В поисках новых химических соединений химики-исследователи обычно пользуются лабораторной аппаратурой, получая не более нескольких граммов нужного вещества. Когда же новый продукт попадает на рынок, его понадобятся тонны, а если этот продукт находит широкий спрос – как, например, пластмассы или удобрения, – то и миллионы тонн в год. Переход от лабораторных синтезов к массовому производству и есть задача химической технологии.

Химический завод

Процессы химической технологии часто напоминают процессы, знакомые нам по кухне, но улучшенные и уточненные. Химическая технология – это точная наука, посвященная проектированию, строительству и эксплуатации оборудования в промышленном масштабе на специальных предприятиях – химических заводах. Сами процессы не всегда представляют собой чисто химические реакции, идущие с изменением химического состава, а нередко являются физическими процессами, как-то: испарение, дистилляция, сжижение или фильтрация.
Проектирование химического предприятия и оборудования – самостоятельная наука, хотя и перекрывающаяся с рядом других наук. Задачи проектирования наилучшим образом решаются не бригадой, состоящей из химиков и инженеров-механиков, а инженерами-технологами, специализация которых предусматривает знания и тех и других. Скажем, они должны рассчитать емкость сосуда для крекинга нефти с получением этилена и пропилена (которые позже превратятся в пластмассы, моющие средства или средства для сухой чистки). Из чего эту емкость изготовить? Сколько энергии необходимо для перекачки? Как именно проводить нагрев и охлаждение? Разделятся ли продукты производства дистилляцией? Этими и множеством других практических вопросов и занимаются химики-технологи. Обычно они касаются материала, состав и объем которого изменяются в процессе производства.
В основе химической технологии лежат химия, физика и математика. Вместе с тем она неотделима от традиционно инженерного дела и экономики. Химики-технологи часто используют ЭВМ для оценки проекта и технологических факторов. Поле деятельности этих специалистов-химические предприятия, где именно они отвечают за рост производства химической продукции, а также нефтеочистительные заводы, предприятия угольной и газовой атомная энергетика.

От теории к практике

В основе химической технологии лежит тот факт, что процессы производства различных химических веществ, например кислот, красителей, лекарств, могут быть разбиты на ряд единичных операций. Эти операции одинаковы, несмотря на разнообразие производимых химических веществ. Тем самым в целом теория применима к различным промышленным процессам.
Единичные операции включают дистилляцию, фильтрацию, смешивание, дробление и кристаллизацию. Но можно еще более унифицировать теорию. Многие операции могут быть представлены как течение жидкости, передача тепла или перенос материала. То, что известно о переносе материала, приложим о к единичным операциям абсорбции газов, выщелачивания растворенных веществ из твердой фазы или кристаллизации растворенных веществ. Химик-технолог обязан учитывать все последствия изменения масштабов единичной операции. Так, реакции в большом чане и в маленьком лабораторном стакане, где реагенты перед контактом проходят очень короткий путь, могут оказаться различными. Достаточно перемешать содержимое стакана, чтобы привести реагенты в соприкосновение; нагреть или охладить содержимое в любой точке также можно довольно быстро. Например, когда ди-уранат аммония получают в лаборатории в ходе реакции нитрата уранила с аммиаком, он осаждается почти мгновенно. Осаждение же в большом чане, вмещающем тонны раствора, может происходить в течение нескольких часов, так что практически скорость реакции зависит от скорости, с которой работают насосы, перемешивающие жидкость. Аналогично нитробензол производится в лаборатории в круглой стеклянной колбе, которую погружают в воду для охлаждения. В промышленном производстве формы сосудов иные, с большой поверхностью для быстрого отвода тепла с поверхности, и выполнены они из металла.
Выпаривание жидкости в лаборатории может производиться в стеклянном сосуде на открытом пламени (при условии, что жидкость не воспламеняется). В промышленном производстве для этого необходимы большие металлические сосуды с поверхностью, обеспечивающей эффективную передачу тепла от источника к испаряемой жидкости. Если для перемешивания в лабораторном стакане достаточно стеклянной палочки, то с изменением масштаба производства эта единичная операция осуществляется в металлической емкости мешалками с крыльями сложной формы, приводимыми в действие электродвигателями.
Следовательно, важнейшей задачей химической технологии является изучение материалов, применяемых для производства аппаратуры, а также законов перехода от лабораторного производства к промышленному.

Биохимическая технология

Химическая технология в приложении к биологическим процессам или материалам получила название «биохимическая технология». Важной областью этого направления работ является выращивание пищевых белков на нефтяных продуктах для производства корма для скота. К биохимической технологии относятся также новые ферментационные процессы получения антибиотиков и витаминов, в том числе извлечение конечных продуктов и повышение в них содержания биологически активных веществ.