ХІМІЯ І ТЕХНОЛОГІЯ ОРГАНІЧНИХ РЕЧОВИН
Значення органічного синтезу і його перспективи
Історичний огляд. Виробництво органічних речовин спочатку базувалося на
переробці рослинної чи тваринної сировини і складалося у виділенні
коштовних речовин (цукор, олії) чи їхньому розщепленні (мило, спирт і
ін.). Органічний синтез, тобто одержання складних речовин із порівняно
простих з’єднань, зародився на початку XIX сторіччя на основі продуктів
коксування кам’яного вугілля, що містять ароматичні з’єднання. У
двадцятому сторіччі як джерело органічної сировини основну роль стали
грати нафта й газ. На цих трьох видах сировини тепер і базується
промисловість органічного синтезу.
Перспективи розвитку. Промисловість основного органічного і
нафтохімічного синтезу являє собою могутню область з величезною
розмаїтістю одержуваних продуктів, реакцій їхнього синтезу й процесів
розподілу речовин. Великі масштаби виробництва визначають широке
поширення високоефективних технологічних процесів, що характеризуються
безперервністю, високим рівнем автоматизації і високопродуктивним
устаткуванням.
Динамізм області визначається освоєнням випуску нових видів продукції
розробкою нових реакцій, удосконалюванням технологічних процесів,
розробкою нових каталітичних систем, використанням нових типів
апаратури.
У розробці, проектуванні й керуванні виробництвом застосовуються
сучасні методи математичного моделювання, оптимізації й автоматизованих
досліджень.
Головні задачі виробництва: економія матеріальних, енергетичних і
трудових ресурсів, комплексне використання високоякісної сировини,
створення безвідхідних і маловідходних технологій, зниження втрат
сировини й продуктів, охорона навколишнього середовища.
Шляхи економії матеріальних ресурсів.
Витрати на сировину й матеріали е основна частина собівартості продукції
(до 2/3), чим обумовлене перебазування синтезів із кам’яного вугілля на
нафту й вуглеводневі гази, заміна ацетилену на етан і етилен, розвиток
синтезів на основі CO і водню, заміна коштовних окислювачів (пероксид
водню, азотна кислота) на повітря і відновлювачів (на водень).
Основні тенденції розвитку: розробка одностадійних, з’єднаних процесів
і прямих методів синтезу; підвищення селективності процесів вибором
оптимальних параметрів; інтенсифікація виробництва шляхом підвищення
питомої производительности устаткування, збільшення одиничної потужності
установок, агрегатів до оптимальних величин; автоматизація процесу
(застосування АСУ ТП); оптимізація (математичний розрахунок оптимальних
параметрів процесу й устаткування); зниження втрат через нещільності
устаткування (із газами, що відходять), стічними водами, підвищення
надійності і долговечності устаткування; утилізація побічних продуктів,
їхня комплексна переробка, та економія енергії. Рішення цих задач
приводить до зниження видаткових коефіцієнтів і собівартості продукції.
Масштаби виробництва. Промисловість основного (важкого) органічного
синтезу охоплює виробництво багатотоннажних продуктів, які е основою
для іншої технології виробництва органічних продуктів і напівпродуктів.
У зв’язку з переважним базуванням технології органічних речовин на
нафтовій сировині виділився “нафто-хімічний синтез”.
Основні процеси хімічної технології органічних речовин :
– термічне й каталітичне розщеплення (крекінг, піроліз, риформінг,
конверсія, коксування, циклізація);
– фізичний розподіл (вимораживание, депарафннизация, дистиляція,
екстракція і т.д.).
У результаті цих процесів виділяють наступні групи вихідних речовин для
подальшого органічного синтезу:
1) парафіни;
2) ненасичені углеводороди;
3) циклосоединения;
4) оксид вуглецю й синтез-газ.
Основні продукти галузі:
Мономери ( олефіни, дієни, винилбензолы й ін.);
Вихідні речовини для поліконденсації (дікарбоновые кислоти, ангідриди,
гликоли й полигликоли, фенол, формальдегід і ін.).
Допоміжні речовини для полімерних матеріалів (пластифікатори,
каталізатори, прискорювачі вулканизації і полімеризації, ініціатори,
регулятори, інгібітори, стабілізатори );
Синтетичні миючі речовини: іоногенні (анионоактивные-мила зі СЖК,
алкилсульфонаты і т.п., та катионоатнвные – солі амінів амонієвих основ)
і неіоногенні -продукти синтезу этиленоксида і різних органічних речовин
з активними атомами водню (кислоти, спирти, аміни);
Синтетичне паливо, олії і присадки;
Синтетичні розчинники й екстрагенты;
Інсектофунгіціди і хімічні засоби захисту рослин (пестициди, фунгіциди,
бактерициди, інсектициди, гербіциди, дефоліанти, зооціди).
Основні показники хіміко – технологічних процесів
Концентрація речовини:
Мольна маса ( М ) – маса 1 моль речовини, кг
Мольний обсяг (V м) – обсяг 1 моль речовини, м? ;
Способи вираження концентрацій компонентів у суміші:
Мольна частка – число молів речовини А / загальне число молей;
Масова частка – маса речовини А / загальна маса суміші;
Об’ємна частка – обсяг речовини А / загальний обсяг суміші.
Масова концентрація – кг/м ? ;
Об’ємна концентрація – м ?/м ?;
Мольна концентрація – моль /м ?;
Характеристики газових сумішей:
Нормальні умови (н.у.): Т = 273?С; Р = 0, 1 МПа (0,1013 МПа );
Обсяг, займаний 1 кмоль газу при н.у. = 22,4 м ?;
Залежності, між тиском (Р), обсягом (V) і температурою (Т): (рівняння
Менделєєва) для n моль газу: P V = n RT;
Універсальна газова постійна: 8,314 кДж/моль•К; (якщо Р = кгс/м ?, то R
= 848 кгс/кмоль•град, )
Для двох різних станів газу: P,V,Т и P?V? Т?: Р V = P? V ? ;
PV/T = P?V?/T?;
Тиск газової суміші: Р = P1+ Р2 +…+Pi ;
Обсяг газової суміші: V = V1+ V2 +…+Vi ;
Середня мольна маса суміші: х1М1 + х2М2 +…+хi Мi
Средня щільність газу: ?ср = Мср./22,4, кг/м?;
Відносна щільність газу по повітрю при н.у. : ? = ?г / 1,293;
В’язкість газів і рідин, Па•с (1 Па•с = 10 пуаз).
Вязкість суміши газів : ?см = 1 /(? х і /?і);
1,5
Критична температура (Ткр.) – температура, при якій щільність рідини і
насичених її пар однакові.
Критичні тиск (Ркр) – тиск насиченої пари при Ткр. (при Т > Ткр стан
речовини газоподібне).
Критичний обсяг (Vкр) – обсяг, займаний речовиною в критичному стані
(наибільший обсяг у рідкому стані).
Показники стадій хімічного перетворення:
Конверсія – К (ступінь перетворення) – відношення кількості речовини,
що вступили в реакцію (тобто прореагировавшего речовини) до кількості
цієї речовини, подаваного в реакційний апарат.
Вихід цільового продукту, (%):
на пропущену сировину – кількість отриманого цільового продукту
віднесене до кількості сировини, завантаженого в реактор;
на розкладену сировину — те ж, віднесене до кількості сировини, що
вступили в реакцію.
Селективність – кількість отриманого цільового продукту, віднесена
до максимально можливого теоретичний, % (для процесів, що
протікають у кілька стадій враховують селективність на кожній стадії).
Видаткові коефіцієнти – чи кількостей сировини його компонентів, а також
допоміжних матеріалів, пари, електроенергії, холоду і т.д. витраченого
на виробництво 1 т продукції.
Продуктивність – кількість цільового продукту, одержуваного в одиницю
часу (кг/з, т/рік і т.д.).
Потужність виробництва -максимально можлива продуктивність при
оптимальних умовах процесу.
Інтенсивність процесу – продуктивність, віднесена до одиниці корисного
обсягу цеху, виробництва (Кз) до годовй потужності (Р):
Ку = Кз / Р ;
Обсяг реакційної зони: Vp = Vс ?,
де Vc, – об’ємна витрата, м3/c,
? – час контакту, c
Висота реакційної зони: Н == Vp / S,
де S – площа перетинання, м 2.
Об’ємна швидкість – обсяг газової суміші рідини, що проходить
через одиниця об’єму каталиэатора за одиницю часу:
Vоб. = Vсырья / Vкат.
Продуктивність каталізатора – маса цільового продукту, що знімається з
одиниця об’єму чи маси каталізатора:
П = Gпрод./ Vкат, кг/ м 3 или
П = G прод./ G кат., кг/кг.
Техніко-економічні показники
Собівартість – грошове вираження витрат (З) підприємства на виробництвоі
збут одиниці продукції (N): З = 3 / N , грн/т;
Прибуток підприємства: П == (Я – З) •А , де; апарата.
Питомі капітальні витрати – відношення загальної вартості установки,
Ц – відпускна ціна ед. продукції, грн/т;
С – себестнмсть ед. продукції, грн/т;
А – річний обсяг виробництва продукції, т.
Рентабельність підприємства – відношення прибутку (П) до витрат (3)
Р = П / 3
Матеріальний та тепловий баланси
Матеріальні і теплові баланси є основою технологічних розрахунків.
До них відносяться визначення виходу основного і побічного продуктів,
видаткових коефіцієнтів по сировині, виробничих утрат.
Тільки визначивши матеріальні потоки, можна зробити необхідні
конструктивні розрахунки виробничого устаткування, оцінити економічну
ефективність і доцільність процесу.
Складання матеріального і теплового балансу необхідно як при
проектуванні нового, так і при аналізі роботи існуючого виробництва.
При проектуванні нових виробництв використовується досвід існуючих з
урахуванням результатів сучасних досліджень і розрахунків на їхній
основі.
Основою матеріального балансу є закон збереження маси речовини і
стехеометричні співвідношення.
Матеріальний баланс може бути представлений рівнянням;
Gвх. = Gвых. + Gпотер
Матеріальний баланс звичайно складають на одиницю маси основного
продукту в одиницю часу (кг/год, т/пора, тис.т/рік і т.п.) чи в молях.
Для процесів без зміни, що, обсягу, що протекають тільки в газової
фазе, можливе залишення балансу в кубічних м.
Теоретичний матеріальний баланс розраховується на основі
стехеометричного рівняння реакції.
Практичний матеріальний баланс враховує з’єднання вихідної сировини,
готової продукції, надлишок одного з компонентів сировини, ступінь
перетворення, утрати сировини і готового продукту і т.д.
Тепловий (енергетичний) баланс складається на основі закону збереження
енергії і матеріальних розрахунків:
Qприх. = Qрасх. + Qпотер.
Тепловий баланс дозволяє визначити потреба в тепло- чи хладоносієм,
величину теплообмінних поверхонь. Тепловий баланс враховує кількості
теплоти внесене й винесино з апарата, теплоту фізичних процесів
(розчинення, абсорбція і т.д.), теплоту хімічних, перетворень (екзо- і
ендотермічні реакції), кількість теплоти яка підводиться чи відводиться
з апарата (з димовими газами, пером, холодильниками усередині апарата і
т.д.), утрати тепла в навколишне середовище.
Сумарна теплота фізичних процесів (конденсація, випар, розчинення й ін.)
визначається з урахуванням теплоти фазових переходів:
Тепловий ефект реакції дорівнює сумі теплот утворення вихідних речовин
за винятком суми теплот утворення продуктів реакції;
?Н = (? Нобр.) исх. – (? Нобр.) прод.
Видаткові коефіцієнти характеризують витрата різних видів сировини,
води, палива, пари, електроенергії, холоду на одиницю вироблюваної
продукції.
Процеси переробки нафти:
Установки ЭЛОУ-АТ (ЭЛОУ-АВТ) складаються з 2-3 блоків:
1) Обессоливанне;
2) Атмосферна перегонка (AT);
3) Вакуумна перегонка мазуту (ВТ).
Продукти переробки нафти:
Вуглеводневиый газ – виводиться у виді газу і голівки стабілізації;
використовується у виді палива.
Бензинова фракція (30-1800С): компонент товарного бензину, сировина для
каталітичного риформинга, вторинної перегонки, пиролизных установок.
Гасова фракція (120-3150С): паливо для реактивних і тракторних
карбюраторних двигунів, сировина установок гідроочищення; для
освітлювальних цілей.
Дизельна фракці-атмосферний газоойль (180—3500С): паливо для дизельних
двигунів і сировина установок гідроочищення.
Мазут-залишок атмосферної перегонки (>350 0С): казанове паливо, сировина
термічного крекінгу.
Вакуумний вакуумний-дистилят-вакуумний газйль (350-500 0С): сировина
каталітичного крекінгу, сировина гідрокрекінгу;
Гудрон-залишок АВТ (>5000С): сировина термічного крекінгу, коксування,
виробництва бітуму й олій.
Установки неглибокої переробки нафти працюють по паливному варіанті
(основні напрямки – збільшення добору світлих нафтопродуктів і
підвищення їхньої якості).
Установки глибокої переробки нафти забезпечують одержання сировини для
процесів органічного синтезу в результаті термо- і каталітичних
процесів.
Вторинна перегонка бензину (.до -1800С) на фракції:
нк-620С – компонент автбензина і сировина установки ізомеризації та
каталітичного риформингу:
62 – 850С -для одержання бензолу;
85-1050С – ” – толуолу;
105-1400С – ” – ксилолів;
140—1800С – компонент товарного бензину й авіагасу; сировина
каталітичного риформинга, що працює в режимі одержання високооктанового
бензину; сировина установок гідроочищення гасу.
. Виробництво нижчих парафинов.
Характеристика нижчих парафинов [1]
Фізичний стан Найменування Формула Температура
конден-сації критична
Гази Метан СН4 -161,6 82,1
Этан С2Н6 -88,6 32,3
Пропан С3Н8 -42,1 152,1
Бутан С4Н10 -0,5 96,8
Изобутан i-С4Н10 -11,7 134,5
Низкокиплячі рідини Изопентан С5Н12 27,8
Нижчі парафины погано розчинні у воді і полярних рідинах.
Вибухонебезпечні. Границі взрываемости 1,3-15%про. (виробництва
відносяться до категорії «А»). Слабкі наркотики. Зі збільшенням атомів
вуглецю зростає здатність абсорбуватися й адсорбироваться.
Основні кількості нижчіх парафінів міститися в газах:
Випадний нафтовий газ – газоподібні вуглеводні, що супроводжують сиру
нафту. В умовах пластового тиску газ розкритий у нафті ( >1200м = Р >10
МПа). Його відокремлюють від нафти в сепараторах (траппах). Для більш
повного витягу газоподібних углевородов нафту піддають фізичної
стабілізації. Гази стабілізації містять в основному вуглеводні З1-З5 і
представляють коштовна сировина для переробки в різні продукти ООС.
З’єднання газів стабілізації: бутан = 30-40%; пентан = 15-25%; пропан =
20-30%; этан = 5-15%;
Залишковий зміст метану в стабілізованому газі 1-5% (у той час як у
вихідних газах): природному = 70-97,5; попутне = 75-95%; газоконденсате
= 35-90%. Поділ випадного газу проводять на газофракционных установках
(ГФУ) при тиску Р=2,4 МПа і зниженій температурі.
Ізомеризація – додаткове джерело одержання ізобутану і изопентана, що є
сировиною для виробництва мономерів СК – ізобутілену й ізопрену.
Каталізатори: хлорид алюмінію в присутності хлориду водню; метали
платинової групи на носіях кислотного типу (оксид алюмінію,
алюмосилікат, цеоліт). Mеханизм ізомеризації – іонний, через проміжне
утворення карбокатионов:
1. Утворення олефнна внаслідок чи крекінгу дегидрирования;
2. Утворення з олефина на активних центрам каталізатора, що відіграють
роль донорів протона, карбокатионов:
Карбокатионы здатні відволікатися атоми й у виді гідридів-іонів від
інших молекул вуглеводню і изомеризоваться з переміщенням чи атомів
водню алкильных груп усередині молекули
Побічні реакції: розщеплення (крекінг); полімеризація; алкилирование;
При використанні каталізатора – алюминийхлорида процес проводять при
90-1200С в реакторі з мішалкою, попередньо насичуючи вуглеводень
хлористим воднем (активатор). Вуглеводневый шар відокремлюють від
катализатора, відганяють пари соляної кислоти і нейтралізують.
При використанні каталізатора – металів платинової групи, (палладій на
носіях) процес проводять при 350-4500С и 2-3 МПа в адіабатичному
реакторі з надлишком водню для запобігання дегидрирування і
полімеризації олефинов. Продукти реакції після конденсації і відділення
від циркулюючого водню піддають ректифікації. Неперетворені вуглеводні
(бутан, пентан) повертають у цикл. Технологічні схемі наведені у [2, с.
10-11].
Виробництво вищих парафінів
Тверді і м’які парафииы (до 30%) містяться в нефтепродутках у виді
розчинів. Парафины виділяють иэ мастил, що незастигає газойля, керсина,
диэельного палива, і ін. фракцій. Тверді парафины (С20-С35) с
Тпл.>5000С і Тк=350-5000С. М’які парафины (С11-С20) с Tпл.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
