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, мі ;
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 і ;
Об'ємна концентрація - м і/м і;
Мольна концентрація - моль /м і;
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 і;
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 І, 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: сср = Мср./22,4, кг/мі;
Відносна щільність газу по повітрю при н.у. : Д = сг / 1,293;
В'язкість газів і рідин, Па*с (1 Па*с = 10 пуаз).
Вязкість суміши газів : мсм = 1 /(У х і /мі);
Залежнисть вязкості газів від температури (формула Сатерленда):
м т = м0 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
