Другие продукты нефтехимии

ПРОЦЕССЫ НЕФТЕХИМИИ

http://www.rupec.ru/library/3743/

 

Сырьевая база нефтехимии

Нефтехимическая промышленность потребляет четыре основных вида сырья: прямогонный бензин (нафту), ШФЛУ и сжиженные газы, а также этан. Прямогонный бензин производится на нефтеперерабатывающих заводах из нефти, ШФЛУ - на газоперерабатывающих заводах из попутного нефтяного газа и заводах стабилизации конденсата, сжиженные газы - на газофракционирующих предприятиях, этан - при переработке природного газа.

Важнейшим для нефтехимии сырьем является прямогонный бензин. Это смесь компонентов нефти с температурами кипения от точки начала кипения до примерно 180°С, состоящая из нормальных углеводородов в которых число атомов углерода колеблется от 5 до 9. Именно прямогонный бензин в настоящее время составляет около 50% сырья для нефтехимического производства в России. Однако на НПЗ нефтехимики берут в качестве сырья не только нафту. Полезные для дальнейшей химической переработки вещества и смеси получаются и в таких «вторичных» процессах нефтепереработки, как каталитический крекинг и каталитический риформинг.

При каталитическом крекинге образуется достаточно большое (до 20% от массы сырья) количество газов, часть из которых является ценным нефтехимическим сырьем. Так, при крекинге, например, гидроочищенного вакуумного газойля[3] выход фракции С₄ составляет 7,6% от массы сырья. Эта фракция носит название бутан-бутиленовой (ББФ). Также образуется фракция С₃, ее выход составляет 3,6%, из которых большая часть - пропилен. Эта фракция называется пропан-пропиленовой (ППФ). ББФ и ППФ являются важным сырьем для нефтехимической промышленности. Например, ППФ с установок каталитического крекинга Московского НПЗ используется для выделения пропилена и производства полипропилена на ООО «НПП «Нефтехимия» - совместном предприятии СИБУРа и «Газпром нефти». Установка выделения пропилена из ППФ мощностью 250 тыс. тонн в год строится в Омске и должна будет обеспечивать сырьем комплекс по производству полипропилена. А фракции С₄ используются в промышленности синтетических каучуков.

Наряду с каталитическим крекингом, обеспечивающим нефтехимию сырьевыми газовыми смесями, важным является процесс каталитического риформинга. Этот процесс является важным источником так называемых ароматических углеводородов. В нефтехимии под этим названием, как правило, подразумевают четыре вещества: бензол, толуол, орто-ксилол и пара-ксилол:

Рис. 3

Что касается нефтехимии, то получаемые в этом процессе ароматические углеводороды широко применяются как сырье для получения разнообразных продуктов. Важнейшим ароматическим соединением является бензол. Из него производят, например, этилбензол с дальнейшей переработкой в стирол и полистирол. А вот пара-ксилол используется при производстве полиэтилентерефталата - полимера, нашедшего широкое применение для производства пластиковых бутылок и другой пищевой тары.

 

Пока главным сырьем мировой нефтехимии, и российской в том числе, является нафта:

Вид сырья	Применение разных видов сырья для пиролиза, %
США	Западная Европа	Япония	Россия
Этан			-	6,2
Сжиженные газы				28,7
Нафта				51,2
Газойль	-		-	-
ШФЛУ	-	-	-	13,9

 

По сути дела, разница между этими видами сырья невелика. И прямогонный бензин, и ШФЛУ, да и сжиженные газы - это более (нафта) или менее (СУГ) широкие смеси углеводородов, которые в органической химии носят название алканы. Их еще называют «парафинами» или «предельными углеводородами», или «насыщенными углеводородами».

 

Поэтому на первом этапе нефтехимического производства осуществляются превращения исходного углеводородного сырья - алканов - в смеси олефинов. Наиболее распространенным технологическим процессом, реализующим это превращение, является так называемый пиролиз. В определенных случаях альтернативой ему служат процессы дегидрирования.

Пиролиз

Пиролиз - основной процесс для получения низших (и самых важных) олефинов - этилена и пропилена и сопутствующих им продуктов. И если пропилен может производиться в процессе дегидрирования пропана и НПЗ в процессе каталитического крекинга), то 100% этилена в мире получается именно в процессе пиролиза. Этилен - «самый главный олефин» и вообще самый тоннажный в мире нефтехимический продукт. Также в результате этого процесса в мире получается большая часть бутадиена - основного сырья для производства синтетических каучуков, а также существенная доля бензола - важного полупродукта для дальнейшей переработки.

С точки зрения химии пиролиз - термическое разложение предельных углеводородов (алканов), сопровождающееся разнообразными и многочисленными параллельными процессами. Именно поэтому состав продуктов пиролиза весьма многообразен и может варьироваться в широких пределах в зависимости от типа сырья и технологических условий проведения реакции. Однако ключевой химической реакцией в процессе пиролиза является расщепление длинных углеводородных цепочек на более короткие, сопровождающееся дегидрированием - то есть удалением молекул водорода с образованием двойных связей.

Пиролиз протекает при температурах 700-900°С и давлении, близком к атмосферному. Реакция идет в трубчатых печах, состоящих из двух отсеков. В первом сырье смешивается с паром и нагревается до температуры порядка 600°С, после чего подается в трубы-змеевики, помещенные в топочную камеру, где сгорающее топливо создает уже нужную температуру. Время прохождения паро-сырьевой смеси через змеевики очень мало и составляет несколько десятых долей секунды.

В целом в процессе пиролиза реализуются десятки типов химических превращений, идущих параллельно или последовательно, однако в итоге состав реакционной смеси приходит к равновесному состоянию. Выход важнейших продуктов, а также расход сырья на их получение сильно варьируется, в зависимости от типа сырья и режима проведения процесса:

 

 

Сырье*	Расход сырья на 1 тонну этилена, т	Выход некоторых продуктов пиролиза, вес. %
Этилен	Пропилен	Бутадиен	Бутилены
Этан	2,05	48,7	1,09	1,12	0,21
Пропан	2,99	33,5	14,3	2,3
Н-бутан	3,12	32,1	12,8		1,2
Легкий бензин (39-107)	3,41	29,3	16,4	4,4	5,6
Широкая бензиновая фракция (52-163)	3,79	26,4	16,1	4,6	4,6
Гидроочищенный атмосферный газойль	4,50	22,2	12,4	4,05	н. д.

* - в скобках после бензинового сырья указаны температурные интервалы выкипания.

 

Кроме вышеперечисленных, в процессе пиролиза образуются и жидкие продукты, состоящие из ароматических углеводородов и тяжёлых продуктов, используемых в производстве сажи.

Из таблицы видно, что наиболее эффективным сырьем для получения, например, этилена является этан - и расход сырья невелик и выход целевого олефина высок. В то же время, при использовании этана невысок выход бутадиена и бутиленов, а также жидких продуктов пиролиза. Однако эти проблемы могут устраняться, если использовать смешанное сырье для пиролиза с существенной долей этана. Поэтому этот газ - самое эффективное сырье для производства этилена, нашедшее широкое распространение в США и на Ближнем Востоке. В России же доля этана мала, но это связано с тем, что просто пока отсутствуют мощности по его выделению из углеводородного сырья - природного и попутного газа и газового конденсата.

Хорошим сырьем также являются сжиженные газы (пропан и бутан), а также их смеси. Использование СУГ позволяет сочетать эффективность по сырью (относительно низкий расход) с приемлемыми выходами основных продуктов.

Между тем самым распространенным, как уже говорилось, сырьем для пиролиза в России, странах Европы и Азии является прямогонный бензин, использование которого хоть и требует высокого расхода, однако позволяет получать приемлемые количества широкого спектра продуктов. Это не только низшие олефины (этилен и пропилен), но и дивинил - важный полупродукт в индустрии синтетических каучуков, бутилены - полупродукты для получения высокооктановых топливных присадок и специфических полимеров, бензол - основа для синтеза гаммы продуктов, в том числе стирола и полистирола. Кроме того, в указанных выше регионах нафта является более доступным и зачастую более дешевым сырьем, чем сжиженные газы.

Атмосферный газойль - фракции дизельного топлива, - приведен в таблице для понимания того факта, что чем тяжелее сырье (то есть выше температура его кипения), тем выше его расход для получения низших олефинов. Однако есть и вторая причина: в городе Калуш на западе Украины работает единственное на постсоветском пространстве нефтехимическое предприятие, частично потребляющее в качестве сырья для пиролиза дизельное топливо. Это «Карпатнефтехим», принадлежащий российской группе «ЛУКОЙЛ» и выпускающий полиэтилен, хлор и каустическую соду, поливинилхлорид и ряд других продуктов.

После выхода из печи газообразная смесь продуктов пиролиза проходит еще ряд технологических узлов (для отделения воды, пара, первичного разделения, сероочистки, осушки, компремирования и т. д.) и попадает в отделение фракционирования, то есть разделения смеси на индивидуальные компоненты. После этого полученные олефины готовы для участия в дальнейших превращениях, важнейшим из которых является полимеризация.

 

В России суммарные пиролизные мощности по этилену составляют порядка 3 млн тонн в год, по пропилену - порядка 1,5 млн тонн в год. Крупнейшими пиролизными комплексами оперируют предприятия татарстанской группы «ТАИФ»: «Нижнекамскнефтехим» (600 тыс. тонн в год по этилену) и «Казаньоргсинтез» (640 тыс. тонн в год по этилену).

Рис. 6

Продукты нефтехимии

Полимеризация как явление была обнаружена еще в середине XIX века вместе с открытием первых мономеров. Однако научные основы этого процесса, а значит, и возможность осознанного синтеза полимеров, были разработаны лишь перед Второй мировой войной.

Сейчас известно, что процессы полимеризации химических веществ относятся к так называемым «цепным реакциям», в ходе которых первоначальная активная частица запускает рост и развитие полимерной цепочки. В нефтехимии реакцию полимеризации запускают так называемые инициаторы - специально вводимые в процесс вещества. Самым простым инициатором (как в случае с полимеризацией этилена) может служить кислород из окружающего воздуха. В ряде случаев для снижения технологических параметров процесса (давления и температуры) применяют катализаторы. Специфические катализаторы также позволяют получать так называемые стереорегулярные полимеры - цепочки с четко структурированным положением звеньев в пространстве и по отношению друг к другу.

Полиэтилен

Полиэтилен - самый распространенный и широко применяющийся полимер. Большинству полиэтилен известен по его роли в быту: полиэтиленовые пакеты и полиэтиленовая пленка - это то, с чем каждый из нас имеет дело каждый день. Полиэтилен - легкий и пластичный, не пропускает ни воды, ни воздуха, обеспечивая защиту того, что в нем содержится. Именно это делает его очень полезным для хранения, например, продуктов. С точки зрения химии полиэтилен - полимер состава -(СН₂)_n-, относится к термопластам, то есть при нагревании переходит в пластичное состояние и может быть обработан методами формовки, литья или экструзии - продавливании расплава через отверстия различной конфигурации для получения нитей, тонких слоев и т. д. На бытовом опыте многие знают, что полиэтилен при нагревании размягчается. А вот внешний вид того полиэтилена, который производится на нефтехимических заводах далек от вида изделий из него. Фабричный полиэтилен представляет собой гранулы белого цвета. Именно в виде белого осадка он и был впервые получен.

История полиэтилена

Изобретателем полиэтилена считается немецкий инженер Ганс фон Пехман, который в 1899 году открыл его случайно в ходе нагревания раствора диазометана - желтого легкого газа. История не сохранила сведений о том, что же на самом деле хотел получить Пехман. Но в ходе реакции на дне сосуда образовался воскообразный белый осадок. Вещество было изучено, и установлена его структура в виде цепочки повторяющихся фрагментов -СН₂-, носящих в химии название «метилен». За эту структурную особенность химики Тширнер и Бамбергер назвали новое вещество «полиметиленом», предполагая, что именно фрагмент -СН₂- является структурным звеном этого вещества. Теперь мы знаем, что звеном полиэтиленовой цепочки является этилен CH₂=CH₂, что и обуславливает современное название этого материала. Впрочем, ошибка Тширнера и Бамбергера характерна - механизм полимеризации тогда не был известен. Зато эти ученые не ошиблись во многих других своих начинаниях: например, Ойген Бамбергер вошел в историю науки как первооткрыватель органической реакции, до сих пор носящей его имя.

В конце XIX века ученые имели довольно туманное представление о структуре и свойствах высокомолекулярных соединений. Именно поэтому сразу после своего рождения полиэтилен и не нашел достойного практического применения. Лишь спустя треть века, в 1933 году случайность вновь вернула полиэтилен из пыльного забвения в сферу научного интереса. Британские исследователи Эрик Фоссет и Реджинальд Гибсон из компании Imperial Chemical Industries (ICI) в одной из лабораторий занимались экспериментами с газами. Создав высокое давление в аппарате со смесью этилена и бензальдегида, Фоссет и Гибсон через некоторое время обнаружили, что реакционный аппарат выглядит так, будто «его окунули в парафиновую смазку». Запись, которую в лабораторном журнале сделал Гибсон, во второй раз вызвала к жизни «полиметилен» Пехмана: «В колбе обнаружен воскоподобный осадок».

Повторить эксперимент удалось не сразу. Роль случая на этот раз заключалась в том, что обязательным компонентом реакции должен быть кислород, который Фоссет и Гибсон ввели в свои аппараты неосознанно. Как говорилось выше, кислород тут выступает инициатором полимеризации. Понимание роли кислорода в образовании полимера этилена к 1939 году позволило исследователю Майклу Перрину из той же компании ICI разработать первый промышленный способ получения полиэтилена.

Разразившаяся вскоре Вторая Мировая война подтолкнула новую индустрию к развитию. Изначально из полиэтилена делали изоляцию для электрических кабелей, прокладываемых по морскому дну. Свойства нового материала - легкость, коррозионная стойкость и простота в обработке - делали его самым лучшим для этих целей из всех имеющихся на то время вариантов. Вскоре полиэтилен начал использоваться и для изоляции проводки на радарных установках. Вслед за этим военные освоили производство из полиэтилена корпусных элементов для радиотехники, что позволило существенно снизить вес и габариты приборов и начать их использование на самолетах. С этого момента британские самолеты получили компактные и легкие бортовые радары, а пилоты обрели возможность «видеть» в темноте и при плохой погоде, что на некоторое время дало им существенный козырь перед немецкой авиацией во время затяжной воздушной «Битвы за Англию». Одновременно шли поиски новых катализаторов реакции полимеризации этилена с тем, чтобы снизить рабочее давление и температуру реакции и удешевить производство. В 1952 году немецкому ученому Карлу Циглеру удалось применить для синтеза полиэтилена так называемые металлокомплексные катализаторы, что позволило проводить реакцию почти при атмосферном давлении и невысокой температуре.

После войны многие военные разработки стали достоянием гражданской сферы, в том числе и полиэтилен, который начал широко использоваться в самых различных отраслях промышленности и быта. В 1957 году в США был произведен первый полиэтиленовый пакет. И если в 1973 году производство таких пакетов составило 11,5 млн штук, то сегодня в мире ежегодно производится несколько триллионов полиэтиленовых пакетов!

 

Получение полиэтилена

Принципиальная схема производства полиэтилена представлена на рисунке:

 

Рис. 10

Сейчас технологическая схема производства полиэтилена выглядит следующим образом. Нефтехимическое сырье, производимое на нефтеперерабатывающих заводах и ГПЗ, подается на установки пиролиза, где производится этилен. Далее он вовлекается в полимеризацию. Специфика этого процесса определяет, какой вид полиэтилена получится на выходе. В России производится два вида: Полиэтилен Низкой Плотности (ПЭНП, LDPE) и Полиэтилен Высокой Плотности (ПЭВП, HDPE).

ПЭНП еще также называют полиэтиленом высокого давления (ПЭВД) - именно такой в свое время получил Майкл Перрин из ICI. Процесс характеризуется высокой температурой (200-260°С) и давлением (1,3-3 тыс. атмосфер) и протекает в расплаве. ПЭВП, или полиэтилен низкого давления (ПЭНД), получают полимеризацией в суспензии в присутствии катализаторов при температуре 70-120°С и давлении 1-20 атмосфер.

Разница между двумя видами заключается в характеристиках получающегося продукта. ПЭВП имеет более высокую плотность, степень кристалличности и средний молекулярный вес («длину») полимерных цепочек. Соответственно, различаются и сферы применения.

Применение полиэтилена

Рис. 11

Почти четверть всех объемов полиэтилена в России идет на изготовление тары и упаковки (разнообразные емкости для бытовой химии, канистры, бочки, мешки и пакеты и т. п.), еще 25% - на изготовление пленок, порядка 16% - на выпуск труб и деталей для трубопроводов. Четвертое место в этом рейтинге занимает производство товаров из группы «для культурно-бытового назначения»: игрушек, изделий для домашнего хозяйства, быта и т. п. Исторически первое направление использование полиэтилена - кабельная изоляция - откатилось на 5 место: на эти цели расходуется 9-10%. Около 8% полиэтилена идет на изготовления изоляции для металлических труб, например, водопроводных. На изделия и детали производственного назначения идет лишь 5% полимера.

Полипропилен

Полипропилен (ПП или PP) - второй после полиэтилена по тоннажу производства полимерный продукт. По сравнению с полиэтиленом, он имеет меньшую плотность, а значит - более легок. Вообще, полипропилен - самый легкий из массовых термопластов. Кроме того, полипропилен также более устойчив термически: эксплуатационные характеристики изделий сохраняются вплоть до 140-150°С. Зато полипропилен менее стоек к морозу, нежели полиэтилен: при отрицательных температурах он становится хрупким, поэтому использовать под нагрузкой изделия и детали из полипропилена в регионах с суровым климатом нельзя. Но в целом, из полипропилена изготавливают множество самых разных изделий, начиная от пленки, в которую заворачивают сигаретные пачки, и заканчивая приборными панелями автомобилей.

Из-за наличия дополнительного атома углерода, «торчащего» из цепочки, полипропилен более чувствителен к свету и кислороду. Для снижения этого влияния в полипропилен вводят специальные вещества, называемые стабилизаторами - они тормозят деструктивные процессы в полимере.

Наличие еще одного атома углерода влечет и другие весьма важные последствия. Оказывается, что характеристики полипропилена существенно зависят от того, как звенья ориентируются по отношению друг к другу. Например, цепочка, где все боковые атомы углерода находятся по одну строну, носит название изотактической:

 

Рис. 12

 

Если боковые углероды строго чередуются, то цепочка называется синдиотактической:

 

Рис. 13

 

Два этих типа структур характеризуются высокой упорядоченностью и образуют хорошо кристаллизующийся полимер. А вот если расположение боковых атомов носит хаотический характер, то такая структура носит название атактической. Кристалличность такого полимера выражена в меньшей степени. Вообще же, характер строения цепочек полипропилена оказывает очень большое влияние на его свойства.

 

История полипропилена

Достоверно неизвестно, когда впервые была осуществлена полимеризация пропилена. Однако до 50-х годов прошлого века полипропилен, в отличие от полиэтилена, не находил широкого применения. За предшествующие десятилетия наука довольно хорошо разобралась в закономерностях реакций полимеризации, стало ясно, как на процесс влияет температура и давление, характер среды, в которой идет реакция, были найдены и внедрены в промышленности высокоэффективные инициаторы. Однако сама реакция, то есть присоединение отдельных звеньев к растущей цепи, не поддавалась, в сущности, контролю. Поэтому те полимеры пропилена, которые удавалось получать, сильно различались по своим свойствам - получались атактические, низкомолекулярные[12] структуры. Характеристики таких полимеров не позволяли широко их использовать. Это и обусловило некоторое забвение полипропилена в первой половине XX века.

В начале 50-х годов ученые впервые попробовали использовать в реакциях полимеризации катализаторы, которые смогли косвенно управлять строением получающихся продуктов. Первые удачные опыты были выполнены, правда, с синтетическими каучуками. Как мы уже говорили выше, в 1952 году Карл Циглер провел удачные опыты с применением нового типа катализаторов при синтезе полиэтилена. Его успехи вызвали волную активного изучения роли металлоорганических катализаторов[13] при полимеризации. В 1953 году группа ученых из Миланского политехнического института под руководством профессора Джулио Натта модифицировала каталитические системы Циглера и провела опыты по полимеризации различных олефинов, в частности, пропилена. Полученное ими вещество коренным образом отличалось от всего того, что удавалось получить раньше: оно имело больший молекулярный вес («длину» цепочек), было способно кристаллизоваться, имело более четкий температурный диапазон плавления, большую плотность и меньше растворялось в растворителях. Исследования структуры показало, что этот полипропилен имел линейную структуру и регулярность строения - то есть был изотактическим или синдиотактическим. За эти открытия Джулио Натта в 1963 году получил Нобелевскую премию по химии, а примененные им стереоспецифические катализаторы полимеризации с тех пор называются катализаторами Циглера-Натта.

Первый изотактический полипропилен начали производить для продажи на родине Натта в Италии в 1956 году. Сначала на нефтехимическом заводе компании Montekatini в городе Феррара работала полуэкспериментальная установка, но в 1957 году там ввели крупное по тем временам производство в 5 тыс. тонн в год. В 1959 году там было освоено производство волокон из полипропилена.

Со временем выпуск полипропилена начался еще в ряде городов в Италии, в 1962 году стартовало производство в США. В СССР производство полипропилена началось в 1965 году на Московском НПЗ, где была применена отечественная технология. В 1977 году в Гурьеве заработал завод, выпускающий полипропилен по итальянской технологии. В 1982 году был пущен мощный нефтехимический комплекс в Томске.

 

Производство полипропилена

Принципиальная схема производства полипропилена представлена на рисунке:

 

Рис. 14

 

В мире для производства полипропилена используется, как правило, сырье трех видов: это пропилен пиролиза, пропилен нефтезаводских газов и пропилен, полученный дегидрированием индивидуального пропана.

После этого пропилен подается на полимеризацию. Процесс идет при температуре при 70-80°С и давлении порядка 10 атмосфер в среде растворителя (им может выступать обычный бензин) и в присутствии катализаторов стереорегулярной полимеризации. Далее суспензия готового полипропилена в растворителе отделяется от непрореагировавшего пропилена, катализатор разлагается, а полимер отделяется от растворителя, сушится и отправляется на гранулирование.

Применение полипропилена

Рис. 15

Наиболее крупным направлением использования полипропилена на рынке России является изготовление пленок. В 2010 году на эти цели было направлено более 160 тыс. тонн полипропилена. Главным образом речь идет о так называемых БОПП - биаксиальноориентированных полипропиленовых пленках.

В последние десятилетия этот вид упаковочной продукции можно считать абсолютным лидером. В БОПП-пленки упаковывают практически все, в первую очередь продукты питания. Характеристики этих пленок делают их практически универсальными для этих целей. БОПП-пленки исключают прохождение паров воды, инертны к большинству физических и химических воздействия, сохраняют эксплуатационные качества в широком диапазоне температур. Получаются БОПП-пленки экструзией расплава полипропилена в вязкотекучем состоянии через длинную и узкую («щелевую») головку. После этого пленки по краям охлаждают, а потом ориентируют, то есть растягивают в двух направлениях в одной плоскости (отсюда название «биаксиальноориентированные»). Затем пленку подвергают термофиксации при температуре ниже температуры стеклования («застывания») полимера.

Главными потребителями БОПП-пленок являются полиграфические компании, которые наносят на пленки рисунки и тексты (например, логотипы и данные о продукте, составе и сроке годности), после чего продают на предприятия пищевой промышленности, где в БОПП-пленку упаковываются хлебобулочные изделия, макаронные изделия, сахар, крупы, чипсы, хлопья, чай, кофе, майонез и т. п.

На российском рынке БОПП-пленок нефтехимический холдинг СИБУР также является ведущим игроком. В декабре 2009 года СИБУР приобрел пятидесятипроцентную долю в ООО «Биаксплен», который годом ранее консолидировал под собой две трети рынка БОПП-пленки. Имея заводы в Нижегородской и Московской областях, а также в Курске, компания может выпускать порядка 85 тыс. тонн БОПП-пленок в год. Кроме того, в сентябре 2010 года СИБУР завершил сделку по приобретению ООО «НОВАТЭК-Полимер» из Новокуйбышевска вместе с линией по выпуску 24 тыс. тонн в год БОПП-пленок.

Кроме того, в рамках холдинга полипропилен также перерабатывается в так называемые геосинтетические материалы. Это особый класс современных строительных материалов, которые применяются главным образом в дорожном строительстве. Предприятия СИБУРа в городе Узловская Тульской области («Пластик-геосинтетика»), Кемерово («Ортон») и Сургуте («Сибур-Геотекстиль») производят плоскую двуосную геосетку под маркой КАНВАЛАН, нетканое геополотно под марками АПРОЛАТ и ГЕОТЕКС.

Двумерные геосетки используются в дорожном строительстве для формирования армирующих слоев дорожного покрытия. Инертные материалы (щебень) как бы «заклинивают» в ячейках геосетки, обеспечивая прочность полотна, его устойчивость к деформациям, равномерное распределение нагрузок на подстилающие грунты, что особенно важно в условиях сильной заболоченности местности. Также геосетки применяются для строительства железнодорожных насыпей, укрепления склонов, отвесов, усиления фундаментов. Использование геосеток позволяет не только повысить эксплуатационные качества дорог и увеличить межремонтный период, но и экономить на использовании инертных материалов - щебня и песка.

Нетканое геополотно также находит применение в дорожном строительстве для разделения формирующих слоев, закрепления их друг на друге. Кроме того, геополотно используется при строительстве трубопроводов при так называемой балластировке.

Полистирол

Полистирол - термопластичный полимер стирола, обозначающийся ПС или PS. В отличие от своих собратьев полиэтилена и полипропилена, мономер полистирола не так прост по структуре и в изготовлении, как этилен и пропилен:

 

Рис. 16

 

Соответственно, структура полимера лишь отдаленно напоминает «цепочку»:

 

Рис. 17

 

Объемные фрагменты, «торчащие» из полимерной цепочки, препятствуют «упаковыванию» полимера и кристаллизации, поэтому полистирол жесткий, но хрупкий, и аморфный, то есть не кристаллизующийся полимер с невысокой термической устойчивостью. Вместе с тем полистирол хорошо пропускает свет, морозоустойчив, хорошо изолирует электрический ток, является дешевым и легкообрабатываемым материалом, что делает его очень популярным. Из полистирола изготавливают, например, коробки для DVD-дисков и баночки для йогуртов. Кроме того, полистирол нашел широчайшее применение в виде сополимеров с другими веществами. Например, широкое распространение получили так называемые АБС-пластики, которые применяются для изготовления корпусов бытовой техники и в автомобильной промышленности.

Ну и, наверное, самой известной разновидностью полистирола является вспененный (вспенивающийся) полистирол (ПСВ, EPS), который также называют пенополистиролом или пенопластом. Это вещество нашло широчайшее применение в строительстве в качестве теплоизолирующего материала.

 

История полистирола

История полистирола началась в 1839 году в Берлине, когда Эдуард Саймон экспериментировал с экстрактами растений. Из смолы растения Liquidambar orientalis он выделил маслянистую жидкость, которую он назвал стиролом. Через несколько дней Саймон обнаружил, что раствор сгустился и превратился в желеобразную массу. Саймон предположил, что это было вызвано окислением кислородом воздуха, и назвал получившееся вещество «оксидом стирола».

В 1845 году английский химик Джон Блит и немец Август-Вильгельм фон Хоффман установили, что аналогичное превращение стирол претерпевает и в отсутствии кислорода. Свое вещество они прозвали «метастиролом», а проведенный анализ показал, что оно идентично «оксиду стирола» Саймона. В 1866 году известный французский химик Марселен Бертло доказал, что «метастирол» образуется из стирола по реакции полимеризации. Только спустя 80 лет было показано, что нагревание стирола вызывает начало цепной реакции полимеризации[15].

Промышленное производство полистирола началось в Германии в 1931 году фирмой I. G. Farben, ставшей впоследствии частью известного транснационального концерна BASF. Там же впервые стали выводить полистирол из реактора через экструдеры и резать на гранулы. В 1949 году в Германии же предложили способ производства вспененного полистирола - в массу полимера вводились легкие углеводороды типа пентана, которые при нагревании испарялись. При этом образовывались легкие гранулы полистирола с порами внутри, которые использовались как сырье для переработки методами литья или экструзии. В том же году BASF запатентовал этот материал под названием «Стиропор». А в 1959 году в США изобрели полистирольную пену.

Производство полистирола

Рис. 18

Производство полистирола и всех его разновидностей начинается с синтеза мономера - стирола. Сырьем для этого служит бензол, который получают либо на НПЗ в ходе процесса риформинга, либо при пиролизе[16]. После этого бензол подвергают так называемому алкилированию - вводят в каталитическую реакцию с этиленом, который образуется там же на комплексах пиролиза. При этом образуется жидкость, называемая этилбензолом. Далее этилбензол проходит процесс дегидрирования (см. главу 2), то есть лишается двух атомов водорода и получает двойную связь. Так образуется стирол - вязкая жидкость. Далее стирол запускают в полимеризацию с получением полистирола.

Для получения вспенивающейся марки полистирола массу расплава полимера смешивают со вспенивающими агентами - веществами, которые в ходе переработки могут выделяться из полимера при невысокой температуре, образуя вспененный полистирол. До 98% объема пенополистирола состоит из пор.

АБС-пластики получают в основном сополимеризацией[17] стирола и акрилонитрила[18] с полибутадиеновым каучуком. Процесс идет при температуре ниже 100°С и давлении близком к атмосферному. При этом помимо «сшивания» молекул стирола и акрилонитрила между собой происходит их «прививка» на каучук. Иными словами, цепочки акрилонитрил-стирольного сополимера как бы торчат из цепочки полибутадиенового каучука. За счет этого достигается хорошее сочетание пластических и эластичных свойств материала. Рецептуры могут варьироваться в широких пределах, за счет этого марочный ассортимент АБС-пластиков очень велик: состав и свойства материала можно подобрать под любые задачи.

Применение полистирола

Из полистирола изготавливают не только коробки для дисков и пищевую упаковку. Большая часть корпусов техники (телевизоры, компьютеры, сотовые телефоны и т. д.) делается из специальных марок полистирола. Кстати, всем известные пластиковые стаканчики, тарелки и приборы делают из полистирола. И даже одноразовые бритвенные станки.

Но самой, наверно, важной формой полистирола является пенопласт. Пожалуй, в арсенале современной строительной индустрии пока нет более универсального, эффективного и недорого утеплителя. Не удивительно, что 8 из 10 частных домов в Европе утеплены пенополистирольными плитами. При этом в России использование этого материала развито в недостаточной степени.

 

Поливинилхлорид

 

Поливинилхлорид (ПВХ, PVC) - пожалуй, самый известный в массах полимер. Эта аббревиатура у большинства из нас прочно ассоциируется с оконными профилями, применяемыми при изготовлении стеклопакетов, которые прочно вошли в обиход жителей современных городов.

ПВХ на первый взгляд отличается от полиэтилена не очень сильно:

Рис. 19

 

Однако наличие атома хлора в боковой цепи и обуславливает существенное различие свойств этих полимеров. Мономером ПВХ является винилхлорид - бесцветный газ со слабым сладковатым запахом.

Поливинилхлорид достаточно прочен, относительно морозостоек, устойчив к щелочам, многим кислотам, маслам и растворителям, почти не горюч и сам по себе нетоксичен. Пленки из ПВХ обладают хорошими барьерными свойствами. Весь этот комплекс свойств обуславливает широчайший спектр применения ПВХ и изделий из него. ПВХ настолько популярен, что получил прозвище «народный полимер».

 

История поливинилхлорида

История ПВХ началась в Германии в 1830-е годы, в тот счастливый период, когда химическая наука открывала саму

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: