Inne obszary badań, które są obecnie komercjalizowane, obejmują nanotechnologię, biotechnologię i rozwój biopaliw w celu uzupełnienia dostaw ropy naftowej. Znaczące korzyści dla środowiska wynikają z badań mających na celu opracowanie procesów prowadzących do poprawy oceny oktanowej benzyny, farb na bazie wody, zamienników dla chlorofluorowęglowodorów (CFC) oraz rozwoju Zielonej Chemii jako aktywnego obszaru badań.

Od badań do produkcji

Badania prowadzone w laboratoriach przemysłu i uniwersytetów to tylko pierwszy krok. Odkrycia te muszą zostać przekształcone w realistyczne procesy przemysłowe. To zadanie inżyniera chemika, który jest odpowiedzialny za przełożenie chemii laboratoryjnej na większą skalę. Skalowanie produkcji z gramów w warunkach laboratoryjnych do tysięcy ton w zakładzie przemysłowym na pełną skalę to bardzo żmudna praca dla chemików i inżynierów chemicznych. Etapy pośrednie pomiędzy produkcją laboratoryjną a produkcją na pełną skalę obejmują urządzenia, które są w stanie naśladować proces na dużą skalę i umożliwiają znalezienie najkorzystniejszych warunków dla uzyskania wysokiej wydajności produktu otrzymywanego z odpowiednią szybkością (Rysunek 7).

Rysunek 7 Przykład pokazujący kilka pilotażowych reaktorów wsadowych, które są oddzielne i
działają równolegle. Komputer steruje każdym z nich, a użytkownicy mogą wykonywać serie eksperymentów, zmieniając temperaturę, ciśnienie i skład katalizatora.
Za uprzejmą zgodą Cambridge Reactor Design Ltd.

Niżej zamieszczona fotografia (Rysunek 8) przedstawia etap pośredni, w którym wykonano instalację pilotażową w celu znalezienia najbardziej odpowiednich warunków dla nowego procesu OMEGA do produkcji etan-1,2-diolu. Jest to bardzo ważny krok, ponieważ często warunki, które są odpowiednie dla procesu w laboratorium, niekoniecznie są odpowiednie, gdy proces jest przenoszony do urządzeń na większą skalę. Dlatego też przeprowadza się wiele eksperymentów w bardzo starannie kontrolowanych warunkach, aby uzyskać maksymalną wydajność. Chemicy i inżynierowie chemicy wykonujący tę pracę muszą również pamiętać, że maksymalna wydajność może wiązać się z dodatkowymi kosztami, które czynią proces nieopłacalnym.

Rysunek 8 Instalacja pilotażowa dla nowego procesu OMEGA do produkcji etano-1,2-diolu.
Za uprzejmą zgodą Shell International Ltd.

Jeśli prace te zakończą się sukcesem, następnym etapem będzie wytwarzanie materiału na skalę komercyjną, która, jak w przypadku etan-1,2-diolu, wynosi wiele setek tysięcy ton rocznie (Rysunek 9). Opłacalność produktu leży w zaprojektowaniu reaktora na skalę przemysłową, niezbędnego do bezpiecznego wytwarzania pożądanych produktów. Koszt kapitałowy takiej instalacji wyniesie prawdopodobnie miliony dolarów.

Rysunek 9 Rzeczywista instalacja do nowego procesu OMEGA do produkcji etano-1,2-diolu, zbudowana po udanych próbach na instalacji pilotażowej. Zakład ten produkuje rocznie 750 000 ton tego diolu. Za uprzejmą zgodą Shell International Ltd.

Projektowanie zakładu jest projektem zespołowym, a chemicy, projektanci zakładów i inżynierowie chemicy wybierają odpowiednie materiały do budowy zakładu. Chociaż powszechny jest obraz zakładów chemicznych wykonanych z błyszczącej stali, do ich budowy wykorzystuje się wiele innych materiałów, w tym szeroką gamę metali, tworzyw sztucznych, szkła i gumy. Ponieważ materiały konstrukcyjne są same w sobie chemikaliami, wybór materiałów, które nie wchodzą w reakcje z chemikaliami biorącymi udział w procesie, jest niezbędny, aby uniknąć niebezpiecznych interakcji, awarii zakładu lub skażenia produktu.

Materiały konstrukcyjne muszą być

• obojętne dla reagentów, półproduktów i produktów
• zdolne do wytrzymania bardzo wysokich ciśnień i temperatur, gdy jest to konieczne
• trwałe.

Przemysł chemiczny: jak bezpieczny i jak regulowany środowiskowo?

Bezpieczeństwo musi być na szczycie listy priorytetów przemysłu chemicznego i nie bez powodu. Wiele z jego produktów jest potencjalnie niebezpiecznych na pewnym etapie ich wytwarzania i transportu. Te chemikalia mogą być ciałami stałymi, cieczami lub gazami, łatwopalnymi, wybuchowymi, żrącymi i/lub toksycznymi. Procesy produkcyjne często wiążą się z wysokimi temperaturami, wysokim ciśnieniem i reakcjami, które mogą być niebezpieczne, jeśli nie są starannie kontrolowane. Z tego powodu przemysł działa w granicach bezpieczeństwa wymaganych przez ustawodawstwo krajowe i międzynarodowe.

Rysunek 10 Kwas fluorowodorowy jest bardzo korozyjną cieczą. Tutaj jest on
załadowany automatycznie do cysterny drogowej.
Za uprzejmą zgodą Mexichem Fluor.

Ryzyko i urazy

Pomimo prowadzenia niebezpiecznych operacji, przemysł chemiczny ma w rzeczywistości niższą liczbę wypadków niż przemysł jako całość. W latach 1995-2005, w całej europejskiej produkcji wszelkiego rodzaju, na każde 1000 pracowników przypadały ponad 4 urazy, czyli dwukrotnie więcej niż w przemyśle chemicznym. Dane amerykańskie, rejestrowane jako dni stracone z powodu wypadków, pokazują jeszcze wyraźniejszą różnicę; liczba dni straconych z powodu wypadków w głównych firmach przemysłu chemicznego jest 4 razy mniejsza niż w przemyśle wytwórczym ogółem.

Rysunek 11 Personel przechodzi gruntowne szkolenie w zakresie stosowania odzieży i sprzętu ochronnego. Na tym zdjęciu przeprowadzana jest konserwacja reaktora używanego do produkcji wodorofluoroalkanów. Za uprzejmą zgodą firmy Arkema.

Regulacje środowiskowe

Istnieją poważne obawy dotyczące potencjalnego wpływu niektórych wytwarzanych substancji chemicznych na organizmy żywe, w tym na nas samych, oraz na środowisko naturalne. Obawy te obejmują zanieczyszczenie powietrza, lądu i morza, globalne ocieplenie i zmiany klimatyczne, zubożenie warstwy ozonowej w górnych warstwach atmosfery i kwaśne deszcze.

Przemysł chemiczny posiada ogólnoświatową inicjatywę zatytułowaną Responsible Care. Rozpoczęła się ona w Kanadzie w 1984 roku i jest praktykowana obecnie w ponad 60 krajach. Zobowiązuje ona krajowe stowarzyszenia przemysłu chemicznego i firmy do:

• Stałego doskonalenia wiedzy na temat środowiska, zdrowia, bezpieczeństwa i ochrony oraz wydajności naszych technologii, procesów i produktów w ich cyklach życia, aby uniknąć szkód dla ludzi i środowiska.
• Wykorzystywania zasobów w sposób wydajny i minimalizowania odpadów.
• Otwartego informowania o wynikach, osiągnięciach i niedociągnięciach.
• Słuchania, angażowania się i współpracy z ludźmi w celu zrozumienia i uwzględnienia ich obaw i oczekiwań.
• Współpracować z rządami i organizacjami przy opracowywaniu i wdrażaniu skutecznych przepisów i norm oraz spełniać je lub wykraczać poza nie.
• Pomagać i doradzać w celu wspierania odpowiedzialnego zarządzania chemikaliami przez wszystkich, którzy nimi zarządzają i wykorzystują je w całym łańcuchu produktów.

W USA firmy chemiczne wydają ponad 12 miliardów dolarów rocznie na programy ochrony środowiska, zdrowia i bezpieczeństwa. To, na przykład, doprowadziło do zmniejszenia niebezpiecznych uwolnień do powietrza, ziemi i wody o 80 procent w ciągu ostatnich 25 lat. Inny środek ochrony środowiska dotyczy wykorzystania energii. W ciągu 20 lat od 1994 roku, przemysł chemiczny w USA zaoszczędził około 20% energii na jednostkę produkcji, a w tym samym okresie ilość energii zaoszczędzonej na jednostkę produkcji w UE spadła o 55%. Emisja gazów cieplarnianych na jednostkę produkcji (intensywność emisji gazów cieplarnianych) spadła o 58% i 75% odpowiednio w USA i UE w latach 1990-2014.

Regulacje obowiązują w każdym większym kraju. W Europie są one egzekwowane poprzez REACH (Registration, Evaluation Authorisation and restriction of Chemicals). Zmieniają one zasadniczo sposób wytwarzania, sprzedaży i stosowania chemikaliów poprzez zapewnienie jednolitych, znormalizowanych ram dla bezpiecznego zarządzania chemikaliami. REACH nakłada odpowiedzialność zarówno na producentów jak i importerów za zapewnienie, że wszystkie chemikalia produkowane w ilościach większych niż jedna tona rocznie nie mają negatywnego wpływu na zdrowie ludzkie lub środowisko. Przemysł dostarcza kompleksowe udokumentowane informacje dla wszystkich kwalifikujących się chemikaliów i substancji pokrewnych, umożliwiając użytkownikom chemikaliów zapewnienie, że stosowane są odpowiednie kontrole. Chemikalia, które są produkowane w ilości 1000 ton lub więcej rocznie, muszą zostać zarejestrowane do grudnia 2010 r., a te większe niż 1 tona muszą zostać zarejestrowane do czerwca 2018 r.

Tylko niewielka część odpadów chemicznych jest toksyczna lub niebezpieczna. Większość z nich, wraz z materiałami, które są odporne na naturalny rozkład, jest spalana w wysokiej temperaturze. W miarę możliwości odpady same dostarczają paliwa do tego procesu. Powstające gazy są dokładnie oczyszczane i „skruberowane” przed uwolnieniem do atmosfery, pozostawiając jedynie popiół do usunięcia. Przykłady postępowania z produktami ubocznymi można znaleźć we wszystkich jednostkach na tej stronie internetowej.

Jakie są wyzwania dla przemysłu chemicznego dzisiaj?

Przemysł chemiczny przechodzi ogromne zmiany na całym świecie. Jak widzieliśmy powyżej, jedna z nich dotyczy pojawienia się krajów Bliskiego Wschodu oraz Chin, Indii i Brazylii jako producentów chemikaliów na ogromną skalę, do własnej konsumpcji, a także na eksport na cały świat. Firmy z tych krajów inwestują również w zakłady w USA i Europie, podczas gdy firmy amerykańskie i europejskie inwestują w zakłady w tych dużych krajach wschodzących, co sprawia, że przemysł jako całość jest całkowicie międzynarodowy w sposobie prowadzenia działalności. Wyzwaniem dla firm w USA i Europie jest obniżenie kosztów przy jednoczesnym zapewnieniu, że stosują się one do najlepszych praktyk w zakresie ochrony środowiska. Ta troska o środowisko jest omawiana w oddzielnych jednostkach dotyczących poszczególnych substancji chemicznych.

A new revolution beckons. Ponieważ ropa naftowa i gaz ziemny stają się coraz rzadsze i droższe, chemicy poszukują nowych surowców, które uzupełnią lub nawet zastąpią ropę naftową i gaz ziemny. I na nowo odkrywają zalety węgla (wciąż w ogromnych dostawach, mimo że jest to paliwo kopalne, którego nie da się zastąpić) i biomasy.

W ten sposób zatoczyliśmy pełne koło. Pod koniec 19 i pierwszej części 20 wieku, przemysł chemii organicznej był oparty w dużej mierze na węglu i biomasie. Węgiel był silnie ogrzewany w nieobecności powietrza, tworząc gaz węglowy (mieszanina wodoru, metanu i tlenku węgla). Jako produkt uboczny powstawała ciecz (smoła węglowa), która zawierała wiele użytecznych organicznych związków chemicznych, w tym benzen, a pozostałością stałą był koks, nieczysta forma węgla. Koks był źródłem tego, co dziś nazywamy gazem syntezowym. W wysokiej temperaturze przepuszczano przez niego parę wodną, uzyskując tlenek węgla i wodór. Innym źródłem organicznych związków chemicznych była biomasa. Na przykład, źródłem wielu związków chemicznych klasy C2 był etanol, produkowany w procesie fermentacji biomasy. Chemikalia C3 i C4, takie jak propanon i butanol, były również produkowane na dużą skalę poprzez fermentację biomasy.

Od tego czasu, począwszy od lat czterdziestych, przemysł znajdował coraz lepsze sposoby wykorzystania produktów z rafinacji ropy naftowej do produkcji nie tylko wszystkich wyżej wymienionych chemikaliów, ale wielu innych. Przykładem jest rozwój przemysłu petrochemicznego, z całą gamą nowych polimerów, detergentów i niezliczoną ilością wyrafinowanych chemikaliów produkowanych przy niskich kosztach.

Prawdopodobnie zatem największym wyzwaniem jest znalezienie sposobów na zmniejszenie naszej zależności od nieodnawialnych zasobów. Tak więc, gdy zasoby ropy naftowej i gazu ziemnego kurczą się, musimy znaleźć sposoby wykorzystania starszych technologii opartych na biomasie do produkcji chemikaliów w sposób jak najbardziej przyjazny dla środowiska, jeśli chodzi o wydatkowaną energię i wytwarzane ścieki. Na przykład, niektóre eteny i szereg polimerów, jak również bardzo duże ilości etanolu, są obecnie produkowane z biomasy.

Innym wyzwaniem jest zmniejszenie naszej zależności od nieodnawialnych zasobów do produkcji energii. Najprostszym sposobem, aby to zrobić jest znalezienie sposobów, aby uruchomić nasze zakłady chemiczne w niższych temperaturach z pomocą katalizatorów lub przy użyciu alternatywnych szlaków. Jak wspomniano w ostatnim rozdziale, proces ten już się rozpoczął. Zużycie energii na jednostkę produkcji spadło o około 55% w UE od 1994 roku i o około 22% w USA od 1990 roku. W konsekwencji emisja dwutlenku węgla spadła mniej więcej o tyle samo w tych samych przedziałach czasowych.

Nowe technologie oparte na nanomateriałach będą również wiodły prym w przyszłych postępach w przemyśle chemicznym i ważne będzie zapewnienie, aby produkcja tych rewolucyjnych materiałów była bezpieczna i przynosiła korzyści ekonomiczne.

Przemysł chemiczny stoi w XXI wieku przed wieloma wyzwaniami, które należy pokonać, aby pozostać w sercu każdego dużego kraju. Tylko w ten sposób przemysł może pomóc społeczeństwu w utrzymaniu i podniesieniu standardu życia i zrobić to w sposób zrównoważony.

Większość danych wykorzystanych w tej jednostce pochodzi z opublikowanych prac CEFIC (Conseil Européen des Fédérations de l’Industrie Chimique, The European Chemical Industry Council) i American Chemical Council.

.