Реферат Синтез вещества как основа современных технологий
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Министерство образования Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Государственный Университет Управления
Институт Заочного Обучения
Реферат по дисциплине
Концепция Современного Естествознания
на тему:
«Синтез вещества - основа современных технологий»
На примере производства волокон из нефти и газа,
промышленного органического синтеза.
Выполнила студентка ИЗО Ким М.М.
Группы БУ и А 2005/1-6 лет
Студенческий билет № 05-271
Проверил __________________
Москва – 2006.
Содержание:
Введение
1) Основы производства
синтетических волокон
1.1. Синтез полимеров
2) Полиакрилонитрильные волокна
2.1. Получение акрилонитрила.
2.2. Синтез самономеров.
2.3.Синтез растворителей.
2.4.Синтез полимеров и сополимеров акрилонитрила.
3) Промышленный органический синтез
3.1.Сырьё органического синтеза и типовые
химико-технологические процессы.
3.2.Производство стирола.
3.3.Получение ацетилена.
3.4.Производство формальдегида.
3.5.Производство ферментов.
Заключение
Библиография
Введение.
Более 5000 лет назад люди научились получать ткани из нитей шелкопряда и шерсти домашних животных, химически представляющие собой высокомолекулярные белки различного строения. Несколько позже были освоены хлопчатник и лён, состоящие из целлюлозы. Мечта о создании искусственным путём волокон и нитей, напоминающих натуральный шёлк, существовала уже давно. В трактате, опубликованном в 1665г., известный английский учёный Роберт Гук писал: «Я часто думаю, что можно, по-видимому, найти пути искусственно получать клейкую массу аналогично тому, как она образуется у шелковичного червя, или даже ещё лучше. Если такая масса будет найдена, то, по-видимому, более лёгкой задачей будет найти путь вытягивания этой массы в тонкие нити. Я не буду указывать на пользу такого изобретения- оно совершенно очевидно».
И учёные решили проникнуть в тайну «рождения» шёлка. В теле гусеницы они обнаружили железы, которые вырабатывают вязкую жидкость. В период окукливания гусеница выдавливает капельку этой жидкости, приклеивает её к своему туловищу, а затем растягивает её в тончайшие ниточки. Обвивая себя этими ниточками, она сооружает кокон с массой
С момента высказывания Роберта Гука до получения первой нити химическим путём прошло почти 200 лет, когда был найден способ перевода целлюлозы в растворимое состояние. Для этого целлюлозу обрабатывали HNO3, получаемый эфир целлюлозы и азотной кислоты - нитрат целлюлозы - растворяли в смеси спирта и эфира, и этот раствор продавливали через тонкие стеклянные трубочки диаметром
В конце позапрошлого века химики изобрели ещё один способ приготовления «шёлкового сиропа» из целлюлозы. Целлюлозу растворяли в реактиве Швитцера, образуемом взаимодействием гидроксида меди и аммиака:
Из этого раствора получили новый вид искусственного шёлка – медноаммиачный. Как и в производстве нитрошёлка, медноаммиачный раствор целлюлозы продавливали через тончайшие отверстия в воду, а затем в раствор H2SO4 . При этом происходило отщепление растворителя, и получались нити, состоящие из целлюлозы. На основе целлюлозы производится ещё ацетатное волокно. Для этого целлюлозу переводят в уксуснокислый эфир- ацетат целлюлозы. Однако наиболее широкое распространение получило вискозное волокно, получаемое из щёлочного раствора сложного эфира целлюлозы и дитиоугольной кислоты, называемого вискозой. Громадные сырьевые ресурсы, дешевизна сырья и химических материалов, используемых в производстве вискозных волокон, открыли широкие перспективы для их выпуска.
Волокна, получаемые химической переработкой природных полимеров, называют искусственными. Создавая волокна из готовых природных полимеров, учёные задумывались: а почему бы не научиться самим строить подобные полимеры? В результате многолетних исследований были разработаны методы синтеза волокнообразующих полимеров, состоящих из элементов C, H2, O2, N. Однако практически их синтезируют из таких несложных соединений, как бензол, фенол, этилен, ацетилен, аммиак, синильная кислота, которые в огромных количествах получают на химических заводах путём переработки доступного природного сырья – нефти, каменного угля, газа. Такие волокна называют синтетическими. Изменением состава исходных продуктов можно в широких пределах варьировать строение и свойства синтетических полимеров и получаемых из них волокон.
1) Основы производства синтетических волокон.
Полимеры, из которых изготавливают волокна, должны удовлетворять следующим основным требованиям: сравнительно высокой относительной молекулярной массой; вытянутой формой молекул; способностью растворяться или плавиться. Влияние относительной молекулярной массы полимера наглядно можно проследить на получение синтетического волокна – капрона. Если относительная молекулярная масса полимера ниже 4000, волокно вообще не образуется. При увеличении её до 10000, можно получить хрупкие непрочные волокна, и только выше 10000 получаются волокна с удовлетворительными свойствами. Это полимер с относительной молекулярной массой выше 30000 практически невозможно переработать в волокно, т.к. ухудшается его растворимость. По форме макромолекул полимеры разделяют на линейные, разветвлённые и пространственные (сетчатые).
Макромолекулы линейных полимеров (рис. №1) представляют собой длинные цепи, поперечный размер которых соответствует поперечному размеру мономера, а длина в сотни и тысячи раз превышает эту величину. К линейным полимерам относятся целлюлоза, натуральный каучук и многие синтетические полимеры.
Рис.№1. Геометрическая форма макромолекул полимеров.
а) б) в)
Макромолекулы разветвлённых полимеров представляют собой длинные цепи с боковыми ответвлениями. Число боковых ответвлений, а также отношение их длины к длине основной цепи могут быть различными. К разветвлённым полимерам относится амилопектин (одна из составных частей крахмала).
Пространственные полимеры построены из длинных цепей, соединённых друг с другом поперечными химическими связями. Классическими примерами пространственных полимеров служит алмаз (C)n и кварц (Si O2)n. Пространственные полимеры не могут быть переработаны в волокна, т.к. они не растворяются и не плавятся. Принципиально из всех линейных и разветвлённых полимеров с определённой относительной молекулярной массой можно получить волокна, однако их свойства будут различными. В частности прочностные свойства волокон определяются тем, насколько компактно макромолекулы будут «упакованы». В отличие от целлюлозы, из крахмала, имеющего аналогичный химический состав, но разветвлённую форму макромолекул невозможно получить прочных волокон. Прочность волокон может быть повышена, если между макромолекулами возникают связи, для образования которых необходимо наличие у макромолекул полярных групп. Наиболее сильные межмолекулярные связи - водородные, энергия которых составляет 20-30 кДж/моль. Наличие в макромолекуле полимера разветвлений уменьшает возможность образования водородных связей и снижает взаимодействие между макромолекулами.
Практическую пригодность полимера для получения из него волокна определяют такие свойства полимера, как растворимость и плавкость. Для получения волокон могут быть использованы полимеры, которые полностью растворяются в достаточно доступных и экономичных растворителях или плавятся без разложения.
1.1. Синтез полимеров.
Мономеры – исходные низкомолекулярные вещества для получения полимеров. Синтез высокомолекулярного соединения возможен в том случае, если молекула мономера может взаимодействовать с другими молекулами. Способность мономера вступать в реакцию полимеризации или поликонденсации определяется его молекулярной функциональностью, т.е. числом функциональных групп
H H
Однако в условиях заданной конкретной реакции не все функциональные группы могут принимать участие. Поэтому следует пользоваться понятием практической функциональности, характеризуемой числом активных групп, участвующих в реакции. В зависимости от этого, соединения могут быть моно -, би-, три - функциональными. Так, этиловый спирт C2H5-OH; муравьиная кислота H-COOH; метиламин CH3-NH2- многофункциональные соединения. Щавелевая кислота HOOC-COOH; этилен гликоль HO –CH2 -CH2 –OH; гексаметилендиомин H2N –(CH2)6 -NH2 – бифункциональные. Глицерин HO –CH2 –CH –OH –CH2 –OH – трифункциональное соединение. Функциональность вещества может также определяться наличием в его молекулах двойных или тройных связей. Например, этилен и его гомологи бифункциональные, т.к. могут присоединять два атома водорода или галогена, ацетилен и его гомологи тетрафункциональны, присоединяя четыре атома H2 или галогена. Функциональность химических соединений – величина переменная и может изменяться в зависимости от условий реакции. Так, например, фенол в реакции с гидроксидом натрия монофункционален:
OH ОNa
А в реакции с азотной кислотой – трифункционален:
H H O2N NO2
+ 3 HO – NO2 + 3H2O
H NO2
При взаимодействии двух монофункциональных молекул образуется соединение с практической функциональностью = 0, а значит не способное к дальнейшему взаимодействию. Например, при взаимодействии метилового спирта с муравьиной кислотой образуется сложный эфир метилформиат, не имеющий активных функциональных групп:
При взаимодействии бифункциональных соединений образуются вещества, имеющие ту же функциональность, что и исходные соединения.
Например, при взаимодействии щавелевой кислоты с этиленгликолем образуется эфир, содержащий две функциональные группы:
-H2O -(CH2)2-OOC-COOH
-H2O
Получаемые соединения также имеют по две функциональные группы. Молекулы полимеров, получаемых из бифункциональных соединений, имеют линейную структуру, увеличение функциональности приводит к получению полимеров с разветвленными или пространственными макромолекулами. Существует три основных метода синтеза полимеров, базирующихся на превращении в полимеры непредельных или циклических соединений или веществ, содержащих функциональные группы: полимеризация, поликонденсация и превращение циклических мономеров в линейные полимеры.
Полимеризацией называется реакция соединения нескольких молекул, не сопровождаемая выделением побочных продуктов. Она протекает по механизму цепных реакций, теорию которых разработал академик П.Н. Семёнов. Согласно этой теории полимеризация состоит из трёх элементарных реакций: образования активного центра, роста и обрыва цепи. Активными центрами полимеризации могут быть свободные радикалы, а также ионы. В зависимости от характера активных центров различают радикальную и ионную полимеризацию, механизмы которых различны. Образование свободного радикала связано с затратой большего количества энергии, которое необходимо сообщить молекуле мономера. Это можно сделать путём нагревания, облучения светом, V-лучами, рентгеновскими лучами. При этом происходит раскрытие двойной связи:
H H нагрев H H
H H H H
Получаемый радикал, взаимодействуя с молекулой мономера, образует новый радикал, состоящий уже из двух молекул. Наиболее часто в реакционную систему вводят соединения, легко распределяющиеся на свободные радикалы, называемые инициаторами. К ним относятся пероксид водорода H2O2; пероксид бензоила(C6H5COO)2; диазоаминобензол C6H5-NH –N =N – NH –C6H5; динитрил азоизомасляной кислоты NC-C(CH3)2-N=N-C(CH3)2 –CN и др. Пероксид бензоила легко распадается при нагревании на два радикала:
Они, в свою очередь, также могут частично распадаться:
C6H5 COOо
Реакция роста цепи состоит из множества последовательных реакций взаимодействия сводного радикала с молекулами мономера:
C6H5o + CH2= CH2
Обрыв реакционной цепи может произойти в том случае, если исчезнет сводный радикал. Когда, например, происходит взаимодействие двух радикалов между собой, в результате чего два непарных электрона, принадлежащих разным молекулам, образуют общую электронную пару. Если в реакционной среде имеется какая-то примесь, то при контакте с ней радикала может произойти обрыв цепи с одновременным возникновением нового радикала:
C6H5 – (CH2)3 – CH2o + A-B
Если получаемый радикал В
C6H5 C6H5 C6H5
При анионной полимеризации катализаторами служат электродонорные вещества (щёлочные металлы, металлоорганические соединения). Например, триэтилаллюминий
Cl Cl Cl
Cl Cl Cl
Кроме того, может быть различное пространственное расположение групп- заместителей:
Cl Cl
Большой вклад в науку и промышленность полимеров внёс Дж. Натта, синтезировав (1955г.) стереорегулярные полимеры. Он использовал смесь катализаторов, состоящую из металлоорганических соединений [Al (C2H5)3] и хлоридов металлов переменной валентности (TiCl3, TiCl4)
Такие полимеры построены строго по типу 1-2-1-2-1-2, и все заместители занимают одинаковое положение в пространстве. Стереорегулярные полимеры имеют более высокую t
А можно ли заставить вступить в реакцию разные мономеры? Ведь широко меняя их состав и соотношение, можно в широких пределах, изменять свойства полимеров, или, как их называют, сополимеров. Например, сополимеризацию широко используют в промышленности синтетического каучука. Каучук, состоящий из полибутадиена, обладает чрезвычайно низкой бензо - и маслостойкостью. Применяя для получения каучука сополимер бутадиена с акрилонитрилом, можно улучшить его качество. Сополимеры широко применяют и в производстве синтетических волокон. Реакция сополимеризации сложнее реакций полимеризации. Это связано с тем, что мономеры могут обладать различной реакционной способностью. До тех пор пока мономер с более высокой реакционной способностью полностью не проигнорирует, второй не вступит в реакцию, в результате чего вместо последовательного чередования звеньев мономеров полимерная молекула может состоять из блоков используемых мономеров. Чтобы этого избежать, реакция проводится при непрерывном добавлении небольших количеств мономера с более высокой реакционной способностью.
Поликонденсацией называется реакция соединения нескольких молекул, сопровождающаяся выделением простых веществ - воды, оксида углерода (IV), хлороводорода, аммиака. Две молекулы вещества, содержащие две активные функциональные группы, могут взаимодействовать между собой, образуя новую вдвое большую молекулу, на концах которой также содержаться две активные функциональные группы. Если в качестве исходного вещества взять Е-оксикапроновую кислоту, её карбоксильная группа может взаимодействовать с гидроксильной группой другой такой же молекулы:
HO- (CH2)5 – COOH + HO – (CH2)5 – COOH
Продукт взаимодействия, состоящий из двух молекул, называют димером. Димер может реагировать ещё с одной молекулой мономера с образованием триммера. Две молекулы димера образуют тетрамер до получения полимера. Аналогично протекает реакция конденсации двух различных молекул: H2N – (CH2)6 – NH2+ HOOC- (CH2)4 – COOH
Димер может вступать в реакцию, как с молекулой двухатомного спирта, так и дикарбоновой кислоты с образованием триммеров.
Всякие ли мономеры, имеющие две функциональные группы, могут вступать в реакцию поликонденсации? Оказывается, что нет. Так если вместо оксикапроновой кислоты взять оксивалериановую кислоту, то линейный полимер не образуется, а получится циклический продукт валералакитон:
CH2
Циклический продукт дикетопиперазин образуется при поликонденсации аминоуксусной кислоты:
H2N – CH2-COOH + H2N – CH2 – COOH
CO-NH
Существует правило, что циклизация является основным направлением реакции поликонденсации, когда могут образовываться пяти - или шестичленные циклы. Это необходимо учитывать при выборе мономеров для синтеза волокнообразующих полимеров. В отличие от реакции полимеризации, в которых путём взаимодействия двух радикалов может произойти обрыв роста цепи, в реакции поликонденсации рост цепи идёт до полного взаимодействия мономеров. Однако, если в этом случае ввести в систему монофункциональное соединение, способное вступать во взаимодействие с одной из функциональных групп, участвующих в реакции, то оно блокирует эти группы и прекращает процесс: HOOC – R – OH +R’ – COOH
Многофункциональные соединения, способные блокировать одну из концевых функциональных групп полимера и вводимые в реакционную среду для регулирования его относительной молекулярной массы, называют стабилизаторами. Как и в случае полимеризации, реакция превращения циклических мономеров в линейные полимеры не сопровождается выделением низкомолекулярных веществ. Наиболее полно механизм таких реакций исследован на примере полимеризации
H2C-CH2
На второй стадии
H2C-CH2
-
При этом один атом водорода аминогруппы переходит к группе
Затем молекула димера реагирует с молекулой
2.Полиакрилонитрильные волокна.
Полиакрилонитрильные волокна (ПАН) занимают особое место в производстве синтетических волокон. По внешнему виду такие волокна напоминают натуральную шерсть. Они так же, как лучшие сорта козьей или овечьей шерсти, мягки и пушисты на ощупь и при этом значительно прочнее и легче. ПАН волокна не боятся ни сырости, ни моли, ни плесени, не впитывают жиров и масел, легко подаются чистке, что выгодно отличает их от шерсти.
ПАН волокна изготавливают из полиакрилонитрила. Долгое время производство ПАН волокна сдерживалось отсутствием растворителя, способного перевести полиакрилонитрил в раствор. Производство ПАН волокон началось после 1942г., когда был предложен в качестве растворителя диметил – формамид. Основные недостатки волокон на основе полиакрилонитрила – трудность их окрашивания, недостаточно высокая эластичность и устойчивость к истиранию. Поэтому в настоящее время, подавляющее большинство ПАН волокон получают из сополимеров акрилонитрила с другими мономерами. В качестве таких мономеров применяют метилакрилат, метилметакрилат, винилацетат, металлипсульфонат, итаконовую и акриловую кислоты, 2-винилпиридин, 2- метил, 5- винилпиридин и др. В СССР производство волокон начато в 1963г.
2.1. Получение акрилонитрила.
Широкое практическое применение получили два метода синтеза акрилонитрила: из пропилена и ацетилена, выделяемых при переработке природного газа. Синтез акрилонитрила из пропилена, основан на окислении пропилена и аммиака кислородом воздуха в присутствии смеси металлов, содержащих молибден или сурьму при 450 – 475оС
CH3 CN
В качестве побочных продуктов реакции получается ацетонитрил, синильная кислота и оксид углерода (IV). Из полученной смеси акрилонитрил отгоняют паром и подвергают ректификации. Получение акрилонитрила базируется на непосредственном присоединении к ацетилену синильной кислоты: CH
Реакцию проводят при 80-90оС. В качестве катализатора используют хлорид Cu, хлорид K, хлорид Na или хлорид аммония. Акрилонитрил - бесцветная токсичная жидкость с to кипения 78,5оС. С воздухом образует взрывоопасные смеси.
2.2. Синтез сомономеров.
Наиболее употребляемый сомономер акрилонитрила - это сложный эфир этилового спирта и акриловой кислоты - метилакрилат. В промышленности метилакрилат синтезируют из акрилонитрила и метилового спирта при 80 – 150оС в присутствии H2SO4:
CN COOCH3
Метилакрилат – бесцветная жидкость с резким запахом. Кипит при 80,3оС. Сильно действует на слизистые оболочки глаз и носа. С воздухом образует взрывоопасные смеси. Широко применяют для производства ПАН волокон другой сомономер – винилацетат. Его получают из ацетилена и уксусной кислоты, реакцию ведут в присутствии ацетатов цинка, кадмия, ртути: CH
Винилацетат - бесцветная жидкость, кипящая при 72,3 оС. Итаконовую кислоту синтезируют путём нагревания лимонной кислоты при 175-190оС.
H2C- COOH
+CO2 + H2O
H2C – C – COOH CH2 - COOH
Итаконовая кислота – белое кристаллическое вещество с to плавления 165оС.
2.3. Синтез растворителей.
В настоящее время известно несколько десятков растворителей полиакрилонитрила, однако промышленное применение для производства ПАН волокон получили: диметилформамид, диметилацетамид, диметилсульфаксид, этиленкарбонат, азотная кислота и водные растворы роданида Na и Zn Cl2. Диметилформамид в промышленных масштабах вырабатывают из доступных видов сырья - метилового спирта, CO и аммиака. На первой стадии метиловый спирт в присутствии оксида Al при 420 – 450оС и 5.0 МПа реагирует с аммиаком с образованием диметиламина: 2CH3OH + NH3
Параллельно проводят реакцию между метиловым спиртом и CO, которая осуществляется при повышенной tо, и получают метилформиат:
CH3ONa
На второй стадии диметиламин взаимодействует с метилфермиатом, с образованием диметилформамида:
NH (CH3)2 + HCOOCH3
Диметилформамид – бесцветная токсичная жидкость с tо кипения 153оС. В перспективе намечено использовать в качестве растворителя нетоксичный диметилсульфаксид, который получают взаимодействием метилового спирта и сероводорода:
2CH3 OH + H2S
Диметилсульфаксид - маслянистая, слегка желтоватая жидкость, кипящая при 189оС. ПАН волокна в нашей стране выпускают с использованием в качестве растворителя роданида Na. Его получают пропусканием коксовых газов, содержащих синильную кислоту, через абсорбер, заполненный щёлочью и полисульфидами металлов:
HCN + Na OH + Na2Sn
Роданид Na проходит многостадийную очистку. Готовый продукт представляет собой кристаллы, содержащие 30-32% воды, легко расплывающиеся на воздухе. Наилучшей растворяющей способностью обладает 50-52%-ный водный раствор роданида Na.
2.4. Синтез полимеров и сополимеров акрилонитрила.
В промышленности используют два метода полимеризации акрилонитрила – в суспензии или растворе. При полимеризации в суспензии в систему вводят вещество, которое частично растворяет мономер и не растворяет полимер. Для акрилонитрила в качестве такого вещества применяют воду, растворимость акрилонитрила в воде = 7%. Если в водную суспензию акрилонитрила добавить инициатор и смесь нагреть, получающийся полиакрилонитрил, не растворяющийся в воде, выпадет в виде гранул. Полиакрилонитрил выделяют из раствора, промывают, сушат и растворяют. А что если реакцию полимеризации проводить в растворителе полимера? Ведь в этом случае исключается целый комплекс подготовительных операций, и из получаемого раствора можно будет сразу же формовать волокна. Реакция полимеризации акрилонитрила и его сополимеров в растворе успешно проводится в промышленном масштабе с использованием практически всех растворителей ПАН. Более того, разработаны схемы непрерывной полимеризации.
Свойства полиакрилонитрильных волокон определяются условиями формирования и термической вытяжки, а также свойствами используемых для их производства сополимеров.
Прочность штапельных волокон составляет 200-400 мН/текс, а прочность технических нитей даже 600 мН/текс, за счёт увеличения кратности дополнительного вытягивания. ПАН волокно устойчиво при tо до 180оС, имеет низкую теплопроводность и высокую светостойкость. ПАН волокна в чистом виде или в смеси с шерстью широко используют при изготовлении верхнего трикотажа (пуловеры, джемпера). Такие изделия хорошо стираются, быстро сохнут и обладают хорошей стабильностью размеров и формы.
3)
Промышленный органический синтез.
3.1.Сырьё органического синтеза и типовые химико-технологические процессы.
Промышленный органический синтез потребляет значительное количество неорганического сырья – галогены и их соединения, кислоты, оксиды, щёлочи, аммиак, водород, вплоть до воды и воздуха. Эти вещества необходимы для введения в органические продукты различных атомов и групп, для многочисленных превращений одних веществ в другие, для выделения и очистки индивидуальных соединений. Исходными веществами органического синтеза являются простейшие вещества, в основном углероды парафинового и ароматического ряда, получаемы из природного углесодержащего сырья.
На начальном этапе развития органический синтез сочетал производство различных полупродуктов (алкены, галогенопроизводные, спирты, альдегиды, фенолы, амины) с конечными продуктами потребления. В дальнейшем из органического синтеза выделились многие специфические производства: технология пластмасс, синтетического каучука, химических волокон, красителей, лекарственных средств. Современный промышленный органический синтез подчинен двум главным задачам: 1) крупномасштабному производству полупродуктов для других отраслей промышленности (мономеров для получения высокомолекулярных соединений); 2)Синтезу ряда целевых продуктов (моющие средства, ядохимикаты, растворители).
Роль основного органического синтеза в народном хозяйстве.
| |
| | |
| | |
| |
| Ароматические | |
| | |
| Парафины |
| Ацетилен |
| |
| Основной органический синтез |
| ПАВ и моющие средства. |
| Синтетическое топливо, смазочные масла. |
| |
| | |
| Растворители экстрагенты. | |
| Красители | Взрывчатые вещества | Лекарственные вещества | Средства защиты растений. |
| | Хим. волокно | Каучук, резина | пластмассы |
Для органического синтеза характерно динамическое развитие с непрерывным обновлением и расширением ассортимента выпускной продукции. Ближайшие задачи промышленного органического синтеза – снижение энергоёмкости производств, увеличение эффективности переработки сырья и уменьшение количества отходов с целью уменьшения вредного воздействия на окружающую природу.
В процессе органического синтеза одновременно протекают несколько параллельных и последовательных химических реакций. При последовательных реакциях часто одна из них лимитирует скорость всего процесса. Константа общей скорости К может быть выражена сложной функцией скорости элементарной реакции:
3.1. Производство стирола.
Стирол и
Основная реакция осложняется протеканием побочных процессов дальнейшего алкилирования с образованием полиалкилбензолов (преимущественно ди- и триэтилбензолы). Для осуществления непрерывной подачи катализатора его готовят в виде жидкого катализаторного комплекса, смешивая Al Cl3 диэтилбензол, бензол и этилхлорид. Диэтилбензол и этилхлорид добавляют для подавления побочных реакций, приводящих к полиалкилбензолам. Алкилирование ведут в эмалированном реакторе колонного типа высотой 10м. и диаметром
Вторая стадия – дегидрирование этилбензола:
Наряду с основной реакцией также протекают побочные, приводящие к получения бензола, толуола, этилена, метана и замещённых стильбена.
При дегидрировании реакционная система увеличивается в объёме, поэтому, как и в случае дегидрирования бутана, благоприятно сказывается снижение давления. Обычно уменьшают парциальное давление этилбензола введением в реактор перегретого до 700 – 7500С пара, который одновременно выполняет и функцию теплоносителя. Мольное соотношение этилбензола и пара составляет 1:15. Из катализаторов большое распространение получил стирол – контакт (8% Zn O, 5% K2SO4, 3% K2 Cr O4, 2% КОН). Этилбензол дегидрируют в реакторах адиабетического и трубчатого типов. Для предотвращения полимеризации фракционирование ведут при большом разряжении 0,4 кПа. К выделенному стиролу добавляют ингибитор- гидрохинон. Выход стирола составляет 90%. По аналогичной схеме из бензола и пропилена с последующим дегидрированием кумола получают
3.3. Получение ацетилена.
В настоящее время ацетилен в промышленности получают из карбида кальция и пиролизом углеводородного сырья, преимущественно природного газа. Карбид Ca производят нагреванием из шихты из извести и кокса до 1700-1800оС в электротермических печах: Ca O +
При взаимодействии Ca C2 c H2O образуется ацетилен и Ca (OH)2:
Ca C2 + 2H2O
К недостаткам этого метода следует отнести высокий расход электроэнергии (10-11 тыс. к Вт/ч на 1m ацетилена), громоздкость аппаратуры, большое количество трудно используемых отходов. Поэтому основным способом промышленного получения ацетилена в последние годы стал пиролиз углеводородного сырья. Процесс образования ацетилена из метана и его гомологов при нагревании без доступа воздуха может быть описан так:
2CH4
C2H6
Основному процессу сопутствуют побочные реакции термического разложения исходного сырья и ацетилена на водород и сажу:
CH4
CH
Выход ацетилена увеличивается при повышении to и понижении давления. Равновесные выходы ацетилена из метана при давлении 0,1 мПа такие:
T, K 500 1000 1200 1400 1800 2200
C2H2% 0,1 1,53 11,8 46,2 96,54 99,68
При to 1500oC метан практически полностью превращается ацетилен, который разлагается на составляющие элементы. Поэтому для достижения max выходов ацетилена и подавления побочных реакций, необходимо применять высокие объёмные скорости газа, при которых сырьё находится в зоне высоких to тысячные доли секунды с последующим мгновенным охлаждением продуктов реакции. Такая «закалка» позволяет предупредить разложение образовавшегося ацетилена. Методы пиролиза различаются способом подвода теплоты к газовой смеси. Высокие t0, требуемые для разложения углеводородов, достигаются тремя способами: 1) при помощи электрической дуги- электрокрекинг; 2) прямым или регенеративным нагревом – термический крекинг; 3) сжиганием части сырья – термоокислительный пиролиз.
3.4. Производство формальдегида.
Формальдегид – это ценное сырьё для промышленности органического синтеза и пластических масс: его синтез – одно из многотонных производств. В промышленности находят применение два способа получения формальдегида: окисление природных газов и окислительное дегидрирование метанола:
CH3OH
CH3OH + 0,5 O2
Можно отрегулировать соотношение этих реакций так, что при этом суммарный тепловой эффект будет достаточным для возмещения потерь в окружающую среду. Практически такое условие достигается при конверсии метанола на 45% по первой реакции (дегидрирование) и на 55% по второй (окисление). В этом случае процесс получения формальдегида следует проводить в адиабатическом реакторе, без поверхностей теплообмена. Адиабатические условия процесса сохраняется, если паровоздушная смесь будет состоять из 45% (по объёму) метанола, т.е. выше верхнего предела взрываемости спирта. Кроме основной реакции, протекают побочные процессы, ведущие к образованию оксидов Ci H2O и метана:
HCOH + O2
HCHO
H2 +0,5 O2
CH3 OH +H2
Ввиду того, что окислительное дегидрирование проводят при недостатке кислорода, глубокое окисление не получает большого развития.
В качестве катализатора применяют серебро, осаждённое на пемзе, или медь в виде сетки или стружки. Более эффективен серебряный катализатор.
3.5. Производство ферментов.
Ферменты представляют собой белки и выполняют роль определённых катализаторов биохимических процессов в различных отраслях народного хозяйства: в технике, медицине, с/х, пищевой и лёгкой промышленности. Ферментативные реакции протекают быстро при низких tо и давлениях, их скорость легко регулируется изменением tо и среды: они легко останавливаются. Ферменты обладают высокой специфичностью действия и нетоксичностью. Промышленность выпускает бактериальную и грибную амилазы, глюкоамилазу, протеазу, целлюлозу, липазу, пектиназу. Все реакции, осуществляемые микробными ферментами, можно сгруппировать в следующие типы: окисление, восстановление, метилирование, ацетилирование, аминирование, дезаминирование, гидролиз, дегидрация, конденсация и т.д.
В промышленности с использованием ферментных катализаторов производят спирты и некоторые полупродукты (2,3 бутилен-гликоль; глицерин; лимонную, молочную, глюконовую и фумаровую кислоты; глютаминовую кислоту; витамины В12 и В2, антибиотики, гормоны).
Применение ферментов в промышленности даёт большой экономический эффект. Например, в производстве эталона используют биохимический катализатор – грибную амилазу – вместо солода. Это даёт возможность высвободить десятки тысяч тонн высококачественного зерна, повысить выход спирта, резко сократить время получения (с 8 суток до 20-30 ч) и сократить расход энергии, трудозатраты, а также производственные площадки. Для промышленных процессов, катализуемых ферментами, применяют следующие виды реакторов: 1) вращающие или снабжённые мешалками фермнтаторы, в которых жидкое вещество подвергается действию капсулированного фермента; 2) снабжённые мешалками реакторы, в которых высокомолекулярное исходное вещество подвергается действию растворимого фермента, а образующиеся низкомолекулярные продукты удаляются через мембраны; 3) аппараты, заполненные смолами, ковалентно связанными с ферментом, через которые пропускают перерабатываемый раствор; 4) ферментаторы в виде трубок, внутренние стенки которых связаны с ферментом, и через которые пропускаются превращаемое вещество.
Промышленные предприятия для осуществления биохимических процессов либо используют готовые препараты ферментных катализаторов, либо вырабатывают в специальном реакторе – предферментаторе. Технологическая схема включает в себя различные типовые аппараты концентрирования и выделения конечных продуктов: сепараторы, аппараты ультрафильтрации, ректификационные колоны, выпарные и осушительные, формовочные аппараты. Перспективно применение биохимической технологии в производстве некоторых химических продуктов: окисление S до оксида S и H2SO4 или восстановление оксидов S и сульфатов до элементарной S. Подобные биохимические процессы применяют для очистки нефти и нефтепродуктов, промышленных сточных вод от серы и её соединений. Разрабатываются эффективные микробиологические методы выщелачивания металлов: Cu, Au, кадмия, Co, As, Ni, олова, Ti, урана. Биохимическое получение метала особенно ценно для извлечения рассеянных и редких металлов, для переработки отходов обогатительных предприятий, для бесшахтных способов добычи металлов. Уже сейчас биохимические процессы помогают увеличить нефтеотдачу нефтяных скважин, благодаря выделению большого количества газов, повышающих давление в пласте.
Заключение
Промышленность химических волокон, органический синтез – одна из ведущих отраслей химической индустрии. Сегодня синтетические волокна прочно вошли в нашу жизнь не только как полноправные заменители природных материалов в текстильной промышленности, на и служат мощным рычагом технического прогресса во многих отраслях техники. Покорение человеком космоса, развитие атомной энергетики завтра потребует создания материалов с неизвестными сегодня свойствами, и создание их выпадет на долю сегодняшних учащихся.
Библиография
1) Алтухов К.В. «Химическая технология» : учеб. пособие для студентов. – М. : Просвещение, 1985г.
2) Соломон З.Г. «Волокна из нефти и газа»: - М. : Просвещение, 1981г., - (Мир знаний).
3) «Материалы будущего» : Пер. с нем. /Под ред. А. Неймана – Л. : Химия, 1985г. – Пер.изд. : Лейпциг, 1977г. – 240с.
4) КСЕ / Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова- 3-е изд., доп. и перераб. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2005г.
