Размещено на http://www.allbest.ru/

23

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Слово технология происходит от двух греческих слов: «технос» - искусство или ремесло и «логос» - наука. Следовательно, технология - это наука о ремеслах. Современный уровень развития промышленности вкладывает новое содержание в слово технология. Технология - это наука, изучающая экономические способы и процессы переработки продуктов природы в предметы потребления и средства производства.

Химическая технология изучает процессы переработки, в результате которых происходят глубокие изменения состава, внутреннего строения и свойства веществ. Так, например, в результате переработки природных газов, нефти, углей получают удобрения, пластические массы, химические волокна и другие продукты, имеющие состав, строение и свойства, совершенно отличные от исходных веществ.

К продуктам основного органического синтеза относятся предельные, непредельные и ароматические углеводороды и их производные. Промышленность основного органического синтеза в больших масштабах производит разнообразное сырье для производства других органических соединений, в частности мономеры, а также продукты, используемые в народном хозяйстве в качестве растворителей, хладагентов, ядохимикатов, высококипящих теплоносителей, антифризов, добавок к топливу, моющих средств и пр. Ассортимент и объем выработки продуктов основного органического синтеза возрастают с каждым годом.

Сырьем для производства продуктов основного органического синтеза служат парафины, олефины, диолефины, ацетиленовые и ароматические углеводороды, а также окись углерода и водород. Источниками углеводородов, окиси углерода, водорода являются нефть, уголь и природные горючие газы.

Продукты основного органического синтеза получают при дегидрировании, гидрировании, гидратации и дегидратации, галогенирования, окислении и восстановлении, нитрировании, сульфировании, алкилировании, изомеризации и других процессах.

1.Общие сведения

1.1 Физические свойства

Изопрен (2-метил-бутадиен-1,3) С₅Н₈ представляет собой бесцветную легколетучую жидкость с характерным запахом, с температурой кипения 34,1^оС, температурой плавления -145,9^оС и плотностью 0,681т/м³. Изопрен не растворим в воде, хорошо растворим в углеводородах, этаноле, диэтиловом эфире. Образует азеотропные смеси с метанолом, этанолом, ацетоном и многими другими органическими растворителями. В парах изопрен образует с воздухом взрывчатые смеси с пределами воспламеняемости 1,67 и 11,5% об. Температура вспышки изопрена составляет -48^оС, температура самовоспламенения 400^оС. Пары изопрена в высоких концентрациях обладают наркотическим действием, в малых концентрациях раздражают дыхательные пути и слизистую оболочку глаз. ПДК составляет 40мг/м³.

1.2 Химические свойства

Полимеризация. Изопрен легко полимеризуется и сополимеризуется с другими непредельными соединениями. В присутствии воздуха образует пероксиды, инициирующие самопроизвольную полимеризацию.

nСН₂=С-СН=СН₂(-CH₂-C=CH-CH₂-)_n

| |

CH₃ CH₃

Реакции электрофильного присоединения. В зависимости от условий реакции может происходить 1,2- и 1,4- присоединение.

СН₂=С-СН=СН₂+Br₂CH₂Br-C=CH-CH₂Br

| |

CH₃ CH₃

Диеновый синтез (реакция Дильса-Альдера)- 1,4-присоединение алкена.

2. Исторический очерк о развитии производства изопрена

В основе современных промышленных способов производства изопрена лежат теоретические исследования в области химии диеновых углеводородов, выпролненные в начале 20 века. В 1908 -1912 годах С.В. Лебедев установил общие закономерности полимеризации изопрена. Работы по производству изопрена начаты А.Е. Фаворским, открывшим в 1905 году реакцию получения третичных ацетиленовых спиртов конденсацией ацетилена с карбонильными соединениями. В 1917 году Принс доказал принципиальную возможность получения диеновых углеводородов из олефинов и формальдегида. В 1928 году А.Е. Фаворский изучил и в 1939 году предложил метод синтеза изопрена на основе ацетилена и ацетона, реализованный позже в промышленном масштабе в Италии.

До 1959 года бутадиен - 1,3 был в нашей стране единственным мономером для производства синтетического каучука. В 50-х годах был разработан метод синтеза изопрена из изобутилена и формальдегида (диоксановый метод), осуществленный впервые в мире в промышленном масштабе в 1964-1965 годах на Самарском и Волжском заводах синтетического каучука. В 1968 - 1970 годах вводятся в действие крупные мощности по производству изопрена двухстадийным дегидрированием изопентана, извлекаемого из попутного газа Среднего Приобья. Позже на этом сырье организовали производство изопрена на Тобольском нефтехимическом комбинате.

3. Применение изопрена

Изопрен используется преимущественно как мономер в производстве синтетических каучуков различной природы. Изопрен используется для получения стереорегулярных изопреновых каучуков различных сортов. В органическом синтезе изопрен применяют для производства некоторых фармацевтических препаратов и душистых веществ.

4. Влияние производства на окружающую среду

При производстве изопрена выбрасывается большое количество отходов в окружающую среду - воздух, почву, воду, которые угрожают флоре и фауне. Поэтому одна из главнейших проблем, стоящих перед современным производством, - задача создания условий, которые дали бы возможность осуществить такое развитие промышленности, которое предотвратило бы опасность загрязнения окружающей среды.

Осуществление этой большой задачи возможно двумя путями:

1) созданием таких технологических процессов, которые исключали бы образование отходов промышленного производства;

2) полной очистки выбросов от загрязнений, независимо от их агрегатного состояния (жидкая, газообразная или твердая фаза).

В зависимости от характера загрязнений и агрегатного состояния выбросов применяют различные методы очистки.

5. Техника безопасности при производстве и хранении

Сложность химического производства как многофакторной и многоуровневой системы, приводит к необходимости использовать в нем разнообразные системы техники безопасности для отдельных производственных процессов, агрегатов, цехов и предприятия в целом.

В производстве изопрена нужно соблюдать технику безопасности, так как возможны такие факторы как:

1) Возможность разгерметизации или разрушения технологического оборудования, аппаратов и технологических трубопроводов с последующим неконтролируемым истечением ( выбросом ) горючих паров и газов из системы вследствие повышения давления в аппаратах, пропуска торцевых уплотнений центробежных насосов, уплотнений задвижек и клапанов, разрушения уплотнений фланцевых соединений; коррозионного и механического износа; при проведении ремонтных работ и т.д.

2) Электроопасность обусловленная использованием в приводах насосов, электродвигателей напряжением питания свыше 380 В, а также наличием автоматики и блокировок.

Изопрен хранят в присутствии ингибиторов, например, о-нитрофенола или n-трет-бутилпирокатехина, что замедляет процессы самополимеризаци

6. Основные промышленные способы производства изопрена

Изопрен может быть получен:

1. Выделением из С5-фракции продуктов пиролиза нефтепродуктов.

2. Каталитическим дегидрированием амиленовой фракции, выделенной из продуктов пиролиза нефтепродуктов

С₅Н₁₀С₅Н₈

-Н₂

3. Каталитическим дегидрированием изопентана

С₅Н₁₂С₅Н₁₀С₅Н₈

-Н₂ -Н₂

4. Взаимодействием изобутилена и формальдегида через 4,4 - диметилдиоксан-1,3 (М.И. Фарберов, Н.С. Немцов)

С₄Н₈+2СН₂Одиоксан2-метилбутандиол-2,4С₅Н₈

-Н₂О

5. Взаимодействием ацетилена и ацетона через диметилацетиленилкарбинол (А.Е. Фаворский)

СН₃ СН₃

Н₂

С₂Н₂+СН₃-С-СН₃СН₃-С-ССНСН₃-С-СН=СН₂С₅Н₈

-Н₂О

О ОН ОН

6. Взаимодействием гидропероксида изопентана с изоамиленом через эпоксидирование

СН₃

СН₃-СН-СН₂-СН₃ + О₂СН₃-С-СН₂-СН₃

СН₃ ООН

(СН₃)₂С-СН₂-СН₃ +(СН₃)₂СН=СН-СН₃

ООН Н₂

(СН₃)₂С-СН-СН₃(СН₃)₂С-СН=СН₂ С₅Н₈

\ / -Н₂О

О ОН

7. Димеризацией пропилена через 2-метил-пентан-2 с его последующим пиролизом

2С₃Н₆СН₂=С(СН₃)-СН₂-СН₂-СН₃СН₃-С=СН-СН₂-СН₃

-СН₄

СН₃

С₅Н₈

7. Технологическая схема и краткое описание процесса производства изопрена конденсацией изобутилена с формальдегидом

Процесс производства изопрена из изобутилена и формальдегида состоит из двух последовательных стадий: конденсации изобутилена с формальдегидом и разложения полученного диметилдиоксана. Сырьем служит чистый изобутилен или изобутилен-изобутановая фракция.

1. Конденсация изобутилена с формальдегидом до 4,4 -диметил-диоксана-1,3 (ДМД) протекает по уравнению:

СН₂-О СН₃

/ \ /

СН₃-С=СН₂+2СН₂ОО С -Н (а)

\ / \

СН₃ СН₂-СН₂ СН₃

Реакция (а) катализируется серной кислотой, которая вводится в количестве 1 - 1,5% от массы изобутилена. Для предотвращения полимеризации изобутилена в системе всегда поддерживается избыток формальдегида, который подают в виде 37% водного раствора (формалина). Конденсация проводится при температуре 85 - 95^оС и давлении около 2МПа. Это обеспечивает жидкое состояние реагентов, образующих гетерогенную двухфазную систему. Поэтому интенсивность процесса конденсации существенно зависит от поверхности контакта углеводородной и жидкой фаз.

В этих условиях степень конверсии изобутилена в ДМД составляет 0,85 - 0,9 при селективности процесса по изобутилену 65% и по формальдегиду 80%. В качестве побочных продуктов при конденсации образуются трет-бутанол и 3-метил-бутандиол-1,3.

2. Разложение ДМД протекает через стадию образования 3-метил-бутандиола-1,3 по уравнению:

СН₂-О СН₃ СН₃

/ \ / |

О С +Н₂О СН₃-С-СН₂-СН₂ОН+СН₂О(б)

\ / \ |

СН₂-СН₂ СН₃ ОН

с последующей дегидратацией его до изопрена (2-метил-бутадиена-1,3):

СН₃ СН₃

| |

СН₃-С-СН₂-СН₂ОНСН₂=С-СН=СН₂+2Н₂О (в)

|

ОН

Одновременно протекает побочная реакция разложения ДМД на исходные изобутилен и формальдегид, обратная реакция его синтеза (а). Реакция разложения ДМД протекает с поглащением тепла на гетерогенном фосфатном катализаторе КДВ-15 состава СаНРО₄^.Са₃(РО₄)₂ и описывается суммарным уравнением:

С₆Н₁₂О₂ C₅Н₈+СН₂О+Н₂О.

Процесс разложения ДМД проводится при температуре 380-400^оС в газовой фазе в присутствии перегретого водяного пара, который повышает селективность реакции (в) и, одновременно, является источником тепла. В этих условиях степень конверсии ДМД достигает 0,9 при селективности по изопрену 80-90%.

Первая стадия процесса (конденсация изобутилена с формальдегидом) проводится в трубчатых реакторах 1 и 2, охлаждаемых водой. Изобутиленовая фракция и соединенный с ней возвратный (циркуляционный) изобутилен подаются в реактор 2 и из него в реактор 1, в который противотоком поступает водный раствор формальдегида, подкисленный серной кислотой. Верхние и нижние части реакторов работают как сепараторы, разделяя реакционную массу на углеводородный и водный слои. В углеводородный слой переходит ДМД, в водном слое остается не вступивший в реакцию формальдегид. Углеводородный слой из реактора 1 подается в нейтрализатор 3, где нейтрализуется и промывается водным раствором гидроксида натрия, и поступает в сепаратор 4 для отделения от него остатков воды. Водные слои из нижней части реактора 2, нейтрализатора 3 и сепаратора 4 объединяются и подаются на переработку для отделения от них летучих веществ, добавляемых к углеводородному слою. Из сепаратора 4 промытый углеводородный слой проходит колонну 5, в которой из него отгоняется непрореагировавший изобутилен, возвращаемый в цикл, и поступает в ректификационную колонну 6 для отгонки от ДМД более летучих метанола и трет-бутанола. Освобожденный от метанола ДМД направляется на вторую стадию (разложение ДМД) в реактор 7 адиабатического типа со стационарным слоем катализатора. В реактор подается также перегретый водяной пар. Реакционная смесь из реактора конденсируется в холодильнике 8 и поступает в сепаратор 9, где разделяется на водный и органические слои. Водный слой соединяется с водным слоем первой стадии процесса, а органический слой подается последовательно в ректификационные колонны 10 и 11. В колонне 10 от него отгоняют изобутилен, образовавшийся при разложении ДМД, который возвращается на первую стадию процесса, а в колонне 11 - изопрен от высокомолекулярных побочных продуктов, образующих кубовый остаток. Для окончательной очистки изопрен промывается водой, сушится азеотропной перегонкой и ректифицируется.

Полученный продукт содержит не менее 99,2% изопрена и пригоден для стереорегулярной полимеризации в каучук без дорогостоящей специальной очистки.

Рис. 2. Технологическая схема производства изопрена конденсацией изобутилена с формальдегидом: 1,2 -- трубчатые реакторы конденсации, 3 -- нейтрализатор, 4 -- сепаратор, 5 -- колонна отгонки изобутипена, 6 -- метанольная колонна, 7 -- реактор разложения ДМД, 8 -- холодильник, 9 -- сепаратор, 10,11 -- ректификационные колонны

8. Исходные проектные данные

Исходные данные	Вариант №1
В реактор поступает газ, т/ч	100
Состав газа (массовые доли), %
изобутилен	95
изобутан	5
В реактор поступает формалин следующего состава (масс. доли), %
формальдегид	37
вода	62
серная кислота	1
Конверсия, %
изобутилен	65
формальдегид	71

В реакторе протекает реакция:

СН₃-С=СН₂+СН₂О=СН₂=С-СН=СН₂+Н₂О

| |

CH₃ CH₃

9. Расчет и составление таблицы материального баланса

Строим диаграмму материальных потоков:

Молекулярные массы веществ

М(СН₂О)=30 М(Н₂О)=18 М(Н₂SO₄)=98 М(С₄Н₈)=56 М(С₅Н₈)=68

Масса поступившего в реактор изобутилена (т/ч):

100*0,95=95

Масса поступившего в реактор изобутана (т/ч):

100-95=5

Масса вступившего в реакцию изобутилена (т/ч):

95*0,65=61,75

Масса образовавшегося изопрена (т/ч):

61,75 х

СН₃-С=СН₂+СН₂ОСН₂=С-СН=СН₂+Н₂О

| |

СН₃ СН₃

61,75 - х

56 - 68

х=(61,75*68)/56=74,98

Масса образовавшейся воды (т/ч):

61,75 х

СН₃-С=СН₂+СН₂ОСН₂=С-СН=СН₂+Н₂О

| |

СН₃ СН₃

61,75 - х

56 - 18

х=(61,75*18)/56=19,85

Масса вступившего в реакцию формальдегида (т/ч):

х 19,85

СН₃-С=СН₂+СН₂ОСН₂=С-СН=СН₂+Н₂О

| |

СН₃ СН₃

х - 19,85

30 - 18

х=(30*19,85)/18=33,08

Общая масса формальдегида (т/ч):

33,08 - 71

х - 100

х=(33,08*100)/71=46,59

10) Масса формалина (т/ч):

46,59 - 37

х - 100

х=(46,59*100)/37=125,92

11) Масса воды в формалине (т/ч):

125,92*0,62=78,07

12) Масса серной кислоты в формалине (т/ч):

125,92*0,01=1,26

13) Масса непрореагировавшего изобутилена (т/ч):

95 - 61,75=33,25

14) Масса непрореагировавшего формальдегида (т/ч):

46,59 - 33,08 = 13,51

15) Масса суммарн. воды при выходе из реактора (т/ч):

78,07+19,85=97,92

Таблица материального баланса

Приход	Расход
№	Наименование	т/ч	%	№	Наименование	т/ч	%
1.	Газ:			1.	Изопрен	74,98	33,5
	изобутилен	95	42	2.	Изобутан	5	2
	изобутан	5	2	3.	Непр. изобутил.	33,25	15
2.	Формалин:			4.	Непр.формальд.	13,51	6
	формальдегид	46,59	20,5	5.	Вода	97,92	43
	вода	78,07	35	6.	Серн. Кислота	1,26	0,5
	серн. кислота	1,26	0,5
Итого	225,92	100	Итого	225,92	100

10. Технологические показатели процесса

1)Выход изопрена по поданному изобутилену:

=G_факт/G_теор

G_факт=74,98

Найдем G_теор:

G_теор - 95

56 - 68

G_теор=(56*95)/68=78,24

=74,98/78,24=0,96

2) Расходные коэффициенты по изобутилену:

К_теор=М(изобутилена)/М(изопрена)=56/68=0,82

К_практ=m(изобутилена)/m(изопрена)=95/74,98=1,27

3) Расходные коэффициенты по формальдегиду:

К_теор=М(формальдегида)/M(изопрена)=30/68=0,44

К_практ=m(формальдегида)/m(изопрена)=46,59/74,98=0,62

11. Предложения по снижению себестоимости целевого продукта

Себестоимостью продукции называется сумма всех затрат предприятия в денежном выражении, связанных с изготовлением и реализацией единицы массы (объема) производимой им продукции. Себестоимость является важнейшим экономическим показателем рентабельности производства. Структура себестоимости включает в себя:

1) сырье и основные материалы -57%;

2) вспомогательные материалы -6,6%;

3) топливо - 1,6%;

4) энергия -8,1%;

5) заработная плата и страховка - 11,9%;

6) амортизация оборудования - 11%;

7) прочие расходы - 3,8%.

Различают фабрично-заводскую себестоимость промышленной продукции. Затраты, связанные с производством продукции и оказанием услуг, составляют фабрично-заводскую себестоимость. В состав полной себестоимости, помимо этих затрат, включают внепроизводственные затраты - на реализацию продукции, подготовку кадров, научно-исследовательские и опытные работы. В химической промышленности быстрый рост объемов производства предопределил увеличение общей суммы затрат. Изыскание путей снижения себестоимости продукции остается одной из важнейших задач химического производства.

Снизить себестоимость производимого изопрена можно:

1) увеличением мощности агрегата или цеха в целом - увеличение мощности агрегата снижает себестоимость продукции на 13%;

2) использованием более дешевого сырья - снижает себестоимость на 5-6%;

3) стимулирование производительности труда основных производственных рабочих - снижение снижает себестоимость на 0,5-1%;

4) использование альтернативных источников энергии и топлива, например тепло установки и т.п. - снижает себестоимость на 1%.

Основными методами уменьшения себестоимости целевого продукта могут служить следующие факторы:

увеличение мощности агрегатов;

создание безотходных и малоотходных систем;

снижение расходов энергии;

ресурсосбережение;

повышение отдачи технологического оборудования.

12. Список использованной литературы

изопрен производство материальный баланс

1. Еремина Е.А. и др. Справочник по химии/ Еремина Е.А., Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. - М.: Дрофа, 1996.-208с., ил.

2. Мухленов И.П. Основы химической технологии: учебник для студентов ВУЗов/Мухленов И,П,, Горштейн А.Е., Тумаркина Е.С., Тамбовцева В.А. под ред Мухленова И.П. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1983.,-335с, ил.

3. Куцын П. В. Охрана труда в нефтяной и газовой промышленности: учебник для техникумов. - М.: Недра, 1997. - 247 с.

4. Оганесян. Э.Т. Руководство по химии: справ. пособие. - М.: Высш. школа, 1987. - 399с., ил.

5. Соколов Р.С. Химическая технология:учебное пособие для студентов ВУЗов: в 2 томах:Гуманит. Изд. центр ВЛАДОС, 2003.т.2.-368с., ил.

6. Максименко О. О. Химия: учебное пособие. - М.: Слово. 1999. - 638с.

7. Кузьменко Н.Е. Химия для школьников. М.: Оникс 21 век, 2002. - 544 с., ил.

8. А.С. Егоров. Химия, пособие -репетитор. - М.: Феникс, 2002. 767с., ил.

9. Третьяков Ю.Д. Органическая химия: учебник для студентов вузов. - 3-е изд. Перераб. -М.: Просвещение, 1997. - 287с.

10. Экономика химической промышленности. Учебник для вузов./ Ф.Ф. Дунаев. М., просвещение, 1983, 384с.

11. Соколов К.П. Общая химическая технология. М.: Просвещение, 1991. - 382 с.

12. Кондраков Н.П. Химия. Учебник для школ. М.: Наука, 2004

Размещено на Allbest