Современные технологии химической промышленности на примере производства капролактама

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РФ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Государственный университет  управления»

ИНСТИТУТ УПРАВЛЕНИЯ В  ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ЭНЕРГЕТИКЕ

Кафедра инновационного менеджмента

 

Специальность: «Управление инновациями» – 220601

Форма обучения: очная

 

 

 

курсовая работа

 

по учебной дисциплине

«Технологии и материаловедение»

на тему:

Современные технологии химической промышленности на примере производства капролактама.

 

 

 

 

Исполнитель:

Студент II курса группы УИ II-1 д/о_____________   Ермаков С.А.

                                                                              (подпись)       (инициалы и фамилия)

 

Руководитель:

____ассистент_________  _______  _______Н.В. Смирнова_________

(ученая степень, звание)           (подпись)        (инициалы и фамилия)

 

 

 

 

 

 

Москва  – 2011 г.

Министерство  образования и науки РФ

 

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

 «Государственный Университет  Управления»

Институт  управления в промышленности и энергетике

Кафедра инновационного менеджмента

 

Задание для выполнения курсовой работы

 

Студента  2 курса, группы УИ 2-1, очной формы обучения

Ермакова Сергея

    (фамилия, имя, отчество)

 

Тема курсовой работы: «Современные технологии химической промышленности на примере производства капролактама (ГОСТ 7850-86)»

Структура работы: Введение; Актуальность и характеристика выбранной проблемы; Выбор, обоснование и описание способов производства материалов. Состав, структура, свойства; Методы переработки выбранных материалов и основные области применения; Управленческие, организационные и экономические аспекты курсовой работы; Заключение.

Базовая литература:

1) Солнцев Ю.П., Вологжанина С.А. Материаловедение. Учебник. – М. : Издательский центр «Академия», 2008. – 496 с.

2) Новы технологии переработки пластмасс [Электронный ресурс] – Материалы сайта http://www.polymery.ru. Режим доступа: http://www.polymery.ru/letter.php?n_id=5321&cat_id=3

 

Срок сдачи студентом готовой  работы:____  ____2012 г.

Дата выдачи задания: «____»_____________2012г.

Руководитель курсовой

работы:______________             ассистент, Н.В. Смирнова

(подпись)      (ученая степень, инициалы и фамилия)

Задание принял к исполнению:________________

(подпись)

 

 

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………….……..4

1. Актуальность и характеристика выбранной проблемы……………………...5

2. Выбор, обоснование и описание способов производства материалов. Состав, структура, свойства……………………………………………………...7

2.1. Обоснование  производимой номенклатуры материала. Технические условия на материал………………………………………………………..7

2.2. Обоснование выбора главных видов сырья………………………….7

2.3. Характеристика основных способов переработки сырья в необходимые материалы…………………………………………………...8

2.4. Описание  метода производства выбранного  материала…………….9

2.5. Характеристика состава физико-механических и эксплуатационных свойств выбранного материала…………………………………………..14

3. Методы переработки выбранных материалов и основные области применения……………………………………………………………………….15

4. Управленческие, организационные и экономические аспекты курсовой работы…………………………………………………………………………….17

Заключение…………………………………………………………………….…20

Список литературы………………………………………………………………21

 

Введение

 

Целью моей работы в первую очередь является расширение своих знаний по учебной  дисциплине «Технологии и материаловедение». Тема моей работы «Современные технологии химической промышленности на примере производства капролактама (ГОСТ 7850-86)».

Капролактам – это белое кристаллическое  вещество с температурой плавления 69,2 градусов Цельсия – был синтезирован  О. Валлахом  в 1899 году. На протяжении последующих десятилетий это  соединение представляло интерес исключительно  для лабораторных исследований и  не имело никакого практического  значения. Отношение к капролактаму изменилось после того, как в 1938 г. немецкий химик П. Шлак установил, что  из расплава полимера можно получить при охлаждении гибкие нити, которые  вытягиваются до толщины, составляющей доли миллиметров. Тем самым было найдено новое исходное вещество для получения полиамидных волокон. Получение полиамидных волокон  из капролактама дало толчок к поиску промышленных способов его производства.

Сейчас капролактам  активно производится как у нас, так и за рубежом. Уже существуют разные способы производства капролактама, одни из которых: фенольный, толуольный и бензольный. В дальнейшем мною будут выявлены плюсы и минусы каждого из этих способов производства, и будет выбран один наиболее лучший, для дальнейшего рассмотрения и подробного описания его технологии. Капролактам широко используется для производства полиамидных волокон и нитей, кроме того он применяется в производстве инженерных пластиков, полиамидных плёнок и некоторых других изделий. Поэтому мной так же будет рассмотрен один из способов переработки капролактама в какое-либо изделие.

 

1. Актуальность и характеристика  выбранной проблемы.

 

Мировой спрос  на капролактам составляет 4,4 млн. тонн и будет расти, согласно оценкам, в среднем на 2% ежегодно в течение  ближайших пяти лет. При этом традиционное использование капролактама для  выпуска полиамидных волокон  уступает позиции новым продуктам  – пластикам и пленкам на основе полиамида, на которые приходится уже 28 и 10% потребления соответственно. При этом за прошедшее десятилетие  потребление полиамидных волокон  выросло крайне незначительно и  только за счет технических нитей, использование  полиамида в текстильной индустрии  сократилось.

География мирового производства и потребления капролактама сильно не совпадают друг с другом, поскольку азиатский рынок, на который  приходится более половины мирового спроса, для удовлетворения потребностей импортирует более 1 млн. тонн капролактама из других регионов, в основном из Европы и стран СНГ. В то же время Европа, США и страны СНГ унаследовали от эпохи широкого использования  полиамидных волокон в текстильной  индустрии значительные мощности по выпуску капролактама, которые сейчас используются для удовлетворения растущего  спроса в Азии. В результате мировые  мощности загружены почти полностью, однако азиатские, прежде всего, китайские  компании активно расширяют производство, поэтому объемы импорта капролактама в Азию, по прогнозам, будут постепенно сокращаться.

Страны СНГ  стали крупными экспортерами капролактама в результате обвального спада в  индустрии его переработки в  полиамидные волокна, прежде всего, текстильные, в 1990-е годы. В 2000-е экспортная направленность индустрии капролактама позволила восстановить объемы производства и увеличить мощности. Сейчас экспортируется более 60% производимого капролактама, при этом мощности всех производителей полностью загружены и планируется  их расширение.

Российский  рынок полиамида пережил тяжелый  спад в ходе недавнего кризиса, однако полностью восстановился уже  в 2010 году. Пока, в отличие от большинства  развитых стран, использование полиамидных  пластиков в СНГ невелико, большая  часть полиамида перерабатывается в волокна и нити, а также  экспортируется. Предполагается, однако, что к 2015 году потребление полиамида  вырастет на 37%, а доля его экспорта сократится.

В России работают три производителя капролактама: OАО «КуйбышевАзот» (Тольятти), ОАО «Азот» (Кемерово; холдинг СИБУР) и ОАО  «Щекиноазот» (Тульская область). Крупнейшим производителем капролактама и полиамида-6 является «КуйбышевАзот», занимая более 70% отечественного рынка. Компания, выбрав полиамидное направление в качестве ключевого, непрерывно занимается модернизацией. Так же компания «КуйбышевАзот» на сегодняшний день является крупнейшим потребителем капролактама в России, с 2003 года реализовав проекты по его  дальнейшей переработки. На сегодняшний  день доля внутреннего потребления  на ее производствах в Тольятти составляет около 50% выпущенного объема капролактама, который перерабатывается в полиамид-6. На его основе производятся технические  нити, кордные ткани, инженерные пластики. Большая часть товарного ПА-6 (гранулята) экспортируется; продукт поставляется и российским потребителям (в частности, на "Сибур-Волжский", также начаты поставки на Щекинское «Химволокно»).

2. Выбор, обоснование  и описание способов производства  материала. Состав, структура, свойства.

 

2.1. Обоснование производимой  номенклатуры материалов. Технические  условия на материалы

 

Таблица 1 -   Технические условия на материалы

 

№

п/п

Наименование материала

№ стандартов

ГОСТ

Примечание

1

2

3

4

1

Капролактам

ГОСТ 7850-86

Используются в производстве полиамидных  нитей и волокон, а также конструкционных  пластиков.


 

2.2.Обоснование  выбора главных видов сырья

 

Таблица 2 -  Исходное сырье

 

№

п/п

Наименование  сырья

Техническая характеристика

Стандарты или тех.условия

1

2

3

4

1

Бензол нефтяной

не менее 99,7%

ГОСТ 9572-93


 

В качестве нашего сырья будет использоваться бензол, поскольку он дешёвый. Стоимость  килограмма бензола составляет от 60 рублей за килограмм, когда фенол  стоит от 190 рублей за килограмм, а  толуол от 90 рублей за килограмм. Даже смотря на цену бензола, можно сказать, что он не является дефицитным. Для  получения бензола могут быть использованы разные методы, например: 
 - Получение бензола из каменноугольного сырья

- Получение  бензола каталитическом риформингом  нефтяных фракций

- Получение  бензола гидродеалкилированием  толуола

- Получение  бензола диспропорционированием  толуола

- Получение  бензола из смолы пиролиза.

Наиболее  экономически выгодным является последний  метод, метод выделения бензола  из жидких продуктов пиролиза нефтепродуктов, образующихся в производстве этилена  и пропилена.

        Производство  бензола по данной технологии  напрямую зависит от производства  олефинов, сырья для производства  олефинов и рынка смолы пиролиза (пироконденсата), который является  весьма ограниченным.

        Выделение  бензола из пироконденсата заключается  в гидроочистке соответствующей  фракции продуктов пиролиза от  непредельных и сернистых соединений, последующем гидродеалкилировании  полученной смеси, содержащей  бензол, толуол и ксилолы и  последующей доочистке полученного  бензола. Разделение БТК-фракции  с получением бензола проводят  экстракцией растворителем или  экстрактивной перегонкой. Наиболее  часто применяется экстракция  смесью N-метилпирролидона с этиленгликолем. Также в качестве экстрагентов  применяют гликоли, сульфолан,  диметилсульфоксид и др. растворители.

 

2.3. Характеристика основных  способов переработки сырья в  необходимые материалы.

Существует  три основных способа производства капролактама: бензольный, фенольный и толуольный, производящие капролактам по схемам:

По технологии производства методы чем-то похожи. Разница в затратах на оборудование и время производства не сильно велика. Существенная разница в методах производства, это себестоимость на исходное сырьё. Себестоимость капролактама производимого фенольным способом уступает всем остальным методам из-за высокой стоимости фенола, что не компенсируется относительно низким расходам энергетических ресурсов и небольшой стоимостью установки. Толуольный способ производства, несмотря на использование достаточно дешёвого сырья, по себестоимости тоже не превосходит бензольный способ производства. В связи с этим можно сказать, что бензольный способ производства самый выгодный, и в дальнейшем мы будем рассматривать именно его.

 

2.4. Описание метода производства  выбранного материала.

1. Гидрирование бензола.

Задачей процесса гидрирование является получение циклогексана.

Процесс протекает в две стадии. На первой из них осуществляется гидрирование основной части бензола на суспендированном непирофорном никеле Ренея, на второй — дегидрирование на стационарном катализаторе Ni/Al2O3 . Бензол и водород поступают в основной реактор жидкофазного гидрирования, куда насосом подается и катализатор в виде суспензии. Однородность распределения катализатора обеспечивается барботированием газа через жидкость и интенсивной циркуляцией реакционного раствора через выносной теплообменник, в котором генерируется технический пар низкого давления. Температура в реакторе регулируется за счет испарения циклогексана. Гидрирование проводится при 200 °С и 4 МПа (парциальное давление водорода приблизительно 0,3 МПа). Продукты реакции из верхней части основного реактора гидрирования поступают во вспомогательный реактор, в котором обеспечивается практически 100%-ная степень превращения бензола в циклогексан. Затем продукты отводятся в сепаратор высокого давления и подвергаются фракционированию в колонне стабилизации. Газообразные продукты из сепаратора частично возвращаются на рецикл.

¯

t=200°С

P=4 МПа

Гидрирование

__________                           __________

бензола

Гидратор

S533


¯

Рисунок 1 -  Графическое изображение гидрирования бензола

 

2. Окисление циклогексана.

Задачей окисления  циклогексана является получение циклогексанона.

Реакция получения циклогексанона протекает путем жидкофазного окисления  циклогексана кислородом воздуха. Установка  окисления циклогексана состоит  из каскада 2 реакторов, работающих последовательно. В каждый реактор снизу через  барботер подается воздух, рабочее  давление в реакторах 0,8—0,9 МПа, температура  поддерживается на уровне 145—160 °С. Время  окисления составляет от 0,5 до 1 часа. В качестве катализатора используется раствор стеората или нефтената  кобальта в циклогексане. Тепло, выделяемое в результате реакции окисления, отводится из реактора за счет частичного испарения циклогексана. Реакционные  газы, содержащие азот, окислы углерода, небольшое количество непрореагировавшего  кислорода, а также пары циклогексана удаляются из реакторов и поступают  на абсорбцию.

При окислении  циклогексана в качестве целевых  продуктов получают не только циклогексанон, но и циклогексанол. Причем последнего продукта образуется больше, чем циклогексанона. Так как для получения капролактама необходим циклогексанон, то циклогексанол  извлекают из смеси и подвергают реакции дегидрирования.

Дегидрирование циклогексанола в  циклогексанон осуществляют в паровой  фазе при оптимальной температуре 240—250 °С путем пропускания паров  через катализатор.

¯

t=145-160°С

P=0,8—0,9 МПа

Окисление

__________                            __________

циклогексана

Окислительная установка

N-M823


¯

Рисунок 2 -  Графическое изображение окисления циклогексана

 

3. Оксимирование  циклогексанона.

Задачей этого  этапа является превратить циклогексанон  в циклогексаноноксим.

Превращение в оксим проводят действием  избытка водного раствора сульфата гидроксиламина в присутствии щелочи или NH3 при 0-100°С.

 

 

¯

 

t=0-100°С

Оксимирование

__________                            __________

циклогексанона

Установка для оксимирования

L834K


¯

Рисунок 3 -  Графическое изображение оксимирования циклогексанона.

 

4. Обработка циклогексаноноксима.

Задачей обработки  циклогексаноноксима является получение  капролактама.

На завершающей стадии синтеза  капролактама, циклогексаноноксим обрабатывают олеулом или конц. H2SO4 при температуре 60-120 °С, этот процесс так же называется перегруппировкой Бекмана. Выход капролактама получается примерно 85-88% в пересчете на бензол.

¯

 

t=60-120°С

Обработка

__________                           __________

циклогексаноноксима

Обрабатывающий реактор

LP-222


¯

 

Готовое изделие (капролактам)


 

Рисунок 4 -  Графическое изображение обработки циклогексаноноксима.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аппаратурно-технологическая  схема производства капролактама:

 

Бензол

Массовая доля основного  в-ва не менее 99,7%

Массовая доля примесей, %, не более:

Н-гептана – 0,06

Метилциклогексана+толуола  – 0,13

Метилциклопентана – 0,08


¯

t=200°С

P=4 МПа

Гидрирование

___________                    ___________

бензола

Гидратор

S533


¯

t=145-160°С

P=0,8—0,9 МПа

Окисление

___________                   ___________

                     циклогексана  

(Массовая доля получившегося  циклогексанона, не менее 99,8%

Массовая доля примесей не более 0,1%

Массовая доля воды не более 0,1%)

Окислительная установка

N-M823


¯

t=0-100°С

Оксимирование

___________                    ___________

циклогексанона

Установка для оксимирования

L834K


¯

t=60-120°С

Обработка

___________                    ___________

циклогексаноноксима

Обрабатывающий реактор

LP-222


¯

Готовое изделие – Капролактам

Массовая доля железа не более 0,00002%

Массовая доля циклогексаноноксима  не более 0,02%


Рисунок 5 -  Графическое изображение аппаратурно-технологической схемы производства капролактама.

 

2.5. Характеристика состава  физико-механических и эксплуатационных  свойств выбранного материала.

По физическим свойствам капролактам (лактам έ-аминокапроновой кислоты) гигроскопичное кристаллическое вещество белого цвета. Капролактам хорошо растворим в воде и органических растворителях, например в спирте, эфире, бензоле. В таблице 1 представлены физические свойства капролактама.

Таблица 3 - Физические свойства капролактама

Физические  свойства

Обозначение

Единица измерения

Значение

Молекулярная масса

М

-

113,6

Температура плавления

Тпл.

°С

68,8

Температура кипения

Тк.

°С

262,5

Температура самовоспламенения

Тсв.

°С

400

Предельно допустимая концентрация в  воздухе рабочей зоны

ПДК

 

мг/м3

10

Теплоемкость при 70оС

Ср°

кДж/(кг*К)

1,76

Плотность при 70оС

d

г/см3

1,02

Показатель преломления

  

-

1,479

Критическое давление

Ркрит.

Па

47,62*105

Энтальпия образования

Δ

кДж/моль

-269,63

Энтальпия сгорания

Δ

кДж/моль

-3605,2


По химическим свойствам капролактам (C5H10CONH) является типичным представителем лактамов. При нагревании с концентрированными минеральными кислотами образует соли. Водными растворами кислот и щелочей гидролизуется до 8-аминокапроновой кислоты H2NC5H10COOH. В присутствии небольших количеств воды, спиртов, аминов, карбоновых кислот при 250-260оС полимеризуется с образованием полиамидной смолы, из которой затем получают волокно нитрон.

Капролактам - горючее вещество. Температура  вспышки - 135оС, самовоспламенения - 400оС. Нижний предел воспламенения - не менее 123оС. Нижний концентрационный предел взрываемости в смеси с воздухом - 43 г/м3.

Капролактам - токсичен. По степени воздействия  на организм относится к 3-му классу опасности. Раздражает кожу. Доза веществ, вызывающая гибель 50% подопытных животных (мыши, вдыхание паров) - 450 мг/м.

3. Методы переработки  выбранных материалов и основные  области применения.

Основное  промышленное применение капролактама - производство полиамидных (нейлоновых) волокон и нитей (полиамид 6). Кроме  того, капролактам применяется в  производстве инженерных пластиков, полиамидных  пленок. В небольших количествах  капролактам может использоваться в образовании полиуретана и  синтезе лизина, в производстве жестких  текстильных подкладок, покрытий для  пленок, синтетической кожи, пластификаторов, растворителей для красок.

В том числе  капролактам используется для синтеза  поликапроамида (капрона). Доступность  исходного сырья, простота методов  производства капролактама, высокий  выход продукта определяют большие  масштабы производства этого мономера, а тем самым поликапроамида и  композитов на его основе.

Основными стадиями получения поликапроамида являются: полимеризация капролактама, экстракция лактама из поликапроамида и его  сушка.

В настоящее  время различают:

● гидролитическую полимеризацию (при использовании в качестве активатора воды);

● катионную полимеризацию, осуществляемую в присутствии безводных кислот как катализаторов;

● анионную полимеризацию в присутствии щелочей и щелочных металлов.

Гидролитическая полимеризация нашла наибольшее промышленное применение. При гидролитической  полимеризации капролактама процесс  протекает по типу ступенчатой полимеризации. В начальной стадии реакции в результате взаимодействия мономера с водой (активатор) образуется аминокапроновая кислота

NH(CH2)5CO + H2O Û NH2(CH2)5COOH

которая реагирует с капролактамом, и получается димер:

НООС(CH2)5 NH2 + NH(CH2)5CO ® NH2(CH2)5CO-NH(CH2)5COOH

 

Затем молекула димера реагирует с молекулой  капролактама с образованием тримера  и т.д. вплоть до получения продукта со степенью полимеризации, определяемой условиями проведения реакции 

NH(CH2)5CO + Н[NH(CH2)5CO]nOH Û Н[NH(CH2)5CO]n+1OH

Наиболее  медленной стадией процесса превращения  капролактама в полимер, является первая стадия - образование аминокапроновой  кислоты при взаимодействии капролактама с активатором. Поэтому полиамид образуется гораздо быстрее при  применении в качестве исходного  продукта не капролактама, а аминокапроновой  кислоты.

Возможна, однако, и другая схема реакции. В начальной  стадии процесса также образуется аминокапроновая  кислота:

NH(CH2)5CO + H2O Û NH2(CH2)5COOH

молекулы  которой реагируют между собой  по поликонденсационному механизму  с образованием димера:

NH2(CH2)5COOH + H2N(CH2)5 COOH ®

® NH2 (CH2)5 CO- NH(CH2)5COOH + H2O

Выделяющаяся  вода снова реагирует с образованием аминокапроновой кислоты, которая вступает в реакцию конденсации с димером, и т.д. вплоть до образования полимера.

Реакция полимеризации является равновесной  и обратимой:


 

Чем выше температура реакции и ниже концентрация мономера в реакционной смеси (при  полимеризации в растворе), тем  выше содержание мономера в продукте реакции при достижении равновесия.

Присутствие кислорода и других окислителей  вызывает при повышенной температуре побочные процессы окисления и разложения полимера, но не влияет на скорость превращения циклов в полимер. Скорость полимеризации капролактама в присутствии воздуха и в среде инертного газа одинакова.

Основными параметрами  процесса полимеризации капролактама являются его продолжительность, температура, количество и природа активатора (катализатора) и стабилизатора, характер среды.

 

4. Управленческие, организационные и экономические

аспекты курсовой работы

В качестве примера в моей работе будет рассмотрено  предприятие ОАО «КуйбышевАзот».

ОАО "КуйбышевАзот" является одним  из ведущих предприятий российской химической промышленности.

Предприятие осуществляет свою деятельность по двум основным направлениям:

- капролактам и продукты его  переработки (полиамид-6, высокопрочные  технические нити, кордная ткань,  инженерные пластики);

- аммиак и азотные удобрения.

Предприятие расположено в 1000 километрах на юго-восток от столицы России - г.Москвы, в г.Тольятти, Самарской области, на берегу самой крупной в Европе реки Волга. Завод был основан  в 1966 году. Площадь компании - 3 000 000 кв.м. (300 Гектар), численность рабочих - 5,1 тыс. человек, средний возраст работающих – 42 года, средняя заработная плата  – 29864 рублей. 
   

 

Таблица 4 - Основные показатели за 2000-2011 гг                               

 

Ед.измерения  

2000

2011  

Прирост                

Объем реализации

млн.руб.

4473

21084

371%

Объем производства

        

Капролактам

тыс.тонн

105

174,6

66,3%

Полиамид-6

тыс.тонн

0

113,1

Новый продукт

Техническая нить

тыс.тонн

0

7,6

Новый продукт

Кордная ткань

тыс.тонн

0

6,4

Новый продукт

Аммиачная селитра

тыс.тонн

299,8

496,2

65%

Карбамид

тыс.тонн

193,0

294,1

52,4%

Сульфат аммония

тыс.тонн

307,9

439,4

43%

Аммиак

тыс.тонн

530,6

520,4

-1,9%

Грузооборот

тыс.тонн

1353

1982,3

46,5%