Зелёная химия

Что такое зелёная  химия?

 

Зелёная химия (Green Chemistry) — научное направление в химии, к которому можно отнести любое усовершенствование химических процессов, которое положительно влияет на окружающую среду. Как научное направление, возникло в 90-е годы XX века.

Новые схемы химических реакций и процессов, которые разрабатываются во многих лабораториях мира, призваны кардинально  сократить влияние на окружающую среду крупнотоннажных химических производств. Химические риски, неизбежно  возникающие при использовании агрессивных сред, производственники традиционно пытаются уменьшить, ограничивая контакты работников с этими веществами.

В то же время, Зелёная химия предполагает другую стратегию — вдумчивый отбор исходных материалов и схем процессов, который вообще исключает использование вредных веществ. Таким образом, Зеленая химия — это своего рода искусство, позволяющее не просто получить нужное вещество, но получить его таким путем, который, в идеале, не вредит окружающей среде на всех стадиях своего получения.

Последовательное использование  принципов Зеленой химии приводит к снижению затрат на производство, хотя бы потому, что не требуется вводить стадии уничтожения и переработки вредных побочных продуктов, использованных растворителей и других отходов, — поскольку их просто не образуется. Сокращение числа стадий ведет к экономии энергии, и это тоже положительно сказывается на экологической и экономической оценке производства.

В настоящее время Зелёная химия как новое научное направление имеет большое число сторонников.

Основные отличия зелёной химии

В то время как Химия окружающей среды изучает источники, распространение, устойчивость и воздействие химических загрязнителей; Химия для окружающей среды обеспечивает химические решения для того, чтобы избавиться от загрязнений. При этом существуют следующие возможные пути химических решений:

• 1. Уничтожать загрязнители, поступившие в окружающую среду
• 2. Ограничивать их распространение, если они локальные
• 3. Прекратить их производство — путем замены существующих способов получения химических продуктов на новые.

Первые два направления входят в область исследований Экологической химии; последнее направление представляет собой ту область, которой занимается Зеленая химия.

Двенадцать принципов зелёной химии

В 1998 году П. Т. Анастас и Дж. С. Уорнер в своей книге «Зеленая химия: теория и практика» сформулировали двенадцать принципов «Зеленой химии», которыми следует руководствоваться исследователям, работающим в данной области:

• 1. Лучше предотвратить потери, чем перерабатывать и чистить остатки.
• 2. Методы синтеза надо выбирать таким образом, чтобы все материалы, использованные в процессе, были максимально переведены в конечный продукт.
• 3. Методы синтеза по возможности следует выбирать так, чтобы используемые и синтезируемые вещества были как можно менее вредными для человека и окружающей среды.
• 4. Создавая новые химические продукты, надо стараться сохранить эффективность работы, достигнутую ранее, при этом токсичность должна уменьшаться.
• 5. Вспомогательные вещества при производстве, такие, как растворители или разделяющие агенты, лучше не использовать совсем, а если это невозможно, их использование должно быть безвредным.
• 6. Обязательно следует учитывать энергетические затраты и их влияние на окружающую среду и стоимость продукта. Синтез по возможности надо проводить при температуре, близкой к температуре окружающей среды, и при атмосферном давлении.
• 7. Исходные и расходуемые материалы должны быть возобновляемыми во всех случаях, когда это технически и экономически выгодно.
• 8. Где возможно, надо избегать получения промежуточных продуктов (блокирующих групп, присоединение и снятие защиты и т. д.).
• 9. Всегда следует отдавать предпочтение каталитическим процессам (по возможности наиболее селективным).
• 10. Химический продукт должен быть таким, чтобы после его использования он не оставался в окружающей среде, а разлагался на безопасные продукты.
• 11. Нужно развивать аналитические методики, чтобы можно было следить в реальном времени за образованием опасных продуктов.
• 12. Вещества и формы веществ, используемые в химических процессах, нужно выбирать таким образом, чтобы риск химической опасности, включая утечки, взрыв и пожар, были минимальными.

Е. С. Локтева и В. В. Лунин добавили к этому списку дополнительный, 13-й принцип:

• 13. Если вы делаете все так, как привыкли, то и получите то, что обычно получаете.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные направления зелёной химии

Пути, по которым развивается зелёная  химия, можно сгруппировать в  следующие направления:

• Новые пути синтеза (часто это реакции с применением катализатора);
• Возобновляемые исходные реагенты (то есть полученные не из нефти);
• Замена традиционных органических растворителей.

Новые пути синтеза

Наиболее распространенный — использование катализатора, который снижает энергетический барьер реакции. Некоторые из новейших каталитических процессов обладают очень высокой атомной эффективностью.

Другое  направление — использование локальных источников энергии для активации молекул (фотохимия, микроволновое излучение), позволяющих снизить затраты энергии.

Замена традиционных органических растворителей

Большая надежда возлагается на использование сверхкритических жидкостей (в основном, углекислый газ и вода, в меньшей степени — аммиак, этан, пропан и др.)

Еще одно перспективное направление  это использование ионных жидкостей. Они представляют собой жидкие соли при низких температурах. Это новый класс растворителей, которые не имеют давления насыщенного пара и поэтому не испаряются и не являются горючими. Имеют очень хорошую способность растворять широкие гаммы веществ, в том числе и биополимеры. Их возможное количество виртуально не ограничено, и они могут быть получены с любыми заданными наперед свойствами. Кроме того, они могут быть получены из возобновляемых источников, быть не токсичными и не опасными для окружающей среды и человека.

Возобновляемые исходные реагенты

Ещё один путь, ведущий к целям  «зеленой химии», — широкое использование биомассы вместо нефти, из которой химические предприятия творят сейчас все многообразие веществ — конструкционные материалы, химикаты, лекарства, парфюмерию и многое, многое другое.

Биотехнология

Биоинженерия также рассматривается в качестве перспективной техники для достижения целей Зелёной химии. Ряд промышленно важных химических соединений может быть синтезирован с высокими выходами с помощью биологических агентов (микроорганизмов, вирусов, трансгенных растений и животных).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оценка возможностей использования "зеленой химии" в процессе дегидрирования изоамиленов

 

На данный момент в процессе дегидрирования изоамиленов возможно использовать только один подход “зелёной химии” – это использование новых методов синтеза, а именно создание новых катализаторов, которые будут либо многократно использоваться, соответственно будут сводить к минимуму количества отходов данного производства, либо будут биоразлагаемыми, либо будут крайне эффективными и будут использоваться в ничтожных количествах.

Сегодня уже создано несколько  таких катализаторов, перечислим и  коротко опишем их ниже. Рассмотреть состав и механизм работы данных катализаторов, к сожалению, не представляется возможным в связи с тем, что все новейшие разработки в химической промышленности делаются коммерческой тайной. Поэтому приводятся только условно данные названия катализаторов и не раскрывается их состав.

 

Катализатор для процесса Catofin

В  процессе  используется  алюмохромовый  катализатор.  Поставки  катализаторов  осуществляет  компания Houdry Group  корпорации SudChemie Inc.,  которая  производит  разработанные  в компании  алюмохромовые  катализаторы  на  заводе  в Louisville (шт. Кентукки, США). В  частности,  в производстве пропилена компанией ABB Lummus Global применяются такие катализаторы  компании Houdry Group, как Hougry’s CATAFINR и CATADIENR.

Описание  процесса.  Технология  дегидрирования Catofin  представляет  собой  циклический  процесс, осуществляемый в реакторах периодического действия  с  неподвижным  слоем  алюмохромового  катализатора, которые работают параллельно. Пока в одних реакторах  протекает  дегидрирование,  в  других  происходит  разогрев  и  выжиг  кокса  с  отработанного катализатора, при этом  режимы  функционирования реакторов переключаются автоматически.  Тепло, выделяемое  при регенерации катализатора,  используется  для проведения  эндотермической реакции дегидрирования. Обычно процесс осуществляют  короткими циклами «дегидрирование –  регенерация» длительностью в 20–30 минут. Для подготовки выведенных из рабочего цикла реакторов к последующим операциям,  а  также  для  осуществления  стадий  повторного нагрева и регенерации катализатора требуется дополнительное оборудование. 

Ключевой  в  технологической  цепочке  процесса является реакторная секция. Она состоит из нескольких  параллельно  действующих  реакторов,  которые последовательно вовлекаются  в циклы по осуществлению катализа, операций по очистке паром и регенерации  катализатора.  За  один  полный  цикл  пары исходного углеводорода подвергаются дегидрированию,  затем реактор очищается паром и продувается воздухом  для повторного  нагрева катализатора  и выжига небольшого количества кокса (менее 0,1 вес. %),  который  осаждается  на  катализаторе  за  время реакционного цикла. 

Преимущества:

– Высокая однократная конверсия  за проход и высокая селективность  процесса.

– Использование относительно дешевого катализатора, большой срок его службы.

– Отсутствие рециркуляции водорода или пара для разбавления снижает энергозатраты, расходы по обслуживанию  и общие капиталовложения.

– Многолетний опыт успешной промышленной реализации процесса.

 

Катализатор для процесс Oleflex

Для  проведения  дегидрирования в процессе Oleflex используют платиновые катализаторы.  Так,  катализатор DeH-14,  введенный в эксплуатацию  в 2001  г.  и применяемый до  настоящего времени,  является  катализатором уже пятого  поколения.  Он  обеспечивает  высокую активность  и селективность (наряду  с  низкими  скоростями  истирания), а также выгоден с экономической точки зрения, поскольку содержит значительно меньшее количество  платины  по  сравнению  с  ранее  применяемыми катализаторами.

Описание процесса.   Технологическая  схема процесса включает три основных узла: реакторный узел, узел выделения продукта и узел регенерации катализатора. 

Реакторный  узел  процесса  состоит  из  четырех радиально-проточных  реакторов, обогревателей (на загрузке и промежуточных  стадиях) и  теплообменника  на  питании  реактора.  В  узле  выделения  продукта  поток,  выходящий  из  реактора,  охлаждается, сжимается  компрессором  и  направляется  в  криогенную систему для отделения водорода от углеводородов. Отводящийся  газ  содержит  от 85  до 93% мол. водорода.

Преимущества:

– Высокая селективность процесса.

– Возможность одновременно получать  водородсодержащий газ.

– Высокий срок службы платинового  катализатора  (замедленное закоксовывание и низкая скорость  дезактивации).

– Опыт успешной коммерческой реализации процесса. [4]

 

Процесс Snamprogetti/Yarsintez

В  процессе  дегидрирования Snamprogetti/Yarsintez  применяется  микросферический  алюмохромовый  катализатор,  работающий  в псевдоожиженном слое. 

Описание  процесса.  В  конце 1980-х –  начале 1990-х  гг.  компанией ОАО НИИ «Ярсинтез»  совместно  с  итальянской  компанией  Snamprogetti  был предложен  усовершенствованный  процесс  дегидрирования – так называемый процесс ФБД-4, в котором стали  применять  более  эффективную  систему  улавливания катализаторной пыли и модернизированный алюмохромовый  катализатор,  который  обладал  повышенной механической прочностью и термической стабильностью. 

Все  процессы Snamprogetti/Yarsintez  являются адиабатическими  и  осуществляются  непрерывно  в реакторах с кипящим слоем мелкозернистого катализатора  при  давлениях  близких  к  атмосферному.  Дегидрирование и регенерация катализатора происходят в  разных  аппаратах,  между  которыми  циркулирует катализатор. Поскольку процесс дегидрирования идет с поглощением тепла, то катализатор, применяемый в процессе, одновременно используется и как теплоноситель. Технологии Snamprogetti/Yarsintez  позволяют использовать  агрегаты  большой единичной мощности.