صنعت مواد شیمیایی و پتروشیمی فصل اول

• 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

صنعت مواد شیمیایی   

اگرچه صنعت شیمیایی را می توان صرفاً به عنوان صنعتی توصیف کرد که از شیمی استفاده می کند و مواد شیمیایی را تولید می کند، این تعریف کاملاً رضایت بخش نیست زیرا این سؤال را باز می گذارد که یک ماده شیمیایی چیست. تعاریف اتخاذ شده برای اهداف اقتصادی آماری از کشوری به کشور دیگر متفاوت است. همچنین طبقه‌بندی استاندارد تجارت بین‌الملل که توسط سازمان ملل منتشر شده است، شامل مواد منفجره و محصولات آتش‌نشانی به عنوان بخشی از بخش مواد شیمیایی آن است. اما این طبقه بندی شامل الیاف ساخته شده توسط انسان نمی شود، اگرچه تهیه مواد خام برای چنین الیافی به همان اندازه شیمیایی است که هر شاخه ای از تولید می تواند باشد.

ویژگی های پیچیده صنایع شیمیایی
دامنه صنعت شیمیایی تا حدی بر اساس عرف شکل گرفته است تا منطق. صنعت نفت معمولاً جدا از صنایع شیمیایی در نظر گرفته می شود، زیرا در روزهای اولیه صنعت نفت در قرن 19، نفت خام صرفاً تحت یک تصفیه ساده تقطیر قرار می گرفت. با این حال، فرآیندهای مدرن صنعتی نفت، تغییرات شیمیایی ایجاد می‌کنند و برخی از محصولات یک مجتمع پالایشگاهی مدرن با هر تعریفی، مواد شیمیایی هستند. اصطلاح پتروشیمی برای توصیف این عملیات شیمیایی استفاده می شود، اما به دلیل اینکه اغلب در همان کارخانه تقطیر اولیه انجام می شود، حفظ تمایز بین صنعت نفت و صنایع شیمیایی دشوار است.

فلزات به یک معنا مواد شیمیایی هستند، زیرا آنها با روش های شیمیایی تولید می شوند، سنگ معدن ها گاهی اوقات به روش های شیمیایی برای پانسمان قبل از پالایش نیاز دارند. فرآیند پالایش نیز شامل واکنش های شیمیایی است. فلزاتی مانند فولاد، سرب، مس و روی به شکل نسبتاً خالص تولید می شوند و بعداً به اشکال مفید ساخته می شوند. به عنوان مثال، صنعت فولاد بخشی از صنایع شیمیایی محسوب نمی شود. در متالورژی مدرن، فلزاتی مانند تیتانیوم، تانتالیوم، و تنگستن با فرآیندهایی که شامل مهارت‌های شیمیایی زیاد است تولید می‌شوند، با این حال هنوز به عنوان فلزات اولیه طبقه‌بندی می‌شوند.

بنابراین، مرزهای صنایع شیمیایی تا حدودی گیج شده است. مواد اولیه اصلی آن سوخت های فسیلی (زغال سنگ، گاز طبیعی و نفت)، هوا، آب، نمک، سنگ آهک، گوگرد یا مشابه آن و برخی مواد اولیه تخصصی برای محصولات خاص مانند فسفات ها و فلورسپار معدنی است. صنایع شیمیایی این مواد خام را به محصولات اولیه، ثانویه و ثالثی تبدیل می‌کند، این تمایز بر اساس دور بودن محصول از مصرف‌کننده است، که اصلی‌ترین آنها دورتر است. محصولات اغلب فقط در مورد خود صنایع شیمیایی محصولات نهایی هستند. یکی از ویژگی های اصلی صنایع شیمیایی این است که محصولات آن تقریباً همیشه قبل از رسیدن به مصرف کننده نهایی نیاز به پردازش بیشتری دارند.

بنابراین، به طور متناقض، صنایع شیمیایی بهترین مشتری خود هستند. یک محصول شیمیایی متوسط قبل از اینکه از صنایع شیمیایی وارد بازار شود چندین بار از کارخانه ای به کارخانه دیگر منتقل می شود.

مسیرهای زیادی برای رسیدن به یک محصول و کاربردهای زیادی برای یک محصول وجود دارد. به عنوان مثال، بیشترین کاربرد اتیلن گلیکول به عنوان ضد یخ خودرو است، اما از آن به عنوان روغن ترمز هیدرولیک نیز استفاده می شود. فرآوری بیشتر منجر به مشتقات زیادی می شود که به عنوان افزودنی در صنایع نساجی، دارویی و آرایشی استفاده می شود. به عنوان امولسیفایر در کاربرد حشره کش ها و قارچ کش ها؛ و به عنوان دمولسیفایر برای نفت. مواد شیمیایی اساسی، مانند کلر یا اسید سولفوریک، به روش‌های مختلفی استفاده می‌شوند که فهرستی جامع را به چالش می‌کشند.

به دلیل رقابت در صنعت شیمیایی و در میان مواد شیمیایی، صنایع شیمیایی مبالغ زیادی را صرف تحقیقات می کند، به ویژه در کشورهای بسیار صنعتی. درصد درآمدی که صرف تحقیق می شود از شاخه ای به شاخه دیگر متفاوت است. شرکت‌های متخصص در محصولات با حجم بالا که سال‌ها به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته‌اند، هزینه کمتری می‌کنند، در حالی که رقابت در زمینه‌های جدیدتر تنها با تلاش‌های تحقیقاتی فشرده قابل برآورده شدن است.

جنبه های اقتصادی
در بیشتر زمینه ها، ایالات متحده بزرگترین تولید کننده مواد شیمیایی است. آلمان، انگلستان، فرانسه، ایتالیا و برخی دیگر از کشورهای اروپایی نیز تولیدکنندگان بزرگی هستند و شوروی نیز همینطور است. ژاپن در دهه 1960 به عنوان یک تولید کننده بسیار بزرگ در مناطق خاصی مطرح شد. سرمایه گذاری در صنایع شیمیایی به عنوان درصدی از کل سرمایه گذاری در یک کشور معین ممکن است از 5 تا 15 درصد برای کشورهای کمتر توسعه یافته متغیر باشد. برای کشورهای صنعتی به طور متوسط حدود 6 تا 8 درصد است. برای برخی از کشورهای در حال توسعه این درصد می تواند به طور گسترده ای در نوسان باشد. به عنوان مثال، نصب یک کارخانه کود دهی قابل توجه می تواند درصد را در یک کشور خاص تغییر دهد.

در اوایل قرن بیستم بین اقتصادهایی که مبتنی بر زغال سنگ به عنوان سوخت فسیلی بودند و اقتصادهایی که مبتنی بر نفت بودند، تمایز مشخصی وجود داشت. زغال سنگ تقریبا منبع منحصر به فرد هیدروکربن های معطر بود. با این حال، دو نیرو با هم همکاری کرده اند تا این وضعیت را تغییر دهند. اول، اکنون می توان مواد آروماتیک را از نفت نیز به دست آورد، و در واقع همه مواد خام هیدروکربنی اکنون تقریباً قابل تعویض هستند. ثانیاً، فناوری حمل و نقل مدرن، محموله های بسیار بزرگ از طریق دریا را نه تنها نفت، خام یا در مراحل مختلف پالایش، بلکه همچنین گاز طبیعی را که در یخچال و به صورت مایع تغلیظ شده است، ممکن می سازد.

آمارهای صنعت شیمیایی به عنوان یک کل می تواند گمراه کننده باشد زیرا روی هم قرار دادن محصولاتی مانند اسید سولفوریک ارزان قیمت و رنگ ها یا الیاف گران قیمت انجام می شود. در برخی از مجموعه ها لوازم آرایشی و بهداشتی گنجانده شده است که ارزش هر پوند آنها ممکن است به طور مصنوعی بالا باشد. آمار صنایع شیمیایی از کشورهای مختلف ممکن است مبنای محاسبه متفاوتی داشته باشد. در واقع اساس ممکن است هر از گاهی در همان کشور تغییر کند. یک منبع دیگر سردرگمی این است که در برخی موارد تولید نه بر حسب تن از خود محصول بلکه بر حسب تن از محتوای جزء مهم نقل می شود.

به منظور سادگی، بخش‌های مختلف صنایع شیمیایی، مانند مواد شیمیایی معدنی و آلی سنگین و خانواده‌های مختلف محصولات نهایی، به نوبه خود و به طور جداگانه توضیح داده می‌شوند، اگرچه باید در نظر داشت که آنها دائماً در تعامل هستند. اولین تقسیم بندی که مورد بحث قرار می گیرد، مواد شیمیایی معدنی سنگین است که از آغاز تاریخی صنعت شیمیایی با فرآیند Leblanc شروع می شود. با این حال، اصطلاحات صنایع شیمیایی سنگین و صنایع شیمیایی سبک دقیقاً انحصاری نیستند، زیرا عملیات های متعدد در جایی بین این دو طبقه قرار می گیرند. با این حال، این دو طبقه در نهایت با تفاوت‌های دیگر همبستگی دارند. به عنوان مثال، ظاهر دو نوع گیاه به طور مشخص متفاوت است. مشخصه این کارخانه شیمیایی در مقیاس بزرگ، قطعات بزرگی از تجهیزات با اشکال و اندازه های عجیب و غریب است که بدون حرکت و مستقل از یکدیگر ایستاده اند. ردیف‌های طولانی ستون‌های تقطیر برجسته هستند، اما به دلیل اینکه مواد در حال پردازش معمولاً در لوله‌ها یا مخازن محبوس می‌شوند، فعالیت چندان قابل تشخیصی انجام نمی‌شود. تعداد کمی از پرسنل شواهد هستند.

صنایع شیمیایی سبک کاملاً متفاوت است. این شامل بسیاری از تجهیزات مختلف با اندازه متوسط، اغلب از فولاد ضد زنگ یا روکش شده با شیشه یا مینا است. این تجهیزات در ساختمان هایی مانند ساختمان هایی مانند مونتاژ ماشین آلات سبک قرار می گیرند. پرسنل متعددی حضور دارند. هر دو نوع گیاه به سرمایه زیادی نیاز دارند

----- مواد شیمیایی معدنی سنگین
کربنات سدیم و سایر مواد قلیایی
در سال 1775 آکادمی علوم فرانسه جایزه ای را برای یک روش عملی برای تبدیل نمک معمولی، کلرید سدیم، به کربنات سدیم، یک ماده شیمیایی مورد نیاز برای تولید صابون و شیشه، ارائه کرد. نیکلاس لبلان، جراح با شیمی عملی، چنین فرآیندی را ابداع کرد. حامی او، دوک اورلئان، در سال 1791 کارخانه ای برای این فرآیند راه اندازی کرد، اما کار با انقلاب فرانسه متوقف شد. این فرآیند در نهایت تا سال 1823 در انگلستان به بهره برداری صنعتی نرسید و پس از آن تقریباً 100 سال برای تهیه کربنات سدیم مورد استفاده قرار گرفت.

فرآیند لبلان
اولین مرحله در فرآیند Leblanc، تصفیه سدیم کلرید با اسید سولفوریک بود. این تیمار سولفات سدیم و کلرید هیدروژن تولید کرد. سپس سولفات سدیم با سنگ آهک و زغال سنگ حرارت داده شد تا خاکستر سیاه تولید شود که حاوی کربنات سدیم مورد نظر، مخلوط با سولفید کلسیم و مقداری زغال سنگ واکنش نداده بود. محلول کربنات سدیم در آب آن را از خاکستر سیاه جدا کرد و سپس محلول متبلور شد. از این عملیات عبارت خاکستر سودا بدست می آید که هنوز برای کربنات سدیم استفاده می شود.

به زودی مشخص شد که وقتی هیدروژن کلرید اجازه خروج به جو را داده شد، باعث آسیب شدید به پوشش گیاهی در یک منطقه وسیع شد. برای از بین بردن مشکل آلودگی، روش هایی برای تبدیل کلرید هیدروژن محلول به کلر عنصری توسعه داده شد. کلر جذب شده در آهک برای تهیه پودر سفید کننده استفاده می شد که تقاضای فزاینده ای برای آن وجود داشت.

از آنجایی که سولفید کلسیم موجود در خاکستر سیاه بوی بسیار ناخوشایندی داشت، روش‌هایی برای حذف آن از طریق بازیابی گوگرد توسعه داده شد و در نتیجه حداقل بخشی از مواد خام برای اسید سولفوریک مورد نیاز در بخش اول فرآیند فراهم شد. بنابراین، فرآیند Leblanc، در همان ابتدا، توانایی معمول صنایع شیمیایی برای توسعه فرآیندهای جدید و محصولات جدید، و اغلب در انجام این کار برای تبدیل یک بدهی به دارایی را نشان داد.

فرآیند آمونیاک سودا (Solvay).
فرآیند Leblanc در نهایت با فرآیند آمونیاک- سودا (به نام فرآیند Solvay) جایگزین شد که برای اولین بار در بلژیک در دهه 1860 با موفقیت انجام شد. در این فرآیند، کلرید سدیم به عنوان یک آب نمک قوی با آمونیاک و دی اکسید کربن تصفیه می شود تا بی کربنات سدیم و کلرید آمونیوم به دست آید. کربنات سدیم مورد نظر به راحتی از بی کربنات با حرارت دادن به دست می آید. سپس، هنگامی که کلرید آمونیوم با آهک تصفیه می شود، کلرید کلسیم و آمونیاک می دهد. بنابراین، کلری که در سدیم کلرید اصلی وجود داشت به صورت کلرید کلسیم ظاهر می شود که تا حد زیادی دور ریخته می شود (از جمله موارد معدود این ترکیب، ذوب برف و یخ جاده ها و پیاده روها است). آمونیاکی که بدین ترتیب بازسازی می شود به بخش اول فرآیند بازگردانده می شود. بازیابی کارآمد تقریباً تمام آمونیاک برای عملکرد اقتصادی فرآیند ضروری است، از دست دادن آمونیاک در یک عملیات خوب بیش از 0.1 درصد وزن محصول نیست.

فرآیند الکترولیتی
بعدها در قرن 19 توسعه تولید برق الکتریکی صنعت الکتروشیمیایی را ممکن کرد. این شاخه به وضوح قابل شناسایی از صنعت شیمیایی شامل تعدادی کاربرد است که در آنها الکترولیز، تجزیه یک ترکیب در محلول به عناصر آن توسط جریان الکتریکی، برای ایجاد یک تغییر شیمیایی استفاده می شود. الکترولیز کلرید سدیم می تواند به کلر و یا هیدروکسید سدیم (اگر NaCl در محلول بود) یا سدیم فلزی (اگر NaCl ذوب شده باشد) منجر شود. هیدروکسید سدیم، قلیایی مانند کربنات سدیم، در برخی موارد برای کاربردهای مشابه با آن رقابت می کند، و در هر صورت این دو با فرآیندهای نسبتاً ساده قابل تبدیل هستند. کلرید سدیم را می توان با هر یک از این دو فرآیند به یک قلیایی تبدیل کرد، تفاوت بین آنها در این است که فرآیند آمونیاک - سودا کلر را به شکل کلرید کلسیم می دهد، ترکیبی با ارزش اقتصادی کم، در حالی که فرآیندهای الکترولیتی کلر عنصری تولید می کنند. که تقریباً کاربردهای بیشماری در صنایع شیمیایی دارد، از جمله ساخت پلی وینیل کلراید پلاستیک، ماده پلاستیکی تولید شده در بیشترین حجم. به همین دلیل، فرآیند آمونیاک- سودا، با جابجایی فرآیند Leblanc، خود را در حال جابجایی می بیند، کارخانه های قدیمی آمونیاک- سودا به کار بسیار کارآمد خود ادامه می دهند، اما هیچ کارخانه جدید آمونیاک- سودا ساخته نمی شود.

سایر فرآیندهای مهم
نیاز به کربنات سدیم در ساخت صابون و شیشه که منجر به فرآیند Leblanc شد، همچنین منجر به ایجاد صنعت قلیایی و صنعت کلر قلیایی، یکی دیگر از نشانه های تاریخی صنعت شیمیایی شد (به کلر مراجعه کنید).

اسید سولفوریک
اسید سولفوریک تا حد زیادی بزرگترین محصول منفرد صنعت شیمیایی است. فرآیند اتاق برای آماده سازی آن در مقیاس مورد نیاز فرآیند Leblanc را می توان به عنوان مهم ترین کمک طولانی مدت دومی در نظر گرفت.

فرآیند اتاق
هنگامی که گوگرد در هوا سوزانده می شود، دی اکسید گوگرد تشکیل می شود و هنگامی که با آب ترکیب می شود، اسید گوگرد تولید می کند. برای تشکیل اسید سولفوریک، دی اکسید با اکسیژن ترکیب می شود و تری اکسید تشکیل می شود که سپس با آب ترکیب می شود. تکنیکی برای تشکیل تری اکسید، به نام فرآیند محفظه، در روزهای اولیه عملیات فرآیند Leblanc توسعه یافت. در این روش واکنش بین دی اکسید گوگرد و اکسیژن در حضور آب و اکسیدهای نیتروژن صورت می گیرد. از آنجایی که واکنش نسبتاً کند است، باید زمان ماند کافی برای واکنش گازهای مخلوط در نظر گرفته شود. این مخلوط گازی بسیار خورنده است و واکنش باید در ظروف ساخته شده از سرب انجام شود.

فرآیند تماس
سرب ماده ای نامناسب برای استفاده در ساخت و ساز است، و این فرآیند نمی تواند اسید غلیظ تر از حدود 78 درصد را بدون عملیات خاص تحویل دهد. بنابراین، فرآیند محفظه تا حد زیادی با فرآیند تماس جایگزین شده است، که در آن واکنش در یک راکتور داغ، روی یک کاتالیزور ترکیبی پلاتین یا وانادیوم انجام می‌شود، ماده‌ای که سرعت واکنش را بدون دخالت شیمیایی افزایش می‌دهد.
از کل تولید جهانی اسید سولفوریک، تقریباً نیمی به تولید سوپر فسفات و کودهای مربوطه اختصاص دارد. کاربردهای دیگر اسید به قدری متنوع است که تقریباً نادیده گرفته می شود، از جمله موارد قابل توجه ساخت بنزین با اکتان بالا، دی اکسید تیتانیوم (رنگدانه سفید، همچنین پرکننده برای برخی از پلاستیک ها و کاغذ)، مواد منفجره، ابریشم مصنوعی و ... فرآوری اورانیوم و ترشی فولاد.

منابع گوگرد
از آنجایی که اسید سولفوریک برای بسیاری از صنایع ضروری است، مواد اولیه اولیه آن از بیشترین اهمیت برخوردار است. گوگرد مورد نیاز از منابع متعددی بدست می آید. در اصل، گوگرد عمدتاً از ذخایر آتشفشانی خاصی در سیسیل به دست آمد. در آغاز قرن بیستم، این منبع ناکافی بود، اما عرضه توسط گوگردی که در زیر زمین در جنوب ایالات متحده وجود دارد، افزایش یافت. این گوگرد استخراج نمی شود، اما توسط فرآیند فراش به اصطلاح بازیابی می شود، که در آن گوگرد در زیر زمین توسط آب داغ ذوب می شود و مخلوط به صورت مایع به سطح می آید.

منابع دیگر گوگرد شامل سنگ آهن پیریت، یک ترکیب آهن-گوگرد است که می تواند برای تولید دی اکسید گوگرد سوزانده شود، و برخی از گازهای طبیعی به نام گاز ترش، که حاوی مقادیر قابل توجهی سولفید هیدروژن است. سولفیدهای فلزی خاصی مانند روی و مس در سنگ معدن این فلزات وجود دارد. وقتی این سنگ‌ها برشته می‌شوند، دی‌اکسید گوگرد خارج می‌شود. گوگرد معمولا به شکل عنصری خود به جای اسید سولفوریک ارسال می شود.

تحت برخی شرایط می توان از مرحله تولید اسید سولفوریک اجتناب کرد. سولفات آمونیوم، یک کود، معمولاً از واکنش آمونیاک با اسید سولفوریک ساخته می شود. در بسیاری از نقاط جهان، منابع فراوان سولفات کلسیم در هر یک از چندین اشکال معدنی را می توان برای ساخت سولفات آمونیوم با ترکیب آن با آمونیاک و آب استفاده کرد. این فرآیند گوگرد موجود در رسوبات سولفات کلسیم را مورد استفاده قرار می دهد. از آنجایی که ذخایر سولفات کلسیم در سراسر جهان گسترده است، توسعه چنین فرآیندی منابع موجود گوگرد را تقریباً نامحدود می کند.

گوگرد موجود با درصد پایین در سوخت های فسیلی منبع بدنام آلودگی هوا در اکثر کشورهای صنعتی است. حذف گوگرد از نفت خام به عرضه گوگرد می افزاید و آلودگی را کاهش می دهد. حذف مستقیم گوگرد از زغال سنگ آسان تر است.

دی سولفید کربن
دی سولفید کربن از واکنش کربن و گوگرد ساخته می شود. کربن از گاز طبیعی می آید و گوگرد ممکن است به شکل عنصری، به صورت سولفید هیدروژن یا دی اکسید گوگرد تامین شود. کاربردهای اصلی دی سولفید کربن برای ساخت ریون و فیلم سلولزی بازسازی شده است. این دو محصول در مقادیر زیادی ساخته می شوند که دی سولفید کربن با هر استانداردی یک ماده شیمیایی سنگین است.

کودها
کودها یکی از بزرگترین کالاهای بازار برای صنایع شیمیایی هستند. این صنعت بسیار بزرگ در همه کشورهای صنعتی است که برای معرفی هر چه زودتر به کشورهای در حال توسعه بسیار مهم است.

عناصر مهمی که باید به مقدار قابل توجهی به صورت کود به خاک اضافه شوند عبارتند از نیتروژن، فسفر و پتاسیم در هر مورد به صورت ترکیب مناسب. اینها عناصر اصلی کود یا درشت مغذی ها هستند. کلسیم، منیزیم و گوگرد به عنوان مواد مغذی ثانویه در نظر گرفته می شوند. و گاهی اضافه کردن آنها ضروری است. عناصر متعدد دیگر فقط در مقادیر کمی مورد نیاز هستند. برخی از خاک‌ها ممکن است کمبود بور، مس، روی یا مولیبدن داشته باشند، بنابراین اضافه کردن مقادیر بسیار کمی از آنها ضروری است. با این حال، کودها به عنوان یک صنعت بزرگ بر اساس سه عنصر ذکر شده در بالا هستند.

نیتروژن در مقادیر زیادی در هوا وجود دارد و حدود 78 درصد از جو را تشکیل می دهد. این ماده به عنوان آمونیاک وارد صنایع شیمیایی می شود که از طریق تثبیت نیتروژن اتمسفر تولید می شود که در زیر توضیح داده شده است. برای فسفر و پتاسیم باید منابع معدنی یافت و آنها را به شکل مناسب برای استفاده تبدیل کرد. این سه عنصر فقط در کود استفاده نمی شوند. آنها کاربردهای دیگری دارند و با دیگر جنبه های صنعت شیمیایی تعامل دارند و تصویر بسیار پیچیده ای را ایجاد می کنند.