Transcript Chapter 5
المواد البتروكيميائية الفصل الخامس :إنتاج المواد البتروكيميائية تصنيف المواد البتروكيميائية – المواد البتروكيميائية األولية – المواد البتروكيميائية الوسطية – المواد البتروكيميائية النهائية – البتروكيميائيات المصنعة من الجزيئات الخمسة األساسية – المنتجات البتروكيميائية من الميثان – المنتجات البتروكيميائية من اإليثلين – المنتجات البتروكيميائية من البروبلين – المنتجات البتروكيميائية من البيوتلين – المنتجات البتروكيميائية من البنـزين. الجزيئات الخمسة األساسية: وتتمثل جزيئات الميثان ،اإليثان ،البروبين ،البيوتين والبنـزين. تعد هذه الخمسة عماد الصناعات البتروكيميائية وتدعى أيضا ً بالجزيئات الخمسة الصغيرة العظيمة ).(The five big of small molecules الكثير من الصناعات البتروكيميائية تعتمد على هذه المركبات كمادة أساسية إبتدائية وصناعات بتروكيميائية أخرى تعتمد مشتقات هذه الجزيئات كمادة أساسية أولية. ومن حيث أهمية اإلستخدام في الصناعات البتروكيميائية يأتي اإليثلين أولً ثم البنزين، البروبين ،الميثان ثم البيوتين "ومماكباته". الجزئيات األساسية األخرى: األيزوبيوتين ،البيوتادايين ،األيزوبرين ،التولوين والزايلينات. شكل ( )3مخطط فصل الميثان والبرافينات من الغاز. شكل ( )4البتروكيماويات المشتقة من الميثان غاز اإلصطناع ):(Synthesis Gas غاز اإلصطناع عبارة عن خليط من أول أوكسيد الكربون ) (COوالهيدروجين، ويتم إنتاجه بطريقتين -1التشكيل البخاري Steam Reforming تتضمن عملية التشكيل الحراري تفاعل الميثان "أو البروبان أو النافثا" مع بخار الماء ،بوجود أكسيد النيكل ) ،(%32وأكسيد الكالسيوم ) ،(%14وثاني أكسيد السيليكون (%1عند درجة حرارة ودرجة ضغط معينتين. o CO + 3H2 830-850C NiO / CaO SiO 2 15-40Bar CH4 + H2O -2التكسير الحراري تتضمن عملية التكسير الحراري من خالل األكسدة الجزيئة ) (Partial Oxidationللميثان بواسطة األكسجين. )(Thermal Cracking o 2 CO + 4H2 1300-1400C 14-140 Bar 2 CH4 + O2 يستخدم غاز اإلصطناع في تحضير الكثير من المركبات العضوية وغير العضوية المستخدمة في إنتاج العديد من المواد البتروكيميائية ،مثل النشادر واليوريا والهيدرازين. CH4 + Cl2 / hv CH3Cl + HCl CH3Cl + Cl2 / hv CH2Cl2 + HCl CH2Cl2 + Cl2 / hv CHCl3 + HCl CHCl3 + Cl2 / hv CCl4 + HCl فورمالدهيد Formaldehhyde حمض الخليك Acetic acid خالت الفينايل Vinyl acetate كلوروميثان Chloromethane ميثايل ثالثي بيوتايل ايثر )(MTBE ميثانول Methanol أمينات ميثيلية Methyl amines بـروتين أحادي الخلية Cell protein سيانيد الهيدروجين Hydrogen cyanide إسترات Esters شكل ( )5البتروكيماويات المحضرة من الميثانول. CH3OH + 1/2O2 HCHO + H2O OH OH OH CH 2OH H+ + HCHO CH 2OH2 -H 2O OH OH OH CH 2 H+ O H2N N NH2 6 H2N + 6NH3 + 3CO2 NH2 N N NH2 ميالمين ( )4بنتا أريثريتول (:(Penta Erythritol يحضر مركب بنتاأريثريتول بتفاعل الفورمالدهيد واألستالدهيد "مواد بتروكيميائية وسطية"، في وجود هيدروكسيد الصوديوم وفق المعادلة اآلتية: CH2OH CHO C HOH2C NaOH 3HCHO + CH 3CHO CH2OH HCHO CH2OH CH2OH + HCO2H C HOH2C CH2OH يستخدم البنتاأريثريتول في صناعة الدهانات من نوع األلكيد ) ،(Alkideوفي صناعة المنظفات غير األيونية ) (Non-ionic Detergentsوفي صناعة المتفجرات ،وفي زيوت التجفيف. ( )5هكساميثالين تترامين Hexamethylene Tetramine يحضر مركب هكساميثالين تترامين " "HMTبتفاعل الفورمالدهيد مع األمونيا" النشادر" بنسبة 4 : 6وذلك بإمرار األمونيا داخل الفورمالين عند درجة حرارة º30-20م مع التحريك ،وينتج المركب على هيئة بلورات صلبة عديمة اللون: N N N 6 HCHO +4NH 3 N تكمن أهمية هكساميثالين تترامين كمادة بتروكيميائية وسطية ،في إستخدامه في تقنية راتنجات الفينول فورمالدهيد ،لمقدرته على تكوين الروابط العرضية ) (Cross-Linksبين الجزيئات .ويستخدم أيضا في فلكنة المطاط ،وصناعة بعض المواد شديدة اإلنفجار ،ويتميز هكساميثالين تترامين ،كمادة مانعة للتآكل مع األحماض المعدنية ).(Mineral acids (ج) ميثيل ثالثي بيوتيل إيثر (:(Methyl Tertiary Butyl Ether- MTBE ينتج ميثيل ثالثي بيوتيل إيثر مادة نهائية بتفاعل الميثانول مع األيزوبيوتين ،عند درجة حرارة °120م و 14ضغط جوي. CH 3 CH 3 H3C O CH3OH + CH 3 أهم إستخدامات مادة MTBEتحسين نوعية وقود السيارات ،وذلك برفع عدد اوكتان ميثاأكريالت (: (Methyl-Metha-Acrylate ميثيل تتم صناعة ميثيل ميثاأكريالت والتي تعتبر من المواد الوسطية المهمة ،من تفاعل األسيتون مع الميثانول ،بوجود سيانيد الهيدروجين كمحفز ،في درجة حرارة -100 º125م .يتم التفاعل على ثالثة مراحل ،كما في المعادلة اآلتية: CH3 O NH2 . H2SO4 C C O OH CH2 H2SO4 HCN CN C CH3 o 100-120 C CH3 C CH3 H3 C CH3OH CH3 O OCH3 C C CH2 يستخدم ميثيل ميثاأكربالت كمونومير لتصنيع بوليمر بولي ميثاأكربالت )(Polymethacrylate عديد اإليثلين Polyethylene Cl2 - 2, 1ثنائي كلوروإيثان كلوريد فينيل O2/Ag عديد فينيل الكلوريد H2O أكسيد إيثلين إيثلين جليكول المنظفات و عديد أكسي جليكوالت إيثلين Ethylene O2,PdCl2/ CuCl2/ HCl H 2O / H + أستالدهيد أيثانول -H2 C6H6 /Cat. إيثايل بـنزين O2, CH3CO2H / Pd HCl خالت استارين بوليمرات الفينيل كلوريد إيثيل شكل ( )6البتروكيماويات المشتقة من اإليثلين. عديد البروبلين C 2H 4 O2/Cat . مطاط إيثيلين-بروبلين حمض األكريليك O2, NH3 /Cat. أك ريلون ـتريل C 6H 6 كيومين H 2O البروبلين Proplene Cl2 /H2O Cl2 / 500C كحول اآليزوبروبيل بروبلين كلوروهيدرين كلوري د األليل بيوتـيرالدهيد H2 + CO آيزوبيوتيرالدهيد الكلة-آيزوبيوتان كلورة غازولين مركبلت كلورية شكل ( )7البتروكيماويات المشتقة من البروبلين. أكسيد البروبلين ))Propylene Oxide or 1.2-Epoxypropane يتم إنتاج أكسيد البروبلين بثالث طرق: طريقة الكلوروهيدرين ) (Chlorohydrinأو عملية اإليبوأكسده )(Epoxidation طريقة الكلوروهيدرين (:)Chlorohydrin Method يتم إنتاج أكسيد البروبلين بطريقة الكلوروهيدرين على خطوتين .أول بتفاعل البروبلين مع حمض هيبوكلوريد ( (Hypochloric acidعند درجة حرارة °35م ،وتحت الضغط الجوي العادي. OH + HOCl Cl ثم تتم أكسدة كلوروهيدرين البروبلين الناتج إلى أكسيد البروبيلين ،بإستخدام محلول .Ca(OH)2 OH Ca(OH)2 + CaCl2 + H2O 2 O Cl األسيتون Acetone • يتم إنتاج السيتون من البروبلين ،إما عن طريق األكسدة المباشرة للبروبلين ،أو األكسدة المباشرة لأليزوبروبانول ،أو عن طريق نزع هيدروجين األيزوبروبانول. تتتتتم عمليتتتة األكستتتدة المباشتتترة للبتتتروبلين فتتتي المتتتاء ،وفتتتي وجتتتود كلوريتتتد البالديوم ) (PdCl2كمادة محفزة. O CH3 + 2HCl + Pd C CH3 CH2 + PdCl2 + H2O CH 3 CH3 )4األكريلونيتريل ):(Acrylonitrile ينتج األكرونيتريل صناعيا ً بعملية أكسدة مزيج من البروبلين والنشادر ،بالهواء في وجود فوسفومولبيدات البـزموث ( ، (Bismuth phosphomoilbedateعند درجة حرارة °500-400م. CH + 3H2O CH2 CH2 + NH3 + 3/2O2 CH CH3 CN يستتتتتخدم األكريلونيتريتتتتل كمونتتتتومير ،لتصتتتتنيع بتتتتوليمرات المتتتتواد البالستتتتتيكية، والراتنجات ) (Resinsواألكريتل أميتد ،التذي يستتعمل بصتورة رئيستية فتي معالجتة ميتتاه الصتتر .كمتتا يستتتخدم أيضتتا كمونتتومير إلنتتتاج بتتوليمر أكريتتل أميتتد ،وإلنتتتاج األحماض األمينية ،وفي إنتاج مونومير سداستي ميثلتين ثنتائي أميتد ،التذي يستتخدم فتي تصنيع البوليمر المستعمل في صناعة النايلون .6,6 ( )5كلوريد األليل (:(Allyl chloride ينتج كلوريد األليل بتفاعل البروبلين مع الكلور ،بنسبة ( )1:4عند درجة حرارة °500م. ويستخدم كلوريد األليل في إنتاج الجليسرول ،كما يستخدم كمونومير لتصنيع البوليمرات المستخدمة في صناعة الورق ،واألصباغ ،ويستخدم أيضا ً في إنتاج الراتنجات. Cl 3-Chloro-propene ( )7حمض األكريليك (Acid :(Acrylic ينتج حمض األكريليك ،مادة بتروكيميائية وسطية تستخدم كماادة إبتدائياة فاي التحضايرات العضاوية عن طريق أكسدة البروبلين في الحالة الغازية ،في وجود أكسيد الموليبديوم أو أكسايد الباـزموث ،أو أكساايد النيكاال ،أو أكساايد التنجسااتن ،أو أكساايد الحدياادك ،كمااواد محفاازة وذلااك عنااد درجااة حاارارة °320م لينتج األكرولئين والذي يتأكسد إلى حمض الكريليك. H2O + O2 CHO O2 CO 2H CHO المنتجات البتروكيميائية من البيوتين: البياااوتين مركاااب غيااار مشااابع ،يحتاااوي علاااى رابطاااة ثنائياااة واحااادة ،وينتماااي إلاااى األوليفينات .وهاو غااز فاي درجاة حارارة الغرفاة والضاغط الجاوي ،وتوجاد مناه أربعاة مماكبات. CH3 CH2CH3 H H CH3 CH3 H H H H 2-methylpropene 1-butene H H3C Trans-butene CH3 H H3C H Cis-butene (أ) مصادر البيوتين: يمكن الحصول على البيوتين كمنتج ثانوي ( ،)Secondary Productخالل عمليات التكسير الحراري ،والتكسير المحفز ،والتكسير البخاري لسائل زيت الغاز، والنافثا. (ب) إستخدامات البيوتين في إنتاج البتروكيميائيات: يتميز المركب بالنشاط الكيميائي نظراً لوجود الرابطة الثنائية ،التي تتفاعل مع العديد من المواد األلكتروفيلية ،كما أن تعدد مماكباته يجعله يكتسب أهمية كبرى كمادة إبتدائية لتصنيع كثير من المنتجات البتروكيميائية. المنتجات البتروكيميائية للبيوتين ومماكباته: أ -الكحول البيوتيلي الثانوي (:(Secondary Butyl Alcohol ينتج الكحول البيوتيلي الثانوي ،عن طريق تفاعل البيوتين ومماكباته مع حمض الكبريتيك ،ثم تميؤ الناتج. OH OSO3H H2SO4 H2O ب -ميثيل إيثيل كيتون ):(Ethyl Methyl Ketone يتتتم إنتتتاج ميثيتتل إيثيتتل كيتتتون مباشتترة عتتن طريتتق أكستتدة البيتتوتين فتتي الحالتتة الستتائلة بوجتتود كلوريتتد النحتتا ،CuCl2وكلوريد البالديوم PdCl2كمواد محفزة ،عند درجة حرارة °130م و 20-10ضغط جوي. O 2 O2 2 ج -حمض الخليك (:(Acetic Acid يتم إنتاج حمض الخليتك بككستدة البيتوتين عنتد درجتة حترارة °270-240م وضتغط جوي عادي في وجود فنادات التيتانيوم ،أو فنادات األلمنيوم ،كمواد محفزة. 2O2 2 CH3CO2H د-أنهيدريد حمض الخليك ):(Acetic Anhydride ينتج أنهيدريد حمض الخليك بعملية نزع المااء مان حماض الخلياك ،عناد درجاة حارارة °800-700م و 14 ضغط جوي ،بوجود فوسفات اإليثيل كمادة محفزة. O O + H2O O (C2H5)3PO4 2CH3CO2H يستخدم أنهيدريد حماض الخلياك فاي تحضاير اإلساترات ولاه أهمياة خاصاة فاي تصنيع األسبرين ،وبعض المركبات العضوية األخرى وفقا ً للمعادلة: CO2H + CH3CO2H O CO2H (CH3CO)2O / H+ O OH هـ -أنهيدريد حمض الماليك ):(Maleic Anhydride يااتم إنتاااج أنهيدريااد حمااض الماليااك بأكساادة البيااوتين عنااد درجااة حاارارة °440-400م وضااغط 3.4-1.7ضااغط جااوي ،فااي وجااود أكساايد الموليبيااديوم ،وأكساايد الفناااديوم كمااواد محفزه. المنتجات البتروكيميائية من البنـزين: البنـزين مركب سائل ،عديم اللون ،ذو رائحة عطرية نفاذة ،وقابل لإلشتعال بشدة .جزيئة البنـزين ) (C6H6تتألف من ست ذرات كربون وست ذرات هيدروجين ،في حلقة سداسية غير مشبعة بثالثة روابط ثنائية مترافقة .تشكل جزيئة البنـزين النواة األساسية لكل المركبات االروماتية. الطبيعة السائلة ،والبنية الحلقية غير المشبعة ،صفتين تميزان البنـزين من بين الجزيئات الخمسة العظام المستخدمة في الصناعات البتروكيميائية. (أ) مصادر البنـزين: يتم الحصول على البنـزين من مصادر أساسية مختلفة ،من أهمها النفط .ينتج البنـزين من النفط بعملية التشكيل المحفز للنافثا ،وعملية نزع الهيدروجين من الهكسانات الحلقية ،وعمليات نزع مجموعات الميثيل من التولوين ،والزايلينات. )(1عملية نزع الهيدروجين. + 3H2 )(1عملية تحلق منـزوع الهيدروجين. + 3H 2 )(1تفاعل تماكب منـزوع الهيدروجين. CH3 + 3H2 )(1نزع مجموعة الميثيل. CH 3 + CH 4 H2 إستيرين ):(Styrene ينتج اإلستيرين بمعالجة البنـزين باإليثلين ،ثام نازع هيادروجين مان إيثيال بناـزين النااتج ،عناد درجاة حرارة عالية ،بوجود أكسيد الحديديك ،أو أكسيد الخارصين ،أو أكسايد الكاروم كماادة محفازه .تسامى هاذه العملية عملية بادجر ).(Badger CH2CH3 Fe2 O3 600oC AlCl3/HCl CH3CH2Cl -100oC CH2 + H2C ( )2الكيومين ):(Cumene الكيومين -أيزوبروبيل بنـزين -من أهم المركبات الهيدروكربونية األروماتية بعد التولوين ،وإيثيل بنـزين حيث يستخدم في إنتاج العديد من المنتجات البتروكيميائية والوسطية والنهائية. يتم إنتاج الكيومين من البنـزين بطريقة حمض الفوسفوريك وتتضمن تستخين البنتـزين والبتروبين بنسبة ( )1:5عند درجة حرارة °250-225م وضغط 25-20ضتغط جتوي فتي وجتود حمتض الفوسفوريك المحمل على مادة صلبة. CH3 + CH3 cumene CH3 CH3 OH H O + H+ O O C H3C H3C دوتسيل البنـزين: دوتسيل البنـزين هو سلفونات ألكيالت بنـزين الصوديوم )،(Alkyl Benzene Sodium Sulphonates وهو من أهم المواد البتروكيميائية في صناعة المنظفات ) .(Detergentsويتم إنتاج دوتسيل البنـزين على ثالثة مراحل .المرحلة األولى ،لتحضير األوليفين "األلكين" المستخدم في ألكلة البنـزين ،وذلك من خالل عملية نزع هيدروجين البرافينات "األلكانات" ،من مقطر الكيروسين "بوجود محفز البالتين أو البالديوم عند درجة حراره °850م و 2ضغط جوي. Cat. / 850oC C12H24 C12H26 تتم الكلة البنـزين في الحالة السائلة ،عند درجة حراره °20-10م بوجود حمض الفلوريك )(HFكمادة محفزة .المرحلة الثانية تتضمن سلفنة الكيالت البنـزين بوجود حمض الكبريتيك )(H2SO4واألوليوم (SO3/ ) ،H2SO4, Oleumعند درجة حرارة °60-30م . C12H25 C12 H25 SO3 / H2SO4 HF + C12H24 HO3SO المرحلة الثالثة ،يتم فيها سلفونة ألكيالت البنـزين وتجفيفها بالتركيز ،والتبخير ،ومن ثم إستخدامها كمسحوق في المنظفات. وسطيات نايلون:(Nylon-6,6 (Intermediates) 6,6- يتم تحويل البنـزين إلى حمض ثنائي ،يسمى حمض األديبيك ( ،)Adipic Acidوذلك بالهدرجة المحفزة للحلقة البنـزينية ،ثم أكسدة السيكلوهكسان الناتج هوائياً ،لينتج الهكسانول ،والهكسانون .وعند معالجة هذين الناتجين، بمواد مؤكسدة ،يتم الحصول على حمض األديبيك. OH O O2 + 180oC HNO3 COOH 4 CH2 H2 / Ni HOOC 1) O2/ (CH3 CO2)2Co 2) O2/ CH3CO2H ( )5أنهيدريد حمض الماليك ): (Maleic Anhydride يمكن الحصول على أنهيدريد حمض الماليك عن طريتق التكستير واألكستدة )(Pyrolysis/Oxidationلجزيئتة البنـزين وذلك بالتسخين الشديد مع األكسجين في وجود محفز. O O2 / Cat. O O ( )6األنيلين ):(Aniline األنيلين من المركبات األروماتية القاعدية المهمتة وينتتج عتن طريتق نيتـترة البنتـزين بمخلتوط متن حمتض الكبريتيتك وحمض النيتريك .الهدرجة المحفزة للنيتروبنـزين الناتج بواسطة )(H2/Niتعطى األنيلين: NH2 NO2 H2 /Ni HNO3 /H2So4