صنعت مواد شیمیایی و پتروشیمی فصل چهارم

• 0 Comments

صنایع شیمیایی، مجموعه ای از فرآیندها، عملیات و سازمان هایی هستند که در زمینه تولید انواع مواد شیمیایی فعالیت می کنند

- نویسنده : به نقل از : britannica.com

هیدروکربن های آلیفاتیک
به دلیل شبکه به هم پیوسته صنایع شیمیایی، بازگشت مختصر به مواد اولیه اولیه مفید خواهد بود. قبلاً گروه معطر مواد شیمیایی آلی شرح داده شد. در مقابل اینها آلیفاتیک ها هستند که تعدادی از مواد شیمیایی کاملاً ساده از اهمیت صنعتی برخوردارند.

ساده ترین مواد شیمیایی آلی عبارتند از هیدروکربن های اشباع متان (CH4)، اتان (C2H6 یا H3C—CH3)، پروپان (H3C—CH2—CH3)، و غیره. اینها به عنوان سوخت مفید هستند، اما از نظر شیمیایی نسبتاً غیر واکنشی هستند، و بنابراین برای پردازش آنها برای تولید مواد شیمیایی بیشتر، با عملیات حرارتی "ترک" می شوند تا آنها را به هیدروکربن های غیر اشباع تبدیل کنند. اینها حاوی هیدروژن کمتری نسبت به هیدروکربن‌های اشباع هستند و حاوی یک یا چند پیوند دو ظرفیتی یا پیوندهای سه ظرفیتی هستند که اتم‌های کربن را به هم متصل می‌کنند. برخی از مهمترین هیدروکربن های غیراشباع در صنعت عبارتند از: استیلن (HC≡CH)، اتیلن (H2C=CH2)، پروپیلن (H3C—CH=CH2) و بوتادین (H2C=CH—CH=CH2). ایده ای از مواد اولیه

اتیلن
اتیلن، یکی از بزرگترین حجم مواد شیمیایی آلی، می تواند همراه با استیلن یا با پروپیلن تولید شود. این باعث تولید تعداد زیادی از محصولات می شود که بسیاری از آنها در حجم زیادی هستند. برخی از مهم‌ترین آنها در یک جعبه استالدئید، آکریلونیتریل، اسید استیک، انیدرید استیک با هم ترکیب شده‌اند. اگر این کادر بزرگ‌نمایی و از نزدیک بررسی شود، این روابط آشکار می‌شود. این مواد، با این حال، به طور کلی می توانند از استیلن نیز ساخته شوند، و استیلن نیز می تواند از منبع کاملاً متفاوتی، یعنی کاربید کلسیم ساخته شود.

استیلن
مواد اولیه کاربید کلسیم عبارتند از آهک، کک و نیروی الکتریکی. بنابراین کاربید کلسیم منبع مناسب تری برای استیلن در کشوری است که دارای نیروی برق آبی است اما فاقد ذخایر نفتی است. بزرگترین تولید کننده استیلن ژاپن است. لهستان، اتحاد جماهیر شوروی و بسیاری از کشورهای دیگر نیز تولیدکنندگان قابل توجهی هستند.

کاربید کلسیم هنگامی که آب بر روی آن اثر می گذارد، استیلن تولید می کند. این فرآیند می تواند در مقیاس کوچک باشد تا استیلن مناسب برای روشنایی به دلیل شعله بسیار روشن آن بدهد. استیلن همچنین در مقیاس بزرگ برای تبدیل شیمیایی ساخته می شود، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است. استیلن همچنین برای جوشکاری اکسی استیلن استفاده می شود زیرا هنگامی که با اکسیژن سوزانده می شود دمای بسیار بالایی تولید می کند.

استیلن و اتیلن برای مصارف صنعتی شیمیایی در رقابت بوده اند. در دهه 1950 استیلن به طور گسترده ای به عنوان یک ماده خام شیمیایی مورد استفاده قرار گرفت و روش هایی برای به دست آوردن آن از منابع هیدروکربنی مورد استفاده قرار گرفت. بعداً اتیلن به طور کلی اقتصادی تر شد و استفاده از استیلن به عنوان ماده اولیه رو به کاهش بود. کاربید کلسیم، ماده خام برای استیلن، اما کاربردهای دیگری نیز دارد. هنگامی که با نیتروژن درمان شود، سیانامید کلسیم می دهد که به عنوان کود و قاتل علف های هرز ارزشمند است و در عین حال ماده اولیه ای برای تولید ملامین است که در ساخت برخی از پلاستیک های مدرن استفاده می شود. سایر محصولات از استیلن، اتیلن و سایر هیدروکربن‌های غیراشباع که در شکل 3 مشخص شده‌اند، نشان می‌دهند که این فرآیندها طیف گسترده‌ای از مواد خام را برای محصولات پلاستیکی، الاستیک و فیبری مختلف فراهم می‌کنند.

پروپیلن
پروپیلن به اندازه اتیلن در حجم تولید نمی شود و بیشتر به صورت شیمیایی استفاده می شود. این ماده اولیه مهم برای مواد شوینده خاص است. منجر به مشتقاتی می شود که در افزودنی های بنزین ضد ضربه استفاده می شود. همچنین می توان آن را به یک محصول با کاربردهایی که معمولاً مشابه پلی اتیلن است، پلیمریزه کرد. هنگامی که پلی پروپیلن به صورت الیاف ساخته می شود، به ویژه برای فرش مفید است.

الاستومرها
بوتادین (شکل 3) برای تولید پلاستیک و الاستومر، گروهی از مواد مرتبط با پلاستیک استفاده می شود. الاستومرها در ابتدا به عنوان جایگزین های مصنوعی برای لاستیک طبیعی تصور می شدند. همانطور که اغلب با جایگزین های مصنوعی اتفاق افتاده است، با این حال، تعدادی از انواع مختلف توسعه یافته است. برخی در واقع از جهاتی بهتر از لاستیک طبیعی بودند و برخی از جهات دیگر بهتر از لاستیک طبیعی بودند، و بنابراین به زودی متوجه شد که آنچه در حال توسعه بود چندان جایگزینی به عنوان یک مکمل نیست.

علاقه به مواد مصنوعی که می تواند در لاستیک های اتومبیل استفاده شود در آلمان از اوایل جنگ جهانی اول شروع شد، زمانی که عرضه از کشورهای گرمسیری و تولید کننده لاستیک قطع شد. نوعی لاستیک مصنوعی تولید شد که می‌توان از آن برای لاستیک‌ها استفاده کرد، اگرچه وسیله نقلیه برای جلوگیری از ایجاد لکه‌های صاف روی لاستیک‌ها باید در زمانی که حرکت نمی‌کرد، با جک بالا می‌رفت. تحقیقات زیادی در آلمان و ایالات متحده منجر به توسعه چند الاستومر، اندکی قبل از جنگ جهانی دوم شد. مهمترین آنها و تا حد زیادی بهترین آنها برای تایرها، از کوپلیمری از 75 قسمت بوتادین و 25 قسمت استایرن ساخته شده بود. این ماده مصنوعی ابتدا با نام GR-S (لاستیک دولتی-استایرن) شناخته شد اما بعداً SBR-لاستیک استایرن-بوتادین نام گرفت. این ماده در مقادیر بسیار بیشتر از سایر مواد مصنوعی تولید می شود. از برخی جهات بهتر از لاستیک طبیعی است، اما در برخی دیگر ضعیف تر است. اغلب در ترکیب با لاستیک های دیگر استفاده می شود.

  آکریلونیتریل را می توان با بوتادین (تقریبا یک سوم اکریلونیتریل، دو سوم بوتادین) کوپلیمر کرد تا لاستیک نیتریل (NBR) را تشکیل دهد. این ماده مصنوعی دارای خواص متفاوتی با سایر مواد مصنوعی است و برای شیلنگ لاستیکی، آستر مخزن، تسمه نقاله، واشر و عایق سیم استفاده می شود. اکریلونیتریل و استایرن همراه با بوتادین یک ترپلیمر به نام ABS را تشکیل می دهند که برای پلاستیک های با استحکام بالا مفید است.

اکریلونیتریل حاوی نیتروژن است و بنابراین از نظر ساختار شیمیایی با لاستیک طبیعی که فقط حاوی کربن و هیدروژن است کاملاً متفاوت است. لاستیک طبیعی دارای واحد تکرار شونده از پنج اتم کربن است. با شروع با ایزوپرن هیدروکربن غیراشباع (C5H8)، می توان پلیمری با آرایش فضایی اتم ها مانند لاستیک طبیعی و با خواص بسیار مشابه ساخت. این پل

ymer گاهی اوقات به عنوان لاستیک طبیعی مصنوعی نامیده می شود. الاستومر هیدروکربنی دیگر با ایزوبوتیلن (C4H8) شروع می شود و بوتیل می دهد، لاستیک که با مقاومت در برابر اکسیژن و نفوذناپذیری در برابر گازها مشخص می شود، که به طور گسترده در عایق کابل ها و به عنوان پوشش پارچه ها استفاده می شود.

استیلن ماده خام کلروپرن (C4H5Cl) است که به نئوپرن، یکی دیگر از الاستومرهای همه کاره با خواص استثنایی تبدیل می شود. همچنین محصولات لاستیکی مانند حاوی گوگرد وجود دارد که در ایالات متحده به نام تیوکول شناخته می شود. یک گروه مرتبط، حاوی کربن، گوگرد و اکسیژن، سولفون ها، مواد پلاستیکی سختی هستند. مواد الاستومری در مقاله الاستومر (لاستیک طبیعی و مصنوعی) به طور کامل تر درمان می شوند.

مواد فیلم
بیشتر گروه‌های شیمیایی ذکر شده در بالا که می‌توانند به عنوان پلاستیک یا الاستومر مورد استفاده قرار گیرند، می‌توانند به شکل فیلم‌های منسجم نیز ساخته شوند. در کشورهای بسیار صنعتی تر، تقاضای بسیار زیادی برای فیلم برای اهداف بسته بندی، عمدتاً برای مواد غذایی، و همچنین در صنعت ساخت و ساز ساختمان وجود دارد. الزامات یک فیلم بسیار متفاوت است. برای بسیاری از محصولات غذایی، فیلم بسته بندی باید توانایی "تنفس" را داشته باشد. یعنی باید مقداری نفوذپذیری در برابر بخار آب و همچنین اکسیژن داشته باشد. فیلم‌ها را می‌توان با نفوذپذیری بالا یا بدون هیچ‌کدام توسعه داد. در برخی از کاربردها، فیلم باید خود آب بندی شود. فیلم‌ها را می‌توان از هر ضخامتی ساخت و برای برخی اهداف، چقرمگی بسیار بالایی لازم است. کاغذ، یا کاغذ تصفیه شده، البته برای بسیاری از این اهداف برای چندین سال استفاده شده است، اما دارای معایبی مانند استحکام کم، به ویژه هنگامی که مرطوب است، و شفاف کردن آن دشوار است. سلفون به صورت تجاری در دهه 1920 تولید شد. شفافیت آن به یکباره توجه را به خود جلب کرد و انقلابی را در مواد بسته بندی آغاز کرد.

سلفون سلولز احیا شده است. مانند ریون ویسکوز است، با این تفاوت که به جای الیاف، به صورت صاف اکسترود شده است. هنوز هم بسیار محبوب است اما به آب و رطوبت در حال تغییر بسیار حساس است. بسیاری از پلیمرهای دیگر اکنون مکمل آن هستند و با آن رقابت می کنند. پلی اتیلن لایه های خوب و سختی می سازد. هیچ تمایز واضحی بین اکستروژن نازک، مفید برای یک فیلم بسته بندی، و محصولات ضخیم تر مورد استفاده برای بطری های نشکن وجود ندارد. بسیاری از محصولات وینیل مانند پلی استایرن، پلی استرها و نایلون در فیلم ها استفاده می شوند. یک مشتق شیمیایی از لاستیک طبیعی، لاستیک کلردار، قابلیت کشش فوق‌العاده‌ای به فیلم‌ها می‌دهد.

از فیلم های منسجمی که می توانند به تنهایی بایستند، یک گام کوتاه به یکی از اجزای یک رنگ است. در روزهای قبل از فناوری شیمیایی، رنگ‌های تجاری بر پایه روغن بذر کتان به عنوان یک فیلم‌ساز بود. روغن بزرک و رنگدانه مخلوطی بسیار غلیظ ایجاد کردند، به طوری که معمولاً با سقز رقیق می شد.

تینر در رنگ جزء است که کمترین تغییر را داشته است. سقز که از درختان کاج به دست می آید و گاهی اوقات به عنوان یک محصول جانبی در ساخت کاغذ هنوز استفاده می شود. با این حال، یک تقطیر نفتی به همان اندازه مؤثر است. تینر خیلی کوتاه پس از اعمال رنگ کاملاً تبخیر می شود. در رنگ‌های لاتکس، خود رنگ به صورت قطرات ریز در آب است و آب رقیق‌تر است.

کربن سیاه
رنگدانه سیاه برجسته محصول همه کاره ای است که به نام سیاه کربن شناخته می شود. کربن بلک یکی از مهمترین محصولات شیمیایی صنعتی است. کربن سیاه یک پتروشیمی در نظر گرفته می شود زیرا از گاز طبیعی یا بقایای نفت ساخته شده است. فرآیندهای مختلفی شامل احتراق ناقص (سوختن هیدروژن هیدروکربن مانند متان و خروج کربن) یا با اعمال گرمای خارجی در کوره و تقسیم هیدروکربن به هیدروژن و کربن است.

مهمترین کاربرد کربن سیاه در ترکیب لاستیک برای استفاده در لاستیک است. یک تایر متوسط یک خودروی سواری حاوی حدود چهار پوند کربن سیاه است. کربن سیاه نه تنها به عنوان رنگدانه استفاده می شود، بلکه در جوهر چاپ نیز استفاده می شود، جوهر کمی با پوشش اعمال شده متفاوت است. کربن سیاه مشکل اصلی را در بازیافت کاغذ روزنامه ایجاد می کند زیرا هیچ راه عملی برای از بین بردن جوهر سیاه یافت نشده است. استفاده تخصصی از کربن سیاه به عنوان یک افزودنی برای ضبط های گرامافون است. شکل خاصی از کربن سیاه، مشتق شده از استیلن، کاربرد اصلی خود را در سلول های خشک الکتروشیمیایی دارد.

الکل ها و مشتقات آنها
متانول
محصول مهم متانول (شکل 1) از گاز سنتز به شکل مونوکسید کربن و هیدروژن (گاهی اوقات دی اکسید کربن و هیدروژن) به دست می آید. اصطلاحات متیل الکل و متانول مترادف هستند، اولی بیشتر در بریتانیای کبیر استفاده می شود و دومی عبارت جهانی در صنعت ایالات متحده است. اصطلاح الکل چوب که گاهی اوقات به کار می رود به این واقعیت اشاره دارد که این الکل قبلاً از تقطیر چوب بدست می آمد.

متانول یک ماده شیمیایی با حجم زیاد است. حدود نیمی از تولید به ساخت فرمالدئید (CH2O) اختصاص می یابد که یک ماده شیمیایی بسیار واکنش پذیر است

دارای تعداد زیادی کاربرد مقدار کمی فرمالدئید از منابع غیر متانولی از طریق اکسیداسیون مستقیم هیدروکربن ها به دست می آید. متانول همچنین وارد تولید پلاستیک های مختلف می شود. منجر به مشتقات مفیدی مانند متیل کلرید، حلال جوهر و رنگ می شود. و در تصفیه داروهای استروئیدی و هورمونی استفاده می شود.

فرمالدئید
بیشترین کاربرد فرمالدئید در تشکیل گروه‌های مهم پلاستیک، رزین‌های اوره فرمالدئید و رزین‌های فنل فرمالدئید است. علاوه بر این، آن را به عنوان یک قارچ کش و به عنوان یک نگهدارنده، در درمان کاغذ و نساجی، و در سنتز محصولات بعدی استفاده می شود.

اتانول و محصولات آن
متانول (CH3OH) ساده ترین الکل است. عدد بعدی این سری که اتانول یا اتیل الکل (CH3CH2OH) نامیده می شود، دارای دو اتم کربن است. این ماده به عنوان ماده فعال نوشیدنی های تخمیری شناخته شده است، اما در صنعت نیز به طور گسترده استفاده می شود. هنگامی که برای مصرف انسان در نظر گرفته می شود، اتیل الکل همیشه با تخمیر برخی از مواد مناسب برای تشکیل آبجو، شراب، یا ارواح مقطر از انواع مختلف تولید می شود. برای مصارف صنعتی گاهی اوقات با تخمیر از برخی مواد ارزان قیمت مانند ملاس تولید می‌شود، اما بیشتر اوقات از اتیلن ساخته می‌شود و باعث می‌شود که تحت تأثیر یک کاتالیزور با آب ترکیب شود، که ممکن است اسید سولفوریک یا اسید فسفریک باشد.

یکی از کاربردهای صنعتی عمده اتانول تبدیل آن از طریق اکسیداسیون به استالدهید (CH3CHO) است. اتانول را می توان در شکل 3 بین اتیلن و بلوک حاوی استالدئید و چندین ماده شیمیایی مرتبط نشان داد. اتانول همچنین در تهیه مشتقات مختلف مانند اتیل کلرید (مورد استفاده در تولید سرب تترا اتیل)، در ساخت پلاستیک های مختلف و در سنتزهای معمول بعدی استفاده می شود.

استالدئید ساخته شده از اتانول به طور کلی در مرحله بعدی توسط همان شرکت استفاده می شود، اغلب در همان کارخانه، به طوری که اتانول واقعا یک واسطه است که به یکباره استفاده می شود. برای مصارف دیگر اتانول اغلب از یک کارخانه به کارخانه دیگر حمل می شود. با این حال، الکلی که برای مصرف انسان در نظر گرفته شده است، در همه کشورها مشمول مالیات است که هزینه اتانول را برای هر مصارف صنعتی گران می کند. بنابراین، الکل صنعتی با افزودن مقادیر کمی از موادی که به دقت انتخاب شده‌اند تا طعم بسیار ناخوشایندی داشته باشند و به سختی حذف شوند، اما در کاربرد صنعتی مورد نظر تداخلی ندارند، تغییر شکل می‌دهند.

سایر الکل ها
در الکل هایی با سه اتم کربن، دو ساختار یا ایزومر ممکن وجود دارد. یکی n-پروپیل الکل (یا 1-پروپانول)، دیگری ایزوپروپیل الکل (یا 2-پروپانول) نام دارد.

الکل 1-پروپانول، که در مقادیر بسیار زیاد تولید نمی شود، کاربرد عمده ای در جوهرهای چاپ پیدا می کند. از طرف دیگر الکل 2-پروپانول در مقیاس میلیون تنی تولید می شود. از پروپیلن با فرآیندی مشابه فرآیندی که برای تبدیل اتیلن به اتانول استفاده می‌شود، ساخته می‌شود و تولید 2-پروپانول توسط این فرآیند صنعت پتروشیمی را در دهه 1920 آغاز کرد.

کاربرد اصلی 2-پروپانول در ساخت استون است که به طور گسترده به عنوان حلال و به عنوان ماده اولیه در ساخت بسیاری از ترکیبات آلی دیگر استفاده می شود. مقادیر کمتری از 2-پروپانول به سایر محصولات شیمیایی تبدیل می شود یا به عنوان حلال، به عنوان الکل مالشی یا به عنوان یک عامل دناتوره کننده برای الکل اتیلیک استفاده می شود.

الکل‌های بالاتر - یعنی با بیش از سه اتم کربن - بیش از حد برای جزئیات بیشتر در اینجا ساخته می‌شوند. همچنین باید به الکل دی هیدریک، اتیلن گلیکول اشاره کرد. این ماده شیمیایی در حجم زیاد تولید می شود و از اتیلن به روش غیر مستقیم ساخته می شود. کاربرد اصلی آن در مخلوط ضد یخ برای رادیاتورهای خودرو است. همچنین در مایعات ترمز استفاده می شود و مشتقات متعددی دارد که در رزین ها، رنگ ها و مواد منفجره و در ساخت الیاف پلی استر استفاده می شود. واکنش‌های مشابهی برای پروپیلن باعث ایجاد پروپیلن گلیکول می‌شود که کاربرد اصلی آن به عنوان یک عامل مرطوب‌کننده در غذاها و تنباکو است.