Лекции / Лекции ХТОВ- часть 1

Лекция 1. Сырьевые источники и исходные вещества для химической технологии органических веществ. Предмет "Х и ТОВ».

1.Сырьевые источники и исходные вещества для промышленности основного органического и нефтехимического синтеза. Предмет "ХиТОВ».

2.Важнейшие продукты основного органического и нефтехимического синтеза.

3.Современное состояние и перспективы развития химической технологии органических веществ.

4.Охрана окружающей среды: проблемы и пути их решения.

Литература: [1] , с. 8-22 , Лебедев.

1.Сырьевые источники и исходные вещества для промышленности основного органического и нефтехимического синтеза. Предмет "Химия и технология органических соединений.

Технология производства органических веществ зародилась очень давно и первоначально базировалась на переработке сырья растительного и животного происхождения. Она, естественно была что ни на есть примитивнейшая.

Технология производства же органических веществ из других видов источников начинает развиваться с середины Х1Х века; она первоначально базировалась на побочных продуктах коксования каменного угля, содержащих ароматические соединения. Затем, уже в ХХ веке в качестве сырья стали использовать нефть и природный газ. На этих трех видах ископаемого сырья главным образом и базируется в настоящее время промышленность органического синтеза.

В процессах физического разделения, термического и каталитического расщепления (коксование, крекинг, пиролиз, риформинг, конверсия) этих сырьевых источников получают следующие пять главных групп исходных веществ для синтеза многих тысяч других органических соединений.

Эти пять групп веществ следующие:

1.Парафиновые углеводороды (от СН4 до С15 -С40)

2.Олефины (С2Н4, С3Н6, С4Н8, С5Н10)

3.Ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилдолы, нафталин)

4.Ацетилен и его гомологи

5.Оксид углерода (СО) и синтез-газ (смесь СО и Н2)

2

Рисунок 1 - Место и роль промышленности основного органического и нефтехимического синтеза среди других отраслей химической технологии и в народном хозяйстве.

О предмете "ХиТОС"

В своем развитии промышленность органического синтеза разделилась на ряд отраслей (технология красителей, лекарственных веществ, пластических масс,

химических волокон и др.), среди которых видное место занимает промышленность основного органического и нефтехимического синтеза или технология органических соединений.

Термин "основной" (или "тяжелый") органический синтез понимать как производство многотоннажных органических химических веществ и продуктов,

служащих базой (сырьевым источником) для всей остальной органической технологии: технологии красителей, лекарственных веществ, пластических масс,

химических волокон и др.

Термин "нефтехимический синтез" появился в связи с переводом технологии органических веществ преимущественно на сырье из нефти и природного газа и в обычном смысле охватывает первичную переработку углеводородов нефтяного происхождения, т.е. в этом смысле он является частью основного органического синтеза, чем и обусловлено их объединенное название

"ОО и НХСинтез".

О понятии "Технология"

1. Технология вообще:

а) Совокупность способов достижения цели (как производство)

3

б) Научная дисциплина, изучающая совокупность способов достижения цели (как наука).

2. Химическая технология вообще а) Технология, направленная на получение химических продуктов методами

химического и физико-химического воздействия на сырье в специальных аппаратах и условиях (как производство).

б) Научная дисциплина, изучающая технологию получения химических продуктов методами химического и физико-химического воздействия на сырье в специальных аппаратах и условиях (как наука).

3. Химическая технология органических веществ а) "Химическая технология органических веществ" технология получения

органических веществ методами химического и физико-химического воздействия на сырье в специальных аппаратах (реакторах) и условиях (как производство)

б) "Химическая технология органических веществ" - это наука, изучающая технологию получения органических веществ и продуктов методами химического и физико-химического воздействия на сырье в специальных аппаратах (реакторах) и условиях (как наука)

2. Важнейшие продукты химической технологии органических веществ Продукция ОО и НХС: различные углеводороды, их галогенпроизводные,

спирты, фенолы, простые и сложные эфиры, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и их производные (сложные эфиры, ангидриды, нитрилы и др.), амины и нитросоединения, вещества, содержащие серу и фосфор и т.д., которые различаются большим многообразием физико-химических свойств, структурой и строением молекул, областями применения.

По назначению они подразделяются на 2 группы:

1)промежуточные продукты;

2)продукты целевого применения.

Промежуточные продукты - это вещества, практически не имеющие целевого применения, производятся в основном для получения на их основе

4

других (ценных) соединений. Так, основную массу 1,2- дихлорэтана производят для последующей переработки в винилхлорид:

Н2С = СН2 + С12 С1Н2С-СН2С1;

С1Н2С - СН2С1 Н2С=СНС1;

- НС1

Масштабы производства и ассортимент промежуточных продуктов

(хлорпроизводные, альдегиды, оксиды олефинов и т.д.) значительные и имеют тенденцию к росту.

Продукты целевого назначения

1. Мономеры и исходные вещества для получения полимеров.

Их производство обеспечивает сырьем промышленность пластических масс, синтетических каучуков, синтетических лаков, клеев, пленочных материалов, волокон и т.д.

Все синтетические полимеры получают двумя основными методами -

полимеризацией и поликонденсацией. Для протекания процесса полимеризации требуются мономеры, способные под влиянием тепла , света, облучения,

инициаторов органического происхождения или специальных катализаторов соединяться друг с другом в цепи с тем же составом элементарных звеньев, как исходный мономер без выделения каких-либо низкомолекулярных соединений:

CH2= СНС1 + CH2= СНС1…. -CH2- СНС1- + - CH2- СНС1-

Сополимеризация - процесс полимеризации двух или более различных мономеров.

Полимеры же полконденсации отличаются по составу от исходных мономеров, вследствие протекания процесса, как правило, с выделением низкомолекулярного вещества (Н2О, НС1 и др.). (Подробнее в курсе ТСК).

2. Пластификаторы и другие вспомогательные вещества (для улучшения свойств полимерных материалов)

Пластификаторы (мягчители) - вещества, добавляемые к некоторым

полимерам для улучшения их пластических и эластических свойств. Основные

5

требования к пластификаторам, определяющим качество полимеров -

совместимость с полимером и низкая летучесть.

Другие вспомогательные вещества, используемые в технологии полимеров следующие: инициаторы и катализаторы, регуляторы и ингибиторы,

стабилизаторы и т.д.

3. Синтетические поверхностно-активные вещества

Синтетические поверхностно-активные вещества (ПАВ) и моющие средства (СМС) широко применяются в быту, в текстильной промышленности, в

машиностроении и металлообработке, в парфюмерной промышленности, в

строительстве, в нефтяной и химической промышленностях.

Известны ионогенные и неионогенные ПАВ. В свою очередь ионогенные ПАВ подразделяются на анионо- и катионоактивные (Подробнее в соответствующих лекциях по ПАВ - физическая химия и коллоидная химия).

4. Синтетические топлива, смазочные масла и добавки к ним

Такие продукты основного органического и нефтехимического синтеза как синтетические и ракетные топлива, смазочные масла, присадки, улучшающие свойства топлив и масел, антифризы, тормозные и гидравлические жидкости используются в основном в автомобильном транспорте, авиации, ракетной технике и т.д. Для их получения используют синтез -газ (СО + Н2), но в большем количестве синтетические углеводороды (изооктан, изопропилбензол - для получения высокооктановых бензинов) и т.д.

Синтетические масла (спец. масла) в отличие от минеральных более теплостойкие, длительно работают без изменения свойств даже при 300 - 400 0С.

Добавки:

-присадки - антиокислители для топлив и смазочных масел, а также полимеров для превращения и (или) замедления цепных реакций автоокисления;

-депрессоры - понижают температуру застывания масел;

-вязкостные - улучшают вязкостные свойства;

-ингибиторы коррозии - препятствуют коррозию металлов;

-антидетонаторы (тетраэтилсвинец) - значительно повышает октановое число моторных масел и топлив.

6

5. Растворители и экстрагенты

Растворители и экстрагенты применяют для выделения, например,

ароматических углеводородов из продуктов переработки нефти процессами азеотропной и экстрактивной перегонки, для извлечения жиров и масел из природных веществ. В химической промышленности их используют в процессах очистки и перекристаллизации, абсорбции ценных (нужных) компонентов газов и паров из абгазов, в синтезе полимеров. Широко используются в машиностроении,

металлообработке, в сельском хозяйстве.

Они могут принадлежать к различным группам органических соединений:

хлорпроизводные, спирты, целлозольвы, простые и сложные эфиры, кетоны,

биполярные апротонные соединения.

Требования к растворителям и экстрагентам:

-хорошая растворяющая и экстрагирующая способность к соединениям разных классов;

-дешевизна;

-легкая доступность;

-малая токсичность;

-не пожароопасность и не взрывоопасность;

-температура кипения не очень низка во избежание чрезмерных потерь и не слишком высока, чтобы можно было регенерировать путем отгонки.

6. Пестициды и химические средства защиты растений

Пестициды (ядохимикаты: фунгициды, бактерицидыактивны в очищении низших органических бактерий; инсектициды, репелленты - вредные насекомые и их личинки; гербициды - против сорняков, дефолианты - лиственных микроб,

зооциды - мыши, грызуны) - вещества, обладающие токсичными свойствами по отношению к тем или иным живым организмам - от бактерий и грибков до растений и вредных животных.

Среди пестицидов имеются органические вещества многих классов:

хлорпроизводные, азотистые и сернистые соединения, производные кислот фосфора и др.

Требования к пестицидам:

7

-не вызывать нежелательных побочных действий на целевые растения и животные организмы, т.е. обладать высоким избирательным действием;

-дешевизна;

-доступность;

-простота получения;

-должны быть установлены допустимые нормы содержания пестицидов в пищевых продуктах, используемых человеком и домашними животными;

-обладать свойством разложения к моменту сбора урожая и т.д.

3. Современное состояние и перспективы развития технологии

органических веществ

В настоящее время промышленность ОО и НХС нашей страны - это мощная отрасль крупных химических и нефтехимических производств,

комбинатов, объединений. Отличается отрасль огромным разнообразием выпускаемых продуктов, высокопроизводительным оборудованием, технологией по непрерывному методу, автоматизацией современными регулирующими и контролирующими приборами, применением современных методов математического моделирования и оптимизация технологических процессов,

исследований, проектирования и управления производством.

Тенденция развития отрасли - в преимущественном выборе пути интенсивного развития, совершенствования работы существующих производств.

Главные из них это экономия материальных, энергетических и трудовых ресурсов, повышение экономической эффективности производства, качества продуктов, охрана окружающей среды и в идеале перевод производств на безотходные технологии.

Экономия сырья является главной из движущих силой развития технологии. Затраты на сырье составляют 50÷70 % от себестоимости продукции.

Эта задача должна решаться в трех основных направлениях:

1.Создание новых процессов, базирующихся на доступном и более дешевом сырье, использование в качестве сырья отходов нефтехимических производств,

разработка прямых методов синтеза.

8

2.Снижение потерь сырья и продуктов с отходящими газами, сточными водами и т.д., утилизация побочных и сопутствующих продуктов.

3.Повышение селективности процессов, который достигается установлением оптимальных, режимных параметров по температуре, давлению, времени контакта и т.д., подбором эффективных типов основных аппаратов,

использованием более селективных катализаторов и т.д.

Экономия энергии. Составляет 20 - 30 % от себестоимости готового нефтепродукта. Снижение энергоемкости, экономия энергоресурсов (жидкого или газообразного топлива, водяного пара, хладоагента, электроэнергии) один из основных показателей рентабельности работы предприятия.

Экономия капитальных затрат. Снижает фондоотдачу, срок окупаемости капитальных вложений и т.д. Их снижению способствует, например, увеличение удельной производительности аппарата, т.е. съема продукта с единицы объема аппарата, рост единичной мощности оборудования (с 10÷20 тыс. тонн в год до 100

- 200 тыс. тонн в год), разработка малостадийных (одностадийных) процессов,

разработка, усовершенствование существующих процессов с целью их проведения при относительно низких температурах и давлениях и т.д.

Качество сырья и продукции. Общая тенденция состоит в росте требований к чистоте сырья и готового продукта, однако этому имеется определенный предел как следствие ограничений экономического характера.

4. Охрана окружающей среды. Проблемы и пути решения.

Охрана окружающей среды становится все более важным критерием в оценке производства и во многом определяет развитие технологии. Одна тенденция состоит в ограничении или запрещении выпуска продукции, которая в условиях своего применения оказывает вредное влияние на природу или на человека (например, многие токсичные пестициды, бионеразлагаемые ПАВ).

Другая - это резкое сокращение или исключение вредных выбросов в окружающую среду путем уже отмеченной выше утилизации побочных и сопутствующих продуктов для полезных целей и путем общего снижения потерь.

Из отходящих газов вначале рекуперируют унесенные ими летучие вещества, очищают эти вещества от вредных примесей и нередко дожигают в

9

специальных печах. Из сточных вод также рекуперируют ценные вещества, а

затем эти воды очищают от токсичных примесей методами отпаривания,

экстракции, адсорбции, окисления, микробиологической очистки. Жидкие или твердые органические отходы сжигают в печах, генерируя водяной пар тех или иных параметров. Все эти способы применяли и раньше, новая же тенденция состоит в осуществлении единой системы мероприятий, исключающей попадание в окружающую среду вредных веществ в количествах, превышающих санитарные нормы, и называемой безотходной технологией. С целью сохранения водных ресурсов безотходную технологию нередко дополняют системой замкнутого водооборота, при которой технологические и сточные воды после соответствующей обработки и очистки возвращают в производство.

Несмотря на дополнительные энергетические и капитальные затраты,

создание и эксплуатация очистных сооружений в целом по народному хозяйству экономически оправдываются; кроме того, при этом решается общая проблема охраны природы, имеющая важное социальное значение.

Лекция 2. ПАРАФИНОВЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ

1.Наиболее важные для химической технологии свойства парафинов и нафтенов. Области их применения.

2.Выделение парафиновых углеводородов из нефти, фракций нефти, природного и попутного газов.

2.1.Выделение низших парафинов

2.2.Выделение высших парафинов

3.Получение нафтенов

4.Изомеризация парафинов

1.Наиболее важные для химической технологии свойства парафинов и

нафтенов. Области их применения.

В химической технологии органических веществ насыщенные (алканы)

ациклические и алициклические углеводороды (циклоалканы) принято называть соответственно парафины и циклопарафины. Последние называют также нафтенами.

Парафиновые углеводороды с открытой углеродной цепью подразделяют на газообразные (от С1÷С4), жидкие (от С5÷С15) и твердофазные (от С16 и выше) (при нормальных условиях). Циклические парафины подразделяют на моно- и

полициклические, которые образуют соответствующие гомологические ряды.

Наиболее распространены в природе а именно в нефтях пяти- и шестичленные нафтены и их гомологи.

Этан, пропан, бутаны конденсируются при сжатии даже при охлаждении водой. Температуры кипения изомеров бутана и пентана позволяют разделять их методами обычной ректификации.

Низшие парафины плохо растворяются в воде и полярных жидкостях

(низших спиртах, кетонах, альдегидах и т.д.). Обладают свойствами абсорбироваться и адсорбироваться, которые возрастают с увеличением молекулярной массы парафина. Это явление используется для разделения парафинов С1 и С2, С3 и С4 абсорбционными и адсорбционными методами.

Некоторые химические свойства парафинов покажем на примере н-бутана

(С4Н10).