А тырауский институт нефти и газа 47

Учебно-методический комплекс по дисциплине «Химическая технология органических веществ». Издание четвертое. Разработали: Жунусова Э.Б., Ахпанбетова А.К., Наурызбаева А.Д

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

АТЫРАУСКИЙ ИНСТИТУТ НЕФТИ И ГАЗА

ФАКУЛЬТЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

по дисциплине «Химическая технология органических веществ»

для специальности 050721-Химическая технология нефти и газа

Атырау 2010

Учебно-методический комплекс по дисциплине «Химическая технология органических веществ» для студентов АИНГ по специальности 050721 "Химическая технология нефти и газа"

Учебно-методический комплекс дисциплины студента разрабатывается в соответствии с содержанием ГОСО РК, квалификационной характеристикой, типовым и рабочими учебными планами специальностей и направлений подготовки с учетом языка обучения и отражает основное содержание преподаваемой дисциплины. Учебно-методический комплекс дисциплины предназначен для конкретизации методов и средств учебной деятельности студента по достижению поставленных образовательных целей и задач дисциплины, обеспечивает формирование базовых знаний, умений и навыков студента, необходимых для усвоения им инженерно-технических дисциплин по избранной специальности.

Учебно-методический комплекс дисциплин студента состоит из разделов:

1. Глоссарий;

2. Конспект лекционных занятий;

3. Лабораторные занятия;

4. Самостоятельная работа студентов под руководством преподавателя (СРСП);

5. Самостоятельная работа студентов (СРС);

6. Экзаменационные вопросы;

7. Технические средства обучения;

8. Список рекомендуемой литературы.

Атырауский институт нефти и газа, 2010

Министерство образования и науки республики казахстан Атырауский институт нефти и газа

Лист согласования

Утвержден на заседании Методического совета АИНГ

Протокол № от «__»_____________2010 г.

Позиция №

Председатель Метод совета АИНГ

Первый проректор, проректор по УМР________ Д.У.Кулжанов

Согласовано:

Заведующий УМО: _________________ А.И.Исмагулова

Рассмотрено на заседании Методического бюро Технологического факультета «___»___________2010 г.

Председатель метод бюро

технологического факультета____________________ А.Т.Сагинаев

Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры «Химия и химическая технология» «____»____________2010 г.

Зав. кафедрой, профессор, д. т. н. __________________ Г.А.Оразова

Разработали: к.т.н., ст. преподаватель _____________ Э.Б.Жунусова

ст. преподаватель_____________ А.К. Ахпанбетова

преподаватель _______________ А.Д.Наурызбаева

1. Глоссарий

АБСОРБЦИЯ газов (лат. absorptio, от absorbeo-поглощаю), объемное поглощение газов и паров жидкостью (абсорбентом) с образованием раствора. Применение абсорбции в технике для разделения и очистки газов, выделения паров из паро-газовых смесей основано на разложение растворимости газов и паров в жидкостях. Процесс, обратный абсорбции, называется десорбцией; его используют для выделения из раствора поглощенного газа и регенерации абсорбента. Поглощение газов металлами (например, водорода палладием) называется окклюзией. Асорбция - частный случай сорбции.

АДСОРБЦИЯ (от лат. ad-на, при и sorbeo-поглощаю), изменение (обычно -повышение) концентрации вещества вблизи поверхности раздела фаз ("поглощение на поверхности"). В общем случае причина А.- нескомпенсированность межмолекулярных сил вблизи этой поверхности, т.е. наличие адсорбции силового поля. Тело, создающее такое поле, называется адсорбентом; вещество, молекулы которого могут адсорбироваться, адсорбтивом; уже адсорбировованное вещество - адсорбатом. Процесс, обратный А., называется десорбцией.

АЛКИЛИРОВАНИЕ, введение алкильной группы в молекулу органических соединений путем замещения атома Н. Расширительно А. называют замещение любого атома или группы атомов на алкильную группу, например, замещение галогена (алкилдегалогенирование) или HgX (алкилдемер - курирование). В зависимости от того, при каком атоме происходит замещение Н, различают, например, С-, О- и N-A.

АЛЬДОЛЬНАЯ КОНДЕНСАЦИЯ, взаимодействие двух молекул альдегида или кетона (одинаковых или разных) в присутствии кислот или оснований с образованием гидроксиальдегидов (альдолей).

АМИНОЛИЗ (от амины и греч. lysis - разложение, распад), обменная реакция между веществом и первичным или вторичным амином. Путем А. можно заменить в органическом соединении на аминогруппу галоген (например, в алкил- и арилгалогенидах, галогенангидридах кислот), гидроксил (в спиртах и фенолах). А. подвергаются также неорганические соединения, например, гидриды щелочных металлов, некоторые оксиды и галогениды. Реакция применяется, например, для промышленного получения диметиланилина из анилина и метанола, алканоламинов из анилина и метанола, из хлоргидринов и аминов.

АММОНОЛИЗ (от новолат. ammonia -аммиак и греч. lysis-разложение, распад), обменная реакция между веществом и аммиаком.

ВИСБРЕКИНГ (от англ. vis(cosity) - вязкость, липкость, тягучесть и breaking - ломка, разрушение), один из видов термического крекинга. Применяют для получения из гудронов главным образом котельных топлив (топочных мазутов). Процесс проводят в жидкой фазе при сравнительно мягких условиях: 440-500 °С, 0,5-3,0 МПа, время пребывания сырья в зоне реакции от 2 до 30 мин и более. Основные реакции - расщепление парафиновых и нафтеновых углеводородов с образованием углеводородных газов и бензина, а также жидких фракций, кипящих в пределах 200-450 °С, и вторичных асфальтенов.

ГАЗИФИКАЦИЯ НЕФТЯНЫХ ОСТАТКОВ, превращение мазута, гудрона или тяжелых остатков от вторичных процессов нефтепереработки (крекинг, риформинг и др.) в горючий газ, основными компонентами которого являются СО и Н₂. Процесс осуществляется при 1230-1480 °С под давлением подаваемого окислителя - воздуха, паровоздушной (обогащенной О₂) или парокислородной смеси.

ГАЛОГЕНИРОВАНИЕ (галоидирование), введение галогена в молекулу органического соединения. Осуществляют путем реакций замещения (заместительное Г.) или присоединения (присоединительное Г.).

ГИДРАТАЦИЯ (от греч. hydor-вода), присоединение воды к молекулам, атомам или ионам. Может осуществляться без разрушения или с разрушением молекул воды. Г. без разрушения молекул воды приводит к гидратам. Обусловлена электростатическим и ван-дер-ваальсовым взаимодействиями, координационными и иногда водородными связями. Г. в растворе - частный случай сольватации.

ГИДРИРОВАНИЕ (гидрогенизация), присоединение Н₂ к органическим соединениям (обратная реакция называется дегидрированием). Г. и дегидрирование связаны подвижным равновесием, положение которого определяется температурой и давлением Н₂. Г. обычно происходит при сравнительно низких температурах (20-200 °С), дегидрирование при более высоких. Повышение давления благоприятствует Г.

ГИДРОГАЛОГЕНИРОВАНИЕ, присоединение галогено-водородов по кратным связям органических соединений.

ГИДРОГЕНОЛИЗ (от лат. hydrogenium- водород и греч. lysis - разложение, распад) (деструктивное гидрирование), разрыв связи С—X (Х-С, N, S, О и др.) в органических соединениях под действием водорода.

ГИДРОКРЕКИНГ осуществляется действием водорода в присутствии катализаторов на высококипящие нефтяные фракции (главным образом вакуумный дистиллят с пределами выкипания 300-540 °С), а также на легкокипящие и среднедистиллятные прямогонные фракции и вторичные продукты их термокаталитической переработки. Цель Г.- получение бензиновых фракций, реактивных и дизельных топлив, смазочных масел, сжиженных газов С₃-С₄, сырья для пиролиза, каталитического риформинга и крекинга.

ДЕАЛКИЛИРОВАНИЕ (дезалкилирование), замещение алкильной группы в молекуле органических соединений на атом Н. В зависимости от атома, с которым была связана алкильная группа, различают С-, О-, N- и S-Д. К Д. иногда также относят замещение на атом Н органических радикалов, например, гидрокси- и цианалкилов. Д. осуществляют под действием кислот Льюиса, минеральных и органических кислот, при пиролизе или облучении. Легко протекает О- и S-Д. (например, гидролиз сложных эфиров и тиоэфиров); труднее N-Д. аминов; С-Д. обычно осуществляют в жестких условиях - при высокой температуре, давлении, в присутствии катализаторов. Как правило, легко происходит замещение третичных алкилов, например, Д. трет-бутильной группы в аминах осуществляют действием CF₃COOH при комнатной температуре. В некоторых случаях трудно протекает Д. первичных алкилов.

ДЕАСФАЛЬТИЗАЦИЯ, извлечение из остаточных продуктов дистилляции нефти (мазута, гудрона) растворенных и диспергированных в них высокомолярных смолисто-асфальтеновых веществ. Наиболее распространение получила Д. с использованием легких органических растворителей (жидкий пропан, бутан или фракция С₅). При Д. происходят одновременно два процесса: коагуляция и осаждение смолисто-асфальтеновых веществ и экстракция углеводородов.

ДЕГАЛОГЕНИРОВАНИЕ, элиминирование галогена из молекулы органического соединения или замещение его на атом Н. Элиминирование атомов галогена может протекать с отщеплением галогена от соседних атомов С в соединениях алифатического ряда с образованием кратных связей или с отщеплением удаленных друг от друга атомов галогена с образованием циклических соединений. Д. находится в равновесии с процессом галогенирования; протеканию Д. способствует повышение температуры. Галоген у третичного атома С элиминируется труднее, чем у вторичного или первичного. Скорость Д. убывает в ряду: I > Вr > Cl > F. Д. в газовой фазе, как правило, протекает при 300-400°С (для хлорзамещенных - выше 400 °С). Полигалогениды элиминируют галоген легче, чем моно- или дигалогениды, например, при 550 °С реакция С₂Сl₆ : ССl₂=ССl₂ + Сl₂ полностью сдвинута вправо.

ДЕГИДРАТАЦИЯ, отщепление воды от молекул органических или неорганических соединений. Осуществляется термически (обычно в присутствии катализаторов) или под действием веществ, связывающих воду (т. н. дегидратирующих агентов, например Р₂О₅, H₂SO₄). Различают внутри- и межмолекулярную Д. Пример внутримолярных Д. спиртов - синтез этилена из этилового спирта, протекающий в присутствии Аl₂О₃ или под действием H₂SO₄.

ДЕГИДРИРОВАНИЕ (дегидрогенизация), отщепление водорода от молекулы органического соединения. Осуществляется в присутствии катализаторов или под действием акцепторов водорода. Каталитическая Д. и обратная реакция - гидрирование - связаны подвижным термодинамическим равновесием. Протеканию Д. способствует повышение температуры и понижение давления. Осуществляют Д. обычно при температуре > 300 °С и давлении 0,1-5 МПа; при необходимости применение более высоких давлений сочетают с соответствующим повышением температуры. Катализаторы Д. - обычно многокомпонентные системы, содержащие переходные металлы, их оксиды или сульфиды. При Д. молекула реагирующего соединений образует комплекс с катализатором, распадающийся затем на Н₂ и продукт Д., десорбируемые с поверхности катализатора.

ДЕГИДРОГАЛОГЕНИРОВАНИЕ, отщепление галогеноводорода от молекулы органического соединения с образованием цикла или кратной связи между атомами С. Д. в газовой фазе проводят при нагревании. В промышленности такой процесс используют для дегидрохлорирования. Реакция обычно осуществляется по радикально-цепному механизму.

ДЕПАРАФИНИЗАЦИЯ, извлечение из нефтепродуктов (дизельных топлив, смазочных масел и др.) высокоплавких высших (начиная с С₁₀) алифатических углеводородов. В результате Д. улучшаются эксплуатационные свойства нефтепродуктов (понижается температура застывания).

ИЗОМЕРИЯ (от изо... и греч. meros - доля, часть), существование соединений (главным образом органических), одинаковых по составу и молекулярной массе, но различных по физических и химическим свойствам. Такие соединения называются изомерами. Структурная И. - результат различий в химическом строении. К этому типу относят И. углеродного скелета, обусловленного различным порядком связи атомов углерода. Простейший пример - бутан СН₃СН₂СН₂СН₃ и изобутан (СН₃)₃СН.

КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КРЕКИНГ, термокаталитическая переработка нефтяного сырья с целью получения продуктов меньшей молекулярной массы - компонентов высокооктановых бензинов, легкого газойля, углеводородных газов С₃-С₄ и др. К. к. - один из важнейших процессов, обеспечивающих глубокую переработку нефти. Внедрению К. к. в промышленность в конце 30-х гг. ΧΧ в. (США) способствовало создание эффективного с большим сроком службы катализатора на основе алюмосиликатов (Э. Гудри, 1936). Основное достоинство процесса -большая эксплуатационная гибкость; возможность перерабатывать практически любые нефтяные фракции в высококачественные продукты; сравнительная легкость совмещения с другими процессами, например, с алкилированием, гидрокрекингом, гидроочисткой, адсорбционной очисткой, деасфальтизацией и т. д.

КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РИФОРМИНГ, каталитическая переработка бензиновых фракций (в основном прямогонных) под давлением Н₂ с целью получения высокооктановых автомобильных бензинов, ароматических углеводородов (бензола, толуола, ксилолов и др.) и водородсодержащего газа. Каталитический риформинг - один из важнейших процессов нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

КОКСОВАНИЕ, разложение при высокой температуре без доступа воздуха твердых и жидких горючих ископаемых с образованием летучих веществ и твердого остатка - кокса. Последний находит широкое применение в различных отраслях народного хозяйства (см. Кокс каменноугольный, Кокс нефтяной, Кокс пековый). Сырье для коксования - в основном каменный уголь; в значительно меньших масштабах перерабатывают другие горючие ископаемые, а также высококипящие остаточные продукты дистилляции нефти (см. ниже), каменно-угольный пек и т. д. К. каменного угля - переработка его при 900-1100 °С с целью получения каменного угля кокса, коксового газа, каменноугольной смолы и других продуктов. Предварительно обогащенные (отделенные от минеральных примесей), измельченные до зерен размером не более 3 мм и тщательно перемешанные угли (шихту) направляют в башню, из которой с помощью загрузочных вагонов через специальные люки подают в раскаленные коксовые печи - горизонтальные аппараты щелевидного типа. Обогревательные простенки (вертикальные каналы) печей выложены из динасового огнеупорного кирпича. Преимущественное применение нашли печи с камерами шириной 400-500 мм, высотой 47 м, длиной 12-16м, полезным объемом 20-50 м³. Несколько десятков печей (обычно 60-70) компонуют в единую систему - коксовую батарею, обслуживаемую общим комплектом.

КОНДЕНСАЦИЯ (от позднелат. condensatio - уплотнение, сгущение), переход вещества из газообразного состояния в жидкое или твердое при

докритических параметрах; фазовый переход первого рода. К.- экзотермический процесс, при котором выделяется теплота фазового перехода - теплота К. Конденсированная фаза может образовываться в объеме пара или на поверхности твердого тела и жидкости, имеющих более низкую температуру, чем температура насыщения пара при данном давлении.

КРЕКИНГ (англ. cracking, букв. - расщепление), высокотемпературная переработка нефти и ее фракций с целью получения, как правило, продуктов меньшей молекулярной массы - моторных топлив, смазочных масел и т. п., а также сырья для химической и нефтехимической промышленности. К. протекает с разрывом связей С—С и образованием свободных радикалов или карбанионов. Одновременно с разрывом связей С—С происходят дегидрирование, изомеризация, полимеризация и конденсация промежуточных и исходных веществ. В результате двух последних процессов образуются, так называемый, крекинг - остаток (фракция с температурой кипения более 350 °С) и кокс нефтяной.

НИТРОВАНИЕ, введение нитрогруппы —NO₂ в молекулы органических соединений. Может проходить по электрофильному, нуклеофильному и радикальному механизмам; активные частицы в этих реакциях - соответственно катион нитрония NO₂, нитрит-ион NO₂ и радикал NO₂. H. может осуществляться по атомам С, N, О замещением атома водорода (прямое Н.) или других функциональных групп (заместительное Н.) либо в результате присоединения группы NO₂ по кратной связи.

ОБЕЗВОЖИВАНИЕ И ОБЕССОЛИВАНИЕ НЕФТИ, подготовка нефти к переработке путем удаления из нее воды, минеральных солей и механических примесей. При добыче нефти неизбежный ее спутник - пластовая вода (от < 1 до 80-90% по массе), которая, диспергируясь в нефти, образует с ней эмульсии типа "вода в нефти" (дисперсионная фаза - нефть, дисперсная - вода). Их формированию и стабилизации способствуют присутствующие в нефти природные эмульгаторы (асфальтены, нафтены, смолы) и диспергированные механические примеси (частицы глины, песка, известняка, металлов). Пластовая вода, как правило, в значительной степени минерализована хлоридами Na, Mg и Са (до 2500 мг/л солей даже при наличии в нефти всего 1% воды), а также сульфатами и гидрокарбонатами и содержит механические примеси.

ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ (реакции окисления-восстановления) происходят с изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ. При окислении веществ степень окисления элементов возрастает, при восстановлении - понижается.

Первоначально окислением называли только реакции веществ с кислородом, восстановлением - отнятие кислорода. С введением в химию электронных представлений понятие окислительно-восстановительные реакции было распространено на реакции, в которых кислород не участвует.

ОКСИДИРОВАНИЕ, создание оксидной пленки на поверхности изделия или заготовки в результате окислительно-восстановительные реакции. О. преимущественно используют для получения защитных и декоративных покрытий, а также для формирования диэлектрические слоев. Различают термические, химические, электрохимические (или анодные) и плазменные методы О.

ПИРОЛИЗ (от греч. руr-огонь и lysis-разложение, распад) (термическое разложение, пирогенетические превращение, сухая перегонка), разложение или другое превращение химических соединений при нагревании.

ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ (от греч. polymeres-состоящий из многих частей), процесс получения высокомолекулярных соединений, при котором молекула полимера (макромолекула) образуется путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера) к активному центру, находящемуся на конце растущей цепи. По числу участвующих в реакции мономеров П. разделяют на гомополимеризацию (один мономер) и сополимеризацию (два и более), в зависимости от природы активного центра - на радикальную полимеризацию, в которой активным центром является свободный радикал (макрорадикал), и ионную П., где активные центры-ионы, ионные пары или поляризованные молекулы (см. Анионная полимеризация, Катионная полимеризация, Координационно-ионная полимеризация). Важный вид П.-стереоспецифическая полимеризация, при которой образуются полимеры с упорядоченной пространственной структурой (стереорегулярные полимеры).

РЕКТИФИКАЦИЯ (от позднелат. rectificatio - выпрямление, исправление), разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся температурами кипения, путем многократных испарения жидкости и конденсации паров. В этом основные отличие Р. от дистилляции, при которой в результате однократного цикла частичное испарение - конденсация достигается лишь предварительное (грубое) разделение жидких смесей.

РИФОРМИНГ (англ. reforming, от reform-переделывать, улучшать), переработка бензиновых и лигроиновых фракций нефти для получения автомобильных бензинов, ароматических углеводородов (бензола и его гомологов) и водородсодержащего газа. Различают Р. термический и под давлением Н₂ в присутствии катализатора.

СЕПАРАЦИЯ ВОЗДУШНАЯ (от лат. separatio-отделение), разделение твердых полидисперсных систем на фракции по скорости осаждения частиц разной крупности (с преимущественным размером менее 2-3 мм, реже - до 13 мм) под действием центробежно-гравитационных сил в горизонтальном или восходящем потоке воздуха. С. в. подчиняется общим законам осаждения твердых тел, как и классификация гидравлическая, однако существенно от нее отличается. Поскольку сопротивление воздуха движению твердых частиц значительно меньше сопротивления воды, частицы осаждаются в воздухе во много раз быстрее, чем в воде.

СЕРНОКИСЛОТНАЯ ОЧИСТКА нефтепродуктов, применяется для очистки масляных фракций нефтей (типа бакинских или эмбинских) с целью получения масел малотоннажного либо специализированного ассортимента. Под воздействием кислоты (92-98%-ной Н₂SO₄) в масляных фракциях протекают окисление и полимеризация смолисто-асфальтеновых веществ и сульфирование части ароматических и нафтеновых углеводородов. Обработанная кислотой фракция разделяется на два слоя: верхний (кислое масло), содержащий углеводороды, а также незначительные количества продуктов реакции и кислоты, растворенных в масле; нижний (кислый гудрон), включающий продукты реакции, избыток кислоты и механически увлеченное масло.

СОПОЛИКОНДЕНСАЦИЯ, реакция образования сополимеров, в которой помимо мономеров, необходимых для осуществления поликонденсации, участвует по крайней мере еще один мономер. При этом сомономерами называют мономеры, которые между собой непосредственно не реагируют, но каждый из которых взаимодействует с третьим-интермономером. Для С. и поликонденсации характерны одни и те же способы проведения и закономерности, определяющие молекулярную массу и ММР макромолекул.

ТЕРМИЧЕСКИЙ КРЕКИНГ, высокотемпературная переработка нефти и ее фракций с целью получения, как правило, продуктов меньшей молекулярной массы - легких моторных и котельных топлив, непредельных углеводородов, высокоароматизированного сырья, кокса нефтяного.

ФОРМАТИРОВАНИЕ, введение формильной группы CHO в молекулу органических (реже неорганических) соединений. В зависимости от того, к какому атому в субстрате присоединяется формильная группа, различают С-, N-, О- и S-. С-Ф.- один из важнейших методов получения альдегидов. Ф. гетероатомов применяют для защиты групп NH₂, ОН, SH; для получения формамида, эфиров муравьиной и тиомуравьиной кислот; для проведения реакций циклизации.

ЭКСТРАГИРОВАНИЕ (от лат. extraho - вытягиваю, извлекаю), перевод одного или несколько компонентов из твердого пористого тела в жидкую фазу с помощью избирательного растворителя (экстрагента); один из массообменных процессов химической технологии. Наряду с термином "Э." часто применяют термин "выщелачивание" (в англоязычной литературе "leaching"), название которого происходит от слова "щелочь". Действительно, в некоторых технологических процессах извлечения раствор содержит щелочь; однако во многих иных аналогичных процессах, также называется "выщелачиванием", щелочь вообще не используется. Поэтому термин "Э.", под которым понимают извлечение в системе твердое тело - жидкость, следует считать более общим и предпочтительным. Э. существенно отличается от экстракции жидкостной, которая протекает в гетерогенной системе жидкость - жидкость. При Э. размеры твердых тел задаются предшествующими операциями (измельчение).

ЭКСТРАКЦИЯ ЖИДКОСТНАЯ (позднелат. extractio - извлечение, от extraho - вытягиваю, извлекаю), перевод одного или нескольких компонентов раствора из одной жидкой фазы в контактирующую и не смешивающуюся с ней другую жидкую фазу, содержащую избирательный растворитель (экстрагент); один из массообменных процессов химической технологии. Используется для извлечения, разделения и концентрирования растворенных веществ.

ЭКСТРАКЦИЯ "СВЕРХКРИТИЧЕСКАЯ" (сверхкритическая флюидная экстракция, "газовая" экстракция), перевод одного или нескольких компонентов твердой либо жидкой смеси в "сверхкритический газ". Проводится контактированием смеси разделяемых компонентов с газообразным экстрагентом при температуре и давлении выше его критической точки. Наиболее распространены в качестве экстрагентов (растворителей) СО₂, этан, этилен, пропан, SF₆ и др.