Buna germană cu aromă de mobilizare militară
Cauciucul sintetic german, cunoscut și sub numele de Buna, din cel de-al Doilea Război Mondial, este foarte interesant poveste nu atât o descoperire științifică, cât mai degrabă crearea unui lanț tehnologic complex pentru producerea semifabricatelor necesare utilizate în fabricarea produsului final.
Deși s-au scris multe despre Buna, istoria sa este presărată cu omisiuni din motive care rămân neclare. Poate că unele dintre documente s-au pierdut, iar cei implicați nu au reușit să-și lase memoriile sau comentariile. Într-adevăr, cei doi principali dezvoltatori ai Bunei au murit la scurt timp după război: Walter Bock în octombrie 1948, iar Eduards Chunkur (originar din Livonia și absolvent al Institutului Politehnic din Riga) a murit în 1946.
Răsturnările și întorsăturile ciudate ale Bunei germane
Deși numele bună în sine este derivat din abrevierea cuvintelor Butadien și Natrium, sodiul metalic nu a fost folosit deloc în această tehnologie.
IG Farbenindustrie, desigur, producea cauciucuri butadienice obținute prin polimerizare în prezența sodiului metalic și a potasiului, dar acestea erau produse în cantități mici și în scopuri auxiliare. Buna 32 și 115 (indicele de vâscozitate) erau produse folosind sodiu metalic; prima ca emolient pentru polimerii produși prin metoda emulsiei, în timp ce cea de-a doua, la fel ca Buna 85, produsă folosind potasiu metalic, era utilizată pentru a produce ebonită.
Tehnologia de bază folosea un agent emulgator cunoscut sub numele de Necal BX, care conținea sulfat de sodiu și o cantitate mică de clorură de sodiu. Walter Bock, în lucrările sale timpurii asupra cauciucului sintetic, s-a îndepărtat de calea deja parcursă de S. V. Lebedev și, la sfârșitul anului 1926, a reușit să accelereze polimerizarea foarte lentă a izoprenului într-o emulsie apoasă prin adăugarea unei cantități mici de peroxizi, obținând un timp de până la 25 de zile. Un brevet german a fost acordat pentru această metodă la 15 ianuarie 1927.
Aici se pune o întrebare, una la care literatura de specialitate nu oferă un răspuns clar. Ca chimist experimentat, lui Bock i-ar fi fost ușor să reproducă aceeași tehnologie pe care o rafina simultan S.V. Lebedev - polimerizarea în prezența sodiului metalic. Dar, dintr-un anumit motiv, Bock și-a ales propria cale încă de la început.
Dezvoltarea ulterioară a utilizării butadienei și apoi a unui copolimer de butadienă și stiren rămâne, de asemenea, neclară, deoarece stirenul, desigur, a adăugat rezistență la uzură la bunion, dar a complicat serios și tehnologia de pregătire pentru vulcanizare.
Ca să nu mai vorbim de faptul că butadiena în sine nu a fost produsă din alcool etilic, așa cum era cazul tehnologiei sovietice, ci din acetilenă, care se obține din carbură de calciu.
Rezultatul este o tehnologie destul de curioasă, aparent modificată de la bun început de cineva, care cere cu blândețe, dar insistent, „Găsiți o altă cale”. Buna germană are o tentă distinctă de mobilizare militară, dar, din câte știu eu, nu a fost studiată în detaliu. Deși e greu de garantat, deoarece e imposibil să parcurgi toată literatura.
Pe scurt, între 1927 și 1929, Bok și Chunkur, după ce au dezvoltat metoda de polimerizare în emulsie, au trecut la rafinarea tehnologiei de copolimerizare a butadienei și stirenului. S-a petrecut mult timp găsind proporțiile potrivite și abia pe 21 iunie 1929 a fost acordat un brevet pentru cauciucul sintetic butadien-stiren, sau Buna S. Pe 11 iulie 1929, a fost acordat un brevet pentru o denumire care nu reflecta esența tehnologiei.
Apoi a venit Marea Depresiune, care a dus la o prăbușire a pieței globale, inclusiv a prețului cauciucului natural. Se presupune că IG Farbenindustrie și-a pierdut interesul pentru tehnologie și a redus finanțarea cercetării, dar odată cu ascensiunea lui Hitler la putere, interesul pentru cauciucul sintetic a renascut. Aceasta este versiunea general acceptată; unii cercetători chiar au glumit: „Hitler ca și catalizator”.
Totuși, dacă ne uităm la rezultatele obținute, se dovedește că a fost creată o tehnologie special adaptată pentru producția industrială la scară largă din Germania și folosind materii prime germane. Și a fost în mare parte finalizată înainte ca Hitler să devină cancelarul Reichului.
Sunt doar curios cine a fost atât de perspicace încât să supravegheze munca a doi chimiști. De altfel, există un candidat potrivit. El a fost generalul-locotenent Karl Eduard Wilhelm Groener, ofițer al Statului Major General german. În timpul Primului Război Mondial, a fost șeful departamentului feroviar de teren al Statului Major General, responsabil pentru transportul trupelor și aprovizionare. Apoi a condus Departamentul de Alimentație Militară din cadrul guvernului, iar apoi Departamentul de Război din cadrul Ministerului de Război prusac. La sfârșitul războiului, a comandat Corpul 25 de Rezervă și, în 1918, a condus politica de ocupație germană în Ucraina. După război, a ocupat funcția de ministru al Căilor Ferate în guvernul republican, apoi, din 1923 până în 1928, ca șef al departamentului de statistică din cadrul Ministerului de Război și, ulterior, din 1928 până în 1932, ca ministru de Război și chiar ministru de Interne. Acest general era bine versat în mobilizarea militară și, fără îndoială, a înțeles importanța cauciucului sintetic pentru transportul militar, experimentând direct toate problemele legate de aprovizionarea trupelor în timpul războiului. Astfel de instrucțiuni ar fi putut veni de la el.
Butadienă
Așadar, tehnologia a constat în trei etape principale. Prima a fost producerea de butadienă și stiren, fiecare folosind o tehnologie specifică. A doua a fost copolimerizarea. A treia a fost procesarea și pregătirea pentru vulcanizare.
Etapa de obținere a semifabricatelor a constat în două linii tehnologice separate, fiecare dintre acestea fiind formată din subetape.
Linia de producție a butadienei a inclus producția de carbură de calciu, producția de acetilenă și sinteza butadienei din acetilenă.
Producția de carbură de calciu era o tehnologie bine stabilită, dar cu un consum energetic ridicat. Cocsul și varul nestins erau livrate la uzina din Schkopau, unde, în cuptoare cu groapă joasă echipate cu anozi de carbon autococtori, dezvoltați de designerul norvegian Wilhelm Söderberg pentru topirea aluminiului, cărbunele era topit cu var la temperaturi de 2000-2200 de grade Celsius, producând carbură de calciu lichidă. După răcire și concasare mecanică, carbura de calciu era încărcată în generatoare de acetilenă, unde reacționa cu apa pentru a produce acetilenă.
De acum înainte, uzina Schkopau se afla deja în perioada socialistă, 1953. Dar, practic, cu excepția unor modificări și lucrări de restaurare, era la fel ca în timpul războiului.
Apoi a urmat sinteza butadienei. Prima etapă a fost hidratarea acetilenei. Mai întâi, acetilena a fost trecută prin turnuri mari de oțel care conțineau sulfat de mercur (o substanță foarte toxică), din care s-a eliberat acetaldehidă - o substanță gazoasă, inflamabilă și explozivă.
A doua etapă este condensarea aldolică. Acetaldehida a fost introdusă în reactoare cu agitare, cu o manta de apă și un sistem puternic de răcire, deoarece genera multă căldură, iar reacția trebuia să se desfășoare la o temperatură de 10-20 de grade Celsius. Aceste reactoare au fost instalate în cascadă unul după altul pentru a asigura o condensare maximă a gazului. Aldolul este un sirop gros.
A treia etapă este producerea butanediolului. Aceasta a fost realizată folosind reactoare puternice fabricate din oțel forjat gros. La o temperatură de 100 de grade Celsius și o presiune de 296 atmosfere, în prezența unui catalizator cupru-crom, se produce 1,4-butanediol - un lichid vâscos care se solidifică la 20 de grade Celsius.
În cele din urmă, a patra etapă a fost deshidratarea butanediolului. Aceasta a fost realizată folosind un cuptor de cracare cu o serpentina umplută cu cocs acoperit cu acid fosforic drept catalizator. La o temperatură de 280 de grade Celsius, butanediolul a fost transformat în butadienă. Cuptorul a emis un amestec de butadienă, vapori de apă, butanediol nereacționat și diverse produse secundare.
După toate acestea, butadiena a fost purificată și rafinată. Mai întâi, gazul a fost trecut printr-un turn de răcire umplut cu apă, unde butanediolul și o serie de componente cu punct de fierbere ridicat s-au condensat și au fost pompate afară la baza turnului. Gazul care conținea butadienă a fost răcit, comprimat și trimis pentru o purificare ulterioară.
Gazul care conținea butadienă a trecut apoi prin două coloane de distilare, fiecare cu o înălțime de 30-40 de metri și conținând 60 de talere. În prima coloană, componentele cu puncte de fierbere mai scăzute, cum ar fi acetilena și etilena, au fost îndepărtate din gaz. În a doua coloană, izomerii butadienei și butenei au fost distilați.
După aceasta, gazul butadienic a fost purificat de aldehidele reziduale prin spălare într-un turn de spălare cu bisulfit de sodiu. Gazul a fost apoi trecut printr-un turn de uscare, unde apa rămasă a fost absorbită de clorura de calciu. Numai atunci butadiena putea fi răcită, comprimată și depozitată.
Stiren
A doua linie de producție a stirenului. Pentru a obține o altă componentă, stirenul, benzenul, produs în cantități mari în timpul cocsificării cărbunelui, a fost utilizat în Germania. Acesta ajungea la fabrică într-o formă gata de utilizare.
Pentru a procesa benzenul, etilena a fost produsă din acetilenă, care a fost preluată de la generatoarele de acetilenă dintr-o linie adiacentă, prin hidratare cu hidrogen. Aceasta s-a realizat într-o baterie de reactoare verticale mari, fiecare conținând tuburi umplute cu pământ de diatomee acoperit cu un catalizator de oxid de paladiu. Spațiul din jurul tuburilor a fost umplut cu apă sub presiune, deoarece reacția genera căldură semnificativă și trebuia să fie efectuată la temperaturi între 200 și 250 de grade Celsius.
Uzina din Schkopau primea hidrogen printr-o conductă specială de hidrogen de la Leuna Werke, unde era produs din gaz de apă, care era apoi trecut printr-un reactor de hidrogenare a monoxidului de carbon. Amestecul de gaz de apă și abur, la o temperatură de 400-500 de grade Celsius și în prezența unui catalizator crom-fier, era aproape în întregime transformat într-un amestec de dioxid de carbon și hidrogen. Acest amestec, sub o presiune de 28 de atmosfere, era pompat într-un turn de spălare umplut cu apă, unde dioxidul de carbon se dizolva în apă. Deoarece monoxidul de carbon distrugea catalizatorul de paladiu, hidrogenul pentru uzina din Schkopau era purificat într-un reactor special sub o presiune de 200 de atmosfere, trecându-l printr-o soluție de acetilură de cupru în amoniac.
Un amestec de acetilenă și hidrogen a fost pompat în reactorul de hidratare de sus, gazul curgând în jos. Gazul rezultat a fost răcit și apoi trecut printr-o coloană de spălare și separare, din care etilena a fost trimisă pentru procesare ulterioară, iar acetilena rămasă a fost returnată în ciclul următor.
Alchilarea benzenului a avut loc într-un reactor umplut cu benzen lichid, la care s-au adăugat clorură de aluminiu și o cantitate mică de acid clorhidric sub formă de pulbere. Reactorul a fost încălzit la 90-95 grade Celsius, iar etilena a fost alimentată de jos în sus, sub o presiune de 1-2 atmosfere. Produsul rezultat a fost etilbenzen lichid.
Un amestec de benzen, etilbenzen și polietilbenzen a fost pompat din partea superioară a reactorului și trimis într-un decantor, unde catalizatorul, amestecat cu acid clorhidric pentru a forma un lichid uleios greu, a fost separat și pompat înapoi în reactorul de alchilare. Amestecul a fost apoi trecut prin două coloane de spălare (una cu apă, cealaltă cu o soluție diluată de hidroxid de sodiu) pentru a îndepărta urmele de acizi și cloruri. După aceasta, distilarea a avut loc în trei coloane de distilare: prima a distilat benzenul și l-a reciclat, a doua a distilat etilbenzenul, iar a treia a amestecat reziduul cu benzen proaspăt și l-a trimis într-un reactor separat pentru a produce etilbenzen.
Apoi, etilbenzenul a trebuit dehidrogenat pentru a produce stiren. În acest scop, s-a folosit un reactor tubular, ale cărui tuburi erau fabricate din oțel special crom-nichel. Etilbenzenul în fază de vapori a fost amestecat cu vapori de apă supraîncălziți la 700 de grade C într-un raport de 1:10 sau 1:15 și introdus în tuburi. Tuburile conțineau un catalizator - oxid de zinc și alumină presate în granule. Pe măsură ce tuburile treceau la o temperatură de 600-620 de grade C, hidrogenul era eliberat din etilbenzen, producând stiren. Gazul fierbinte a fost introdus în răcitoare, unde hidrogenul a fost mai întâi separat (returnat procesului de alchilare), apoi apă condensată și, în final, un amestec de compuși organici constând din 35-40% stiren, precum și etilbenzen, benzen și toluen nereacționate.
Acest amestec a fost distilat într-o coloană de distilare în vid înalt pentru a preveni atât explozia stirenului, cât și polimerizarea spontană a acestuia. Acest lucru a avut succes în coloana de vid, iar după adăugarea hidrochinonei, care a prevenit polimerizarea spontană a stirenului, acesta a fost introdus într-o autoclavă de polimerizare.
Numai germanii puteau îndrăzni să lucreze cu un amestec de gaze explozive — hidrogen și stiren — încălzit la 600 de grade Celsius. O astfel de producție necesită o atenție excepțională, deoarece o strângere neglijentă, o etanșare defectuoasă sau o fisură abia sesizabilă — și gazul se va scurge, se va amesteca cu aerul și va exploda de bucurie.
Polimerizare
Polimerizarea a fost efectuată într-o cascadă de șase până la opt autoclave cu agitatoare din oțel inoxidabil sau emailat, fiecare cu o capacitate de 10 până la 20 de metri cubi. În prima autoclavă s-a adăugat un amestec de 75% butadienă lichefiată și 25% stiren lichid, împreună cu apă distilată. Apoi, s-au adăugat emulgatorul (nekal, menționat la început), inițiatorul de reacție (persulfat de potasiu) și regulatorul (compuși cu sulf, cum ar fi diproxidul). Fiecare reactor a fost încălzit la 50 de grade Celsius și menținut la o presiune de 3-5 atmosfere. Deoarece reacția genera căldură semnificativă, reactoarele au fost prevăzute cu manta de apă.
Amestecul a fost circulat prin toate reactoarele sub agitare constantă până când s-au format particule albe ca zăpada de latex artificial. Regulatoare au fost adăugate periodic în diferitele reactoare. Monitorizarea procesului a fost ușoară deoarece probele puteau fi prelevate din autoclavă în orice etapă. Procesul în sine a fost continuu: noi porțiuni de materii prime au fost adăugate în prima autoclavă, iar porțiuni din produsul finit au fost îndepărtate din ultima.
Reacția a fost efectuată până la aproximativ 60% din consumul necesar de material, deoarece dincolo de acest punct, lanțurile lungi de molecule de cauciuc au început să se lege într-o rețea, formând un gel impropriu pentru producția de anvelope. Când reacția a trebuit oprită, ditionit de sodiu a fost injectat în amestecul apă-cauciuc pe măsură ce acesta era extras din reactorul final, oprind instantaneu reacția de polimerizare.
După aceasta, butadiena și stirenul, care au rămas în cantități mari, au trebuit îndepărtate din amestec. Butadiena a fost îndepărtată într-un degazer în vid, unde a fost evaporată rapid din lichid, pompată, comprimată și returnată în ciclu. Amestecul a fost apoi trimis într-o coloană de stripare, unde aburul a îndepărtat stirenul, care a fost, de asemenea, colectat și returnat în ciclu. În cele din urmă, la amestecul rămas s-a adăugat sare de masă, ceea ce a separat cauciucul de apă. Cauciucul a fost apoi separat, spălat și uscat, rezultând un produs potrivit pentru prelucrare ulterioară.
Produsul unui efort deliberat
Deci, cum ți se par toate astea?
În primul rând, o tehnologie atât de complexă, în mai multe etape, nu putea fi realizată din întâmplare. Era produsul unor eforturi îndelungate și concentrate, concentrate constant asupra unui singur obiectiv. O astfel de tehnologie necesita nu doar chimiști care au dezvoltat procesul de polimerizare în sine, ci și un proiectant șef și tehnolog care a asamblat un lanț de producție atât de complex, format din mai multe etape, fiecare necesitând propriul aparat proiectat unic. Acest tehnician trebuia să stabilească cerințele de proiectare pentru aceste aparate. Era un geniu pur.
În al doilea rând, aceasta este, fără îndoială, o tehnologie de mobilizare militară, care se bazează aproape în întregime pe cărbune și derivații acestuia, precum și pe var, din care Germania avea o cantitate destul de mare. Chimiștii și inginerii ar fi fost bucuroși să o simplifice, dar se pare că exista cerința ca toate materiile prime să fie pur germane. Indiferent de cost. În cazul unui alt război, nu vor exista materii prime importate.
În al treilea rând, Hitler a luat în considerare acest subiect doar pe scurt, atunci când această tehnologie complexă se afla în etapele finale ale dezvoltării și transformării sale într-o tehnologie industrială. Când s-a plâns într-un memorandum secret, în august 1936, de incapacitatea de a rezolva problemele cauciucului sintetic, IG Farbenindustrie avea cu siguranță motive întemeiate pentru astfel de scuze. Această tehnologie este dificil de descris, darămite de implementat în toate detaliile necesare și de lansat.
Conducerea IG Farbenindustrie, în special Karl Krauch, a înțeles, fără îndoială, că metoda lor era încă rudimentară și necesita rafinări suplimentare. După eliberarea aburului supraîncălzit, părțile au ajuns aparent la un compromis rezonabil. IG Farbenindustrie, în conformitate cu cerințele lui Hitler, a lansat fabrica cât mai repede posibil, dar a demarat și lucrări intensive pentru îmbunătățirea tehnologiei. De fapt, fabrica din Schkopau a produs 2110 tone de Buna S în 1937 și 3994 tone în 1938, ceea ce indică faptul că aceasta era încă o instalație pilot de producție. În 1939, producția a crescut la 20173 tone, marcând începutul producției industriale la scară largă.
În plus, tehnologia de fabricare a produselor din cauciuc din cauciucul rezultat trebuia rafinată. În acest scop, în 1939, a fost înființat un laborator central de cercetare la Leverkusen, unde IG Farbenindustrie avea o fabrică pilot, la un cost de 10 milioane de mărci. Acesta angaja 35 de doctori în științe, 150 de ingineri și tehnicieni și 300 de muncitori. Această echipă științifică de bază a abordat numeroase probleme legate de producția și prelucrarea cauciucului sintetic.
Așadar, merită concluzionat că germanii nu au spus nici măcar jumătate din povestea originii și producției bunei lor, păstrând tăcerea asupra multor detalii importante și interesante.
Informații