Как получают этилен в промышленности

В настоящее время этилен является важным техническим сырьем не только как исходный продукт для производства полимеров, обладающих рядом ценных свойств, благодаря которым эти полимеры во все большем и большем количестве применяются в электротехнике и других областях промышленности, но этилен является также основным сырьем для производства стирола, окиси этилена и других соединений.

Кроме газов крекинга, которые получаются только лишь в местах переработки нефти, за последние годы стало широко развиваться планомерное производство этилена и из других видов сырья. Сырьем для производства этилена является этиловый спирт, природный газ или выделенная из него этановая фракция, а в последнее время — ацетилен.

Дегидратация этилового спирта с помощью серной кислоты была уже давно отвергнута промышленностью и заменена каталитической дегидратацией. В качестве катализатора дегидратации этилового спирта обычно применяется окись алюминия, рабочая температура реакции находится в пределах 250—400°. Процесс проводится в реакторе, снабженном рубашкой для обогрева. Обогрев производится парами ртути. Газ, выходящий из реактора, охлаждается, компримируется, сушится и подвергается низкотемпературной ректификации. В результате получается весьма чистый этилен. При дегидратации спирта в производстве бутадиена по Лебедеву этилен получается в качестве побочного продукта с выходом около 5—8%. Этот этилен, так же как и этилен, полученный предыдущим способом, вполне пригоден для полимеризации, поскольку он не содержит прерывающих ее примесей. Необходимо только этилен, получающийся в производстве бутадиена по способу Лебедева, очистить вымораживанием от содержащегося в нем ацетальдегида, поскольку последний препятствует полимеризации.

Из ацетилена этилен получается путем частичного гидрирования при атмосферном или слегка повышенном давлении. Исходный ацетилен не должен содержать примеси, отравляющие катализатор. Перед переработкой ацетилен подвергается очистке на промывных установках, орошаемых хлорной водой, затем промывается разбавленным раствором щелочи и сушится. Водород также не должен содержать контактных ядов. Реакторы гидрирования, соединенные в батареи, имеют внутри решетки, на которых размещается катализатор, палладий на двуокиси кремния. Сначала смесь ацетилена и водорода нагревают до 200°; в процессе гидрирования температура в реакторах поддерживается в пределах 180— 230° за счет тепла реакции и регулируется орошением катализатора водой. С постепенным старением катализатора реактор по мере надобности нагревают дымовыми газами. Выходящий из реактора газ имеет следующий состав: 80 объем. % паров и 20 объем. % газа, содержащего 50—60% этилена, 3% этана, 3% азота, 0,8% ацетилена и около 30% водорода. После охлаждения и отделения воды сырой этилен сжижают в разделителе Линде и подвергают низкотемпературной фракционированной дистилляции. Очищенный продукт содержит 94—96% этилена, 3—4% этана, приблизительно 1% азота и около 0,5% ацетилена. Этилен, получаемый из ацетилена, для полимеризации не годится. Он применяется для производства стирола.

При производстве этилена из этан-пропановой фракции смесь обоих углеводородов, к которой прибавляют небольшое количество водяного пара, подвергают кратковременному действию температуры 750—800°. Реакционную смесь быстро охлаждают, газы компримируют, отделяют от воды и подвергают низкотемпературной ректификации. На аналогичном принципе основано производство этилена путем высокотемпературного дегидрирования этана (температура около 900°). Этот процесс проводится при давлении 0,5 атм; этан подается на дегидрирование в смеси с азотом. Процесс проводится в реакторе из специальной хромистой стали (20—30% хрома) с содержанием никеля менее 0,2%, так как последний способствует побочным реакциям и образованию углерода. Примесь кремния оказывает противоположное действие. Газ, выходящий из реактора, содержит около 33% этилена, небольшое количество ароматических углеводородов и около 0,3% ацетилена, который получается в результате дальнейшего дегидрирования этилена. Путем охлаждения ацетилен освобождают от примесей смолистых веществ и подвергают гидрированию при температуре 180—230°, превращая его практически количественно в этилен. Катализатором этого процесса служит металлический никель (5%) на окиси хрома (95%). Сырой этилен пропускают через абсорберы, заполненные активированным углем, в которых задерживаются ароматические углеводороды. Окончательная очистка этилена заключается в абсорбции его раствором хлорида меди (I) при 15 атм. Содержащиеся в газе олефины отделяются постепенным снижением давления до 3—1,4; 1—0,35; 0,1 атм. Газы, отделенные в результате первого и второго снижения давления, содержат гомологи этилена, и их возвращают на абсорбцию. Этим способом получается не менее 96% этилена с выходом не менее 79—80% от теоретического, считая на этан.

Другим способом производства этилена является частичное окисление этана воздухом или кислородом при температуре 800—850°. Оба газа прежде всего нагревают: этан до 650°, кислород до 550°, а затем смешивают в отношении 3:1 в небольшой камере смешения, откуда с большой скоростью подают в основной аппарат — камеру сжигания. Камера сжигания заполнена кольцами Рашига, чтобы смешение газов было наилучшим. Благодаря короткому времени контактирования снижается образование углерода и формальдегида. Отходящий из камеры сжигания газ, который содержит примерно 33 объем. % этилена, 26,3% водорода, 14,1% этана, 11,5% окиси углерода, 7,6% метана, 4,2% азота, 1,1% пропана, 0,7% углекислого газа и 0,6% кислорода, охлаждают водой, сушат и после сжижения подвергают с целью очистки низкотемпературной дистилляции на разделителе Линде. Регенерированный этан вновь возвращают на переработку. Выход этилена по этому методу составляет 80% от теоретического.

Этилен для производства полиэтилена должен быть исключительно чистым: в нем не должны находиться его гомологи и ацетилен, которые отрицательно влияют на свойства полимера. Для отделения этилена от остальных углеводородов и для его очистки был предложен целый ряд физических и химических способов. Все эти способы основаны как на различной растворимости олефинов и других ненасыщенных углеводородов в определенных растворителях, так и на их высокой реакционной способности. Из физических методов рекомендуются следующие: экстракция селективными растворителями, адсорбция веществами, обладающими большой поверхностью, чаще всего активированным углем, и наконец, низкотемпературная фракционированная дистилляция газообразного или сжиженного продукта при повышенном, атмосферном или пониженном давлении. К химическим способам разделения и очистки олефинов относится абсорбция разбавленной серной кислотой, реагирующей с гомологами этилена, диолефинами и ароматическими углеводородами обычно быстрее, нежели с этиленом. К этим способам относится также абсорбция другими химическими реагентами, например, аммиачным раствором хлористой меди, с которой этилен образует комплексное соединение, быстро разлагающееся при повышенной температуре, пониженном давлении или при комбинации обоих условий.

Содержание

Этилен

Содержание

  • 1 Получение
  • 2 Структура производства
  • 3 Применение
  • 4 Электронное и пространственное строение молекулы
  • 5 Основные химические свойства
  • 6 Биологическая роль
  • 7 Примечания
  • 8 Литература
  • 9 Ссылки

Получение

Этилен стали широко применять в качестве мономера перед Второй мировой войной в связи с необходимостью получения высококачественного изоляционного материала, способного заменить поливинилхлорид. После разработки метода полимеризации этилена под высоким давлением и изучения диэлектрических свойств получаемого полиэтилена началось его производство сначала в Великобритании, а позднее и в других странах.

При выпуске с производства, при товарно-учетных операциях, при проверке его на соответствие нормативно-технической документации производится отбор проб этилена по процедуре, описанной в ГОСТ 24975.0-89 Этилен и пропилен. Методы отбора проб». Отбор пробы этилена может производится и в газообразном и в сжиженном виде в специальные пробоотборники по ГОСТ 14921.

Структура производства

В настоящее время в структуре производства этилена 64% приходится на крупнотоннажные установки пиролиза,

17% — на малотоннажные установки газового пиролиза,

11% составляет пиролиз бензина и 8% падает на пиролиз этана.

Применение

Этилен является ведущим продуктом основного органического синтеза и применяется для получения следующих соединений (перечислены в алфавитном порядке):

  • Винилацетат;
  • Дихлорэтан / винилхлорид (3-е место, 12 % всего объёма);
  • Окись этилена (2-е место, 14—15 % всего объёма);
  • Полиэтилен (1-е место, до 60 % всего объёма);
  • Стирол;
  • Уксусная кислота;
  • Этилбензол;
  • Этиленгликоль;
  • Этиловый спирт.

Этилен в смеси с кислородом использовался в медицине для наркоза вплоть до середины 80-х годов ХХ века в СССР и на ближнем Востоке. Этилен является фитогормоном практически у всех растений, среди прочего отвечает за опадание иголок у хвойных.

Электронное и пространственное строение молекулы

Атомы углерода находятся во втором валентном состоянии (sр2-гибридизация). В результате, на плоскости под углом 120° образуются три гибридных облака, которые образуют три σ-связи с углеродом и двумя атомами водорода; p-электрон, который не участвовал в гибридизации, образует в перпендикулярной плоскости π-связь с р-электроном соседнего атома углерода. Так образуется двойная связь между атомами углерода. Молекула имеет плоскостное строение.

Основные химические свойства

Этилен — химически активное вещество. Так как в молекуле между атомами углерода имеется двойная связь, то одна из них, менее прочная, легко разрывается, и по месту разрыва связи происходит присоединение, окисление, полимеризация молекул.

  • Галогенирование:

CH2=CH2 + Br2 → CH2Br—CH2Br Происходит обесцвечивание бромной воды. Это качественная реакция на непредельные соединения.

  • Гидрирование:

CH2=CH2 + H — H → CH3 — CH3 (под действием Ni)

  • Гидрогалогенирование:

CH2=CH2 + HBr → CH3 — CH2Br

  • Гидратация:

CH2=CH2 + HOH → CH3CH2OH (под действием катализатора) Эту реакцию открыл A.M. Бутлеров, и она используется для промышленного получения этилового спирта.

  • Окисление:

Этилен легко окисляется. Если этилен пропускать через раствор перманганата калия, то он обесцветится. Эта реакция используется для отличия предельных и непредельных соединений. Окись этилена — непрочное вещество, кислородный мостик разрывается и присоединяется вода, в результате образуется этиленгликоль. Уравнение реакции: 3CH2=CH2 + 2KMnO4 + 4H2O → 3HOH2C — CH2OH + 2MnO2 + 2KOH

  • Горение:

C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O

  • Полимеризация (получение полиэтилена):

nCH2=CH2 → (-CH2-CH2-)n

  • Димеризация (В.Ш.Фельдблюм. Димеризация и диспропорционирование олефинов. М.: Химия, 1978

Биологическая роль

Этилен у растений является своеобразным растительным гормоном, обладающим очень широким спектром биологических эффектов. Он действует в ничтожных, следовых количествах в течение всей жизни растения, стимулируя и регулируя процесс созревания плодов (в частности, фруктов), распускание бутонов (процесс цветения), опадание листьев, рост корневой системы растений.

Этилен использовался для стимулирования созревания плодов ещё в Древнем Египте. Древние египтяне намеренно царапали или слегка мяли, отбивали финики, фиги и другие плоды с целью стимулировать их созревание (повреждение тканей стимулирует образование этилена тканями растений). Древние китайцы сжигали деревянные ароматические палочки или ароматические свечи в закрытых помещениях с целью стимулировать созревание персиков (при сгорании свеч или дерева выделяется не только углекислый газ, но и недоокисленные промежуточные продукты горения, в том числе и этилен). В 1864 году было обнаружено, что утечка природного газа из уличных фонарей вызывает торможение роста близлежащих растений в длину, их скручивание, аномальное утолщение стеблей и корней и ускоренное созревание плодов. В 1901 году русский учёный Дмитрий Нелюбов показал, что активным компонентом природного газа, вызывающим эти изменения, является не основной его компонент, метан, а присутствующий в нём в малых количествах этилен. Позднее в 1917 году Сара Дубт доказала, что этилен стимулирует преждевременное опадание листьев. Однако только в 1934 году Гейн обнаружил, что сами растения синтезируют эндогенный этилен. В 1935 году Крокер предположил, что этилен является растительным гормоном, ответственным за физиологическое регулирование созревания плодов, а также за старение вегетативных тканей растения, опадание листьев и торможение роста.

Этилен образуется практически во всех частях высших растений, включая листья, стебли, корни, цветки, мякоть и кожуру плодов и семена. Образование этилена регулируется множеством факторов, включая как внутренние факторы (например фазы развития растения), так и факторы внешней среды. В течение жизненного цикла растения, образование этилена стимулируется в ходе таких процессов, как оплодотворение (опыление), созревание плодов, опадание листьев и лепестков, старение и гибель растения. Образование этилена стимулируется также такими внешними факторами, как механическое повреждение или ранение, нападение паразитов (микроорганизмов, грибков, насекомых и др.), внешние стрессы и неблагоприятные условия развития, а также некоторыми эндогенными и экзогенными стимуляторами, такими, как ауксины и другие.

Цикл биосинтеза этилена начинается с превращения аминокислоты метионина в S-аденозил-метионин (SAMe) при помощи фермента метионин-аденозилтрансферазы. Затем S-аденозил-метионин превращается в 1-аминоциклопропан-1-карбоксиловую кислоту (АЦК, ACC) при помощи фермента 1-аминоциклопропан-1-карбоксилат-синтетазы (АЦК-синтетазы). Активность АЦК-синтетазы лимитирует скорость всего цикла, поэтому регуляция активности этого фермента является ключевой в регуляции биосинтеза этилена у растений. Последняя стадия биосинтеза этилена требует наличия кислорода и происходит при действии фермента аминоциклопропанкарбоксилат-оксидазы (АЦК-оксидазы), ранее известной как этиленобразующий фермент. Биосинтез этилена у растений индуцируется как экзогенным, так и эндогенным этиленом (положительная обратная связь). Активность АЦК-синтетазы и, соответственно, образование этилена повышается также при высоких уровнях ауксинов, в особенности индолуксусной кислоты, и цитокининов.

Этиленовый сигнал у растений воспринимается минимум пятью различными семействами трансмембранных рецепторов, представляющих собой димеры белков. Известен, в частности, рецептор этилена ETR1 у арабидопсиса (Arabidopsis). Гены, кодирующие рецепторы для этилена, были клонированы у арабидопсиса и затем у томата. Этиленовые рецепторы кодируются множеством генов как в геноме арабидопсиса, так и в геноме томатов. Мутации в любом из семейства генов, которое состоит из пяти типов этиленовых рецепторов у арабидопсиса и минимум из шести типов рецепторов у томата, могут привести к нечувствительности растений к этилену и нарушениям процессов созревания, роста и увядания. Последовательности ДНК, характерные для генов этиленовых рецепторов, были обнаружены также у многих других видов растений. Более того, этиленсвязывающий белок был найден даже у цианобактерий.

Неблагоприятные внешние факторы, такие, как недостаточное содержание кислорода в атмосфере, наводнение, засуха, заморозки, механическое повреждение (ранение) растения, нападение патогенных микроорганизмов, грибков или насекомых, могут вызывать повышенное образование этилена в тканях растений. Так, например, при наводнении корни растения страдают от избытка воды и недостатка кислорода (гипоксии), что приводит к биосинтезу в них 1-аминоциклопропан-1-карбоксиловой кислоты. АЦК затем транспортируется по проводящим путям в стеблях вверх, до листьев, и в листьях окисляется до этилена. Образовавшийся этилен способствует эпинастическим движениям, приводящим к механическому стряхиванию воды с листьев, а также увяданию и опаданию листьев, лепестков цветков и плодов, что позволяет растению одновременно и избавиться от избытка воды в организме, и сократить потребность в кислороде за счёт сокращения общей массы тканей.

Небольшие количества эндогенного этилена также образуются в клетках животных, включая человека, в процессе перекисного окисления липидов. Некоторое количество эндогенного этилена затем окисляется до этиленоксида, который обладает способностью алкилировать ДНК и белки, в том числе гемоглобин (формируя специфический аддукт с N-терминальным валином гемоглобина — N-гидроксиэтил-валин). Эндогенный этиленоксид также может алкилировать гуаниновые основания ДНК, что приводит к образованию аддукта 7-(2-гидроксиэтил)-гуанина, и является одной из причин присущего всем живым существам риска эндогенного канцерогенеза. Эндогенный этиленоксид также является мутагеном. С другой стороны, существует гипотеза, что если бы не образование в организме небольших количеств эндогенного этилена и соответственно этиленоксида, то скорость возникновения спонтанных мутаций и соответственно скорость эволюции была бы значительно ниже.

Примечания

  1. Devanney Michael T. Ethylene (англ.). SRI Consulting (September 2009). Архивировано из первоисточника 21 августа 2011.
  2. Ethylene (англ.). WP Report. SRI Consulting (January 2010). Архивировано из первоисточника 21 августа 2011.
  3. Газохроматографическое измерение массовых концентраций углеводородов: метана, этана, этилена, пропана, пропилена, нбутана, альфа-бутилена, изопентана в воздухе рабочей зоны. Методические указания. МУК 4.1.1306-03 (УТВ. ГЛАВНЫМ ГОСУДАРСТВЕННЫМ САНИТАРНЫМ ВРАЧОМ РФ 30.03.2003)
  4. «РОСТ И РА3ВИТИЕ РАСТЕНИЙ» В. В. Чуб
  5. «Delaying Christmas tree needle loss»
  6. Хомченко Г.П. §16.6. Этилен и его гомологи // Химия для поступающих в вузы. — 2-е изд. — М.: Высшая школа, 1993. — С. 345. — 447 с. — ISBN 5-06-002965-4.
  7. 123 Lin, Z.; Zhong, S.; Grierson, D. (2009). «Recent advances in ethylene research». J. Exp. Bot. 60 (12): 3311–36. DOI:10.1093/jxb/erp204. PMID 19567479.
  8. Ethylene and Fruit Ripening / J Plant Growth Regul (2007) 26:143–159 doi:10.1007/s00344-007-9002-y (англ.)
  9. External Link to More on Ethylene Gassing and Carbon Dioxide Control. ne-postharvest.com (недоступная ссылка с 06-06-2015 (13 дней))
  10. Neljubov D. (1901). «Uber die horizontale Nutation der Stengel von Pisum sativum und einiger anderen Pflanzen». Beih Bot Zentralbl 10: 128–139.
  11. Doubt, Sarah L. (1917). «The Response of Plants to Illuminating Gas». Botanical Gazette 63 (3): 209–224. DOI:10.1086/332006.
  12. Gane R. (1934). «Production of ethylene by some fruits». Nature 134 (3400): 1008. DOI:10.1038/1341008a0. Bibcode: 1934Natur.134.1008G.
  13. Crocker W, Hitchcock AE, Zimmerman PW. (1935) «Similarities in the effects of ethlyene and the plant auxins». Contrib. Boyce Thompson Inst. 7. 231-48. Auxins Cytokinins IAA Growth substances, Ethylene
  14. Yang, S. F., and Hoffman N. E. (1984). «Ethylene biosynthesis and its regulation in higher plants». Ann. Rev. Plant Physiol. 35: 155–89. DOI:10.1146/annurev.pp.35.060184.001103.
  15. Bleecker A. B., Esch J. J., Hall A. E., Rodríguez F. I., Binder B. M. The ethylene-receptor family from Arabidopsis: structure and function. (англ.) // Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological sciences. — 1998. — Vol. 353. — № 1374. — P. 1405–1412. — DOI:10.1098/rstb.1998.0295 — PMID 9800203. исправить
  16. Explaining Epinasty. planthormones.inf
  17. (1992) «Pharmacokinetics of ethylene in man; body burden with ethylene oxide and hydroxyethylation of hemoglobin due to endogenous and environmental ethylene.». Arch Toxicol. 66 (3): 157-163. PMID 1303633.
  18. (1997) «A note on the physiological background of the ethylene oxide adduct 7-(2-hydroxyethyl)guanine in DNA from human blood.». Arch Toxicol. 71 (11): 719-721. PMID 9363847.
  19. (May 15, 2000) «A physiological toxicokinetic model for exogenous and endogenous ethylene and ethylene oxide in rat, mouse, and human: formation of 2-hydroxyethyl adducts with hemoglobin and DNA.». Toxicol Appl Pharmacol. 165 (1): 1-26. PMID 10814549.
  20. (Sep 2000) «Carcinogenicity and genotoxicity of ethylene oxide: new aspects and recent advances.». Crit Rev Toxicol. 30 (5): 595-608. PMID 11055837.

Литература

  • Горбов А. И. Этилен // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
  • ГОСТ 24975.0-89 Этилен и пропилен. Методы отбора проб
  • ГОСТ 25070-87 Этилен. Технические условия

Ссылки

  • Безуглова О. С. Этилен. Удобрения и стимуляторы роста. Проверено 22 февраля 2015.
Это заготовка статьи об органическом веществе. Вы можете помочь проекту, дополнив её.
В другом языковом разделе есть более полная статья Ethen (нем.) Вы можете помочь проекту, расширив текущую статью с помощью перевода.
В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 15 мая 2011.
Углеводороды
Алканы Метан • Этан • Пропан • Бутан • Пентан • Гексан • Гептан • Октан • Нонан • Декан • Ундекан • Додекан • Тридекан • Тетрадекан • Гексадекан • Октадекан • Нонадекан • Эйкозан • Докозан • Гектан
Алкены Этилен • Пропен • Бутены • Пентены • Гексены • Гептены • Октен
Алкины Ацетилен • Пропин • Бутин
Диены Пропадиен • Бутадиен • Изопрен • Циклобутадиен
Другие ненасыщеные Винилацетилен • Диацетилен • Каротин
Циклоалканы Циклопропан • Циклобутан • Циклопентан • Циклогексан • Декалин • Индан • Инден
Ароматические Бензол • Толуол • Диметилбензолы • Этилбензол • Пропилбензол • Кумол • Стирол • Фенилацетилен • Индан • Дифенил • Дифенилметан • Трифенилметан • Тетрафенилметан • Инден
Полициклические Нафталин • Антрацен • Бензантрацен • Пентацен • Фенантрен • Пирен • Бензпирен • Азулен • Хризен
Нефтегазовый комплекс
Геофизическая разведка Нефтепромысловое дело (Моделирование пласта-коллектора)

Помогла статья? Оцените её
1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars
Загрузка...
Добавить комментарий