­го хи­мич. про­из-ва, в ко­то­рых реа­ли­зу­ют­ся ка­та­ли­тич. и не­ка­та­ли­тич. ста­дии, по по­то­кам сы­рья, дав­ле­ни­ям и тем­пе­ра­ту­рам. Как след­ст­вие, пром. ка­та­ли­за­то­ры экс­плуа­ти­ру­ют­ся в дос­та­точ­но жё­ст­ко за­дан­ных, не­ред­ко не са­мых оп­ти­маль­ных ре­жи­мах. По­это­му, в от­ли­чие от ла­бо­ра­тор­ных и опыт­ных об­раз­цов ка­та­ли­за­то­ров, к пром. ка­та­ли­за­то­рам мо­гут быть предъ­яв­ле­ны по­вы­шен­ные тре­бо­ва­ния – не толь­ко в от­но­ше­нии их аб­со­лют­ной или удель­ной ак­тив­но­сти, но и к дли­тель­но­сти рег­ла­мент­но­го про­бе­га (ре­сур­са) ис­поль­зуе­мо­го ка­та­ли­за­то­ра до его ре­ге­не­ра­ции или за­ме­ны, его стой­ко­сти к при­сут­ст­вию воз­мож­ных ка­та­ли­тич. ядов в ис­поль­зуе­мом сы­рье, тер­мич. и ме­ха­нич. проч­но­сти, удель­ной на­сып­ной плот­но­сти, фор­ме гра­нул или бло­ков (в це­лях улуч­ше­ния ус­ло­вий мас­со­пе­ре­но­са реа­ген­тов и те­п­ло­об­ме­на с ок­ру­жаю­щей сре­дой), стои­мо­сти и без­от­ход­но­сти про­из-ва ка­та­ли­за­то­ра и т. п.

В се­бе­стои­мо­сти це­ле­вой про­дук­ции, в про­из-ве ко­то­рой ка­та­ли­за­то­ры ис­поль­зу­ют­ся в ка­че­ст­ве функ­цио­наль­ных рас­ход­ных ма­те­риа­лов, их до­ля обыч­но не пре­вы­ша­ет де­ся­тых до­лей про­цен­та. Пром. ка­та­ли­за­то­ры от­но­сят­ся к сред­не- и ма­ло­тон­наж­ной нау­ко­ём­кой про­дук­ции, про­из-вом ко­то­рой за­ни­ма­ет­ся ка­та­ли­за­тор­ная под­от­расль хи­мич. пром-сти. Бо́ль­шая часть круп­но­тон­наж­ных ка­та­ли­тич. про­цес­сов ис­поль­зу­ет ге­те­ро­ген­ные ка­та­ли­за­то­ры, что об­ус­лов­ле­но про­сто­той их от­де­ле­ния от ре­ак­ци­он­ной сре­ды и це­ле­во­го про­дук­та, а так­же ши­ро­ки­ми воз­мож­но­стя­ми в ва­риа­ции кон­ст­рук­ций со­от­вет­ст­вую­щих ка­та­ли­тич. ре­ак­то­ров. Об­щий объ­ём про­из-ва пром. ге­те­ро­ген­ных ка­та­ли­за­то­ров в 1990 по СССР со­став­лял 185 тыс. т при ас­сор­ти­мен­те ок. 230 ма­рок, в т. ч. по быв­шим ми­ни­стер­ст­вам: неф­те­пе­ре­ра­ба­ты­ваю­щей и неф­те­хи­мич. пром-сти – ок. 140 тыс. т/год, по про­из-ву ми­нер. удоб­ре­ний – ок. 40 тыс. т/год, хи­мич. пром-сти – 6 тыс. т/год. К нач. 2000-х гг. про­из-во отеч. ка­та­ли­за­то­ров в Рос­сии со­кра­ти­лось бо­лее чем в 3 раза, в осн. в свя­зи с рас­ши­ре­ни­ем им­пор­та ка­та­лиза­то­ров и об­щей стаг­на­ци­ей хи­мич. сек­то­ра эко­но­ми­ки. За­мет­ный подъ­ём неф­те­пе­ре­ра­ба­ты­ваю­щей и неф­те­хи­мич. пром-сти в Рос­сии в кон. 1-го де­ся­ти­ле­тия 21 в. обу­сло­вил ожив­ле­ние отеч. ка­та­ли­за­тор­ной под­от­рас­ли.

Об­щий объ­ём ми­ро­во­го рын­ка пром. ка­та­ли­за­то­ров в 2010 ок. 25 млрд. долл. США, при­чём бо­лее по­ло­ви­ны это­го объ­ё­ма со­ста­ви­ли ка­та­ли­за­то­ры для при­ро­до­охран­ных тех­но­ло­гий, сре­ди ко­то­рых пре­об­ла­да­ют до­ро­го­стоя­щие ка­та­ли­за­то­ры очи­ст­ки вы­хлоп­ных га­зов ав­то­мо­би­лей. Об­щий го­до­вой объ­ём про­из­во­ди­мой с ис­поль­зо­ва­ни­ем ка­та­ли­за­то­ров про­дук­ции оце­ни­ва­ет­ся в 3 трлн. долл. США.

В свя­зи с не­об­хо­ди­мо­стью пе­ре­хо­да к прин­ци­пи­аль­но но­вым и эко­но­мич­ным хи­мич. тех­но­ло­ги­ям ас­сор­ти­мент пром. ка­та­ли­за­то­ров на ми­ро­вом рын­ке еже­год­но об­нов­ля­ет­ся на 15–20%, а тем­пы рос­та про­из-ва ка­та­ли­за­то­ров в ми­ре пре­вы­ша­ют рост эко­но­ми­ки в це­лом. Так, в пе­ри­од 2001–03 при сред­не­го­до­вых тем­пах при­рос­та ВВП ве­ду­щих стран ми­ра 0,8–3,5% (Япо­ния, Зап. Ев­ро­па, США) тем­пы при­рос­та про­из-ва ка­та­ли­за­то­ров пре­вы­ша­ли 4%, а для ка­та­ли­за­то­ров неф­те­пе­ре­ра­бот­ки 5–7%.

Раз­ра­бот­кой пром. ка­та­ли­тич. тех­но­ло­гий и со­от­вет­ст­вую­щих ка­та­ли­за­то­ров для них за­ни­ма­ют­ся, как пра­ви­ло, спе­циа­ли­зир. ин­жи­ни­рин­го­вые ком­па­нии, обя­за­тель­ным эле­мен­том ко­то­рых яв­ля­ет­ся на­ли­чие раз­ви­той опыт­но-пром. ин­фра­струк­ту­ры. Ти­пич­ным тре­бо­ва­ни­ем к воз­мож­но­сти пром. адап­та­ции но­вой ба­зо­вой ка­та­ли­тич. тех­но­ло­гии яв­ля­ет­ся на­ли­чие опыт­но-пром. про­из-ва мас­шта­ба не ме­нее 1:20 к пред­по­ла­гае­мо­му пром. про­из-ву.

Осн. тен­ден­ции в раз­ви­тии тех­но­ло­гий, ис­поль­зуе­мых П. к., – пе­ре­ход к про­цес­сам, тре­бую­щим ме­нее вы­со­ких дав­ле­ний и тем­пе­ра­тур, про­цес­сам с ко­рот­ки­ми вре­ме­на­ми кон­так­та, а так­же ис­поль­зо­ва­ние ка­та­ли­за­то­ров и ре­жи­мов их экс­плуа­та­ции, обес­пе­чи­ваю­щих мак­си­маль­но воз­мож­ную се­лек­тив­ность. В тон­ком ор­га­нич. син­те­зе для про­из-ва фар­ма­цев­тич. и др. био­ло­ги­че­ски ак­тив­ных суб­стан­ций серь­ёз­ной про­бле­мой яв­ля­ет­ся обес­пе­че­ние вы­со­кой энан­тио­се­лек­тив­но­сти про­цес­сов.

Еди­нич­ные мощ­но­сти ус­та­но­вок (ре­ак­то­ров) для наи­бо­лее круп­но­тон­наж­ных про­цес­сов, напр. ка­та­ли­тич. кре­кин­га и ри­фор­мин­га, а так­же про­цес­сов не­ор­га­нич. и ос­нов­но­го ор­га­нич. син­те­за мо­гут пре­вы­шать 1 млн. т в год по пе­ре­ра­ба­ты­вае­мо­му сы­рью. Ис­поль­зо­ва­ние ус­та­но­вок очень боль­шой еди­нич­ной мощ­но­сти свя­за­но с их бо­лее вы­со­кой эко­но­мич­но­стью по срав­не­нию с ус­та­нов­ка­ми сред­ней и ма­лой мощ­но­сти. Од­но­вре­мен­но на фо­не тен­ден­ции к уве­ли­че­нию еди­нич­ных мощ­но­стей аг­ре­га­тов П. к. на­блю­да­ет­ся и про­ти­во­по­лож­ная тен­ден­ция – к раз­ук­руп­не­нию про­из­водств не­ко­то­рых ви­дов хи­мич. про­дук­ции с при­бли­же­ни­ем про­из­водств к не­по­средств. по­тре­би­те­лям. Осо­бен­но серь­ёз­на по­след­няя тен­ден­ция для про­из-ва вы­со­ко­ток­сич­ной или взры­во­опас­ной про­дук­ции (си­ниль­ной ки­сло­ты, фос­ге­на, нит­ро­аро­ма­тич. со­еди­не­ний и т. п.), тре­бую­щей боль­ших из­дер­жек на её хра­не­ние и безо­пас­ную транс­пор­ти­ров­ку к по­тре­би­те­лю. Боль­шие на­де­ж­ды здесь воз­ла­га­ют на ми­ниа­тю­ри­за­цию ка­та­ли­тич. ре­ак­то­ров с по­мо­щью мик­ро­ре­ак­тор­ной и мик­ро­ка­наль­ной тех­ни­ки.