Catálisis en petroquímica

Materias primas alternativas para la síntesis petroquímica

Literatura

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CURSO DE FUENTES ALTERNATIVAS DE HIDROCARBUROS

CONTROL

La industria de síntesis orgánica básica es uno de los sectores más importantes de la producción tanto química como petroquímica. La síntesis orgánica básica incluye la producción de monómeros para la producción de fibras artificiales, plásticos, cauchos sintéticos, tensioactivos, fertilizantes sintéticos, disolventes y muchos otros productos necesarios para el normal funcionamiento y desarrollo de la economía de cualquier país. Además de los productos químicos, para apoyar las actividades económicas de las empresas, la vivienda y el transporte en todo el mundo, se consume una gran cantidad de materias primas de hidrocarburos para el funcionamiento del complejo de combustibles y energía. Por tanto, las materias primas son uno de los principales elementos de producción y determinan en gran medida la escala, la tecnología y la economía de la industria. En este sentido, el Departamento de Tecnologías Químicas y Técnicas ya está formando especialistas en el campo de la tecnología de sustancias orgánicas y combustibles (incluidos los alternativos).

FUENTES DE MATERIAS PRIMAS DE LA INDUSTRIA DE KHTOV

Existen materias primas de hidrocarburos minerales (no renovables) y renovables. a minerales incluyen: carbón, esquisto, arenas bituminosas, turba, petróleo y gas natural, una vez formados a partir de productos de origen orgánico. Estos también incluyen acetileno a base de fuentes minerales de origen inorgánico. Los datos sobre las reservas de manantiales minerales son bastante contradictorios, ya que son difíciles de evaluar. Sin embargo, se sabe con certeza que las reservas de combustibles fósiles sólidos superan significativamente las reservas de petróleo y gas. Los cálculos de los geoquímicos muestran que la proporción de diversos combustibles fósiles en la corteza terrestre es (en%):

Carbón, esquisto y arenas bituminosas: 81-95,8; Turba - 3,4-5; Petróleo: 0,7-9,8 (90% como combustible); Gas natural: 0,1-4,4 (50-52% convertido en electricidad)

Además de las fuentes de energía minerales agotables (combustible >90%) y las materias primas químicas (5-8%), las reservas de fuentes renovables son ilimitadas: la biomasa. Se reproduce espontáneamente, independientemente de la actividad humana, en sólo un año en cantidades de unos 200 mil millones de toneladas con un potencial energético total 3 . 10 21 J, que es ~ 10 veces el volumen de producción mundial de combustibles fósiles. De la cantidad total de biomasa, ~ 40 mil millones de toneladas se forman en forma de madera, ~ 30 mil millones de toneladas en forma de organismos vivos (~ 10 mil millones de toneladas de tejido adiposo) y ~ 2-3 mil millones de toneladas en forma de petróleo. -componentes que contienen en plantas productoras de petróleo (a modo de comparación, según algunos datos, las reservas mundiales de petróleo se estiman actualmente en aproximadamente 90 mil millones de toneladas). Esto supera todas las reservas probadas de materias primas minerales, pero su recolección es difícil y las tecnologías de procesamiento se encuentran en la etapa de investigación experimental o piloto-industrial. En este sentido, hoy las fuentes más aceptables y económicas para satisfacer las necesidades de combustibles, energía y productos químicos del país son: el petróleo, los gases naturales y asociados, así como los gases de refinación de petróleo. Sin embargo, cabe señalar que en el futuro la tendencia cambiará debido al agotamiento de las reservas de los manantiales minerales antes mencionados.

El desarrollo moderno de la mayoría de los países en los últimos años se ha producido en condiciones de crisis económica general, en particular la crisis energética y de materias primas. Aunque actualmente la proporción del petróleo y el gas en el balance de combustibles de los principales países capitalistas es significativa, las estimaciones previstas revelan una tendencia general encaminada a reducir su consumo y un ligero aumento de la proporción del carbón y otras fuentes renovables de hidrocarburos.

El consumo mundial de petróleo en 1970 alcanzó ~3 mil millones de toneladas, en 1990 este valor alcanzó ~4 - 4,5 mil millones de toneladas por año. en 2000, ya se procesaron ~5 mil millones de toneladas, en 2020 se planea procesar ~6 mil millones de toneladas o más. En este nivel (y aumentará constantemente), la vida útil de estas reservas será de aproximadamente 90/5 = 16 años. ????? Esto, por supuesto, no significa que durante este tiempo se agotará todo el petróleo de la Tierra, pero muestra que el estado actual, todavía próspero, del petróleo en el mercado mundial es evidente. (Esto se ve claramente en las interrupciones en el suministro de petróleo en nuestro país, y en particular en la planta de refinería de Nyan, cuya producción de la empresa Slav-Neft en 2015 ascendió a 20 millones de toneladas por año, y en el refinado en la refinería de Nyan. La planta en 2015, el año más exitoso de los últimos 10 años, ascendió a 13-14 millones de toneladas por año, con una capacidad de planta de 15-16 millones de toneladas por año) A modo de comparación, la producción y refinación de petróleo esperadas en Rusia en 2020 será no superará los 500 millones de toneladas, es decir, menos que en 1980: 610 millones de toneladas.

La industria rusa del gas es una rama relativamente joven de la industria de los combustibles y la energía, que se ha desarrollado a un ritmo rápido, y ya en 1990. La producción de gas natural ascendió a 850 mil millones de m3. En 2015, debido a la crisis de combustible y energía, la producción se mantendrá al mismo nivel (o un poco menos). A finales de 2015, el déficit de recursos de gas ascendía a 20 mil millones de m3, y a finales de 2016-2017 aumentará a 45-50 mil millones de m3. El precio actual (al 1 de enero de 2016) del gas es de ~ 280-320 dólares. por 1 mil m 3. (por ahora es 2-3 veces más barato que el fuel oil y el carbón, pero la tendencia al alza de los precios es obvia). Esto se debe al hecho de que el desarrollo de nuevos yacimientos de gas lleva de 7 a 10 años y los costos de exploración, producción y transporte están aumentando.

TENDENCIAS MODERNAS EN EL DESARROLLO DE LA INDUSTRIA DE SÍNTESIS PETROQUÍMICA Y LA EFICACIA DEL USO DE FUENTES ALTERNATIVAS DE MATERIAS PRIMAS DE HIDROCARBUROS

Las limitadas reservas de petróleo y gas han planteado nuevos e importantes desafíos para las industrias petroquímica y de refinación de petróleo:

profundizar los procesos de refinación de petróleo con la máxima selección de productos petrolíferos ligeros;

ampliar el uso del petróleo como materia prima para productos petroquímicos y, en menor medida, como combustible (incluidas centrales eléctricas y de calefacción);

uso generalizado de carbón como combustible para calderas (en sustitución del gas y el petróleo, ya que sus reservas son grandes);

uso racional de combustibles y energía eléctrica en los procesos modernos de refinación de petróleo y petroquímicos;

uso de la energía nuclear en refinación de petróleo y petroquímica;

procesos de desarrollo (a base de carbón) para la producción de combustibles líquidos sintéticos y sustitutos del gas natural;

transferir la producción de una serie de productos petroquímicos a materias primas de carbón.

Actualmente, también se están desarrollando ampliamente procesos para la producción de combustibles alternativos. Éstas incluyen:

gas natural licuado y comprimido (como combustible para automóviles y otros medios de transporte);

gases licuados (combustibles para vehículos);

metanol a base de gas de síntesis (hoy en día se utiliza con éxito directamente como combustible o como aditivo para la gasolina, aumentando su índice de octanaje, y también se procesa para obtener (MTBE) metil terc-butil éter, un aditivo de alto octanaje, para obtener gas de alto octanaje. gasolina, etc.);

un sustituto del gas natural producido por gasificación del carbón;

alcohol etílico (como aditivo para gasolina, etc.);

acetileno a base de carburo de calcio y pirólisis de metano (los productos químicos a base de él son variados, ya que el acetileno tiene 3 dobles enlaces y es muy reactivo).

MATERIAS PRIMAS PARA LA SÍNTESIS PETROQUÍMICA Y SU PREPARACIÓN Materias primas para la síntesis petroquímica

de "Fundamentos de la tecnología de síntesis petroquímica"

Introducción

La síntesis petroquímica es la producción de productos químicos a base de petróleo y gases de hidrocarburos por medios sintéticos. Los hidrocarburos del petróleo y los gases inflamables naturales, los gases asociados al petróleo y los gases de refinación del petróleo sirven como principales materias primas en la producción de los productos sintéticos en masa más importantes: plásticos, cauchos y fibras, fertilizantes nitrogenados, tensioactivos y detergentes, plastificantes; combustibles, aceites lubricantes y aditivos, disolventes, extractantes, etc. Todos estos productos son ampliamente utilizados en diversas industrias. En los hogares y en la vida cotidiana, el desarrollo de HM está asociado a ellos. nuevos campos de la tecnología (cosmonáutica, energía nuclear, etc.). En los países industrializados, la síntesis petroquímica ha permitido la creación de una industria petroquímica grande y de rápido crecimiento. Los hidrocarburos de petróleo y gas, al ser materias primas valiosas, tecnológicamente más avanzadas y baratas, desplazan a otros tipos de materias primas (carbones, esquisto, materias primas vegetales, animales, etc.) en casi todos los procesos de síntesis orgánica. La síntesis petroquímica se basa en los éxitos de la química orgánica, la catálisis y la física. química, química. tecnología y otras ciencias y está asociado a un estudio en profundidad de la composición de los aceites y las propiedades de sus componentes. Los procesos de transformación de materias primas de hidrocarburos en productos objetivo se basan en numerosas reacciones de química orgánica: pirólisis, oxidación, alquilación, deshidrogenación e hidrogenación, halogenación, polimerización, nitración, sulfonación, etc.; Las más importantes entre ellas son las reacciones catalíticas. En la elaboración de productos. La síntesis petroquímica juega un papel importante en la preparación de materias primas de hidrocarburos y en la producción de hidrocarburos de alimentación primaria: saturados (parafina), insaturados (olefínicos, dienos, acetileno), aromáticos y nafténicos. La mayor parte de ellos se convierte en derivados funcionales con grupos activos que contienen oxígeno, nitrógeno, cloro, flúor, azufre y otros elementos.

Los hidrocarburos saturados (alcanos) ocupan un lugar importante en términos de volumen de uso en la síntesis petroquímica.

Capítulo. 1. Normas generales de seguridad al trabajar en un laboratorio químico.

1.1. Precauciones de seguridad

1. Está estrictamente prohibido trabajar solo en el laboratorio, ya que en caso de accidente no habrá nadie para ayudar a la víctima y eliminar las consecuencias del accidente.

. Durante el trabajo en el laboratorio es necesario mantener la limpieza, el silencio, el orden y las normas de seguridad, ya que las prisas y negligencias suelen provocar accidentes con graves consecuencias.

. Todo trabajador debe saber dónde se encuentran en el laboratorio los equipos de protección contra incendios y un botiquín de primeros auxilios que contenga todo lo necesario para los primeros auxilios.

. Está estrictamente prohibido fumar, comer y beber agua en el laboratorio.

. No se puede empezar a trabajar hasta que los estudiantes hayan dominado todas las técnicas para hacerlo.

. Los experimentos deben realizarse únicamente en contenedores químicos limpios. Después de finalizar el experimento, los platos deben lavarse inmediatamente.

. Durante el trabajo es necesario mantener la limpieza y precisión, asegurarse de que las sustancias no entren en contacto con la piel de la cara y las manos, ya que muchas sustancias provocan irritación de la piel y las mucosas.

. No se pueden probar sustancias en el laboratorio. Puede oler sustancias solo dirigiendo cuidadosamente los vapores o gases hacia usted con un ligero movimiento de la mano, y no inclinándose hacia el recipiente y sin inhalar profundamente.

. Cualquier recipiente donde se almacenen reactivos debe tener etiquetas que indiquen los nombres de las sustancias.

. Los recipientes con sustancias o soluciones deben tomarse por el cuello con una mano y sostenerse por el fondo con la otra.

. Está estrictamente prohibido aspirar sustancias orgánicas y sus soluciones con la pipeta con la boca.

. Al calentar sustancias líquidas y sólidas en tubos de ensayo y matraces, no apunte con las aberturas hacia usted ni hacia sus vecinos. Tampoco debe mirar desde arriba hacia los vasos calentados abiertamente para evitar posibles lesiones cuando se libere la masa caliente.

. Después de finalizar el trabajo, deberá cortar el gas, el agua y la electricidad.

. Está estrictamente prohibido verter en los fregaderos soluciones concentradas de ácidos y álcalis, así como diversos disolventes orgánicos, sustancias inflamables y de olor fuerte. Todos estos residuos deben verterse en botellas especiales.

. Todo laboratorio debe contar con máscaras y gafas protectoras.

. En cada sala de laboratorio es necesario contar con equipo de protección contra incendios: una caja con arena tamizada y una pala, una manta ignífuga (amianto o fieltro grueso), extintores cargados.

. Debe existir un “Rincón de Seguridad” en un lugar accesible del aula-laboratorio, donde sea necesario colocar instrucciones específicas sobre métodos de seguridad en el trabajo y reglas de comportamiento en el laboratorio de química.

. Cuando se trabaja en un laboratorio, es necesario utilizar equipo de protección personal y observar las normas de higiene personal.

1.2 Disposiciones generales para trabajar en un laboratorio de síntesis petroquímica.

El laboratorio está formado por científicos, ingenieros y asistentes de laboratorio invitados de los principales centros científicos. La dirección principal del trabajo del laboratorio es la creación de tecnologías para la producción de productos de síntesis orgánica básica. También se están desarrollando sistemas catalíticos homogéneos y heterogéneos para procesos petroquímicos nuevos y existentes.

El trabajo de investigación y desarrollo del laboratorio del NHS se dedica a:

nuevos catalizadores de polimerización para la producción de compuestos de alto peso molecular;

modificación química de polímeros industriales;

desarrollo de nuevas tecnologías para la obtención de monómeros existentes;

obtención de nuevos monómeros prometedores;

búsqueda de métodos de eliminación y procesamiento de residuos de empresas químicas.

Para realizar las tareas asignadas, el laboratorio está dotado de todo el equipamiento necesario. Se utiliza una línea de reactores modernos controlados por computadora para operar bajo presión. El trabajo con compuestos organometálicos y otras sustancias altamente sensibles a la humedad y al oxígeno se realiza en cajas de guantes. El sistema químico de microondas MARS permite reacciones a temperaturas de hasta 3000 °C y presiones de hasta 100 atm. El laboratorio está equipado con equipos auxiliares de laboratorio general de los principales fabricantes mundiales.

Organización del trabajo en laboratorios.

Los laboratorios de procesos y aparatos de tecnología química y alimentaria están equipados con instalaciones semiindustriales (piloto) en las que los estudiantes estudian experimentalmente los procesos. El procesamiento de los datos experimentales obtenidos en las instalaciones mediante métodos matemáticos permite analizar la influencia de los parámetros en el proceso.

Los laboratorios realizan trabajos de laboratorio en las siguientes disciplinas: "Procesos y aparatos de tecnología química", "Procesos y aparatos de producción de alimentos", "Tecnología química general", "Modelado y cálculo informático de procesos tecnológicos químicos", etc.

Procesamiento de datos experimentales y método de planificación de experimentos.

El objetivo principal de la planificación de experimentos es lograr la máxima precisión de medición con un número mínimo de experimentos realizados y manteniendo la confiabilidad estadística de los resultados. La planificación experimental se utiliza para buscar condiciones óptimas, construir fórmulas de interpolación, seleccionar factores significativos, evaluar y aclarar constantes de modelos teóricos, etc. Planificación experimental (experimento activo) en química, una sección de estadística de materiales que estudia métodos para organizar un conjunto de experimentos con diversas condiciones para obtener la información más confiable sobre las propiedades del objeto en estudio en presencia de perturbaciones aleatorias incontroladas. Las cantidades que determinan las condiciones de un experimento determinado se suelen denominar factores (por ejemplo, temperatura, concentración), su totalidad se denomina espacio factorial. Un conjunto de valores de factores caracteriza un determinado punto en el espacio de factores, y la totalidad de todos los experimentos constituye el llamado experimento factorial. La ubicación de los puntos en el espacio factorial determina el plan experimental, que especifica el número y las condiciones para realizar experimentos y registrar sus resultados.

La planificación del experimento se inició con los trabajos de P. Fischer (1935). Demostró que la planificación racional de un experimento proporciona ganancias no menos significativas en la precisión de las estimaciones que el procesamiento óptimo de los resultados de las mediciones. La planificación experimental se utiliza para estudiar y describir matemáticamente procesos y fenómenos mediante la construcción de modelos matemáticos (en forma de las llamadas ecuaciones de regresión), relaciones que, utilizando una serie de parámetros, conectan los valores de los factores y los resultados del experimento. , llamado. respuestas. El principal requisito para los planes experimentales factoriales, a diferencia de un experimento pasivo, es minimizar el número de experimentos en los que se obtienen estimaciones confiables de los parámetros calculados manteniendo al mismo tiempo una precisión aceptable de los modelos matemáticos en una región determinada del espacio factorial. En este caso, la tarea de procesar los resultados de un experimento factorial es determinar los valores numéricos de los parámetros especificados.

Los problemas extremos tienen como objetivo determinar el mejor valor de la función objetivo, que se toma como el valor de las características del proceso de interés para el investigador. Estos problemas pueden resolverse al menos de dos maneras: con y sin construir un modelo matemático. A partir del plan seleccionado se construye un modelo que corresponde a la respuesta considerada y, utilizándolo, utilizando métodos conocidos de búsqueda de un extremo, se encuentran los valores de los factores en los que se cumple la función objetivo determinada por el modelo. será extremo. Si los valores encontrados de los factores correspondientes al punto extremo se encuentran en el límite del plan aplicado, el área de planificación se desplaza o se expande y se construye un nuevo modelo, después de lo cual se repite la búsqueda del extremo. El problema se considera resuelto si las coordenadas calculadas del punto extremo se ubican dentro del área caracterizada por el plano utilizado.

En la práctica, este método se suele implementar mediante el llamado método de ascenso pronunciado (método Box-Wilson). Seleccione un punto de partida; A partir de sus resultados se calculan los parámetros del modelo matemático de primer orden. Si el modelo es adecuado, se utiliza para determinar la dirección del cambio de factores correspondiente al movimiento hacia el valor extremo de la función objetivo en la dirección del gradiente o antigradiente (respectivamente cuando se busca el máximo o el mínimo). El movimiento en la dirección elegida se realiza mediante experimentos secuenciales y se lleva a cabo hasta que la respuesta cambia de la forma deseada. El procedimiento indicado se repite hasta construir un modelo adecuado en cada etapa. La insuficiencia del modelo obtenido en la siguiente etapa indica que es posible que se haya alcanzado una región extrema en la que ya no se puede utilizar el modelo lineal. Para aclarar la posición del extremo en esta área, se puede utilizar un modelo de segundo orden construido utilizando los planos adecuados.

Experimento directo sobre el objeto (sin construir un modelo). La estrategia para realizar experimentos está determinada por el método de optimización elegido. En este caso, el valor de la función objetivo no se calcula a partir del modelo, sino que se encuentra directamente a partir de experimentos realizados en condiciones apropiadas. Muy a menudo, para encontrar el mejor valor de la función objetivo, se utiliza el método simplex secuencial, el método de Gauss-Seidel, etc.. El estudio de la cinética y los mecanismos de los procesos está asociado, por regla general, con el desarrollo de tan -llamados modelos determinativos que reflejan la esencia fisicoquímica de los fenómenos en estudio y contienen descripciones de los mecanismos (cinética) de los procesos elementales que ocurren en ellos.

Entre los problemas que resuelven los métodos de planificación experimental se encuentran:

) determinación (aclaración) de los parámetros del modelo;

) llamado discriminación, es decir, rechazo de mecanismos verificables de procesos elementales.

Para aclarar los parámetros de determinación de los modelos, es necesario elegir un diseño experimental que proporcione las mejores estimaciones de las cantidades que se están determinando. Al especificar parámetros, la planificación experimental enfrenta una serie de dificultades.

Los principales incluyen:

) la necesidad de tener un plan separado para cada clase de modelos, es decir, en cada situación específica, el investigador debe calcular la ubicación óptima de los puntos en el espacio factorial para realizar experimentos de clarificación;

) la necesidad de calcular los parámetros para determinar modelos utilizando métodos de optimización; Esto suele deberse a la no linealidad de estos modelos con respecto a los parámetros que se determinan.

La tarea de discriminación es seleccionar un modelo entre varios competidores que refleje más correctamente el mecanismo del proceso y tenga la mejor capacidad predictiva. Esta tarea se realiza comparando los resultados de evaluar la conformidad del modelo con datos experimentales cuando se utilizan diferentes descripciones del mismo proceso o fenómeno. El método de discriminación más simple consiste en calcular los parámetros de cada modelo propuesto a partir de datos experimentales y luego comparar las varianzas residuales. Se toma como modelo seleccionado el modelo con la varianza residual mínima. Si no es posible seleccionar un mecanismo que no contradiga los datos experimentales, entonces se expande el área en estudio o se cambia la ubicación de los puntos en el espacio factorial y se repite la operación. La ventaja de este enfoque es que el investigador resuelve simultáneamente ambos problemas: calcular parámetros y discriminar modelos. Las desventajas incluyen el hecho de que esto a menudo requiere mucho tiempo para realizar experimentos y calcular los parámetros del modelo.

Trabajo práctico sobre síntesis petroquímica.

El trabajo práctico se basa en los éxitos de la química orgánica, la catálisis, la química física, la tecnología química y otras ciencias y está asociado con un estudio en profundidad de la composición de los aceites y las propiedades de sus componentes. Los procesos de transformación de materias primas de hidrocarburos en productos objetivo se basan en numerosas reacciones de química orgánica: pirólisis, oxidación, alquilación, deshidrogenación e hidrogenación, halogenación, polimerización, nitración, sulfonación, etc.; Las más importantes entre ellas son las reacciones catalíticas. En la producción de productos a partir de síntesis petroquímica, un lugar importante lo ocupa la preparación de materias primas de hidrocarburos y la producción de hidrocarburos de alimentación primarios: saturados (parafina), insaturados (olefínicos, dienos), aromáticos y nafténicos. La mayor parte de ellos se convierte en derivados funcionales con grupos activos que contienen oxígeno, azufre y otros elementos. De gran importancia son los procesos de conversión de hidrocarburos de parafina en gas de síntesis (una mezcla de monóxido de carbono con hidrógeno, ver Conversión de gas). Las materias primas pueden ser gases naturales, gases asociados, refinerías de petróleo y cualquier fracción del petróleo. El amoníaco sirve como producto de partida para la producción de fertilizantes (nitrato de amonio, urea), ácido cianhídrico, etc. La conversión de metano en dos etapas también produce monóxido de carbono concentrado, que se utiliza en muchos procesos. El metanol se produce a partir de monóxido de carbono e hidrógeno, materia prima de la que se obtiene el formaldehído, un producto importante para la producción de plásticos, barnices, adhesivos y otros materiales.

Los derivados halógenos de las parafinas se producen a escala industrial. A partir del metano se obtienen cloruro de metano, cloroformo, tetracloruro de carbono y otros productos. El cloruro de metileno y el tetracloruro de carbono son buenos disolventes. El cloroformo se utiliza para la síntesis de tetracloroetileno, derivados de clorofluoro, valioso monómero de tetrafluoroetileno y otros. La cloración del etano produce hexacloroetano y otros derivados del cloro. El producto de la cloración de parafinas, la parafina clorada-40, se utiliza como plastificante y la parafina clorada-70 se utiliza para impregnar papel y tejidos con mayor resistencia al fuego. Los productos de fluoración completa de fracciones estrechas de queroseno y gasóleo son valiosos lubricantes y fluidos hidráulicos con alta resistencia térmica y química. Pueden funcionar durante mucho tiempo a 250-300 °C en entornos muy agresivos. Los freones (clorofluoroderivados del metano y el etano) se utilizan como refrigerantes en las máquinas de refrigeración. Se produce una mezcla de nitroparafinas mediante la nitración de propano y parafinas que hierven a más de 160-180 °C con ácido nítrico. Se utilizan como disolventes y productos intermedios en la síntesis de nitroalcoholes, aminoalcoholes y explosivos. Naftenos. De estos hidrocarburos, sólo el ciclohexano ha adquirido gran importancia. En pequeñas cantidades, el ciclohexano se libera mediante la rectificación precisa de fracciones de aceite de gasolina (que contienen entre 1 y 7% de ciclohexano y entre 1 y 5% de metilciclopentano). El metilciclopentano se convierte en ciclohexano mediante isomerización con cloruro de aluminio. La demanda industrial de ciclohexano se satisface principalmente mediante su producción mediante hidrogenación de benceno en presencia de un catalizador.

La oxidación del ciclohexano con el oxígeno atmosférico produce ciclohexanona y ácido adípico, que se utilizan en la producción de fibras sintéticas de poliamida (nylon y nailon). El ácido adípico y otros ácidos dicarboxílicos obtenidos de la oxidación del ciclohexano se utilizan para la síntesis de ésteres utilizados como aceites lubricantes y plastificantes. La ciclohexanona se utiliza como disolvente y también como sustituto del alcanfor. Se presta mucha atención al desarrollo de síntesis microbiológicas basadas en materias primas de petróleo. Los concentrados de proteínas y vitaminas para la alimentación animal se obtienen a partir de hidrocarburos parafínicos.

Capítulo. 2. Tipos de procesos

1 Procesos de hidrogenación y deshidrogenación

En la síntesis orgánica, las reacciones de hidrogenación (adición de H2) involucran cualquier molécula que esté insaturada. La síntesis de Fischer-Tropsch a partir de CO y H2, la síntesis de metanol a partir de CO, CO2 y H2 también se clasifican como reacciones de hidrogenación; sin embargo, en la síntesis de Fischer-Tropsch de hidrocarburos, además de la adición de H2, se produce una hidrogenación destructiva con escisión. También se produce la ruptura del enlace C-O. La hidrogenación destructiva también incluye la hidrogenólisis del enlace C-C: procesos de hidrocraqueo, por ejemplo,

e hidrogenolisis del enlace C-S (procesos de hidrodesulfuración de fracciones de petróleo)

La reacción inversa a la hidrogenación, el proceso de deshidrogenación, ocupa un lugar importante en la síntesis orgánica industrial y en los procesos de refinación de petróleo. Se deshidrogenan alcanos y alquilbencenos (síntesis de butadieno, isopreno, estireno), naftenos (benceno a partir de ciclohexano), alcoholes (síntesis de formaldehído, acetona, isovaleraldehído, ciclohexanona). Como catalizadores de hidrogenación se utilizan metales y sus compuestos:

Catalizadores metálicos (Pt, Pd, Ni, Co, Rh, Ru, Cu) en forma de metales a granel, aleaciones, catalizadores soportados (M/soporte) y metales esqueléticos (níquel Raney, cobre Raney), que se obtienen mediante lixiviación de Al. de aleaciones de Al Ni, Al-Cu, etc.

Sulfuros metálicos: NiS, CoS, Mo2S3, W2S3.

Los óxidos metálicos se utilizan para los procesos de deshidrogenación, ya que a altas temperaturas (> 200°C) los metales son demasiado activos y conducen a procesos destructivos. Los siguientes óxidos son catalizadores de deshidrogenación: ZnO, Cr2O3, Mo2O3, W2O3, MgO. A altas temperaturas (> 450°C), también se observa deshidrogenación de alcoholes en -Al2O3.

La etapa más importante de los procesos de hidrogenación es la activación de la molécula de hidrógeno. En el caso de complejos metálicos en solución, el mecanismo de activación del hidrógeno ahora está claro:

La transformación del complejo primario depende de la naturaleza del metal, su estado de oxidación y los ligandos en la esfera de coordinación. La homólisis y la heterólisis son posibles:

Aún no se ha establecido la participación de la molécula de H2 no disociada en procesos de hidrogenación homogéneos. Hidrogenólisis del enlace M-C, por ejemplo, durante la hidroformilación de olefinas

También se considera como resultado de la división homolítica de la molécula de H2 en el átomo de Co. En la superficie de los metales se produce una escisión homolítica del H2 con la formación de átomos de hidrógeno en la superficie y átomos de hidrógeno disueltos en la red metálica. En presencia de un disolvente polar (S), el proceso de adsorción de H2 sobre metales puede ocurrir de forma heterolítica e incluso ir acompañado de una ionización completa con transferencia de 2ē al metal.

En este caso, la molécula del compuesto hidrogenado se reduce mediante electrones unidos al metal. Al construir modelos cinéticos de procesos de hidrogenación en metales, se utilizan los conceptos de superficie homogénea, superficie uniforme-homogénea (modelos de Langmuir-Hinshelwood) y superficie no uniforme. Por ejemplo, durante la hidrogenación de etileno en el marco de la hipótesis sobre la interacción del etileno y el hidrógeno adsorbido en la superficie del Nitv:

(6);

Sobre una superficie homogénea:

(7);

Sobre una superficie uniformemente no uniforme:

(8);

El proceso de reformado tiene como objetivo la isomerización y aromatización de n-parafinas sin cambiar el peso molecular (número de átomos de carbono) en las moléculas originales durante el proceso de transformación. Principales reacciones:

a) aromatización

b) deshidrociclación de parafinas

(10);

c) isomerización esquelética

d) deshidrogenación

El reformado se utiliza para producir gasolina de alto octanaje y compuestos aromáticos a partir de nafta (punto de ebullición 80 - 160 ° C), que se extraen de la gasolina y se utilizan como materia prima para el hidrocraqueo o la síntesis orgánica. El proceso se lleva a cabo en el rango de 380 - 520°C a una presión de 10 - 40 atm sobre catalizadores bifuncionales heterogéneos - metálicos y ácidos - Pt sobre óxido de aluminio (o aluminosilicato) promovido por Cl o F. Recientemente se han utilizado Pt-Re/Al2O3 o catalizadores polimetálicos sobre Al2O3. El principal problema en el proceso de reformado es el proceso de desactivación y coquización del catalizador (ver Apéndice 1).

Los iones ubicados en un rectángulo pueden contener electrones deslocalizados. Ya han aparecido ejemplos de hidrogenólisis de enlaces C-S que involucran complejos de metales de transición. Los estudios de tales sistemas permitirán establecer el mecanismo del proceso y la naturaleza de los posibles intermediarios.

El proceso de alquilación se utiliza ampliamente en la industria petroquímica para producir componentes de gasolina de alto octanaje. La materia prima para el proceso es isobutano y una fracción de butano-butileno o propano-propileno obtenida mediante craqueo catalítico.

La planta tecnológica de alquilación de ácido sulfúrico incluye varias secciones. Inicialmente, los materiales para la alquilación deben enfriarse a una temperatura de 4 - 50 °C (400 °F) y transferirse a la fase líquida.

Este proceso se lleva a cabo en un aparato de refrigeración a presión elevada (3 - 15 atm). A continuación, la sustancia ingresa al bloque del reactor, que consta de varios reactores separados. Además, en el reactor se añade ácido sulfúrico a los productos de reacción licuados como catalizador del proceso.

El número de secciones y el diseño del reactor deben garantizar una residencia a largo plazo y una mezcla periódica de moléculas en la zona del reactor para llevar a cabo la reacción de alquilación. Después de 15 a 20 minutos, los productos del reactor se alimentan a la unidad de separación de ácidos. El decantador de ácido es un recipiente sin agitación. Separa el ácido de los hidrocarburos. La diferencia de densidad entre las sustancias permite que los hidrocarburos suban a la parte superior del recipiente. El ácido, a su vez, se hunde hasta el fondo y regresa al reactor. Y los hidrocarburos se envían a un recipiente especial para su lavado alcalino. En la unidad de lavado alcalino, los productos de alquilación se tratan con hidróxido de sodio, que neutraliza el ácido. Después del lavado, la mezcla de hidrocarburos ingresa secuencialmente a tres columnas de destilación estándar: debutanizador, deisobutanizador y despropanizador. Separan la mezcla en hidrocarburos alquilados y gaseosos saturados. En este caso, el isobutano se envía a la unidad de refrigeración para repetir el proceso.

Equipos para el proceso de alquilación:

Unidad de refrigeración GOST 11875-88

Esta norma se aplica a los refrigeradores de tambor giratorio de uso general utilizados en la industria química y otras industrias para enfriar materiales a granel a prueba de explosiones. La norma no se aplica a los enfriadores de tambores para las industrias del cemento y de la arcilla expandida.

Reactores para alquilación GOST 20680-2002

Esta norma se aplica a los aparatos de acero con dispositivos mecánicos de mezcla con un volumen nominal de 0,01 a 100 m3. , destinado a la realización de diversos procesos tecnológicos en medios líquidos con una densidad de hasta 2000 kg/m3. y viscosidad dinámica no superior a 200 Pa. s a una temperatura de funcionamiento de menos 40 a más 350 grados. C y una sobrepresión de trabajo no superior a 6,3 MPa, para dispositivos cauchutados para la fabricación de estructuras metálicas, así como para dispositivos que funcionen en ausencia de presión y en vacío con una presión residual no inferior a 665 Pa. La norma no se aplica a dispositivos con revestimiento de esmalte y dispositivos hechos de hierro fundido y materiales no metálicos, así como a dispositivos calentados por gases de combustión o llamas abiertas.

Unidad de separación de ácidos y unidad de lavado alcalino GOST 26159-84

Esta norma se aplica a los recipientes y aparatos de hierro fundido utilizados en las industrias química, de refinación de petróleo y afines. Establece requisitos generales para normas y métodos para calcular la resistencia de elementos estructurales de embarcaciones y aparatos que operan bajo cargas estáticas.

Columnas de destilación GOST 21944-76

Esta norma se aplica a dispositivos de columna con un diámetro interior de 400 a 10.000 mm, fabricados en chapa de acero.

3 procesos de oxidación

Durante la reacción redox, el agente reductor cede electrones, es decir, se oxida; El agente oxidante gana electrones, es decir, se reduce.

Además, cualquier reacción redox representa la unidad de dos transformaciones opuestas: oxidación y reducción, que ocurren simultáneamente y sin separar una de la otra.

La oxidación es el proceso de pérdida de electrones, con un aumento en el grado de oxidación.

Cuando una sustancia se oxida, su estado de oxidación aumenta como resultado de la pérdida de electrones. Los átomos de la sustancia que se oxida se denominan donadores de electrones y los átomos del agente oxidante se denominan aceptores de electrones. En algunos casos, durante la oxidación, la molécula de la sustancia original puede volverse inestable y descomponerse en partes constituyentes más estables y más pequeñas (ver Radicales libres). En este caso, algunos de los átomos de las moléculas resultantes tienen un estado de oxidación más alto que los mismos átomos de la molécula original. El agente oxidante, al aceptar electrones, adquiere propiedades reductoras, convirtiéndose en un agente reductor conjugado: agente oxidante + e− ↔ agente reductor conjugado.

La reducción es el proceso de agregar electrones a un átomo de una sustancia, mientras su estado de oxidación disminuye. Durante la reducción, los átomos o iones ganan electrones. En este caso, el estado de oxidación del elemento disminuye.

En cualquier reacción redox intervienen dos pares redox conjugados, entre los cuales existe competencia por los electrones, como resultado de lo cual ocurren dos semirreacciones: una está asociada con la adición de electrones, es decir, reducción, y la otra con la liberación de electrones, es decir, oxidación. En las reacciones redox, los electrones se transfieren de un átomo, molécula o ion a otro. El proceso de pérdida de electrones es la oxidación. Durante la oxidación, el estado de oxidación aumenta. El proceso de adición de electrones es reducción. Durante la reducción, el estado de oxidación disminuye. Los átomos o iones que ganan electrones en una determinada reacción son agentes oxidantes y los que donan electrones son agentes reductores.

4 Procesos de esterificación, hidrólisis, hidratación, deshidratación.

Las reacciones de hidrólisis son los procesos de sustitución o doble intercambio que ocurren bajo la influencia del agua o álcalis. Se pueden clasificar en reacciones de hidrólisis que ocurren con la escisión de enlaces C-Cl, C-O, C-N, etc.. A diferencia de la hidrólisis, las reacciones de hidratación se reducen a la adición de agua en enlaces C-C insaturados, en el triple enlace CN de nitrilos, etc. Algunas reacciones de hidratación son de equilibrio; el proceso inverso de división del agua se llama deshidratación, que puede ser no solo intramolecular sino también intermolecular. El proceso de esterificación es la reacción de alcoholes con ácidos orgánicos, sus anhídridos o cloruros de ácido para formar ésteres. El proceso de amidación es la reacción del amoníaco, aminas primarias o secundarias con ácidos carboxílicos para producir amidas ácidas. Estas reacciones son reversibles y en muchos aspectos similares a las reacciones de esterificación, pero se diferencian de estas últimas en que el equilibrio está fuertemente desplazado hacia la derecha.

Condiciones para la obtención de glicerina a partir de materias primas no comestibles:

hipocloración de cloruro de alilo en diclorohidrina seguida de su saponificación en epiclorhidrina e hidrólisis alcalina;

hidrólisis de cloruro de alilo en alcohol alílico seguida de su epoxidación con peróxido de hidrógeno en alcohol glicido e hidrólisis para formar glicerol;

isomerización de óxido de propileno en alcohol alílico y procesamiento posterior como en el segundo método.

Los alcoholes se pueden obtener a partir de olefinas directamente mediante hidratación o indirectamente mediante varias reacciones secuenciales. La hidratación directa de olefinas da como resultado la formación de alcoholes secundarios o terciarios (excepto etileno, del cual se obtiene el alcohol etílico). De los métodos indirectos para producir alcoholes, el más conocido es el método basado en la adición de ácido sulfúrico a olefinas. En primer lugar se forman mono o diésteres de ácido sulfúrico, que luego se hidrolizan a los alcoholes correspondientes. Al estudiar métodos para producir alcohol etílico, preste atención a los factores que determinan la elección del método para la hidratación del etileno. Además, se conocen dos métodos tecnológicos para la hidratación directa de etileno, que se diferencian en el suministro de vapor y el método de calentamiento de la mezcla de vapor y gas. Para obtener alcohol isopropílico, la industria utiliza el método de hidratación directa del propileno. Los métodos para la hidratación directa del propileno son más diversos que los de etileno, ¿cuáles son las similitudes y diferencias entre estos métodos? ¿Qué explica la mayor atención a la seguridad de la producción de alcohol? Al estudiar la producción de acetato de etilo, preste atención al rendimiento total de éster, que es del 95% del teórico, ¿cómo se explica esto? Los procesos de amidación son de gran importancia para la industria de la síntesis orgánica y petroquímica básica, ya que permiten obtener productos e intermedios muy valiosos para futuras síntesis. Los más importantes incluyen: la producción de dimetilformamida, dimetilacetamida, etanolamidas, plastificantes, herbicidas, manómetros para fibras sintéticas.

5 Procesos de adición y condensación en el grupo carbonilo.

Los compuestos carbonilo son compuestos que contienen uno o más grupos carbonilo (C=O). Estos incluyen CO, CO2, carbonatos, urea y muchos otros. Sin embargo, en química orgánica, por compuestos carbonílicos se entiende únicamente los aldehídos y las cetonas y, en menor medida, los ácidos carboxílicos y sus derivados. En los aldehídos, el grupo carbonilo está unido a un radical hidrocarbonado y a un átomo de hidrógeno, mientras que en las cetonas, el grupo oxo está unido a dos radicales hidrocarbonados.

El carbono carbonilo, al estar en estado de hibridación sp2, forma un doble enlace con el átomo de oxígeno. El oxígeno en los compuestos oxo tiene dos pares de electrones no enlazantes. El oxígeno tiene una electronegatividad mayor que el carbono, y los electrones de los enlaces y y, especialmente, p del carbono y el oxígeno están fuertemente sesgados hacia el átomo de oxígeno. En otras palabras, el grupo carbonilo es muy polar. La consecuencia química de la polaridad del grupo carbonilo es una variedad de reacciones de adición de varios reactivos polares al grupo carbonilo.

Los pares de electrones solitarios en el oxígeno del carbonilo le dan al grupo carbonilo las propiedades de una base de Lewis débil, que juega un papel importante en la interpretación de las propiedades químicas de los aldehídos y las cetonas.

Adjunción de compuestos organometálicos:

Los compuestos organometálicos se combinan con compuestos carbonílicos para formar alcóxidos de magnesio o litio, que se hidrolizan fácilmente a alcoholes. Cuando se agrega un reactivo de Grignard al formaldehído, se obtienen alcoholes primarios; la misma reacción con otros aldehídos y cetonas conduce a la formación de alcoholes secundarios y terciarios, respectivamente. La producción de alcoholes secundarios y terciarios a partir de compuestos organomagnesicos y aldehídos o cetonas se complica a menudo mediante procesos secundarios. Las reacciones secundarias se pueden eliminar por completo si se utilizan compuestos organolitio para unirse al grupo carbonilo. En este caso, incluso es posible sintetizar alcoholes terciarios que contengan simultáneamente tres grupos alquilo terciarios en el átomo de carbono del carbonilo:

Oxidación de compuestos carbonílicos:

Los aldehídos se oxidan fácilmente a ácidos carboxílicos no sólo bajo la acción de reactivos como el permanganato o el dicromato, sino incluso bajo la acción de agentes oxidantes tan débiles como el ion de plata. Por lo tanto, para identificar los aldehídos se utiliza la reacción del “espejo de plata”: el aldehído reacciona con el reactivo de Tollens (solución de plata y amoníaco) para precipitar plata metálica en forma de una capa de espejo. La oxidación de las cetonas se produce en condiciones más severas, utilizando agentes oxidantes fuertes en un ambiente ácido o alcalino, ya que la reacción va acompañada de la ruptura del enlace carbono-carbono. Muchas cetonas se escinden a ambos lados del grupo carbonilo, lo que da como resultado una mezcla de ácidos.

Reducción de compuestos carbonílicos:

Los aldehídos se reducen a alcoholes primarios y las cetonas se reducen a alcoholes secundarios como resultado de una hidrogenación catalítica o mediante el uso de hidruros complejos: borohidruro de sodio e hidruro de litio y aluminio. El borohidruro de sodio, a diferencia del hidruro de litio y aluminio, proporciona una reducción selectiva del grupo carbonilo de aldehídos y cetonas en presencia de otros grupos funcionales (éster, nitrilo, amida) y dobles enlaces C-C, a los que este reactivo no afecta.

Reduciendo cetonas a un grupo metileno con zinc amalgamado en ácido clorhídrico (reducción de Clemmensen) se obtienen alquilbencenos con un grupo alquilo primario.

b-Halogenación de compuestos carbonílicos:

Los aldehídos y las cetonas son capaces de reaccionar con halógenos reemplazando átomos de hidrógeno en el átomo de carbono b.

En un ambiente alcalino, es difícil detener la reacción en la etapa de monohalogenación, ya que el derivado monohalógeno en estas condiciones sufre una halogenación posterior más rápidamente que el aldehído o la cetona de partida. Por lo tanto, en las condiciones especificadas, todos los átomos de b-hidrógeno son reemplazados por halógeno. Los compuestos monohalógenocarbonílicos se preparan en presencia de ácidos.

6 Procesos de sulfonación y sulfatación.

Sulfonación (sulfonación), introducción del grupo sulfo SO2OH en la molécula org. conexiones; en sentido amplio, la sulfonación es la introducción del grupo SO2X (X = OH, ONa, OAlk, OAr, Hal, NAlk2, etc.). Sobre la introducción del grupo SO3H con formación de enlaces O-S (O-sulfonación, sulfatación, sulfoesterificación).

El proceso inverso de sulfonación (eliminación del grupo SO2X de la molécula de un compuesto orgánico) se llama. desulfonación (desulfonación). La sulfonación se lleva a cabo directamente utilizando agentes sulfonantes o indirectamente, por ejemplo, introduciendo un grupo sulfo en la composición de fragmentos de sulfoalquilo (CH2)nSO2X. Agentes sulfonantes: H2SO4, SO3 y sus complejos con org. compuestos (ésteres, aminas terciarias y fosfinas, amidas de ácidos carboxílicos, tri-alquilfosfatos, etc.), óleum. SOCl2, ácidos halógenosulfónico y sulfámico, sulfatos de dialquilo, sulfatos de acilo.

Sulfonación de aromáticos. Los hidrocarburos proceden a través del mecanismo electrófilo. Sustituciones (ver Apéndice 2).

La reacción se realiza tanto en fase vapor como líquida (disolventes: SO2, CC14, freones, etc.). Al sulfonar con ácido sulfúrico, se utiliza un exceso de ácido para desplazar el equilibrio hacia la derecha o se une agua añadiendo óleum, destilación azeotrópica, etc.

Los compuestos con sustituyentes donadores de electrones son más reactivos y preferentemente están sulfonados. en posiciones orto y para; compuestos con sustituyentes aceptores de electrones en la posición meta. En la mayoría de los casos, cuando se sulfonan bencenos sustituidos, se forman mezclas de isómeros, cuya proporción depende de la naturaleza del sustituyente, el reactivo de sulfonación y las condiciones de reacción (concentración de reactivos, temperatura, disolvente, presencia de catalizadores, etc.) . Seleccionando el óptimo En estas condiciones es posible una sulfonación selectiva. Así, la sulfonación de tolueno con ácido sulfúrico a 20 °C conduce a cantidades iguales de ácidos o- y n-toluenosulfónicos, y cuando se utiliza SO3 en las mismas condiciones, exclusivamente al isómero n; al sulfonar fenol en frío, preim. Se forma ácido o-fenolsulfónico, mientras que a 100°C se forma ácido n-fenolsulfónico. Como regla general, tales diferencias se deben a la transformación de unos isómeros en otros, termodinámicamente más estables, debido a la isomerización o la reversibilidad de la sulfonación. Por ejemplo, la naftaleno a temperaturas inferiores a 100 °C forma inicialmente ácido α-naftalenosulfónico, que se convierte con el tiempo. en el isómero β como resultado de una desulfonación-resulfonación secuencial. la sulfonación a 160°C conduce exclusivamente a ácido β-naftalenosulfónico (ver Ácido naftalenosulfónico).

Para la sulfonación de compuestos heterocíclicos (furano, pirrol, tiofeno, indol, etc.) se utilizan complejos de SO3 con dioxano o piridina. Los mismos reactivos se utilizan para la sulfonación de compuestos alifáticos. compuestos que contienen fuertes grupos aceptores de electrones; en este caso, por regla general, se forman derivados a-sulfo (ver Apéndice 3).

Los métodos indirectos de sulfonación incluyen sulfometilación, sulfoetilación, etc. (ver Apéndice 4).

La sulfonación se utiliza en la producción de tensioactivos, membranas y resinas de intercambio iónico, sustancias biológicamente activas, tintes, etc.

Conclusión

Durante el periodo que estuve realizando mis prácticas me familiaricé con los equipos relacionados con la síntesis petroquímica y vi cómo trabajar con ellos correctamente. Me dieron instrucciones de seguridad y me mostraron el lugar de trabajo y cómo usarlo.

El docente mostró cómo realizar trabajos de síntesis petroquímica.

Se llevaron a cabo procesos de hidrogenación, deshidrogenación y alquilación. El conocimiento se utiliza para realizar esterificación, hidrólisis, hidratación, deshidratación, adición y condensación en el grupo carbonilo, sulfonación y sulfatación.

esterificación hidrólisis deshidratación carbonilo

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Solicitud

1. (Desactivación y coquización del catalizador).

2. (Sulfación de compuestos aromáticos).

3. (Sulfalación de compuestos heterocíclicos).

4. (Sulfometilación, sulfoetilación).

Tema: Estado actual de la síntesis petroquímica. Principales productos y tecnologías.

Introducción

1. Combustibles alternativos, materias primas.

1.1 Éter dimetílico

1.2 Gasolina sintética

1.3 Combustibles alcohólicos

1.4 Combustible de biomasa

2. Tecnologías

2.1 Síntesis de DME a partir de gas natural (a través de metanol)

2.2 Síntesis en un solo paso de DME a partir de gas de síntesis y síntesis de gasolina (a través de DME)

2.3 Procesos y tecnologías no convencionales para producir combustibles para motores

2.3.1 Tecnología BIMT

2.3.2 Tecnología BIMT-2

2.3.3 Proceso BICICLAR

Conclusión

Literatura

Introducción

El desarrollo de la industria de los combustibles está determinado por una serie de factores. El aumento de los costos de búsqueda, producción y entrega a los lugares de consumo masivo de materias primas petroleras condujo finalmente a un aumento en el costo del combustible obtenido del petróleo. Las crecientes exigencias de los ecologistas sobre la calidad del combustible para motores producido también provocan un aumento en el coste de procesamiento de las fracciones iniciales del petróleo.

Otro factor importante que determina la trayectoria de los cambios en el sector de los combustibles del sector energético se debe a la necesidad de reducir las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera, que es el principal gas de efecto invernadero. Desde el punto de vista ambientalista, ninguno de los tipos de combustible existentes actualmente puede considerarse aceptable. Todo lo que se utiliza en el transporte para producir energía son compuestos de carbono. Cuando se queman en el motor de un automóvil o en el horno de una central eléctrica (fábrica o central eléctrica), se forma (de manera óptima) dióxido de carbono y se libera a la atmósfera. El futuro del transporte por carretera y de las grandes instalaciones energéticas suele estar asociado al uso de energía eléctrica y de hidrógeno, producidos a partir de fuentes de energía renovables mediante métodos que, como parece ahora, no dañarán el medio ambiente. La implementación de estos ambiciosos proyectos está asociada con muchos problemas técnicos, cuya solución llevará bastante tiempo, incluso si se moviliza el potencial científico y tecnológico global.

Actualmente, en el contexto del aumento de los precios del petróleo y sus métodos de procesamiento, la creciente motorización y la creciente necesidad de la civilización de combustible de alta calidad, los químicos están dirigiendo su atención a fuentes distintas del petróleo para la producción de nuevas composiciones de combustibles de hidrocarburos que tienen resultar familiar para el consumidor automovilista.

Actualmente, la única forma económicamente aceptable de mejorar el respeto al medio ambiente de los vehículos es cambiarlos a combustibles alternativos, garantizando la reducción de las emisiones nocivas al medio ambiente procedentes de los motores de los vehículos a un nivel que cumpla con las estrictas normas europeas. La Comisión Europea planea desarrollar un programa a gran escala para la introducción de tipos alternativos de combustibles para motores. Para 2020, más de una quinta parte de los combustibles derivados del petróleo deberían ser reemplazados por productos alternativos como biocombustibles, gas natural e hidrógeno.

1. Combustibles alternativos, materias primas.

1.1 Éter dimetílico

La síntesis de dimetiléter (DME) y gasolina a través de dimetiléter es una de las nuevas direcciones en el campo del procesamiento de gas natural y otras fuentes de carbono (carbón, residuos de madera, etc.). Las principales rutas para procesar metano en combustibles para motores se muestran en el Esquema 1. Como puede verse en el diagrama, la síntesis de DME encaja en el esquema de procesamiento de gas natural como una ruta alternativa a la síntesis de metanol.

Combustibles para motores

Hema 1 Principales formas de transformar el gas natural en combustibles para motores

1.2 Gasolina sintética

Las materias primas para la producción de gasolina sintética no derivada del petróleo pueden ser carbón, gases naturales y asociados al petróleo, biomasa, esquisto, etc. La fuente más prometedora para la producción de combustibles alternativos para motores es el gas natural, así como el gas de síntesis que se obtiene de él (una mezcla de CO y H2 en diversas proporciones). Cuando el gas natural se recupera fácilmente, se puede utilizar en estado comprimido y licuado como combustible para motores de combustión interna. La licuefacción del gas natural, en comparación con la compresión, tiene la ventaja de reducir casi tres veces el volumen de su sistema de almacenamiento.

El uso de combustibles alternativos obtenidos del gas natural garantiza una reducción del contenido de componentes tóxicos en los gases de escape de los vehículos.

1.3 Combustibles alcohólicos

Una desventaja importante de este tipo de combustible sigue siendo su alto costo: dependiendo de la tecnología de producción, los combustibles de alcohol son entre 1,8 y 3,7 veces más caros que los de petróleo. Entre los diversos alcoholes y sus mezclas, el metanol y el etanol son los más utilizados como combustibles para motores. Actualmente se utiliza gas de síntesis para producir metanol, pero el gas natural es la materia prima preferida para procesos a gran escala. Desde el punto de vista energético, la ventaja de los alcoholes radica principalmente en su alta resistencia a la detonación, lo que determina el uso predominante de alcoholes en los motores de combustión interna de encendido por chispa. Sus principales desventajas son el bajo calor de combustión, el alto calor de evaporación y la baja presión de vapor.

El etanol generalmente tiene un mejor rendimiento que el metanol. El costo del etanol es en promedio mucho más alto que el costo de la gasolina. Actualmente, el metanol como combustible para motores se utiliza en cantidades limitadas. Se utiliza principalmente para producir combustibles líquidos sintéticos, como aditivo para combustibles de alto octanaje y como materia prima para la producción de un aditivo antidetonante: el metil terc-butil éter.

Uno de los problemas más graves que dificultan el uso de aditivos de metanol es la baja estabilidad de las mezclas de gasolina y metanol y su sensibilidad a la presencia de agua. La diferencia en las densidades de la gasolina y el metanol y la alta solubilidad de este último en agua llevan a que la entrada de incluso pequeñas cantidades de agua en la mezcla provoca su separación inmediata, y la tendencia a la separación aumenta al disminuir la temperatura, aumentando concentración de agua y disminución del contenido de compuestos aromáticos en la gasolina. Para estabilizar las mezclas de gasolina y metanol, se utilizan aditivos: propanol, isopropanol, isobutanol y otros alcoholes.

1.4 Combustible de biomasa

La biomasa es una materia prima renovable muy prometedora. Puede utilizarse para producir etanol como combustible alternativo. Se estima que cada año se cultiva tanta biomasa en la naturaleza que puede producir ocho veces más energía que la que proporcionan actualmente todos los combustibles fósiles. En los últimos años se han ampliado las investigaciones encaminadas a crear la producción de combustibles líquidos a partir de materias primas renovables de origen vegetal.

El bioetanol y el biobutanol se producen por fermentación. Se puede utilizar una amplia gama de carbohidratos como materia prima para la fermentación: azúcares, almidón, celulosa, etc. La base para la producción de bioetanol a partir de almidón son dos etapas: hidrólisis del almidón a glucosa bajo la acción de enzimas y fermentación de la glucosa. al etanol. Un inconveniente importante de esta tecnología se debe al hecho de que cuando la concentración de etanol en la mezcla de reacción aumenta por encima de cierto nivel, comienza a tener un efecto inhibidor sobre el proceso de fermentación. Además, la fermentación suele dar lugar a la formación de una serie de metabolitos que, en concentraciones elevadas, también reducen la eficacia del proceso.

La investigación moderna para mejorar los procesos existentes para la producción de bioetanol se lleva a cabo principalmente en dos direcciones: el desarrollo de sistemas de fermentación que funcionen en modo continuo y el aumento de la productividad de los métodos de extracción y purificación de etanol para reducir los costos de energía para la producción de alcohol combustible.

2. Tecnologías

2.1 Síntesis de dimetil éter a partir de gas natural (a través de metanol)

El gas natural es la materia prima más simple y accesible para la síntesis de dimetiléter y, en consecuencia, el proceso de producción de DME a base de gas natural tiene los mejores indicadores económicos. Actualmente, la producción industrial de DME (relleno de aerosol) es de aprox. 150 mil toneladas por año y se basa en el procesamiento de metanol. Un esquema simplificado para la producción de DME a base de gas natural mediante la síntesis y posterior deshidratación de metanol se puede representar como el Esquema 2.

Esquema 2 Esquema de síntesis de DME a partir de gas natural mediante las etapas de síntesis y deshidratación de metanol.

Consideremos las etapas individuales de esta síntesis.

Conversión de metano.

La conversión de metano (reformado) en gas de síntesis es un proceso de alta temperatura que se puede llevar a cabo mediante diversas reacciones (que implican varios reactivos). Entre ellos:

reformado con vapor CH4+H3O=CO+3H3 (1)

conversión de dióxido de carbono CH4+CO2+2CO+2H3 (2)

oxidación incompleta CH4+1/2O2=CO+2H3 (3)

Las reacciones (1) y (2) son altamente endotérmicas, por lo que el reformado autotérmico (reformado con vapor en presencia de oxígeno) se ha generalizado. A las reacciones (1) y (3) que ocurren en condiciones de reformado autotérmico se añaden reacciones altamente exotérmicas de oxidación completa:

CH4+2O2=CO2+2H3O (4)

H3+1/2O2=H3O (5)

CO+1/2O2=CO2 (6)

Estos procesos compensan las pérdidas de calor en la reacción (1), pero conllevan costes adicionales de materias primas.

El gas de síntesis es una mezcla de CO e hidrógeno con una pequeña cantidad de CO2, que también puede contener nitrógeno. La característica más importante del gas de síntesis es la relación de concentración de H2:CO. Para sintetizar metanol, esta relación debe ser mayor que dos, lo que hace inevitable el uso del reformado con vapor (reacción 1).

Las condiciones de reforma son el resultado de un compromiso entre los requisitos de la termodinámica (aumento de la temperatura y disminución de la presión para aumentar la conversión de metano en equilibrio), la economía y la ciencia de los materiales. A altas temperaturas (800-900 ºС) y presión no demasiado alta (1-3 MPa), la termodinámica del proceso es favorable, lo que permite llevar la reacción a una transformación casi completa. El compromiso alcanzado lleva al hecho de que en el proceso de síntesis de metanol, la etapa de reforma requiere aproximadamente 2/3 de las inversiones de capital y más de la mitad de los costos operativos. Esta circunstancia llevó a la búsqueda de nuevas formas de convertir el gas natural en gas de síntesis.

Oxidación selectiva directa en fase gaseosa de metano a CO y H2, es decir en gas de síntesis (reacción 3) sería el más simple de los métodos alternativos; sin embargo, la selectividad de este proceso en condiciones prácticas es baja (50%). Se puede lograr una alta selectividad a altas temperaturas (aprox. 1500 K), cuando el equilibrio es favorable específicamente para la formación de gas de síntesis. Sin embargo, llevar a cabo el proceso a tales temperaturas está asociado con una serie de dificultades debido a los requisitos muy estrictos para el material del reactor en contacto con un ambiente corrosivo a altas temperaturas, y la complejidad de controlar el proceso, ya que las leyes de combustión de " Las mezclas “ricas” han sido relativamente poco estudiadas.

También surge la pregunta de qué utilizar como agente oxidante. Si el metano se oxida con oxígeno puro, la inversión de capital y el coste del gas de síntesis aumentan, y si se utiliza aire, el resultado es un gas de síntesis "pobre" y de baja calidad con un alto contenido de nitrógeno (al menos 50-60% vol.). .