Современные технологии химической промышленности на примере производства капролактама

 

2. Окисление циклогексана.

Задачей окисления  циклогексана является получение циклогексанона.

Реакция получения циклогексанона протекает путем жидкофазного окисления  циклогексана кислородом воздуха. Установка  окисления циклогексана состоит  из каскада 2 реакторов, работающих последовательно. В каждый реактор снизу через  барботер подается воздух, рабочее  давление в реакторах 0,8—0,9 МПа, температура  поддерживается на уровне 145—160 °С. Время  окисления составляет от 0,5 до 1 часа. В качестве катализатора используется раствор стеората или нефтената  кобальта в циклогексане. Тепло, выделяемое в результате реакции окисления, отводится из реактора за счет частичного испарения циклогексана. Реакционные  газы, содержащие азот, окислы углерода, небольшое количество непрореагировавшего  кислорода, а также пары циклогексана удаляются из реакторов и поступают  на абсорбцию.

При окислении  циклогексана в качестве целевых  продуктов получают не только циклогексанон, но и циклогексанол. Причем последнего продукта образуется больше, чем циклогексанона. Так как для получения капролактама необходим циклогексанон, то циклогексанол  извлекают из смеси и подвергают реакции дегидрирования.

Дегидрирование циклогексанола в  циклогексанон осуществляют в паровой  фазе при оптимальной температуре 240—250 °С путем пропускания паров  через катализатор.

¯

t=145-160°С P=0,8—0,9 МПа

Окисление __________                            __________ циклогексана

Окислительная установка N-M823

¯

Рисунок 2 -  Графическое изображение окисления циклогексана

 

3. Оксимирование  циклогексанона.

Задачей этого  этапа является превратить циклогексанон  в циклогексаноноксим.

Превращение в оксим проводят действием  избытка водного раствора сульфата гидроксиламина в присутствии щелочи или NH₃ при 0-100°С.

 

 

¯

t=0-100°С

Оксимирование __________                            __________ циклогексанона

Установка для оксимирования L834K

¯

Рисунок 3 -  Графическое изображение оксимирования циклогексанона.

 

4. Обработка циклогексаноноксима.

Задачей обработки  циклогексаноноксима является получение  капролактама.

На завершающей стадии синтеза  капролактама, циклогексаноноксим обрабатывают олеулом или конц. H₂SO₄ при температуре 60-120 °С, этот процесс так же называется перегруппировкой Бекмана. Выход капролактама получается примерно 85-88% в пересчете на бензол.

¯

t=60-120°С

Обработка __________                           __________ циклогексаноноксима

Обрабатывающий реактор LP-222

¯

 

Готовое изделие (капролактам)

 

Рисунок 4 -  Графическое изображение обработки циклогексаноноксима.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аппаратурно-технологическая  схема производства капролактама:

 

Бензол Массовая доля основного  в-ва не менее 99,7% Массовая доля примесей, %, не более: Н-гептана – 0,06 Метилциклогексана+толуола  – 0,13 Метилциклопентана – 0,08

¯

t=200°С P=4 МПа

Гидрирование ___________                    ___________ бензола

Гидратор S533

¯

t=145-160°С P=0,8—0,9 МПа

Окисление ___________                   ___________                      циклогексана   (Массовая доля получившегося  циклогексанона, не менее 99,8% Массовая доля примесей не более 0,1% Массовая доля воды не более 0,1%)

Окислительная установка N-M823

¯

t=0-100°С

Оксимирование ___________                    ___________ циклогексанона

Установка для оксимирования L834K

¯

t=60-120°С

Обработка ___________                    ___________ циклогексаноноксима

Обрабатывающий реактор LP-222

¯

Готовое изделие – Капролактам Массовая доля железа не более 0,00002% Массовая доля циклогексаноноксима  не более 0,02%

Рисунок 5 -  Графическое изображение аппаратурно-технологической схемы производства капролактама.

 

2.5. Характеристика состава  физико-механических и эксплуатационных  свойств выбранного материала.

По физическим свойствам капролактам (лактам έ-аминокапроновой кислоты) гигроскопичное кристаллическое вещество белого цвета. Капролактам хорошо растворим в воде и органических растворителях, например в спирте, эфире, бензоле. В таблице 1 представлены физические свойства капролактама.

Таблица 3 - Физические свойства капролактама

Физические  свойства	Обозначение	Единица измерения	Значение
Молекулярная масса	М	-	113,6
Температура плавления	Тпл.	°С	68,8
Температура кипения	Тк.	°С	262,5
Температура самовоспламенения	Тсв.	°С	400
Предельно допустимая концентрация в  воздухе рабочей зоны	ПДК	мг/м3	10
Теплоемкость при 70оС	Ср°	кДж/(кг*К)	1,76
Плотность при 70оС	d	г/см3	1,02
Показатель преломления		-	1,479
Критическое давление	Ркрит.	Па	47,62*105
Энтальпия образования	Δ	кДж/моль	-269,63
Энтальпия сгорания	Δ	кДж/моль	-3605,2

По химическим свойствам капролактам (C₅H₁₀CONH) является типичным представителем лактамов. При нагревании с концентрированными минеральными кислотами образует соли. Водными растворами кислот и щелочей гидролизуется до 8-аминокапроновой кислоты H₂NC₅H₁₀COOH. В присутствии небольших количеств воды, спиртов, аминов, карбоновых кислот при 250-260^оС полимеризуется с образованием полиамидной смолы, из которой затем получают волокно нитрон.

Капролактам - горючее вещество. Температура  вспышки - 135^оС, самовоспламенения - 400^оС. Нижний предел воспламенения - не менее 123^оС. Нижний концентрационный предел взрываемости в смеси с воздухом - 43 г/м³.

Капролактам - токсичен. По степени воздействия  на организм относится к 3-му классу опасности. Раздражает кожу. Доза веществ, вызывающая гибель 50% подопытных животных (мыши, вдыхание паров) - 450 мг/м.

3. Методы переработки  выбранных материалов и основные  области применения.

Основное  промышленное применение капролактама - производство полиамидных (нейлоновых) волокон и нитей (полиамид 6). Кроме  того, капролактам применяется в  производстве инженерных пластиков, полиамидных  пленок. В небольших количествах  капролактам может использоваться в образовании полиуретана и  синтезе лизина, в производстве жестких  текстильных подкладок, покрытий для  пленок, синтетической кожи, пластификаторов, растворителей для красок.

В том числе  капролактам используется для синтеза  поликапроамида (капрона). Доступность  исходного сырья, простота методов  производства капролактама, высокий  выход продукта определяют большие  масштабы производства этого мономера, а тем самым поликапроамида и  композитов на его основе.

Основными стадиями получения поликапроамида являются: полимеризация капролактама, экстракция лактама из поликапроамида и его  сушка.

В настоящее  время различают:

● гидролитическую полимеризацию (при использовании в качестве активатора воды);

● катионную полимеризацию, осуществляемую в присутствии безводных кислот как катализаторов;

● анионную полимеризацию в присутствии щелочей и щелочных металлов.

Гидролитическая полимеризация нашла наибольшее промышленное применение. При гидролитической  полимеризации капролактама процесс  протекает по типу ступенчатой полимеризации. В начальной стадии реакции в результате взаимодействия мономера с водой (активатор) образуется аминокапроновая кислота

NH(CH₂)₅CO + H₂O Û NH₂(CH₂)₅COOH

которая реагирует с капролактамом, и получается димер:

НООС(CH₂)₅ NH₂ + NH(CH₂)₅CO ® NH₂(CH₂)₅CO-NH(CH₂)₅COOH

 

Затем молекула димера реагирует с молекулой  капролактама с образованием тримера  и т.д. вплоть до получения продукта со степенью полимеризации, определяемой условиями проведения реакции 

NH(CH₂)₅CO + Н[NH(CH₂)₅CO]_nOH Û Н[NH(CH₂)₅CO]_n+1OH

Наиболее  медленной стадией процесса превращения  капролактама в полимер, является первая стадия - образование аминокапроновой  кислоты при взаимодействии капролактама с активатором. Поэтому полиамид образуется гораздо быстрее при  применении в качестве исходного  продукта не капролактама, а аминокапроновой  кислоты.

Возможна, однако, и другая схема реакции. В начальной  стадии процесса также образуется аминокапроновая  кислота:

NH(CH₂)₅CO + H₂O Û NH₂(CH₂)₅COOH

молекулы  которой реагируют между собой  по поликонденсационному механизму  с образованием димера:

NH₂(CH₂)₅COOH + H₂N(CH₂)₅ COOH ®

® NH₂ (CH₂)₅ CO- NH(CH₂)₅COOH + H₂O

Выделяющаяся  вода снова реагирует с образованием аминокапроновой кислоты, которая вступает в реакцию конденсации с димером, и т.д. вплоть до образования полимера.

Реакция полимеризации является равновесной  и обратимой:

 

Чем выше температура реакции и ниже концентрация мономера в реакционной смеси (при  полимеризации в растворе), тем  выше содержание мономера в продукте реакции при достижении равновесия.

Присутствие кислорода и других окислителей  вызывает при повышенной температуре побочные процессы окисления и разложения полимера, но не влияет на скорость превращения циклов в полимер. Скорость полимеризации капролактама в присутствии воздуха и в среде инертного газа одинакова.

Основными параметрами  процесса полимеризации капролактама являются его продолжительность, температура, количество и природа активатора (катализатора) и стабилизатора, характер среды.

 

4. Управленческие, организационные и экономические

аспекты курсовой работы

В качестве примера в моей работе будет рассмотрено  предприятие ОАО «КуйбышевАзот».

ОАО "КуйбышевАзот" является одним  из ведущих предприятий российской химической промышленности.

Предприятие осуществляет свою деятельность по двум основным направлениям:

- капролактам и продукты его  переработки (полиамид-6, высокопрочные  технические нити, кордная ткань,  инженерные пластики);

- аммиак и азотные удобрения.

Предприятие расположено в 1000 километрах на юго-восток от столицы России - г.Москвы, в г.Тольятти, Самарской области, на берегу самой крупной в Европе реки Волга. Завод был основан  в 1966 году. Площадь компании - 3 000 000 кв.м. (300 Гектар), численность рабочих - 5,1 тыс. человек, средний возраст работающих – 42 года, средняя заработная плата  – 29864 рублей. 
   

 

Таблица 4 - Основные показатели за 2000-2011 гг                               

	Ед.измерения	2000	2011	Прирост
Объем реализации	млн.руб.	4473	21084	371%
Объем производства
Капролактам	тыс.тонн	105	174,6	66,3%
Полиамид-6	тыс.тонн	0	113,1	Новый продукт
Техническая нить	тыс.тонн	0	7,6	Новый продукт
Кордная ткань	тыс.тонн	0	6,4	Новый продукт
Аммиачная селитра	тыс.тонн	299,8	496,2	65%
Карбамид	тыс.тонн	193,0	294,1	52,4%
Сульфат аммония	тыс.тонн	307,9	439,4	43%
Аммиак	тыс.тонн	530,6	520,4	-1,9%
Грузооборот	тыс.тонн	1353	1982,3	46,5%