Передмова

Розвиток сучасної хімічної промисловості та однієї з її провідних галузей – органічного синтезу – вимагає знань щодо технологічних аспектів проведення виробничих процесів.
Ця книга є першою спробою не тільки викласти основні моменти технології промислового органічного синтезу, але й показати взаємозв’язок між вихідною сировиною, продуктом на її основі та можливістю використання такої речовини для виробництва полімерних матеріалів, які широко застосовуються у народному господарстві. Саме тому книга побудована так, що на початку розглядається сировина для промисловості органічного синтезу, далі – процеси перетворення сировини та первинні продукти органічного синтезу. В окремі розділи згруповані продукти органічного походження, які можуть слугувати для виробництва полімерів та еластомерів як за полімеризаційним, так і за поліконденсаційним механізмами, а також бути напівпродуктами для органічного синтезу. Особливістю цієї книги є також те, що вперше зроблено спробу описати способи одержання та надати технологічні схеми виробництва основних пероксидних сполук та аліфатичних азодинітрильних речовин.
Вміння правильно вибрати вихідну сировину та спосіб її одержання є важливим аспектом для майбутнього технолога. Це, насамперед, стосується мономерів для отримання полімеризаційних та поліконденсаційних високомолекулярних сполук. Одержання полімерних продуктів за радикальним механізмом вимагає знань щодо сполук, які за певних умов можуть слугувати джерелом вільних радикалів.
Промислові процеси одержання хімічних продуктів істотно відрізняються від лабораторного проведення тієї чи іншої реакцій. У промисловості здебільшого застосовують значно вищі температури і тиски, часто використовують гетерогенні каталізатори. Отримання, вилучення та очищення цільових продуктів органічного синтезу здійснюють у різних за призначенням апаратах, які разом утворюють єдину технологічну схему одержання органічної сполуки. Тому знання засад промислового виробництва органічних речовин дасть майбутньому спеціалісту змогу краще орієнтуватися у тих складних процесах, які відбуваються під час виробництва багатотоннажних хімічних продуктів.
Книга є розширеним і доповненим варіантом навчального посібника ”Окремі розділи промислової органічної хімії”, виданого автором цього підручника у 1999 році, і який успішно використовується для підготовки спеціалістів і маґістрів в Інституті хімії та хімічних технологій Національного університету ”Львівська політехніка”.

Вступ

Промисловість органічного синтезу належить до найважливіших галузей сучасної хімічної промисловості. Її велике значення зумовлено тим, що вона продукує хімічні продукти, необхідні для виробництва полімерів, хімічних волокон, гуми, барвників, отрутохімікатів для сільського господарства та інших речовин і матеріалів, без яких неможливий прогрес багатьох галузей народного господарства.
До середини минулого століття практично всі органічні речовини отримували з рослинної та тваринної сировини. Сьогодні головним джерелом одержання різноманітних органічних речовин слугують вуглецьвмісні продукти (природні та супутні нафтові гази, гази нафтоперероблення, коксовий газ, нафта тощо).
Органічні продукти, які одержують синтетичними способами, не тільки є повноцінними замінниками природних матеріалів, але часто володіють ціннішими властивостями, які відсутні у природних речовин. Водночас синтетичні методи отримання органічних продуктів не виключають застосування як сировини продуктів рослинного та тваринного походження.
На початку розвитку промисловості органічного синтезу основною сировиною було кам’яне вугілля. З кам’яновугільної смоли, отримуваної під час коксування вугілля, одержували лікарські препарати, барвники, вибухові речовини тощо. Характерною особливістю промислових процесів кінця ХІХ сторіччя було використання для синтезу рідких фаз, невисоких температур і тисків та безкаталізаторних систем.
Кам’яне вугілля як основна сировина для промисловості органічного синтезу домінувало в країнах Західної Європи в 20–50-х роках минулого сторіччя. Серед основних напрямків його використання можна назвати одержання:
– ароматичних вуглеводнів з кам’яновугільної смоли;
– метанолу із синтез-газу;
– моторних палив гідрогенізацією вугілля та із синтез-газу за методом Фішера–Тропша;
– з карбіду кальцію ацетилену і на його основі оцтового альдегіду й кислоти, вінілхлориду, вінілацетату, акрилонітрилу, акрилової кислоти тощо.
Водночас варто зауважити, що швидкому зростанню промисловості органічного синтезу на початку ХІХ сторіччя сприяли численні науково-технічні досягнення. Особливо важливе значення мав розвиток процесів термічного крекінгу і піролізу нафти, перероблення природного газу, виробництво карбіду кальцію тощо. Це давало змогу забезпечувати промисловість органічного синтезу олефінами й ацетиленом, тобто основними первинними продуктами. Використання каталітичних процесів пришвидшило і спростило більшість багатоступеневих методів. Розвиток теорії дистиляції і сорбції уможливив розроблення методів чіткого розділення багатокомпонентних сумішей.
Досягнення у галузі хімічного перероблення нафтових вуглеводнів дало змогу значно розширити сировинну базу органічного синтезу.
Розвиток автомобільного та авіатранспорту привів до виробництва синтетичного каучуку, який, своєю чергою, стимулював створення нових мономерів (дивінілу, хлоропрену, ізопрену тощо). Поява двигунів внутрішнього згоряння спонукала до організації виробництва бензинів, що містили ізооктан, кумол та інші вуглеводні, які давали змогу підвищувати октанове число товарних бензинів. Літакобудування потребувало скла, яке було би стійким до різких перепадів температур і не давало осколків під час биття. Це зумовило створення органічного скла, тобто поліметилметакрилату. Для одержання поліметилметакрилату потрібні були естери акрилової кислоти.
Лакофарбова промисловість потребувала великої кількості плівкоутворювальних матеріалів та синтетичних розчинників.
Дефіцит природних жирів, що використовувалися не тільки в лакофарбовій промисловості, але й у миловарінні, привів до створення виробництва синтетичних мийних засобів. Боротьба з епідеміями і прагнення людства бути здоровим сприяли розвитку промисловості лікарських препаратів.
У 60-х роках минулого сторіччя з екологічних поглядів установки з одержання рідких вуглеводнів з вугілля були закриті. На перший план як джерело сировини для промисловості органічного синтезу в цей період виходять нафта і природний газ.
Нафта і природний газ як сировина для промисловості органічного синтезу почали домінувати насамперед завдяки тому, що вміст водню в їхній структурі є набагато більшим, і її перероблення є набагато дешевшим порівняно з вугіллям.
З розвитком промисловості органічного синтезу відбувається і переорієнтація у використанні основних продуктів. Якщо фенол раніше застосовували тільки для дезінфекції, то тепер його використовують для виробництва синтетичних смол, барвників, лікарських препаратів, синтетичних волокон тощо. Етиловий спирт починають використовувати для одержання синтетичних каучуків. Фталевий ангідрид, який донедавна слугував вихідною речовиною для синтезу барвників, тепер починають застосовувати для виробництва пластичних мас і пластифікаторів.
Потреба у великій кількості дешевих лікарських препаратів, барвників, пластичних мас, гуми, хімічних волокон тощо спонукає до пошуку нових методів одержання напівпродуктів органічного синтезу. Це, своєю чергою, інтенсифікувало як наукові дослідження, так і промисловість органічного синтезу.
З іншого боку, спостерігалась тенденція заміни харчової сировини (продуктів рослинного та тваринного походження), що витрачається на технічні потреби, вуглецьвмісними вихідними продуктами, отриманими з природного газу, кам’яновугільної смоли та нафти. Так, крохмальвмісні і цукристі продукти (зерно, картопля), бродінням яких одержували спирти, ацетон, молочну кислоту тощо, замінюють етиленом. Для синтезу мила й гліцерину замість природних жирів використовують відповідно парафін і пропілен тощо.
У спрощенні хімічних способів синтезу першочергове значення мало використання нових відкриттів у галузі теорії і методів каталізу, а також застосування фотохімічних процесів, ініціювальних речовин, високих тисків, ультразвуку тощо.
Сучасна промисловість органічного синтезу ґрунтується переважно на нафті та природному газі. У світі близько 96 % усіх органічних продуктів одержують з природного газу та нафти. Причому більшість з них синтезують з етилену, а решту – з пропілену, бутадієну, ароматичних вуглеводнів і метанолу.
Етилен, як первинний нафтохімічний продукт, одержують з нафти і використовують для отримання поліетилену, оксиду етилену, етиленгліколю, етилбензолу, оцтового ангідриду й кислоти, вінілхлориду, вінілацетату тощо.
Пропілен слугує для виробництва поліпропілену, оксиду пропілену, ізопропанолу, акрилонітрилу, кумолу, бутадієну та інших.
Наступним важливим напрямком перероблення природної сировини стає одержання з нафти ароматичних вуглеводнів, переважно бензолу, толуолу, ксилолу й нафталіну. Якщо раніше ці продукти отримували термічним розкладом кам’яного вугілля, то тепер для цього існують процеси каталітичного риформінгу й піролізу нафти.
В останні роки збільшилася зацікавленість так званим синтез-газом (СО + nН2), який тепер отримують з природного газу. Синтез-газ – сировина для одержання вуглеводнів за методом Фішера–Тропша та метанолу. Останній є напівпродуктом для синтезу формальдегіду, оцтової кислоти та її ангідриду і навіть ароматичних вуглеводнів.
Не втрачає свого значення як напівпродукт для промисловості органічного синтезу в останні роки і ацетилен. Він слугує джерелом виробництва оцтового альдегіду і кислоти, вінілхлориду і вінілацетату, хлоропрену, а також акрилової кислоти та її естерів. Але з кожним роком його роль як сировини для промисловості органічного синтезу все зменшується, і пояснюється це тим, що виробництво перелічених вище продуктів на основі етилену є дешевшим.
Сьогодні у промисловості органічного синтезу виокремлюють чотири основні напрямки:
1. Фізико-хімічне перероблення природної сировини (наприклад, дистиляція і перероблення нафти, отримання і перероблення кам’яновугільної сировини, одержання і переробку кам’яновугільної сировини, одержання цукру з цукрового буряку тощо).
2. Основний (важкий) органічний синтез (одержання етилену, метанолу, бензолу, бутадієну тощо).
3. Тонкий (легкий) органічний синтез (одержання лікарських препаратів, барвників, хімічних реактивів тощо).
4. Фізичне перероблення хімічних продуктів і напівпродуктів (виробництво порошків для прання, фотоматеріалів, пластичних мас, фарб та лаків).
З наведених вище напрямків основний органічний синтез є головним, оскільки включає одержання первинних (етилен, пропілен, ароматичні вуглеводні тощо) та вторинних (оксиди етилену і пропілену, вінілхлорид, вінілацетат, стирол, малеїновий ангідрид та інших) нафтохімічних сполук та полімерних продуктів на їхній основі (пластичних мас, каучуків, хімічних волокон). Водночас фізико-хімічне перероблення природної сировини не втратило своєї актуальності щодо сировини рослинного та тваринного походження і має важливе значення для нафти та природного газу.