книги / Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза
..pdfВ.С.ТИМОФЕЕВ
Л.А.СЕРАФИМОВ
ПРИНЦИПЫ
ТЕХНОЛОГИИ
основного
ОРГАНИЧЕСКОГО
И НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО
СИНТЕЗА
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ
Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Химическая технология и биотехнология» и направлению подготовки дипломированных специалистов «Химическая технология органических веществ и топлива»
МОСКВА "ВЫСШАЯ ШКОЛА-
2003
УДК 661.7(0.75.8) ББК 35.61
Т415
Р ец ен зен ты :
кафедра технологии основного органического и нефтехимического синтеза Российского химико-технологического университета им. Д .И . Менделеева (зав. кафедрой д-р хим. наук, проф. В.Ф. Швец); д-р хим. наук, проф.
Ю .Л. Трегер (ФГУП НИИ «Синтез» с КБ)
Тимофеев, В.С.
Т415 Принципы технологии основного органического и нефтехи мического синтеза: Учеб, пособие для вузов/B.C. Тимофеев, Л.А. Серафимов.— 2-е изд., перераб.— М.: Высш. шк., 2003.— 536 с.: ил.
ISBN 5-06-004267-7
Рассмотрена технология основного органического и нефтехимического синтеза. Даны режимы работы технологических объектов. Изложены систем ные закономерности, используемые при создании и оптимизации производств, а также принципы автоматизированного проектирования производств. Приве дены теоретические основы и технологические принципы оформления реакци онных подсистем и совмещенных процессов. Представлены физико-химичес кие основы и технологическое оформление массообменных подсистем. Изло жены принципы создания безотходных производств. Рассмотрена технология получения основных продуктов основного органического и нефтехимического синтеза (парафинов, олефинов, ароматических углеводородов, метанола и др.) на базе изложенных принципов.
Для студентов химико-технологических вузов. Может быть полезно науч ным сотрудникам и проектировщикам, работающим в данной и смежных отраслях.
УДК 661.7(0.75.8) ББК 35.61
ISBN 5-06-004267-7 © ФГУП «Издательство «Высшая школа», 2003
Оригинал-макет данного издания является собственностью издательства «Высшая школа», и его репродуцирование (воспроизведение) любым спосо бом без согласия издательства запрещается.
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение............................................................................................ |
9 |
Часть 1. Теоретические основы технологии |
|
крупнотоннажных производств |
|
органических продуктов............................................ |
14 |
Пива 1. Технологическое оформление производств |
|
основного органического и нефтехимического |
|
синтеза (ОО и НХС)............................ |
14 |
Химическая технология как наука................................ |
14 |
Особенности технологии основного |
|
органического и нефтехимического синтеза................ |
16 |
Структура производства и отрасли................................ |
20 |
Режимы работы технологических объектов.................. |
22 |
Общие принципы создания технологических |
|
процессов....................................................................... |
25 |
Diaea 2. Системные закономерности в технологии основного |
|
органического и нефтехимического синтеза................. |
30 |
Производство как сложная система.............................. |
32 |
Система и ее составные част и................................. |
32 |
Свойства и характеристики систем................................ |
35 |
Системное представление производства................... |
39 |
Модели технологических установок |
|
и комплексов производств............................................. |
41 |
Виды и общая характеристика моделей.................... |
43 |
Матричное представление моделей........................... |
46 |
Варианты соединения аппаратов |
|
и передаточные функции............................................... |
49 |
Последовательное соединение элементов......................... |
51 |
Параллельное соединение элементов.......................... |
52 |
Соединение элементов по схеме с обратной связью..... |
53 |
4 |
О главление |
|
Системный подход к разработке технологии |
|
|
производства.................................................................. |
56 |
|
Методологические принципы.................................... |
56 |
|
Разработка схем химико-технологических систем...... |
61 |
|
Выбор технологии производства продуктов............... |
63 |
|
Математическое моделирование |
|
|
химико-технологических объектов............................... |
65 |
|
Оптимизация производства........................................... |
72 |
|
Декомпозиция химико-технологических систем........ |
72 |
|
Оптимизация химико-технологических систем............ |
73 |
|
Надежность работы отдельных аппаратов |
|
|
и химико-технологических систем................................ |
79 |
|
Оценка работоспособности системы............................ |
88 |
Diaea 3. |
Технологическое оформление |
|
|
реакторных подсистем..................................................... |
90 |
|
Классификация химических реакций........................... |
91 |
|
Классификация процессов............................................ |
102 |
|
Классификация реакторных устройств......................... |
120 |
|
Выбор реакторных устройств........................................ |
130 |
|
Пути интенсификации работы |
|
|
реакторных устройств.................................................... |
134 |
Diaea 4. |
Подсистема разделения................................................... |
144 |
|
Фазовое равновесие....................................................... |
148 |
|
Термодинамические основы фазовыхравновесий |
|
|
в многокомпонентных неидеальных системах............. |
149 |
|
Математическоемоделирование |
|
|
фазовыхравновесий.................................................. |
152 |
|
Общие подходы к синтезу |
|
|
технологических схем разделения................................. |
159 |
|
Методы синтеза технологических схем разделения...... |
162 |
|
Термодинамико-топологический анализ структур |
|
|
диаграмм фазового равновесия.................................... |
171 |
|
Методы разделения и принципы их выбора................. |
183 |
|
Разделительные комплексы........................................... |
188 |
|
Комплексы дляразделения зеотропных смесей............ |
189 |
|
Комплексы дляразделения азеотропных смесей.......... |
189 |
|
Комплексы азеотропной, экстрактивной |
|
|
и автоэкстрактивной ректификаций...................... |
198 |
О главление |
5 |
|
Глава 5. Совмещение как метод улучшения технологии............ |
203 |
|
|
Классификация совмещенных процессов.................... |
206 |
|
Анализстатикинепрерывныхсовмещенных |
|
|
реакционно-ректификационныхпроцессов(НСРРП),... 209 |
|
|
Правила определения принципиальной |
|
|
протяженности реакционной зоны............................... |
212 |
|
Общие принципы организации НСРРП...................... |
214 |
|
Примеры непрерывных совмещенных |
|
|
реакционно-массообменных процессов....................... |
217 |
Глава 6. |
Принципы создания безотходных |
|
|
(малоотходных) производств.......................................... |
226 |
|
Общие подходы к созданию |
|
|
безотходных производств.............................................. |
229 |
|
Методологические принципы....................................... |
234 |
|
Химические принципы.................................................. |
236 |
|
Технологические принципы.......................................... |
241 |
|
Организационные принципы........................................ |
259 |
|
Условия применения принципов создания |
|
|
безотходных производств.............................................. |
262 |
|
Экономическое обоснование |
|
|
безотходныхтехнологий................................................ |
266 |
Часть 2. Технология крупнотоннажных производств |
|
|
|
органических продуктов............................................. |
271 |
Глава 7. |
Алкилирование ароматических углеводородов............ |
271 |
|
Теоретические основы процесса алкилирования........ |
272 |
|
Технология алкилирования бензола олефинами......... |
281 |
|
Производство этилбензола и изопропилбензола |
|
|
в присутствии А1С13 ................................................................ |
282 |
|
Производство этилбензола и изопропилбензола |
|
|
на гетерогенных катализаторах......................................... |
290 |
|
Принципы втехнологии алкилирования |
|
|
бензола олефинами........................................................ |
295 |
|
Принципы в технологии |
|
|
жидкофазного алкилирования............................................... |
296 |
|
Принципы в технологии алкилирования бензола |
|
|
на гетерогенном катализаторе............................. |
298 |
6 |
О главление |
Глава 8. Производство стирола и оксидов олефинов................. |
299 |
Производство стироладегидрированием этилбензола. 299 |
|
Теоретические основы процесса дегидрирования......... |
299 |
Технологическое оформление процесса....................... |
302 |
Принципы в технологии получения стирола |
|
дегидрированием этилбензола.................................... |
310 |
Совместное получение стирола и пропиленоксида...... |
311 |
Теоретические основы технологии совместного |
|
получения стирала и пропиленоксида......................... |
312 |
Технология совместного получения стирола |
|
и пропиленоксида...................................................................... |
317 |
Принципы в технологии совместного получения |
|
стирола и пропиленоксида........................................ |
321 |
Производство оксидов олефинов прямым |
|
окислением олефинов................................................... |
322 |
Теоретические основы процесса................................. |
324 |
Технология производства оксида этилена |
|
парциальным окислением этилена............................. |
329 |
Принципы в технологии производства оксида |
|
этилена окислением этилена..................................... |
333 |
Глава 9. Производство фенола и ацетона |
|
из изопропилбензола........................................................ |
335 |
Теоретические основы процесса................................... |
337 |
Окисление изопропилбензола..................................... |
337 |
Разложение гидропероксида изопропилбензола........... |
339 |
Технология совместного производства |
|
фенола и ацетона из изопропилбензола....................... |
341 |
Совместное получение фенола, ацетона |
|
и пропиленоксида из изопропилбензола...................... |
345 |
Принципы в технологии производства фенола |
|
и ацетона из изопропилбензола.................................... |
348 |
Глава 10. Технология производства метанола.............................. |
350 |
Теоретические основы процесса................................... |
351 |
Технологическое оформление процесса |
|
синтеза метанола............................................................ |
359 |
Принципы в технологии производства метанола........ |
367 |
Глава 11. Производство кислородсодержалцих |
|
органических соединений методом оксосинтеза........ |
369 |
О главление |
7 |
|
Теоретические основы процесса оксосинтеза............... |
370 |
|
Технологическое оформление процесса........................ |
382 |
|
Принципы в технологии оксосинтеза........................... |
398 |
Глава 12. |
Производство этилового |
|
|
и изопропилового спиртов.............................................. |
400 |
|
Сернокислотная гидратация олефинов........................ |
400 |
|
Теоретические основы процесса сернокислотной |
|
|
гидратации низших олефинов.............................................. |
400 |
|
Технология сернокислотной гидратации этилена......... |
406 |
|
Основные недостатки технологии сернокислотной |
|
|
гидратации этилена и пути их устранения..................... |
410 |
|
Технология сернокислотной гидратации пропилена...... |
419 |
|
Технология совместного получения этилового |
|
|
и изопропилового спиртов сернокислотной |
|
|
гидратацией.............................................................................. |
422 |
|
Прямая гидратация низших олефинов......................... |
425 |
|
Теоретические основы прямой гидратации |
|
|
низших олефинов....................................................................... |
425 |
|
Технология прямой гидратации низших олефинов......... |
431 |
|
Принципы в технологии гидратации |
|
|
низших олефинов в спирты........................................... |
438 |
Пгава 13. |
Производство ацетальдегида......................................... |
440 |
|
Получение ацетальдегида из ацетилена |
|
|
на ртутных катализаторах.............................................. |
441 |
|
Теоретические основы процесса........................................... |
441 |
|
Технологическое оформление процесса.............................. |
443 |
|
Принципы в технологии получения |
|
|
ацетальдегида гидратацией ацетилена........................... |
445 |
|
Получение ацетальдегида из ацетилена |
|
|
на нертутном катализаторе............................................ |
446 |
|
Получение ацетальдегида из ацетилена |
|
|
двухстадийным методом................................................ |
447 |
|
Технология двухстадийного способа производства |
|
|
ацетальдегида из ацетилена................................................ |
448 |
|
Получение ацетальдегида из этилена............................ |
454 |
|
Теоретические основы процесса........................................... |
454 |
|
Технологическое оформление процесса.............................. |
460 |
|
Принципы в технологии окисления |
|
|
этилена в ацетальдегид......................................................... |
465 |
8 |
О главление |
Глава 14. |
Производство винилацетата.......................................... |
467 |
|
Получение винилацетата |
|
|
из ацетилена и уксусной кислоты................................. |
469 |
|
Теоретические основы процесса........................................... |
469 |
|
Технологическое оформление процесса............................... |
473 |
|
Принципы в технологии производства |
|
|
винилацетата из ацетилена................................................ |
483 |
|
Получение винилацетата окислением |
|
|
этилена в присутствии уксусной кислоты.................... |
483 |
|
Теоретические основы жидкофазного |
|
|
метода получения винилацетата....................................... |
484 |
|
Технологическое оформление |
|
|
жидкофазного процесса.......................................................... |
488 |
|
Теоретические основы парофазного |
|
|
метода получения винилацетата....................................... |
491 |
|
Технологическое оформление |
|
|
парофазного процесса............................................................... |
493 |
|
Принципы в технологии производства |
|
|
винилацетата окислением этилена |
|
|
в присутствии уксусной кислоты........................................ |
496 |
|
Сравнение различных методов |
|
|
получения винилацетата................................................ |
497 |
Пгава 15. |
Производство хлорорганических продуктов................ |
499 |
|
Производство 1,2-дихлорэтана...................................... |
499 |
|
Получение 1,2-дихлорэтана прямым |
|
|
хлорированием этилена.......................................................... |
500 |
|
Получение 1,2-дихлорэтана окислительным |
|
|
хлорированием эт илена.......................................................... |
506 |
|
Производство винилхлорида......................................... |
511 |
|
Получение винилхлорида из ацетилена.............................. |
511 |
|
Производство винилхлорида из этилена |
|
|
сбалансированным по хлору способом.................................. |
517 |
|
Комбинированный процесс получения винилхлорида |
|
|
из ацетилена и этилена.......................................................... |
524 |
Глава 16. |
Производство продуктов основного |
|
|
органического синтеза окислительным |
|
|
метилированием............................................................... |
525 |
Заклю чение....................................................................................... |
529 |
|
Рекомендуемая литература........................................................... |
534 |
|
Сётло4 памяти паяно Ммяоля пфоф. София ЗдаснльвМ а Л*Ша посвяуаом эту кнт у
ВВЕДЕНИЕ
Вучебном пособии рассмотрены теоретические основы и, прежде всего, системные закономерности технологии основного органичес кого и нефтехимического синтеза (0 0 и НХС). Представлены тео ретические основы и технологические принципы реакторных под систем и подсистем разделения, а также совмещенных процессов. Рассмотрены технологическое оформление процессов и принципы создания безотходных или малоотходных производств. На примере технологий производства замещенных ароматических углеводородов (в том числе мономеров), кислородсодержащих и хлорорганических соединений показано, каким образом реализуются или могут быть реализованы данные принципы.
Данное пособие предназначено для студентов, обучающихся
вбакалавриате (направление 550800 «Химическая технология
ибиотехнология»), магистратуре (направление 550800 «Химичес кая технология и биотехнология») и инженерном направлении хи мико-технологического профиля 655000 (специальность 250100 «Химическая технология органических веществ»). Оно также мо жет быть полезно для аспирантов, научных сотрудников, проекти ровщиков и работников предприятий данной отрасли. К настоя щему времени в мире синтезировано огромное количество органических соединений, отнесенных к продуктам основного ор ганического и нефтехимического синтеза и обладающих ценными химическими и физико-химическими свойствами. Многие из них являются целевыми продуктами, а другие полупродуктами при про изводстве полимеров, лекарственных и других веществ. Потреб ность в каждом из них как в мире, так и в России исчисляется де сятками и сотнями тысяч тонн в год.
Главная цель отрасли ОО и НХС заключается в получении большого ассортимента мономеров, растворителей, исходных про дуктов для синтеза лекарственных препаратов, средств защиты
10 |
ВВЕЛЕНИЕ |
растений и других продуктов наиболее простыми, дешевыми спо собами из доступного сырья. Кроме того, в связи с многотоннажностью производств технологии должны быть экологически бе зопасными.
Таким образом, отрасль основного органического и нефтехи мического синтеза является ведущей и определяет прогресс хими ческой промышленности —важного звена экономики страны. А поскольку она обеспечивает сырьем все остальные подотрасли органического синтеза, то и должна развиваться опережающими темпами. Главными предпосылками ускоренного развития промы шленности основного органического и нефтехимического синтеза являются:
■необходимость обеспечения основным сырьем практически всех отраслей химической промышленности, выпускающих синтетические материалы;
■возможность использования многочисленных источников сы рья (нефти, газа, угля, древесины, отходов многих нехими ческих производств и т.д.), в том числе и таких, как воздух и вода;
■возможность получения одних и тех же конечных продуктов из различных исходных соединений, что обусловливает гиб кость всей отрасли и ее приспособляемость к меняющимся ис точникам сырья;
■быстрое развитие систем нефте- и газопроводов, а также ли ний электропередач, обеспечивающих сырьем и энергией как действующие, так и строящиеся предприятия отрасли.
Предприятия отрасли основного органического синтеза пред ставляют важнейшие звенья крупных промышленных комплексов, включающих мощные строительные организации и энергопроиз водящие предприятия. Создание таких комплексов необходимо вследствие весьма высокой капитало- и энергоемкости предприя тий отрасли.
От качества продукции данной отрасли в значительной степени зависит качество всех остальных товарных и промежуточных про дуктов, выпускаемых другими отраслями. Однако производство лю бого нового продукта, пусть даже самого необходимого, может быть организовано только тогда, когда для его получения разработана рациональная промышленная технология, позволяющая достаточ но дешево из доступного сырья получать этот продукт в необходи