2.4.2. Использование низкотемпературных физических процессов в химической технологии

Низкая температура в химической технологии может быть использована не только для интенсификации химических реакций, но и для других целей [20].

Очистка и разделение веществ. Традиционно для получения чистых продуктов применяются процессы, основанные на изменении агрегатного состояния вещества. Большая часть этих физических процессов относятся к низкотемпературным процессам. Например, при синтезе аммиака холод используют

1) для получения исходной реакционной смеси высокой чистоты (азот – низкотемпературная ректификация воздуха; водород – фракционная низкотемпературная конденсация коксового газа; низкотемпературная конденсация азот-водородной смеси для очистки от примесей)

2) для выделения из реакционной смеси аммиака.

Примером использования низкотемпературной кристаллизации является процесс получения комплексных минеральных удобрений. Изменение температуры помогает проводить процессы сублимации – десублимации (возгонки), адсорбции – десорбции с целью получения чистых органических и неорганических веществ.

Криодиспергирование – это измельчение твердых материалов при сверхнизких температурах (обычно, при температуре жидкого азота). При низких температурах твердые вещества становятся более хрупкими, и процесс их измельчения облегчается.

Криодиспергирование позволяет снизить энергозатраты на измельчение и дает возможность получить в мелкодисперсном состоянии материалы, не подвергающиеся измельчению при комнатной температуре. Кроме того, хладоагент, обладающий часто большой теплоемкостью,  поглощает теплоту измельчения. Наконец, испарившийся, но еще холодный хладоагент (азот, аргон) поддерживает инертную, сухую, нетоксичную атмосферу над измельченным продуктом.

В настоящее время измельчение при низкой температуре широко распространено в технологии полимеров (полиэтилен, поливинилхлорид), пластиков, резин, каучуков, битумов, металлов, продуктов пищевой и фармацевтической промышленности. Криопомол предложено использовать также при утилизации отходов производства, в частности металлической стружки и лома.

Для криодиспергирования используют различные виды хладоагентов (сжиженные азот, воздух, аргон, реже твердую углекислоту). Обычно применяют замкнутые циклы циркуляции хладоагента, используют эффективные теплоизоляционные материалы и герметизируют установки. Это делает возможность довести расход хладоагента в отдельных случаях до 2 кг на 1 кг получаемого продукта, т.е. использовать охлаждающие способности хладоагента на 90%.

Криозакалка – это быстрое охлаждение предварительно переведенного в активное состояние вещества.

Криозакалка используется для получения металлических и неметаллических материалов в виде аморфных и  ультрадисперсных кристаллических порошков. Получаемые криозакалкой аморфные материалы могут иметь уникальные полупроводниковые, сверхпроводящие или высокорезистивные функции, повышенную прочность, высокую термическую устойчивость структуры и свойств. Более того, методы криозакалки позволяют получать материалы в виде метастабильных твердых растворов или смесей компонентов и фаз, которые не обладают достаточной взаимной растворимостью в равновесных условиях и не склонны к взаимодействию в твердом и даже жидком состоянии.

При получении аморфных фаз закалкой расплава стараются обеспечить максимально быстрый отвод теплоты от небольших порций расплава, которые попадают на охлаждаемую жидким хладоагентом (жидким азотом) металлическую поверхность.

Криозакалка используется также в области органического и неорганического синтеза. При низкотемпературной соконденсации полученных при высокой температуре активных частиц со стабильным химическим соединением происходит химическое взаимодействие. При этом часто образуются продукты  с необычными свойствами. Пока созданы лишь единичные серийные установки для криохимических синтезов. Однако это направление химической технологии интенсивно развивается и имеет в будущем большие перспективы, в первую очередь при получении дорогостоящих веществ, требующихся в небольшом количестве.

В частности, использование низких температур оказалось успешным при проведении синтеза металлорганических соединений. В последнее время реакции синтеза металлорганических соединений приобрели большое значение в связи с возможностью их широкого применения для пиролитического получения пленок в электронной промышленности и защитных покрытий различного назначения. В связи с этим увеличилась потребность в традиционно получаемых металлорганических соединениях, содержащих щелочные, щелочно-земельные металлы, магний, цинк и др., а также появилась необходимость синтеза органических соединений переходных металлов. Метод низкотемпературного синтеза отличается чистотой, большим выходом, а также возможностью значительно расширить круг веществ, используемых в качестве лигандов.

Метод заключается в получении атомного пучка металлов (либо путем высокотемпературного испарения атомов с разогретой электрическим током поверхности металла, либо путем испарения атомов металла под действием ускоренного пучка электронов) и конденсации его одновременно с органическим лигандом на холодной подложке. В зависимости от энергетического состояния атомов металла (основное или возбужденное)  механизм протекающих низкотемпературных превращений может быть разный, что позволяет избирательно получать те или иные продукты. Иногда реакции на подложке протекают медленно. Тогда их инициируют изменением фазового состояния путем нагрева, механически и др. путями.