Химическая переработка углеводородного сырья

К группе пластмасс относятся винипласт, пенопласт, полиэтилен, тефлон и другие материалы. Винипласт получают в результате химической переработки поливинилхлоридной смолы, образуемой при реакции этилена с хлором. Кроме того, добавляя к винипласту специальное вещество, выделяющее большое количество газов при нагревании (порофор), получают пенопласт. Промышленный пенопласт в 7-10 раз легче воды.

Широкое распространение получил полиэтилен - высокомолекулярный продукт полимеризации этилена. Различают полиэтилен высокого давления и полиэтилен низкого давления. Первый получают при давлении 100...300 МПа и температуре 100...300 °С в присутствии кислорода. Для этого процесса требуется этилен высокой частоты. Полиэтилен низкого давления получают путем полимеризации этилена при давлении до 1 МПа и температуре 60...80 "С в присутствии специального катализатора. Имеются также сообщения о получении полиэтилена принципиально новыми способами полимеризации — под действием проникающих излучений или электрических разрядов и т. д. Но в настоящее время промышленное производство полиэтилена осуществляется тремя методами: 1) полимеризацией этилена при давлении 120— 250 МПа в присутствии небольших количеств кислорода в качестве катализатора. 2) Полимеризацией этилена при низком давлении (0,05-—0,6 МПа) с использованием комплексных металлорганических катализаторов. Следует иметь в виду, что названия "полиэтилен низкого давления", "среднего давления", "высокой плотности" и т. д. имеют чисто историческое значение. Так, полиэтилен, получаемый по 2- и 3-му методам, имеет одинаковую плотность и молекулярный вес. Давление в процессе полимеризации при так называемых низком и среднем давлениях в ряде случаев одно и то же. Тефлон (полифторэтилеи) получают путем полимеризации мономера - тетрафторэтилена. Такие мономеры обычно получают из этилена, заменяя в его молекулах атомы водорода атомами фтора.

Из синтетических волокон в настоящее время наиболее широкое распространение получили капрон, лавсан, нитрон и др.

Исходным материалом для выработки капрона является капролактам. Его получают в результате сложной химической переработки фенола или бензола. Подвергая капролактам полимеризации при температуре 250 °С в присутствии азота, получают капроновую смолу, из которой впоследствии вырабатывают капроновое волокно.

Лавсан вырабатывают из пара-ксилола, который, в свою очередь, получают путем каталитической переработки бензиновых фракций на установках каталитического риформинга.

3 Основные продукты нефтехимии

Продукция нефтехимии находит применение практически во всех отраслях промышленности, транспорта, сельского хозяйства, в оборонном и топливно-энергетическом комплексе, в сфере услуг, торговле, науке и образовании. В машиностроении растет спрос на конструкционные полимерные материалы, специальные лакокрасочные покрытия, изолирующие, шумопоглощающие и другие, во многих случаях незаменимые материалы. Оборонная безопасность и экономическая независимость невозможны без развития отечественной нефтехимии, так как альтернативы многим материалам для изделий военного назначения не существует. Без современных материалов нефтехимии невозможны дальнейшее развитие электроники и информатики, выпуск лекарственных и парфюмерно-косметических средств, химических бытовых товаров.

Продукция нефтехимии используется в основном органическом синтезе — 9,6%; при производстве пластмассовых изделий — 12,1%; резинотехнических изделий — 7,7%; химических средств защиты растений и других агрохимических продуктов — 0,2%; производстве синтетических и искусственных волокон — 1,3%; лаков и красок — 2,3%; синтетического каучука — 9,0%; пластмасс и синтетических смол — 8,5% и др.  В настоящее время Россия производит около 1% мирового объема нефтехимической продукции и занимает 20-е место в мире (лидирующие позиции здесь твердо занимают США, Китай и Евросоюз). Вклад нефтехимии в ВВП РФ незначителен и составлял в 2006 году 1,7% (в 2005 году — 1,9%).

Теперь можно назвать только лишь некоторые основные продукты нефтехимии, указать их уникальные свойства и области применения в хозяйственной деятельности человека. Огромная гамма веществ, получаемых в нефтехимическом синтезе, остаётся за рамками данной работы в виду их чрезвычайно большого количества.

1) Поверхностно-активные  вещества (ПАВ). ПАВ широко применяются  в различных отраслях промышленности, в сельском хозяйстве и в  быту.

В нефтедобыче ПАВ применяют для разрушения водонефтяных эмульсий, образующихся в ходе извлечения нефти на поверхность земли и ее движения по промысловым трубопроводам. ПАВ добавляют в воду при мойке резервуаров и отсеков танкеров, чтобы ускорить процесс. Одним из способов перекачки высоковязких нефтей является их совместный транспорт с водой, обработанной раствором ПАВ: в этом случае вода хорошо смачивает металл и нефть движется как бы внутри водяного кольца.

Кроме того, ПАВ используют при изготовлении синтетических моющих веществ, косметических препаратов, лосьонов, зубных паст, туалетного мыла, при дублении кожи, крашении меха, при хлебопечении, получении противопожарных пен, при изготовлении кондитерских изделий и мороженого, в качестве пенообразователя при производстве бродящих напитков (квас, пиво) и др.

Несмотря на большое многообразие ПАВ, все они могут быть разделены на две группы: ионогенные ПАВ, которые при растворении в воде диссоциируют на ионы) и неионогенные ПАВ, которые на ионы не диссоциируют.

В зависимости от того, какими ионами обусловлена поверхностная активность ионогенных веществ, - анионами или катионами, ионогенные вещества подразделяются на анионоактивные, катионоактивные и амфолитные. Последние отличаются тем, что в кислом растворе ведут себя как катионоактивные ПАВ, а в щелочном растворе - как анионоактивные.

По растворимости в тех или иных средах ПАВ бывают водорастворимые, водомаслорастворимые и маслорастворимые.

2) Синтетические каучуки. Термин «каучук» происходит от  слова «каучу», которым жители Бразилии обозначали продукт, получаемый из млечного сока (латекса) гевеи, растущей на берегах р. Амазонки. Натуральный каучук выделяли из латекса коагуляцией с помощью муравьиной, щавелевой или уксусной кислоты. Образующийся рыхлый сгусток промывали водой и прокатывали на вальцах для получения листов. Затем их сушили и коптили в камерах, наполненных дымом, с целью придания натуральному каучуку устойчивости против окисления и микроорганизмов.

В Европе каучук известен с 1738 г., когда французский исследователь Ш. Кондамин представил в парижской Академии Наук образцы натурального каучука и изделия из него. В 1811 г. в Вене открылась первая резиновая фабрика. Американский изобретатель Чарлз Гудьир. В 1838 г. он изобрел вулканизацию - обработку каучука теплом с добавлением небольшого количества серы. После такой обработки каучук становился совершенно не липким и прочным. Позднее в каучук стали добавлять сажу, краску, окись цинка, различные «мягчители» и «антистарители». Такой «обработанный» каучук называется резиной.

В конце XIX века использование резины в промышленности было сравнительно невелико. Однако в дальнейшем оно резко возросло. В первую очередь это было связано с развитием автомобильного транспорта, а затем и авиации. Наступил момент, когда объемы производства натурального каучука уже не могли удовлетворить спрос на него.

В 1914 г. в Европе началась первая мировая война. В отрезанной от импорта каучука Германии химики немедленно взялись за разработку его промышленного синтеза. Им удалось получить синтетический каучук термической полимеризацией диметилбутадиена. Полученный продукт получил название «метил-каучук». Однако он стоил в 20 раз дороже натурального, а шины из него выходили из строя при минус 5 °С, а также после пробега 2000 км (шины из натурального каучука успешно «пробегали» десятки тысяч километров).

Синтез каучука в крупных промышленных масштабах впервые в мире был осуществлен в 1932 г. в СССР по способу, разработанному С.В. Лебедевым и основанному на полимеризации бутадиена. Начиная с 1937 г. производство синтетического каучука начало развиваться в Германии, а с 1940 г. - в США. Это было обусловлено, с одной стороны, стремительным развитием автомобильной промышленности в указанных странах, а с другой - меньшей стоимостью синтетического каучука по сравнению с натуральным.

В качестве исходных материалов для производства синтетического каучука в настоящее время используются, в основном, бутадиен, стирол, изопрен и другие мономеры, получаемые из углеводородных газов природного и промышленного происхождения.

Производятся различные виды синтетического каучука, подразделяемые на две группы: каучуки общего назначения (-80 % от общемирового производства) и специальные. Первые применяют там, где необходима только характерная для каучуков эластичность при обычных температурах. Специальные каучуки используются в производстве изделий, которые должны обладать стойкостью к действию растворителей, масел, тепло- и морозостойкостью.

3) Пластические массы. Пластическими  массами называют конструкционные  материалы, полученные на основе  полимера и обладающие способностью  формироваться и в обычных  условиях сохранять приданную  им форму в виде готовых  изделий. Кроме полимеров в состав  пластмасс входят пластификаторы, стабилизаторы, красители и другие  добавки.

Пластификаторы (от греч. plaslós — лепной, пластичный и лат. facio — делаю), вещества, повышающие пластичность и (или) эластичность полимеров при их переработке и (или) эксплуатации. Благодаря применению П. (иногда их называют также мягчителями) облегчается диспергирование в полимерах наполнителей и др. сыпучих ингредиентов, снижаются температуры переработки композиций на технологическом оборудовании. придают пластмассам гибкость и эластичность, уменьшают жесткость и хрупкость. В качестве пластификаторов используют дибутилфталат, стеарин, камфару, глицерин и др.  Стабилизаторы (противостарители, антиокислители, термо-стабилизаторы и др.) способствуют длительному сохранению пластмассами своих свойств в условиях эксплуатации. Красители вводят в пластмассу с целью придания ей нужного цвета.

В зависимости от поведения при нагревании пластмассы делятся на термопластичные и термореактивные. Термопластичные пластмассы (термопласты) при нагревании размягчаются и становятся пластичными, а при охлаждении снова затвердевают. Размягчение и отверждение можно производить многократно. К термопластам относятся полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, фторопласты и др. Термореактивные пластмассы (реактопласты) в начале термообработки размягчаются, становятся пластичными и принимают заданную форму. Однако при дальнейшем нагревании они теряют пластичность и переходят в неплавкое и нерастворимое состояние. К реактопластам относятся фенопласты, аминопласты и др.

Пластические массы известны человечеству с древних времен. Изготовляли их на основе природных смол - канифоли, битумов и др. Старейшим пластическим материалом, приготовленным из искусственного полимера - нитрата целлюлозы, является целлулоид, производство которого было начато в США в 1872 г. В 1906-1910 гг. в России и Германии были изготовлены первые реактопласты на основе феноло-формальдегидной смолы. В 30-х гг. в СССР, Германии и других промышленно развитых странах было организовано производство термопластов - поливинилхлорида, полистирола и др. Однако бурное развитие промышленности пластмасс началось только после 2-й мировой войны. В 50-х гг. во многих странах был начат выпуск «пластика номер один» - полиэтилена.

Сегодня представить нашу жизнь без пластмасс невозможно. В строительстве их используют при отделочных работах, в виде стеновых панелей, оконных переплетов, дверей и т.п. В машиностроении из пластмасс изготовляют зубчатые и червячные колеса, шкивы, подшипники, ролики, трубы и т.д. В авиастроении с использованием реактопластов изготовляют реактивные двигатели, крылья, фюзеляжи самолетов, несущие винты вертолетов, топливные баки и др. В автомобилестроении из пластмасс изготовляют детали двигателя, трансмиссии, шасси, кузова, элементы отделки салона. В медицине используют пластмассовый инструмент, сердечные клапаны, протезы конечностей, хрусталики глаза и др. Этот перечень можно было бы продолжить.

4) Синтетические волокна. Синтетические волокна (нити) - формируют  из полимеров, не существующих  в природе, а полученных путем  синтеза из природных низкомолекулярных  соединений. Сырье для синтетических  волокон получают путем реакций  синтеза (полимеризации и поликонденсации) полимеров из простых веществ (мономеров) на предприятиях химической  промышленности. Предварительной обработки  это сырье не требует. Простейшая  классификация дана в рис.3 (см. приложение).

Возможность получения химических волокон из различных веществ (клей, смолы) предсказывалась еще в XVII...XVIII вв. Однако их производство впервые в промышленных масштабах было организовано во Франции в 1891 г.

Производство синтетических волокон началось с выпуска в 1932 г. поливинилхлоридного волокна (Германия). В 1942 г. в промышленном масштабе было выпущено наиболее известное полиамидное волокно - капрон (США).

В настоящее время кроме полиамидного волокна производят также полиэфирное (лавсан), полиакрилонитрилыюе (нитрон) поливинилхлоридное и полипропиленовое волокна. Их выпускают в виде текстильных и кордных нитей, а также в виде штапельного волокна.

Синтетические волокна обладают высокой разрывной прочностью, хорошей формоустойчивостыо, несминаемостыо, стойкостью к воздействию света, влаги, плесени, температуры. Разнообразие свойств исходных синтетических полимеров, а также возможность модификации как исходного сырья (мономера), так и самого волокна позволяет получать продукцию с заданными свойствами и высокого качества. В связи с этим синтетические волокна во многих случаях вытесняют натуральные и искусственные.

Ткани из синтетических волокон применяются не только в быту. Они используются как электрооблицовочные и изоляционные материалы в автомобилях, железнодорожных вагонах, морских и речных судах. Синтетическим волокнам отдают предпочтение при изготовлении канатов, рыболовных сетей, парашютов и других изделий, где требуются материалы, отличающиеся высокой прочностью на разрыв.