Zumdahl, hfst. 22. industriele chloorchemie van chloor naar PVC Z22. Accent/Illustratie:

Transcriptie

1 Zumdahl, hfst. 22 Z : inl. organische chemie 22.4: inl. industriele petrochemie & raffinage 22.5: functionele groepen & ind. Produkten polymeren en de polymeer industrie Accent/Illustratie: industriele chloorchemie van chloor naar PVC

2 Organisch Chemische industrie Produceert (de bouwstenen van) plastics re-user of plastic waste? Gebruikt olie producte en aardgas (steenkool) "utilities tbv. energievoorziening

3 Polyetheen / polypropeen natural gas film/foils bags pipes coal polyethylene granules buckets bottles crude oil wire-insulation fossil resources intermediate product consumer products

4 Organisch Chemische industrie Produceert (de bouwstenen van) plastics re-user of plastic waste? oplosmiddelen, anti-vries, brandstof - additieven componenten van verf- en lijm: harsen, kleurstoffen, oplosmiddel Geur- en smaakstoffen Actieve ingredienten van cosmetica, voedingssupplementen, geneesmiddelen Gebruikt olie producte en aardgas (steenkool) "utilities tbv. energievoorziening

5 energy source hydrogen sourc acrylonitrile caprolactam PMMA nylon natural gas winning synthesis gas ammonia methanol formaldehyde acetic acid melamines etc. condensate crude oil winning refinery LPG naphtha steamcracker ethylene propylene process routes polyethylene PVC glycol kerosene butylene polyols polyurethanes gasoil butadiene polypropylene fuel oil BTX phenol(resins) bisphenol A lube oils acrylonitrile spec. products aromatics (BTX) BTX separation benzene toluene xylenes polystyrene solvents higher aromatics coal winning pyrolysis gasification cokes coal tars naphtalene synthesis gas (see natural gas)

6 Organische chemie de studie van verbindingen die koolstof bevatten en hun eigenschappen uitzondering: CO, CO 2, CO 3 2- niet noodzakelijk geproduceerd in levende organismen (subset org. chemie = biochemie)

7 Alkanen Alkanen: behoren tot de categorie verzadigde koolwaterstoffen of saturated hydrocarbons I.e. verzadigd met waterstof: Bij het leiden van alkaan over geschikte katalysator vindt geen reactie plaats: alkaan + H 2 --> alkaan + H 2 Er wordt geen H 2 geconsumeerd

8 Alkanen Alkanen vormen onderdeel van de categorie verzadigde koolwaterstoffen of saturated hydrocarbons saturated slaat op feit dat de verbinding de max. hoeveelheid H-atomen bevat (afgezien van evt. Functionele groepen) het koolstofskelet bestaat uitsluitend uit σ-bindingen N.B. ook andere organische verbindingen dan alkanen ethanol, propanol, glycol etc. zijn dus te karakteriseren als saturated

9 Alkanen - vragen: Welk alkaan wordt wereldwijd respectievelijk (1) in de grootste hoeveelheid gewonnen (2) in waarschijnlijk de grootste volumes geproduceerd? Welk mengsel van gas/vloeibare alkanen wordt verkocht als LPG

10 Alkanen - vragen? Welk alkaan wordt wereldwijd respectievelijk (1) in de grootste hoeveelheid gewonnen : methaan (2) in waarschijnlijk de grootste volumes geproduceerd?: isooctaan in motorbenzine Welk mengsel van gas/vloeibare alkanen wordt verkocht als LPG: propaan/butaan

11 Alkanen - reacties Alkanen zijn weinig reactief (relatief!) verbranding wordt geinitieerd door hoge temperatuur substitutie reacties klassiek organische chemie: licht & halogenen industrieel:niet technisch/economisch haalbaar! Industrieel belangrijke dehydrogenatie reacties ethaan ---> etheen + H 2 propaan ---> propeen + H 2 isobutaan ---> isobuteen + H 2 benzeen ---> cyclohexaan + 3 H 2 Dehydrogenatie: endotherm; thermisch of katalytisch

12 Alkenen Organische verbinding met een dubbele binding R 1 R 2 C=CR 3 R 4 Waarbij R 1 4 verzadigde koolwaterstofketens Aan deze verbinding kan dus één waterstof worden geaddeerd: R 1 R 2 C=CR 3 R 4 + H 2 --> R 1 R 2 CH-CHR 3 R 4

13 Alkenen Triviale naam: olefines De belangrijkste: etheen, propeen, 1-buteen, 2- buteen, isobuteen Etheen: > 100 MioTon / jaar Propeen: MioTon / jaar Produktie: stoomkraker

14 Naphtha Steam Cracked gases Stoomkraker Furnace T Fuel Quench Compressor AIR Separation Olefines Aromaten

15 Stoomkraker Principe: thermisch kraakproces: hoge temperatuur, energietoevoer (endotherm) grotere moleculen in kleiner stukken breken daarbij ontstaan uit alkanen in hoofdzaak olefines en aromaten (waarom?) voorkom doorreageren: snelle afkoeling quench) gevolgd door produktscheiding

16 Alkynen Organische verbinding met een drievoudige binding R 1 C=CR 2 Waarbij R 1 2 verzadigde koolwaterstofketens De belangrijkste: acetyleen, methylacetyleen etc.: verontreiniging in stoomkraker voor etheen, propeen productie

17 Alkenen - reacties Additie aan de dubbele binding hydrogenering met waterstof halogenering met HX (HF, HCl, HBr, HI) of X 2 hydratering met water: industriele bereiding van alcohol etheen + H 2 O ---> ethanol partiele oxidatie etheen O 2 --> C 2 H 4 O ofwel: etheenoxide of acetaldehyde!

18 Aromaten - reacties Bij gewone c.q. reactiecondities geen additie aan een van de dubbele bindingen aan C 6 H 6 Maar substitutie van H-atomen zoals bij verzadigde koolwaterstoffen?? Waarom

19 Aromaten - reacties Bijvoorbeeld produktie van TNT Tri-nitro-tolueen C 6 H 5 CH HNO 3 ---> C 6 H 2 (NO 2 ) 3 CH 3

20 Aromaten - reacties Bij gebruik speciale katalysatoren ook additie van etheen of propeen mogelijk: Belangrijke reacties C 6 H 6 + etheen ---> ethylbenzeen C 6 H 5 C 2 H 5 ---> dehydrogenatie: styreen C 6 H 6 + propeen ---> cumeen C 6 H 5 C 3 H 7 ---> part. oxydatie: fenol + aceton

21 Alkenen - reacties Additie aan de dubbele binding zichzelf: oligomerisatie en polymerisatie belangrijkste reacties etheen ---> HDPE, LDPE, LLDPE etc. propeen ---> PP styreen ---> PS (vinylchloride-monomeer, VCM ---> PVC)

22 Etheen - produkten Zumdahl, p. 1076, fig : (1) erratum: ethanol wordt niet gepolymeriseerd tot polyetheen! (2) na de PE s, zijn de afgeleides van Ethylene dichloride, EDC, en Ethylene Oxide, EO het belangrijkst qua volume (3) EO + H2O ---> glycol & polyglycolen (PG s) afhankelijk van condities

23 Etheen - naar VCM? Hoe zou je dat technisch uit kunnen voeren, gesteld dat je een etheen-producent bent? Gewenst: H 2 C=CH 2 + [Cl] ---> H 2 C=CHCl

24 Etheen - naar VCM? Wat moet je weten?

25 Etheen - naar VCM? Wat moet je weten mogelijke procesroute(s): een opeenvolging van op industriele schale uitvoerbare chemisch reacties per procesroute?

26 Etheen - naar VCM? Wat moet je weten mogelijke procesroute(s): een opeenvolging van op industriele schale uitvoerbare chemisch reacties per procesroute individuele processen grondstoffen per proces (inputs) (bij)produkten per proces (outputs) gebruik van utilities per proces

27 Etheen - naar VCM? Afwegingscriteria?

28 Etheen - naar VCM? Afwegingscriteria? Beschikbaarheid technologie: processen Beschikbaarheid grondstoffen op beoogde locatie Afzet produkt: (wereld) markt Milieu en veiligheid investeringskosten operationele kosten omzettings efficiency proces energie efficiency proces: gebruik utilities etc.

29 Inzetbare processen Fabriek Fabriek Fabriek (1) etheen + chloor EDC (2) ethaan + chloor? (3) etheen + HCl monochloorethaan (4) MCE +? EDC (5) acetyleen + chloor EDC Fabriek (6) EDC VCM + HCl (zoutzuur)?hoe Fabriek (7) VCM PVC (polymerisatie)

30 Grondstof: Chloor Veiligheid: brandgevaarlijk, zeer reactief, explosiegevaar Gezondheid: Inademing van dam en/of nevel kan ademnood veroorzaken (longoedeem). In ernstige gevallen met kans op dodelijke afloop Current practice : kleine hoeveelheden: opslag in drukflessen hoeveelheden > 1 ton/dag direct verwerken

31 Toelichting AKZO Delfzijl: Chloor-produktie ton Rotterdam: Chloor-produktie ton PVC - complex; vraag ton Chloor-trein Delfzijl Rotterdam

32 Afzet van Chloor Belangrijkste toepassing: PVC AKZO, Rotterdam/Botlek (Shin-Etsu) Produktieketen: (1a) etheen + chloor EDC Fabriek (2) EDC VCM + HCl (zoutzuur) Fabriek (3) VCM PVC (polymerisatie) Fabriek

33 Industrieel complex PVC HCl (zoutzuur) is ongewenst restprodukt Daarom tweede industrieel proces voor EDC ontwikkeld: (1b) etheen + 2HCl + 0.5O 2 EDC + H 2 O zgn. Oxychlorering van etheen. Fabriek

34 AKZO Complex voor PVC Etheen Chloor Fabriek EDC Fabriek VCM Fabriek PVC Etheen O 2 Fabriek EDC HCL Let op de plaats van de EDC-fabrieken!

35 Afronding etheen / chloor / PVC VCM wordt gemaakt in industrieel complex Belangrijkste reden: voorkom economisch & ecologisch ongewenst verlies van HCl (zoutzuur) Belangrijke ontwerpparameter: capaciteitsverhouding oxychlorering / thermische VCM produktie Hoe groot is deze waarde bij 100% conversie rendement van beide plants?