Промышленность органического синтеза и полимеров

Промышленность органического синтеза и полимеров отличается большой сложностью, отраслевого состава. Ее продукция непрерывно увеличивается, по ассортименту и стоимости. Возрастает также роль этой продукции в народном хозяйстве, обороне и в быту.

Многочисленные сложные продукты органического синтеза получаются в результате химической переработки исходных веществ — простых углеводородов, выделяемых из нефти, природных газов, ископаемого угля, торфа, горючих сланцев, древесины и другого сырья органического происхождения и, кроме того, некоторых неорганических веществ.

Если раньше главную роль в промышленности органического синтеза играли продукты коксования и полукоксования угля (еще раньше—растительное сырье), то в настоящее время наибольшее значение имеют углеводороды нефти, попутного нефтяного и природного газа.

Важнейшими исходными углеводородами для органического синтеза являются метан и олефины — этилен С₂Н₄, пропилен С₃Н₆, бутилен С₄Н₈; кроме того, ацетилен С₂Н₂, бензол С₆Н₆, толуол С₇Н₅ и многие другие.

Исходные углеводороды используют для синтеза промежуточ­ных продуктов (полупродуктов), например фенола С₆Н₅ОН, анилина С₆Н₅NН₂, метанола (метилового спирта) СН₃ОН, этилового спирта С₂Н₅ОН, бутадиена (дивинила) С₄Н₆, стирола С₈Н₈, винилацетилена С₄Н₄, формальдегида СН₂О и др.

Соответствующей переработкой полупродуктов получают более сложные органические вещества — синтетические смолы и пластмассы, каучуки, волокна, красители, фармацевтические препараты др.

На отдельных стадиях переработки исходных углеводородов и полупродуктов применяются процессы окисления, гидратации, дегидратации, гидрирования, дегидрирования, хлорирования, по­лимеризации, поликонденсации и др.

Таким образом, промышленность органического синтеза и по­лимеров характеризуется многостадийностью производства, что определяет некоторые общие характерные особенности ее разме­щения.

Выделение исходных углеводородов из первичного сырья терри­ториально связано с местами добычи и переработки нефти и при­родного газа, термического разложения угля, горючих сланцев, древесины. Это основные сырьевые базы промышленности органи­ческого синтеза.

В этих же районах и центрах, иногда даже на самих нефте-, газо- и сланцеперерабатывающих или коксохимических предприя­тиях осуществляется также производство полупродуктов, отлича­ющееся большим удельным расходом исходного сырья и, как пра­вило, высокой топливо- иэнергоемкостью.

Размещение же производства готовых изделий из полупродук­тов ориентируется главным образом на районы потребления, так как такие производства не имеют значительных отходов, и, пере­рабатывая транспортабельное сырье (полупродукты), выпускают малотранспортабельную продукцию (изделия из каучука и пласт­масс, волокно и т. д.).

Синтетический каучук.Каучук и основной продукт его перера­ботки— резина — находят очень широкое применение во всех отраслях техники. Из каучука делают автомобильные и другие шины, тысячи наименований резинотехнических изделий, обувь, изоляцию для электропроводов, водолазные костюмы, надувные лодки, противогазы, санитарно-гигиенические предметы и многое другое. Такому широкому применению каучука способствуют при­сущие резине ценные свойства: упругость и эластичность, водо- и газонепроницаемость, стойкость против разрушающего действия многих химических реагентов, механическая прочность, высокие электроизоляционные показатели. Благодаря этим свойствам резина во многих случаях незаменима.

Каучук стал известен в Европе и начал применяться для прак­тических целей еще в первой четверти прошлого столетия. Изде­лия из необработанного каучука, однако, не могли найти массо­вого применения, так как состояние этих изделий в сильной степени зависит от внешней температуры: они твердеют и ломаются на холоде, а при нагревании становятся липкими. Только с открытием способа переработки каучука в резину (вулканизации) он быстро получил универсальное применение. Самыми крупными потребителями изделий из каучука в настоящее время являются автомобильная промышленность и автотранспорт. Современное мировое потребление каучука составляет свыше 6 млн. т в год, в том числе более 3,5 млн. т синтетического. Получение синтетического каучука. Первоначально единствен­ным источником каучука был млечный сок тропического каучуко­носного дерева — гевеи. С увеличением потребности в каучуке и в связи с невозможностью возделывания гевеи в странах уме­ренного пояса появилась необходимость получения синтетического каучука.

Практическое решение этой очень важной проблемы принадле­жит советскому химику С. В. Лебедеву, получившему а 1928 г. синтетический каучук на основе углеводорода бутадиена.

Бутадиен, а следовательно синтетический каучук (СК), по ме­тоду Лебедева получают из этилового спирта. Производство СК из спирта слагается из двух основных процессов. Первым является получение бутадиена. Он осуществляется при температуре до 400° С без доступа воздуха и при соответствующих катализаторах. При этих условиях молекулы спирта «расщепляются», а из их ча­стей образуется новое вещество—бутадиен. Упрощенно эту реак­цию разложения спирта представляют следующим уравнением:

2С₂Н₆ОН →^{катализ} С₄Н₆ +2Н₂О.+ Н₂.

Бутадиен образуется и в результате отнятия от двух молекул спирта двух молекул воды и одной молекулы водорода (дегидра­тация и дегидрирование спирта).

Очищенный жидкий бутадиен подвергают полимеризации, при которой происходит соединение молекул бутадиена и образование нового вещества — каучука. В процессе полимеризации из боль­шого числа п молекул бутадиена образуется одна большая и слож­ная молекула каучука:

nС₄Н₆ → (С₄Н₆)_n

Полимеризацию бутадиена осуществляют под давлением и с натриевым катализатором. Отсюда и название каучука — натрийбутадиеновый.

Полученный каучук очищают от газообразных примесей и ос­татков катализатора, сушат и раскатывают в листы. Расход этилового спирта на 1 т каучука составляет 2,2 т. Натрийбутадиеновый каучук, производство которого сыграло огромную роль в становлении и развитии новой отрасли промыш­ленности СК, в настоящее время почти утратил свое значение. Это объясняется невысоким качеством получаемых из него изделий, которые по прочности и эластичности уступают изделиям из нату­рального каучука.

СК, характеризующихся более ценными свойствами, превосходя­щими свойства натурального каучука. Удельный вес новых каучу­ков в общем производстве СК быстро возрастает, а натрийбутадиенового соответственно снижается и уже стал незначительным. Новые виды СК получают главным образом на основе полимеризации бутадиена (дивинила) с другими веществами, или сополимеризации его с другими мономерами. В результате получаются сополимеры. Наибольшее значение в настоящее время имеют сопо­лимеры бутадиена со стиролом и метилом СНз — бутадиенстирольный (дивинилстирольный) и бутадиенметилстирольный (дивинил-метилстирольньсй) каучуки, -на долю которых приходится около двух пятых всего производства СК в стране.

Сополимерные каучуки применяют главным образом для изготовления автомобильных шин, отличающихся повышенной износо­устойчивостью и, следовательно, ходимостью.

Быстро развивается производство полибутадиеновых каучуков. Благодаря иному строению молекул эти каучуки обладают высо­кими механическими свойствами. Полибутадиеновые каучуки ха­рактеризуются регулярным строением цепей молекул в отличие от разветвленного строения молекул натрийбутадиенового каучука, ухудшающего эластические и механические свойства по­следнего. Полибутадиеновые каучуки составляют уже свыше трети общего производства СК. Теперь СК получают не только на, основе этилового спирта, но и главным образом на основе бутилена и нормального бутана путем их каталитического дегидрирования, дающего бутадиен. Это упрощает производство СК (исключаются процессы получения спирта) и непосредственно связывает его, с нефтяной промышлен­ностью, обеспечивающей это производство нетранспортабельным сырьём.

Из каучука и необходимых добавок серы и других веществ (ингредиентов — сажи, мела, као­лина, различных смол и др.) готовят соответствующую резиновую смесь, служащую исходным материалом для заготовок резиновых изделий. Заготовки получают прокаткой, штамповкой или формов­кой резиновой смеси, придающей ей форму соответствующего из­делия. Полученные таким образом заготовки затем подвергают вулканизации, т. е. тепловой обработке при температуре примерно 140° С в прессах или автоклавах. В результате получаются резино­вые изделия. Для получения мягкой резины (шины, гигиенические предметы и т. п.) содержание серы в резиновой смеси не должно превышать 3%. Чем больше содержание серы, тем тверже полу­чается резиновое изделие (эбонит, который тоже является продук­том вулканизации каучука, содержит 35% серы).

Переработкой каучука и производством резиновых изделий за­няты многие десятки промышленных предприятий (шинные заво­ды, заводы резинотехнических изделий, резиновых изделий, резиновой обуви и др.), размещенных преимущественно в районах по­требления их продукции.

Химические волокна и их получение. Современная тек­стильная промышленность наряду с натуральными волокнами перерабатывает огромные массы химических — искусственных и синтетических — волокон. Эти волокна и изделия из них широко используются также в других отраслях народного хозяйства. Химические волокна во многих случаях успешно заменяют хлопок, шелк и другие натуральные волокна, а по целому ряду свойств превосходят их. При этом изделия из синтетических, волокон в не­сколько раз дешевле изготовленных из натурального сырья.

Искусственными называют волокна, которые получают перера­боткой главным образом древесины (целлюлозы) и других слож­ных органических веществ—природных полимеров (например; хлопкового пуха). Синтетическими называют волокна, получаемые путем синтеза из относительно простых органических и неорга­нических веществ.

Мировое производство химических волокон составляет более 5 млн. т; химические волокна заняли второе место после хлопка в мировом балансе текстильного сырья.

Около 60% общего про­изводства химических волокон приходится на искусственные волокна.Производство их началось раньше и достигло высокой уровня развития. Однако доля искусственных волокон постепенно снижается вследствие ускоренного развития более эффективной производства новейших видов синтетических волокон.

Наиболее широко применяемым искусственным волокном являетсявискозный шелк. Кроме того, вырабатывают немалое количество ацетатного шелка. Их получают соответствующей переработкойцеллюлозы, которую растворяют в специальных химически растворителях.Полученный раствор (прядильный раствор) продавливают через тонкие отверстия (фильеры) особого прядильного аппарата.Выступающие из отверстий струйки раствора, затвердевая,образуют тонкие нити, которые с огромной скоростью (сотни метров в минуту) наматывают на бобины. Свойства волокон могут быть различными в зависимости от применяемого растворителя и метода растворения целлюлозы.

Для получения вискозного - шелка древесную целлюлозу обрабатываютщелочью и сероуглеродом СS₂. В результате образуется соединение (ксантогенат целлюлозы), растворяющееся в щелочи и образующее при этом густой раствор — вискозу. Вискозные тонкие струйкипревращают в нити путем удаления из вискозы щелочи (растворителя), для чего на струйки воздействуют серной кислотой.

По вискозному способу производят также штапельное волокно. Для его получения нити вискозного шелка собирают толстым жгутом, который затем разрезают на части определенной длины и та­ким образом получают соответствующей длины волокна. Такое резаное волокно называют штапельным. Расход целлюлозы на 1 т вискозного шелка составляет несколько более 1 т. Кроме того, расходуется 0,87 т каустической соды, 0,3 т сероуглерода и около 1,2 т серной кислоты. Полезным отходом производства является сульфат натрия (0,48 т на 1 т во­локна).

Ацетатный способ, по которому получают ацетатный шелк, заключается в обработке хлопковой или древесной целлюлозы уксусным ангидридом (СН₃СО)₂О в присутствии уксусной СН₃СООН и серной кислот. В результате образуется ацетилцеллюлоза. Последняя растворяется в смеси ацетона СН₃СОСН₃ и спирта и образует прядильный раствор, из которого уже известным способом получают волокно. Ацетатный шелк обладает большой прочностью и высокими электроизоляционными свойствами. Благодаря доступности и дешевизне сырья более массовым является производство вискозного шелка. Но удельный вес ацетатного шелка постепенно возрастает.

Синтетические волокна получают главным образом из полиамидных смол (полиамидные волокна), вырабатываемых на основе нефтяного, газового и угольного сырья. Наиболее распространенное синтетическое волокно капрон получают из капролактама, который вырабатывают на основе фено­ла, бензола или циклогексана. Если на 1 т капронового волокна расход капролактама составляет только 1,2 т, то производство самого капролактама отличается гораздо более высокой материалоемкостью, превышающей 8 т (малотранспортабельного сырья)'на 1 т продукта. Этим определяется размещение производства капролактама, как и других полиамидных смол, вблизи от источников сырья (центров переработки угля, нефти).

Смесь расплавленного при 95—100° С капролактама и необходимых добавок подвергают полимеризации, в результате которой образуется смола - капрон. Ее применяют для приготовления с (плавлением) прядильного раствора, из которого получают капроновое волокно.

Капроновое волокно обладает очень высокой механической прочностью, оно не набухает и не уменьшает прочности в воде; капрон не гниет, не боится моли. Благодаря ценным свойствам капрон широко применяют во многих отраслях техники (парашютная ткань, рыболовные се­ти и т. д.) и для изготовления предметов широкого потребления. Особенно ценные технические и потребительские свойства имеет волокно лавсан, изготовляемое из полиэфирной смолы, которую в свою очередь получают на основе нефтяного сырья. Будучи по внешнему виду сходными с шерстяными, эти волокна отличаются высокой прочностью и упругостью. Ткани из лавсана не мнутся даже при смачивании. Лавсан широко применяют в технике, в том числе в электротехнической промышленности. Из него производят транспортерные ленты, специальные технические ткани и другие изделия.

Производство химических волокон характеризуется высокой электроемкостью - на 1 т вискозного волокна расходуется 11 тыс., а на 1 т капронового — свыше 17 тыс. кВт-ч. Еще больше расход тепловой энергии — до 15 т условного топлива на 1 т волокна. За­траты на топливо и энергию достигают 40—45% себестоимости химических волокон.

Предприятия, выпускающие химические волокна, потребляют также огромное количество воды (до 3—5 тыс. м³ более на 1 т готовой продукции) и нуждаются, следовательно, в мощных источ­никах водоснабжения.

Производство химических волокон отличается и высокой трудоемкостью (700—1500 чел-ч на 1 т продукции), намного превы­шающей трудоемкость других отраслей химической промышлен­ности.

Фактором, влияющим на размещение производства химических волокон, является и относительно низкая транспортабельность готовой продукции (большой объем на единицу веса) по сравне­нию с потребляемым для ее изготовления сырьем.