Химия в решении проблемы обеспечения энергией

) Рассмотрим данную группу  на примере производства спиртов.  Спирты применяют в производстве  синтетических полимеров, каучуков, моющих веществ, в качестве  растворителей, экстрагентов и для других целей. Одним из важнейших методов производства спиртов является гидратация олефинов, в ходе которой вырабатывают этиловый, изопропиловый, изобутиловый и другие спирты. В промышленности методом прямой гидратации получают этиловый и изопропиловый спирты. Прямая гидратация олефинов заключается в непосредственном присоединении воды с олефином:

 

С2Н4 + H2O ? C2H5OH

 

Синтез этилового спирта удалось осуществить лишь после  того, как были изысканы достаточно активные катализаторы процесса. При  газофазной гидратации в качестве катализаторов применяются фосфорная кислота или окись вольфрама на носителях. На последнем катализаторе процесс проводят и в жидкой фазе. Даже для такого простого синтеза требуются сложные установки рис. 2 (см. приложение).

Технология получения  спиртов методом сернокислотной гидратации. Исходным сырьём служит газообразная этан этиленовая фракция, содержащая 30 - 50 % этилена, и 95 - 97% серная кислота. Получающийся спирт - сырец содержит 25 - 35% этанола, 3 - 5% диэтилового эфира, 60 - 65% воды и 0,05% полимеров. Его направляют на ректификацию для получения 95 - 96% концентрации спирта. Сернокислотная гидратация олефинов - самый распространённый метод получения спиртов. Однако недостатком метода является участие больших количеств серной кислоты и её разбавление, а отсюда необходимость её упаривания, перекачки больших объёмов и так далее. Всё это связано с коррозией аппаратуры и большими капитальными затратами на сооружение заводов.

) Производство полимеров.  К высокомолекулярным соединениям  (полимерам) относят вещества  с молекулярной массой 5000 и более.  Полимеры состоят из многократно  повторяющихся элементов - остатков  мономеров.

Основными методами синтеза  полимеров являются полимеризация  и поликонденсация. Полимеризацией называется реакция образования  высокомолекулярных веществ путем  соединения нескольких молекул мономера, которая не сопровождается изменением их состава. При поликонденсации  образование полимеров сопровождается выделением какого-либо низкомолекулярного вещества (воды, спирта, аммиака и  др.). Поэтому состав элементарного  звена полимера в данном случае не соответствует элементарному составу  исходного мономера.

Многообразие вырабатываемых полимеров обуславливает различные  технологии их производства.

Простейший технологический  процесс производства синтетического каучука выглядит следующим образом. Из этилена путем гидратации получают этиловый спирт. Испаряя его в  герметически закрытых сосудах и  нагревая пары до нескольких сот градусов в реакторе в присутствии специального катализатора, получают бутадиен. После  очистки бутадиен подвергают каталитической полимеризации, вырабатывая каучук-сырец. Перемешивая его при пониженном давлении, из каучука-сырца удаляют  газы. Из полученного продукта, получают полотнища каучука, которые в  рулонах доставляют на заводы по производству резины для последующего изготовления различных изделий. Теперь разработано  получение бутадиена из бутана через  каталитическое дегидрирование последнего. Мономерами для синтетического каучука  служат преимущественно сопряженные  диеновые углеводороды: дивинил, изопрен, хлоропрен. Для улучшения технических  свойств каучука диены часто  полимеризуют совместно с мономерами, содержащими активный винильный остаток (например, с акрилонитратом, со стиролом). Сополимерные каучуки имеют наибольшее техническое применение. К ним относятся бутадиен-стирольный каучук, получаемый сополимеризацией 1,3-бутадиена и стирола, он является лучшей маркой синтетического каучука для автомобильных покрышек.

Бутадиен-нитрильный каучук - сополимер 1,3-бутадиена и акрилонитрила - обладает вязкостью натурального каучука, однако превышает его по всем устойчивостям. Бутилкаучук - сополимер  изобутилена и 1,3-бутадиена, вводимого  для придания каучуку способности  к вулканизации, получается низкотемпературной ионной полимеризацией в присутствии  фторида бора (III). Он обладает высокой  химической стойкостью и газонепроницаемостью, является хорошим изолятором для  проводов и кабелей.

Один из видов синтетического каучука получают из ацетилена. При  полимеризации ацетилена образуется винилацетилен. Винилацетилен присоединяет молекулу хлористого водорода, при  этом получается 2-хлорбутадиен-1,3 (хлоропрен). Он самопроизвольно весьма легко  полимеризуется, образуя сначала пластическую массу, сходную с невулкани-зированным каучуком, а в дальнейшем - твердый продукт (вулканизация без серы).

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.    

 

4. Химия в решении проблемы обеспечения  энергией.

Основная системная проблема нефтехимии в России заключается  в разрыве между производством  и рынком нефтехимической продукции. Основной причиной проблемы является изменение структуры спроса и  предложения нефтехимической продукции. Товарная (ассортиментная) структура  большинства российских нефтехимических  предприятий сформировалась еще  в 1980-х годах и не соответствует  международным стандартам. В частности, в производстве пластмасс преобладают  термопластичные пластмассы в первичных  формах и недостаточен выпуск передовых  эластомеров. При этом даже в секторе  базовых крупнотоннажных термопластов в товарной структуре выпуска  отсутствуют наиболее востребованные сорта (например, линейный полиэтилен низкой плотности).

Другой важной проблемой  является техническая отсталость и  высокий износ основных фондов. В  нефтехимическом комплексе достигнут  практически предельный уровень  загрузки мощностей (82-100% по отдельным  видам продукции).

Низкая инновационная  активность предприятий нефтехимического сектора. В общем числе крупных  и средних предприятий нефтехимии доля инновационно активных предприятий менее 20%; менее 10% продукции отрасли можно отнести к инновационной, а доля затрат на технологические инновации - менее 3%. Российские компании предпочитают импорт технологий, как более быстрый способ модернизации производства.

Большинство предприятий  вынуждено направлять значительную часть прибыли на восполнение  недостатка оборотных средств и  ремонт оборудования. Лишь немногие крупные  компании в состоянии обновлять  основные фонды.

Нефтехимическая промышленность сильно загрязняет окружающую среду. По выбросам вредных веществ в атмосферу  нефтехимия занимает десятое место  среди отраслей промышленности, по сбросам сточных вод в природные водоемы - второе место. Выбросы нефтехимических предприятий в атмосферу ежегодно составляют около 400 тыс. т (рис.2.5). Объём сточных отходов медленно сокращается, а газовых выбросов остаётся неизменным.

Одними из основных загрязнителей  атмосферы являются летучие органические соединения, доля которых в выбросах достигает 20%.

В течение длительного  времени использовались кадры квалифицированных  рабочих, подготовленные до реформы  экономики. В настоящее время  система подготовки и переподготовки кадров для нефтехимии, особенно среднего звена, разрушена. Сократилось количество и изменился качественный состав научных сотрудников в отраслевых научных и проектно конструкторских организациях. Кадры стареют, условия для привлечения и закрепления молодых специалистов в большинстве научных организаций отсутствуют. При такой ситуации крайне трудно обеспечить воспроизводство кадров.

Основная часть производимого  оборудования устарела, не имеет охранных документов, сертификатов безопасности, систем сервиса и эксплуатационного  обслуживания. Без технического перевооружения предприятий нефтехимического сектора  невозможна переориентация отрасли  в сторону глубокой переработки  сырья. Импортные технологии часто  недоступны и дороги (особенно это  касается новейшего, высокоэффективного оборудования).

 

     5. Основные проблемы нефтехимического и газохимического комплекса России.

Научно-технический прогресс, дающий человеку много благ, одновременно оказывает

и отрицательное влияние на окружающую природу. В результате сжигания топлива и

других промышленных процессов за последние 100 лет в атмосферу выделено около

400 млрд. т оксида углерода (IV); его концентрация в атмосфере  возросла на 18%.

За год в атмосферу  выбрасывается более 200 млн.т оксида углерода (II), более 50

млн.т оксидов азота. Один лишь авиалайнер за 8 ч полёта потребляет 50 - 70 т

кислорода, т.е. то количество, которое вырабатывает за то же время 25 -50 тыс.

га леса. Если содержание оксида углерода (IV) в атмосфере удвоится, то за счёт

"парникового эффекта"  средняя температура земной поверхности  повысится на 4

^оС.

В промышленно развитых стран  на одного жителя ежегодно в атмосферу  попадает до

150 -200 кг пыли, золы и  других промышленных выбросов. За  сутки промышленность

мира сбрасывает более 100 млн. м³ сточных вод.

Мощным источником загрязнения  атмосферы являются все виды транспорта,

работающие на тепловых двигателях. Выбрасываемые ими вещества  в целом

идентичны газообразным отходам промышленного происхождения. С выхлопными

газами автомобилей в воздух попадают оксиды углерода, азота, серы,

альдегиды, несгоревшие углеводороды, а также продукты, содержащие хлор, бор,

фосфор и свинец. Загрязняют атмосферу дизельные двигатели автомобильного,

водного и железнодорожного транспорта.

В крупных городах - Лондоне, Лос-Анжелесе, Чикаго, Токио, Милане и  других -

бывает густой туман, смог, токсичный от наличия в нём ядовитых выхлопных

автомобильных газов. Смог появляется в следствие фотохимических реакций оксидов

азота, несгоревших углеводородов с озоном.                                 

_hn

NO₂+O₂  ó O₃+NO.

В загрязнение атмосферы  вносит немалый вклад воздушный  транспорт. Двигатели

самолётов выбрасывают альдегиды, 3,4-бензпирен, бензол и его гомологи.

Вредное воздействие на гидросферу оказывают продукты нефтихимических

предприятий, сырая нефть, перевозимая танкерами. Исследования Атлантического

океана и шельфовых вод Европы и Северной Америки показывают, что уровень

загрязнения в открытом океане в 2 - 3 раза меньше, чем в прибрежных водах,

где плёнка из нефти держится более продолжительное время. 1 т нефти способна

покрыть тонкой плёнкой поверхность водного массива площадью 1200га.

Кроме того, в различных  отраслях  промышленности используется громадное

количество новых соединений, отсутствующих в природе. Ежегодно их

синтезируется в мире более 250 тыс.,из них около 300 находят промышленное

применение и могут попасть в окружающую среду. По данным Всемирной

организации здравоохранения, среди химических соединений, используемых в

промышленном  масштабе, примерно 40 тыс. вредны для человека. Процесс

загрязнения окружающей среды несвойственной  ей веществами, раньше носивший

локальный характер, в последнее время принял глобальные масштабы. Особенно

загрязнение среды такими несвойственными биосфере элементами, как свинец,

ртуть, кадмий. Мощность техногенного воздействия на живую природу достигла

такой величины, что возникла опасность необратимых изменений за счёт

нарушения слагавшихся в течение миллионов лет природных динамических

равновесий. Даже загрязнение среды такими характерными для природных

круговоротов веществами, как нитраты, соли аммония, фосфаты, достигло на

значительных участках земной поверхности концентраций, при которых природные

механизмы оказываются недостаточными для плавного включения этих веществ в

круговорот. В результате, например, во многих крупных водоёмах земного шара

произошло резкое  изменение в экосистемах, что привело к большому обеднению

видами живых организмов.

Какой же выход видит наука, в частности химия, из создавшегося экологического

кризиса? Ведь химизация промышленного и сельского хозяйства не означает

разрушения всего живого, а, наоборот, предлагает пути решения проблем

современности.Прежде всего это создание технологий, по которым  большая часть