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, м³ ;

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 ³ ;

Об'ємна концентрація - м ³/м ³;

Мольна концентрація - моль /м ³;

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 ³;

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 ², 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: ρср = Мср./22,4, кг/м³;

Відносна щільність газу по повітрю при н.у. : Δ = ρг / 1,293;

В'язкість газів і рідин, Па•с (1 Па•с = 10 пуаз).

Вязкість суміши газів : μсм = 1 /(Σ х і /μі);

Залежнисть вязкості газів від температури (формула Сатерленда):

μ т = μ0 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 до кількості сировини, що вступили в реакцію.

Селективність - кількість отриманого цільового продукту, віднесена до максимально можливого теоретичний, % (для процесів, що протікають у кілька стадій враховують селективність на кожній стадії).

Видаткові коефіцієнти - чи кількостей сировини його компонентів, а також допоміжних матеріалів, пари, електроенергії, холоду і т.д. витраченого на виробництво 1 т продукції.

Продуктивність - кількість цільового продукту, одержуваного в одиницю часу (кг/з, т/рік і т.д.).

Потужність виробництва -максимально можлива продуктивність при оптимальних умовах процесу.

Інтенсивність процесу - продуктивність, віднесена до одиниці корисного обсягу цеху, виробництва (Кз) до годовй потужності (Р):

Ку = Кз / Р ;

Обсяг реакційної зони: Vp = Vс τ,

де Vc, - об'ємна витрата, м3/c,

τ - час контакту, c

Висота реакційної зони: Н == Vp / S,

де S - площа перетинання, м 2.

Об'ємна швидкість - обсяг газової суміші рідини, що проходить через одиниця об'єму каталиэатора за одиницю часу:

Vоб. = Vсырья / Vкат.

Продуктивність каталізатора - маса цільового продукту, що знімається з одиниця об'єму чи маси каталізатора:

П = Gпрод./ Vкат, кг/ м 3 или

П = G прод./ G кат., кг/кг.

Техніко-економічні показники

Собівартість - грошове вираження витрат (З) підприємства на виробництвоі збут одиниці продукції (N): З = 3 / N , грн/т;

Прибуток підприємства: П == (Я - З) •А , де; апарата.

Питомі капітальні витрати - відношення загальної вартості установки,

Ц - відпускна ціна ед. продукції, грн/т;

С - себестнмсть ед. продукції, грн/т;

А - річний обсяг виробництва продукції, т.

Рентабельність підприємства - відношення прибутку (П) до витрат (3)

Р = П / 3

Матеріальний та тепловий баланси

Матеріальні і теплові баланси є основою технологічних розрахунків.

До них відносяться визначення виходу основного і побічного продуктів, видаткових коефіцієнтів по сировині, виробничих утрат.

Тільки визначивши матеріальні потоки, можна зробити необхідні конструктивні розрахунки виробничого устаткування, оцінити економічну ефективність і доцільність процесу.

Складання матеріального і теплового балансу необхідно як при проектуванні нового, так і при аналізі роботи існуючого виробництва.