Примерное содержание лекций по ОП.06 Теоретические основы химической технологии


СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДМЕТА
Раздел 1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Тема 1.1 Основы положения теории химического строения веществ
Возникновение теории химического строения органического вещества. Основные положения теории химического строения органического вещества. Значение теории строения органического вещества А.М.Бутлерова. Электронная природа химической связи в органических соединениях. Гомологические ряды органических соединений. Классификация органических соединений. Типы органических реакций.
Предельные углеводороды. Строение молекулы метана. Электронное и пространственное строение предельных углеводородов. Изомерия и номенклатура. Нахождение в природе. Получение в лаборатории и промышленности. Физические и химические свойства.
Литература: 1, с. 8 – 13, с. 12 – 22.
Методические указания
Решающая роль в развитие теории строения органических веществ (1861) принадлежит русскому ученому А.М. Бутлерову. Он подробно разработал понятие о химическом строении веществ (под которым понимал порядок связи атомов в молекуле), установил, что химическое строение вещества определяет его свойства, и доказал, что его теория имеет большое значение в предсказании новых веществ.
Углеводороды – это органические соединения, состоящие из двух элементов – углерода и водорода. Таких соединений много. Алканы – название предельных углеводородов по международной номенклатуре. Парафины – исторически сохранившееся название предельных углеводородов. По сравнению с другими углеводородами они относительно менее активны. В состав нефти входит большое количество парафинов. Они являются основным ключевым элементов.
Студент должен знать основы органической химии и общих закономерностей, возникновение и значение теории строения органического вещества А.М.Бутлерова. Ознакомиться с электронной природой химической связи в органических соединениях, гомологическими рядами органических соединений и типами органических реакций. Знать предельные углеводороды, их электронное и пространственное строение, изомерию и номенклатуру, физические и химические свойства предельных углеводородов.
Вопросы для самоконтроля
Каковы были взгляды виталистов на получение органических веществ?
Какие ученые экспериментально доказали ошибочность взглядов виталистов? Кратко охарактеризуйте открытия этих ученых.
Как Ф. Энгельс оценил разгром виталистических взглядов?
Какие вещества называются органическими?
Изложите основные положения теории химического строения органических веществ А.М.Бутлерова.
Что подразумевал А.М.Бутлеров под химическим строением вещества? В качестве примеров приведите как органические, так и неорганические вещества.
На конкретных примерах поясните, что такое изомерия.
Какие вещества называются гомологами? Приведите примеры.
Дайте названия радикалам. Напишите формулы и назовите радикалы, которые можно вывести из первых шести предельных углеводородов.
Где и в каком виде предельные углеводороды встречаются в природе?
Охарактеризуйте физические свойства предельных углеводородов.
Какие химические свойства присущи предельным углеводородам? Напишите уравнения последовательного хлорирования этана.
Как опытным путем можно отличить метан от водорода?
Тема 1.2 Основы физико-химической технологии переработки нефти и газа
Понятие и структура химико-технологического процесса. Показатели химико-технологического процесса. Степень превращения исходного реагента (конверсия). Селективность (избирательность). Выход продукта. Производительность. Интенсивность работы. Производительность катализатора.
Термодинамические характеристики химических реакций. Химическое равновесие. Осуществимость химических реакций. Константа равновесия. Основные соотношения химической термодинамики. Энтальпия реакции. Энтропия реакции. Энергия Гиббса. Скорость реакции. Зависимость энергии Гиббса от давления. Типы реакций по термодинамическим условиям. Зависимость константы равновесия от температуры.
Материальный баланс установки.
Тепловой баланс установки.
Литература: 2, с. 5 – 10, с. 13 – 18, с. 18 – 24, с. 24 – 26
Методические указания
Химическое производство играет главную роль в системе современного государства. Нефть, газ, каменный уголь – вот три основных сырья для переработки. Но чтобы знать и понимать каким образом работает промышленность, необходимо изучить основы химико-технологического процесса. Узнать состав и структуру ХТП. При переработке сырья в конечный продукт нужно уделять особое внимание основным показателям химико-технологического процесса. Знать их физический смысл, способ расчета и нахождения, единицы измерения и зависимость от других показателей.
Любая химическая реакция проходит под воздействием температуры и давления. Зависимость этих двух физических величин является важнейшими показателями для любой реакции. Энтальпия и энтропия реакции зависят от состава продуктов и исходного сырья. Энергия Гиббса напрямую зависит от энтальпии и энтропии реакции. Все эти значения описываются в понятие «термодинамического процесса» и «константа равновесия».
Для технологических и экологических расчетов, определения размеров аппаратов необходим расчет материального баланса, т.е. количественных соотношений в процессе. Материальный баланс представляет собой вещественное выражение закона сохранения массы применительно к ХТП: масса веществ, поступивших на технологическую операцию (приход), равна массе веществ, полученных в этой операции (расход), что записывается в виде уравнения баланса.
В основе энергетического баланса реакции (процесса) лежит закон сохранения энергии, согласно которому в замкнутой системе сумма энергий всех видов постоянна. Основным видом энергетического баланса является тепловой баланс: приход теплоты в данной технологической операции равен расходу теплоты в ней.
Вопросы для самоконтроля
Дайте определение химико-технологическому процессу.
Опишите этапы ХТП.
Что такое технологический режим?
Назовите основные параметры технологического режима.
Что такое степень превращения?
Что такое селективность?
Что такое выход продукта?
Что такое производительность?
Что такое мощность?
Что такое интенсивность?
Что такое производительность катализатора?
Что такое реакция?
Что такое процесс?
Энтальпия реакции. Дайте определение и расчетную формулу.
Энтропия реакции. Дайте определение и расчетную формулу.
Энергия Гиббса. Дайте определение и расчетную формулу.
Что такое термодинамический процесс?
Что такое константа равновесия?
Формулы нахождения массы и количества вещества.
Для чего необходим материальный баланс?
Что такое молярный поток?
Что такое количество вещества?
Для чего необходим тепловой баланс?
Параметры для расчета теплового баланса.
Формула расчета теплоты фазового перехода.
Формула расчета теплосодержания вещества.
Формула расчета потерь теплоты теплоносителем.
Формула расчета теплопередачи через стенку.
Раздел 2 ОСНОВНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ПРОИЗВОДСТВА
Тема 2.1 Производство основных продуктов органического и нефтехимического синтеза
Сырьевая база. Особенности нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств.
Блок-схема первичной переработки нефти и попутного газа.
Блок-схема производства топлива и ароматических углеводородов на нефтеперерабатывающих заводах.
Производство низших олефинов пиролизом углеводородов. Химизм и механизм процесса. Побочные реакции. Условия проведения и состав продуктов пиролиза бензина.
Блок-схема производства этилена и пропилена из бензина.
Технологическая схема пиролиза бензина. Основные аппараты производства. Схема печного блока пиролиза.
Алкилирование углеводородов. Характеристика процессов алкилирования. Алкилирующие агенты и катализаторы.
Производство этилбензола и диэтилбензола. Химизм и механизм процесса. Побочные реакции. Технологическая схема процесса алкилирования бензола этиленом. Реактор алкилирования бензола этиленом.
Схема высокотемпературного гомогенного алкилирования бензола этиленом (фирма “Monsanto”, США).
Синтезы на основе смеси оксида углерода и водорода. Получение синтез-газа. Каталитическая конверсия углеводородов. Технологическая схема окислительной конверсии природного газа при высоком давлении.
Производство метанола из синтез-газа. Производство других продуктов на основе синтез-газа.
Окисление углеводородов в гидропероксиды. Механизм образования продуктов окисления. Получение гидропероксидов. Кислотное разложение гидропероксидов.
Синтез фенола. Методы получения фенола. Технологическая схема кумольного метода получения фенола и ацетона. Применение фенола.
Производство жирных кислот.
Процессы прямого окисления. Получение высших жирных спиртов окислением парафина.
Производство серы и серной кислоты.
Литература: 2, с. 42 – 49; 2, с. 182 – 198; 6, с. 40 – 50; 6, с. 87 – 88; 6, с. 107 – 109; 6, с. 241 – 243; 6, с. 294 – 316; 6, с. 455 – 470; 6, с. 631 – 639; 8, с. 398 – 404; 10, с. 6 – 9, с. 89 – 93.
Методические указания
Производство основных продуктов органического синтеза имеет три наиболее важных сырьевых источника: нефть, природный газ и каменный уголь.
Нефть – это главный источник получения готовых продуктов. Способы получения различных продуктов из нефти разнообразны.
Нефть является важнейшим из указанных сырьевых источников. Она состоит преимущественно из многочисленных парафиновых (алканов), нафтеновых и в меньшей степени ароматических углеводородов с числом углеводородных атомов от С4 – С5 до С20. Обычно нефть содержит в качестве примесей также небольшое количество кислородсодержащих и серосодержащих соединений.
В зависимости от месторождения состав нефти (в частности, пропорция между алканами, нафтенами и аренами) различен.
Нефть в недрах обычно находится под повышенным давлением. При добыче нефти происходит испарение из неё легких углеводородов (преимущественно С1 – С4) в виде попутного газа. Однако часть легких углеводородов остается в нефти, поэтому её называют нестабильной нефтью.
Переработка нефти и газа – это один из основных промышленных направлений в нашей стране. Способы переработки различны. Продукты, полученные после переработки, разнообразны. По целям и характеру дальнейшего превращения и использования продуктов первичной переработки нефти, а также попутного газа перерабатывающие предприятия делятся на две большие группы: нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ) и нефтехимические комбинаты (НХК).
Значительно место в работе НПЗ занимают процессы разделения углеводородов, преимущественно ректификацией. Производство бензина, авиатоплива, дизельного топлива, гудрона и мазута основано на переработке нефти и газового бензина. Способы переработки различны и многообразны. Основным является ректификация.
Производство низших олефинов пиролизом углеводородов является современным способом получения этилена и пропилена. Главным методом получения олефинов являются процессы расщепления нефтяных фракций или углеводородных газов. Пиролиз – экзотермический процесс получения низших олефинов – этилена и пропилена.
Для получения газов пиролиза бензина необходимо освоить технологическую установку. Разобрать принцип работы основного механизма и аппаратов. Узнать все необходимые знания, связанные с химизмом и механизмом процесса.
Раньше мы говорили, что производство органических веществ базируется преимущественно на ископаемом органическом сырье – угле, нефти, природном газе. Из него получают весь ассортимент исходных веществ для органического синтеза: парафины, олефины, ароматические соединения, ацетилен и синтез–газ. Некоторые из методов превращения первых во вторые сконцентрированы на предприятиях других отраслей промышленности (коксохимия, нефтепереработка), в то время как олефины, ацетилен и синтез–газ получают непосредственно на предприятиях основного органического и нефтехимического синтеза.
Олефины, используемые в качестве исходных веществ для основного органического и нефтехимического синтеза, можно разделить на две основные группы:
Низшие газообразные или низкокипящие олефины от этилена до пентенов (С2 – С5);
Высшие олефины от С6 до С12 – С18 (главным образом С7 – С15), обычно представляющие собой не индивидуальные вещества, а смеси изомеров и гомологов.
Одним из основных процессов основного органического и нефтехимического синтеза является процесс алкилирования. Многие из продуктов алкилирования производятся в очень крупных масштабах. Так, в США синтезируется ежегодно около 4 млн. тонн этилбензола, 1,6 млн. тонн изопропилбензола, 0,4 млн. тонн высших алкилбензолов, свыше 4 млн. тонн гликолей и других продуктов переработки алкиленоксидов, около 30 млн. тонн изопарафинового алкилата, около 1 млн. тонн трет–бутилметилового эфира и много других продуктов.
Реакции алкилирования ароматических соединений с замещением атома водорода в ядре были открыты в 1877 г. Фриделем и Крафтсом и с тех пор получили большое препаративное и промышленное значение. Эти же исследователи впервые предложили в качестве катализатора хлористый алюминий, который впоследствии нашел применение и для других процессов органического синтеза.
Существует множество разнообразных процессов алкилирования. Самыми распространенными являются производство этил- или изопропилбензола алкилированием бензола газообразным олефином в присутствии хлористого алюминия и высокотемпературное гомогенное алкилирование бензола этиленом (фирма «Monsanto», США)». Фирма «Monsanto» (США) внедрила процесс гомогенного высокотемпературного алкилирования бензола этиленом. Характерными особенностями процесса являются подача очень малого количества катализатора и отсутствие рециркуляции катализаторного комплекса, проведения процесса при температуре выше 150 ºС. Катализатор используется однократно и выводится из системы. Наряду с реактором алкилирования имеется отдельный реактор переалкилирования.
В промышленном органическом синтезе в качестве исходного сырья используется чистая окись углерода, и в особенности её смеси с водородом (синтез-газ). Производство синтез-газа тесно связано с получением водорода, необходимого для многих промышленных процессов (синтез аммиака и моторного топлива, гидрирование ненасыщенных жиров и масел и т.д.)
Метанол представляет собой бесцветную жидкость (температура кипения 64,7 ºС) с запахом, подобным запаху этилового спирта. Смешивается во всех отношениях с водой и многими органическими жидкостями. Он горюч, даёт с воздухом взрывоопасные смеси (6 – 34,7 % объёмн.) и представляет большую опасность из-за своей высокой токсичности.
Раньше метанол получали сухой перегонкой древесины (древесный спирт), но этот метод полностью вытеснен синтезом из окиси углерода и водорода, который осуществлен в крупных масштабах во всех странах. Кроме того, метанол является одним из продуктов при газофазном окислении низших парафинов.
Основное количество метанола расходуется для производства формальдегида. Он также является промежуточным продуктом в синтезе сложных эфиров (метилметакрилата, диметилтерефталата, диметилсульфата) и применяется как метилирующий агент (получение метиламинов, диметиланилина). Некоторое количество метанола используют в качестве растворителя, но ввиду высокой токсичности его целесообразно заменять другими веществами.
При окислении углеводородов гидроперекиси образуются по рассмотренному ранее радикально-цепному механизму. Ингибиторы (фенол, олефины, сернистые соединения) сильно тормозят процесс, приводя к появлению индукционного периода, и поэтому исходные углеводороды должны быть тщательно очищены от нежелательных примесей. Так, изопропилбензол, полученный алкилированием в присутствии твердого фосфорнокислотного катализатора, не пригоден для окисления. Снятию индукционного периода и ускорению реакции на ее начальных стадиях способствует добавление в исходное сырье гидроперекиси или реакционной массы, содержащей гидроперекись и полученной при окислении. Соли металлов переменной валентности, являющиеся обычными катализаторами гомогенного окисления, разлагают гидроперекиси и поэтому не применяются, хотя в отдельных случаях их небольшие добавки ускоряли реакцию. Такой же эффект оказывает металлическая медь, если ее использовать в виде стружек или даже если она присутствует в материале аппаратуры.
Применение фенола как промежуточного продукта органического синтеза очень разнообразно. Его используют в производстве красителей, лекарственных и взрывчатых веществ. Алкилированием фенола получают антиокислительные присадки и промежуточные продукты для синтеза неионогенных поверхностно-активных веществ (ПАВ). Особенно большое количество фенола расходуется на производство фенолоальдегидных смол, синтетических волокон капрон и нейлон (анид), эпоксидных полимеров и поликарбонатов.
Производство высших жирных кислот С10 – С20 жидкофазным окислением твердого парафина является одним из важнейших многотоннажных процессов окисления углеводородов. Лучшим сырьём для получения синтетических жирных кислот считается очищенный нефтяной парафин с пределами кипения 350 – 450 ºС, состоящий из углеводородов С25 – С35 с прямой цепью.
Высшие жирные спирты приобретают все большее значение в народном хозяйстве. Спрос на них для производства пластификаторов, поверхностно-активных веществ и моющих средств, синтетических смазочных масел и присадок, мономеров и вспомогательных веществ с каждым годом увеличивается. Заметно расширяется и непосредственное потребление высших жирных спиртов в качестве депрессоров испарения воды, экстрагентов, вспомогательных веществ в текстильной, кожевенной и других отраслях промышленности. Производство и переработка высших жирных спиртов стали по существу новой крупной отраслью промышленного органического синтеза. Темпы развития и научно-технического совершенствования этой отрасли во многом будут определять уровень химического потенциала страны, прогресс ряда отраслей народного хозяйства. В настоящей книге термин «высшие жирные спирты» используется для обозначения одноатомных спиртов с числом углеродных атомов в молекуле от 6 до 20—22.
Значительно количество серы получают как побочный продукт переработки нефти. Также сера в больших количествах содержится в природном газе в газообразном состоянии (в виде сероводорода и сернистого ангидрида). При добычи она откладывается на стенках труб и оборудования, выводя их из строя. Поэтому её улавливают из газа как можно быстрее после добычи. Полученная химически чистая мелкодисперсная сера является идеальным сырьём для химической и резиновой промышленности.
Вопросы для самоконтроля
Что такое нестабильная нефть?
Какие химические элементы, входят в состав нефти?
Каково содержание в нефти различных углеводородов?
Структура нефтехимического комплекса.
Какова основная цель НПЗ?
Какое главное назначение НХК?
Что такое сепарация? Основной принцип действия.
Что такое ректификация? Основной принцип действия.
Что такое изомеризация? Основной принцип действия.
Что такое каталитический риформинг?
Что такое антидетонационные свойства?
Что такое каталитический крекинг?
Что такое газофракционирование?
Блок-схема характерная для НПЗ.
Что такое низшие и высшие олефины?
Суть процесса «пиролиза»?
Каков химизм процесса пиролиза?
Каков механизм процесса пиролиза?
Укажите теоретические основы процесса пиролиза.
Технологическая схема процесса бензола.
Принцип работы пиролизной печи.
Каким образом, происходит выделение индивидуальных олефинов газа пиролиза?
Как подготавливают газ к разделению?
Какие основные требования предъявляются к процессу разделения газа пиролиза?
Назовите основные технологические параметры установки разделения газа пиролиза.
Что такое алкилирование углеводородов?
Охарактеризуйте процесс алкилирования.
На какие две классификации делятся все процессы алкилирования углеводородов?
Какие алкилирующие агенты используются при алкилирование углеводородов?
Какие катализаторы алкилирования используются при алкилирование углеводородов?
Какие катализаторы, используются при алкилировании ароматических углеводородов?
Описать кинетику процесса алкилирования углеводородов.
Какие продукты, вырабатываются при алкилировании ароматических соединений.
Описать технологию процесса алкилирования ароматических соединений.
Принцип работы реакционных узлов процесса алкилирования.
Каков принцип работы схемы высокотемпературного гомогенного алкилирования бензола этиленом? Технологические параметры установки.
Какой принцип получения этил– и изопропилбензола алкилированием бензола газообразным олефином в присутствии хлористого алюминия? Технологические параметры установки.
Классификация синтезов на основе окиси углерода.
Основы получения синтез-газа.
Технологическая схема установки окислительной конверсии природного газа при высоком давлении.
Какие характеристики присущи метанолу?
На каком принципе работы основаны реакционные узлы получения метанола?
Описать принцип работы технологической установки синтеза метанола.
Каким образом проводят окисление углеводородов в гидропероксиды?
Какой механизм образования продуктов окисления?
Как получаются гидропероксиды?
Каким образом происходит кислотное разложение гидропероксидов?
Какие характеристики присущи фенолу?
В каких областях применяют фенол?
Какие методы используют для получения фенола?
На чем основана технология получения фенола и ацетона кумольным методом?
На чем основано производство высших жирных кислот жидкофазным окислением твердого парафина?
Какие технологические параметры используют при процессе жидкофазного окисления?
Что используют в качестве сырья для мыловарения?
На чем основано получение высших жирных спиртов окислением парафина?
Какие технологические параметры процесса получения высших жирных спиртов?
Принцип работы технологической схемы установки получения высших жирных спиртов окислением парафина.
Для каких целей производится серная кислота?
Какие способы получения серы и серной кислоты существуют?
Принцип работы технологической установки производства газовой серы методом Клауса.
Тема 2.2 Производство полимерных материалов
Общие принципы полимеризации и поликонденсации. Основные промышленные катализаторы полимеризации. Химизм ступенчатой реакции полимеризации. Зависимость между строением олефинов и их реакционной способностью. Производство полиэтилена. Основные параметры процесса.
Методы получения полиэтилена при высоком, среднем и низком давлении. Технологические схемы получения полиэтилена по трём методам. Основные аппараты.
Аппаратурное оформление процесса полимеризации пропилена. Технологическая схема производства полипропилена. Параметры и аппаратура процесса.
Литература: 9, с. 343 – 369.
Методические указания
Полимерные материалы – это материалы, содержащие в химически связанном состоянии большое число фрагментов, основой которых являются низкомолекулярные вещества. Эти низкомолекулярные вещества в связи с их использованием для получения полимерных материалов именуют мономерами.
Производство мономеров и исходных веществ для полимерных материалов занимает одно из самых важных мест в основном органическом и нефтехимическом синтезе, обеспечивающем сырьем промышленность пластических масс, синтетического каучука, синтетических лаков, клеев, пленочных материалов, волокон.
Полиэтилен (–СН2–СН2–)n получают в промышленности тремя различными способами.
Полимеризацией при весьма высоком давлении (100 – 200 МПа) и высокой температуре (180 – 200 ºС) с использованием в качестве инициатора небольших количеств кислорода (≈0,05 %).
Полимеризацией при давлении 2,5 – 5 МПа и температуре 110 – 140 ºС в присутствии оксидных катализаторов (Cr2O3, CrO3 и др).
Полимеризацией при атмосферном или небольшом избыточном давлении (0,2 – 0,5 МПа) и относительно небольшой температуре (60 – 70 ºС) в присутствии комплексных металлоорганических катализаторов (тетрахлоридтитана и триэтилалюминия) и углеводородного растворителя при отсутствии влаги и кислорода (способ применяется наиболее широко).
Полимеризация пропилена является одним из важнейших процессов при производстве различных видов полимеров, например, полипропилена. Пропилен представляет собой бесцветный газ, который выделяется при крекинге нефти. В настоящее время процесс полимеризации пропилена производится в присутствии различных видов растворителей, например, бензина, гектана или пропана, при давлении от 1 до 4 МПа в присутствии различных видов катализаторов.
Вопросы для самоконтроля
На чем основан процесс полимеризации?
Назовите принципы процесса поликонденсации?
Расскажите об основных промышленных катализаторах полимеризации.
Назовите основные методы получения полиэтилена при высоком, среднем и низком давлении.
Опишите принципы работы технологических установок получения полиэтилена при высоком, среднем и низком давлении.
Как выглядит аппаратурное оформление процесса полимеризации пропилена?
Знание технологической схемы процесса полимеризации.
Какие параметры и основное оборудование технологической схемы?

Приложенные файлы


Добавить комментарий