Синтез вещества как основа современных технологий

    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:

     = f (K_1, K₂, K₃) 

    3.1. Производство стирола.  

    Стирол  и  - метилстирол - важнейшие мономеры в производстве полимеров (полистирол). Сополимеры стиролов с диеновыми углеводородами, в том числе дивенилстирольные каучуки, характеризуются высокой износостойкостью. Синтез стирола – это процесс, который проходит в две стадии. Исходным сырьём в этом производстве служит бензол и нефтехимический этилен. На первой стадии получают этилбензол (по реакции Фриделя - Крафтса), алкилирования бензола  этиленом в присутствии безводного хлорида 

        Al: C₆H₆ + H₂C = CH₂   ^{Al Cl}₃                     C₆H₅CH₂CH₃+ 109 к Дж.

            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 1,5 м. Реакционную смесь после промывки раствором щёлочи разделяют в двух ректификационных колоннах, в первой отгоняют бензол, который поступает опять в реактор, во второй выделяют этилбензол, а часть фракции диэтилбензола возвращают  на приготовление катализаторного комплекса. Выход этилбензола  90-95% в расчёте на бензол. На производство 1m этилбензола расходуется 0,77 m бензола, 0,3 m этилена и 25-30кг. AlCl₃

    Вторая  стадия – дегидрирование этилбензола:  

     C₆H₅CH₂CH₃   -H₂              C₆H₅CH = CH₂

    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 -метилстирол.  

    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 1700-1800^оС в электротермических печах: Ca O + 3C Ca C₂ + CO -465 к Дж

    При взаимодействии Ca C₂  c    H₂O образуется ацетилен и Ca (OH)₂:

    Ca C₂ + 2H₂O HC CH + Ca (OH)₂ + 130 к Дж

    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 CH CH +3 H₂ – 376кДж

    C₂H₆ CH CH + 3H₂- 330кДж

    Основному процессу сопутствуют побочные реакции термического разложения исходного сырья и ацетилена на водород и сажу:

    CH₄ C +2H₂ – 88 кДж

    CH CH 2 C + H₂ + 229кДж

    Выход ацетилена увеличивается при  повышении t^o 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 t^o 1500^oC 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 t^o 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 HCHO + H₂ – 85 кДж

CH₃OH + 0,5 O₂ HCHO + H₂O + 156 кДж

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 CO₂+H₂O

HCHO CO + H₂

      H₂ +0,5 O₂ H₂O

       CH₃ OH +H₂ CH₄ + H₂O

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 t^о и давлениях, их скорость легко регулируется изменением t^о 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.