SZERVES KÉMIAI TECHNOLÓGIÁK

Átírás

1 SZERVES KÉMIAI TECHNOLÓGIÁK ANYAGMÉRNÖK BSC KÉPZÉS VEGYIPARI TECHNOLÓGIA SZAKIRÁNY TANTÁRGYI KOMMUNIKÁCIÓS DOSSZIÉ MISKOLCI EGYETEM MŰSZAKI ANYAGTUDOMÁNYI KAR KÉMIAI INTÉZET Miskolc, 2013/2014

2 Tartalomjegyzék 1. Tantárgyleírás, tárgyjegyző, óraszám, kreditérték 2. Tantárgytematika 3. Minta zárthelyi 4. Kollokviumi tételsor 5. Egyéb követelmények 1. Tantárgyleírás A tantárgy címe: SZERVES KÉMIAI TECHNOLÓGIÁK (Anyagmérnök BSc nappali tagozatos hallgatók részére) A kurzus időpontja: 4. félév A tantárgy jegyzője és előadója: Dr. Leskovics Katalin adjunktus Félévi óraszám: 2 óra előadás + 1 óra gyakorlat Kreditek száma: 3 A tantárgy felvételének előfeltétele: Szerves Kémia, Anyagszerkezettan tárgyakból sikeres vizsga Tantárgy gondozó intézmény MISKOLCI EGYETEM Műszaki Anyagtudományi Kar Kémiai Intézet A tantárgy kódja: MAKKEM212B A tárgy státusza a tanulmányi programon belül: A BSc anyagmérnök vegyipari technológia szakirányos nappali tagozatos hallgatók részére kötelező tantárgy. A tantárgy célja: A szerves vegyiparban alkalmazott fontosabb kémiai átalakítási módszerek, technológiák megismerése és az ismeretek elmélyítése üzemlátogatáson, üzemi gyakorlatokon keresztül. A tantárgy leírása: 1. Bevezetés: A szerves vegyipar legnagyobb mennyiségben előállított intermedierjei és termékei, a leggyakrabban alkalmazott kémiai átalakítások és azok kapcsolódása. 2. Alkilezés: alkilezőszerek, katalizátorok, mellékreakciók, jellemző technológiai paraméterek és vegyületek. Izooktán gyártás, MTBE gyártás technológiák ismertetése. 3. Acilezés: különböző acilezőszerek, észteresítései egyensúlyok, karbonsavak acilezése, savszármazékok hidrolízise, a hidrolízis ipari körülményei. Dietilkarbonát, savkloridok, vinilacetát gyártástechnológia ismertetése a FRAMOCHEM Kft-nél megvalósított technológiák példáján. 4. Halogénezés: halogénezőszerek, különböző szénhidrogének szubsztitúciós és addíciós klórozása, fotokémiai reakciók megvalósítása. Klórozás, oxiklórozás bemutatása, az etilén klórozása - diklóretán- vinilklorid PVC vertikum gyártástechnológiák, a BorsodChemnél megvalósított példán.

3 5. Nitrálás: nitrálószerek, alifás vegyületek gőzfázisú nitrálása salétromsavval, aromás vegyületek kevertsavas nitrálása. Toluol és benzol nitrálása, DNT és nitrobenzol gyártástechnológiák példákon. 6. Redukció: telítetlen-, karbonil- és nitrovegyületek katalitikus hidrogénezése, a hidrogénezés dehidrogénezés egyensúlya. Aromás aminok előállítása hidrogénezéssel, a DNT - TDA gyártás. Foszgénezés: TDA foszgénezési technológia bemutatása, TDI gyártás technológia BorsodChemnél megvalósított példáján. BorsodChem: DNT és TDA gyártási szennyvíz előkezelés hidrogén peroxidos oxidációval, vegyipari műveleti laboratóriumi gyakorlat. 7. Kondenzáció átrendezés - MDA gyártás. Foszgénezés: MDA foszgénezési technológia bemutatása, MDI gyártástechnológia a BorsodChemnél megvalósított példáján, PUR termékek. 8. Oxidáció: paraffinok, alkoholok, aldehidek és aromás vegyületek oxidációja. Etilén oxid, propilén oxid előállítás, toluol oxidálása benzoesav, peroxidok előállításának gyártástechnológiája. Formaldehid előállítás metanol oxidációjával eljárás ismertetése a BC-KC Formalin Kft-nél megvalósított technológia példáján. A tantárgy értékelése: kollokvium, 1-5 minősítéssel A félévi érdemjegy megszerzésének előfeltétele: o Az előadások legalább 60 %-án történő kötelező részvétel. o Az elméleti ismeretek, az üzemlátogatás tapasztalatai és a számítás alapján írt 2 db zárthelyi dolgozat legalább elégséges szintjének teljesítése. o Az üzemlátogatásokon, üzemi gyakorlaton a részvétel kötelező, pótlására nincs lehetőség! Oktatási módszer: Szóbeli előadások, üzemlátogatások, üzemi gyakorlat valamint számolási gyakorlatok. Az előadás megtartása kivetített ppt. slide-ok segítségével történik. Az előadások anyagának elmélyítését üzemlátogatás segíti. A gyakorlatokra összevontan 3 alkalommal 3 óra terjedelemben üzemlátogatások, 1 óra Vegyipari Technológia Műveleti laboratóriumi gyakorlat és 2 alkalommal 1 óra technológiai számítások formájában kerül sor. A gyakorlatokra az előadások anyagához kapcsolódóan az adott technológiát a gyakorlatban üzemeltető ipari üzemekben kerül sor (BorsodChem Zrt, Framochem Kft, BC-KC Formalin Kft). Az oktatási tananyag összeállításában, az előadások, szemináriumok, gyakorlatok vezetésében az alábbi szakértők vesznek részt: Dr. Kozár Zoltán, okleveles vegyészmérnök, BorsodChem Zrt, Fehér Tamás, okleveles vegyészmérnök, BorsodChem Zrt, Nagy Péter, okleveles vegyészmérnök, BorsodChem Zrt, Rácz Lajos, okleveles vegyészmérnök, BorsodChem Zrt, Kozma Zoltán, okleveles vegyészmérnök, BorsodChem Zrt, Érsek László, okleveles vegyészmérnök, FRAMOCHEM Kft, Nemes Csaba, okleveles vegyészmérnök, BC-KC Formalin Kft, Oktatási segédeszközök: Az előadások anyagának elmélyítését segítő irodalom:

4 1. Dr. Ábrahám József, Némethné Dr. Sóvágó Judit, Dr. Gál Tivadar: Vegyipari és Petrolkémiai Technológiák E-Book, elektronikus jegyzet, 2011, Nemzeti Tankönyvkiadó, s_petrolkemiai_technologiak/adatok.html 2. Dr. Deák Gyula: Szerves vegyipari alapfolyamatok kézikönyve, Dr. Losonczi Béla: Szerves kémiai technológia, Dr. Varga Zoltán Dr. Sipos Sándor Szerves Kémiai Technológia, Harold A. Witcoff.Ph.D:Industrial Organic Chemicals in Perspective, Weissermel, K., Arpe, H.J.: Ipari szerves kémia, ULLMANN S Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH UEIC Release 2008, 7th Edition. Kell-e jelentkezni a kurzusra: Igen, a regisztrációs héten, számítógépen a Neptun-rendszeren keresztül. Előfeltételek: Szerves Kémia, Anyagszerkezettan tárgyakból sikeres vizsga. Féléves teljesítmény értékelése: 5 fokozatú értékelés. A féléves érdemjegy számítása: A, a félév során írt 2 db zárthelyi dolgozat legalább elégséges érdemjegye*1/2 B, a kollokvium legalább elégséges érdemjegye*1/2 FÉLÉVES ÉRDEMJEGY = A + B (tört szám esetében érdemjegy megállapítása a kerekítés szabályai szerint) 2. Tantárgytematika: Időpont Előadás ELMÉLET/GYAKORLAT/ZH Bevezetés: A szerves vegyipar legnagyobb mennyiségben előállított intermedierjei és termékei, a leggyakrabban alkalmazott kémiai átalakítások Előadás Alkilezés: alkilezőszerek, katalizátorok, mellékreakciók, jellemző technológiai paraméterek és vegyületek. Izooktán gyártás, MTBE gyártás technológiájának ismertetése Előadás Acilezés: különböző acilezőszerek, észteresítései egyensúlyok, karbonsavak acilezése, savszármazékok hidrolízise, a hidrolízis ipari körülményei. Dietilkarbonát, savkloridok, vinilacetát gyártástechnológia ismertetése a FRAMOCHEM Kft-nél megvalósított technológiák példáján CSERE az összevont gyakorlatok miatt, Polimer óra

5 h h Előadás Halogénezés: halogénezőszerek, különböző szénhidrogének szubsztitúciós és addíciós klórozása, fotokémiai reakciók megvalósítása. Klórozás, oxiklórozás bemutatása, az etilén klórozása - diklóretán- vinilklorid gyártástechnológia BorsodChemnél megvalósított példáján. Gyakorlat, BorsodChem Zrt., Framochem Kft. 1. Acilezés, dietilkarbonát, savklorid gyártás gyakorlat (üzemlátogatás), Framochem Kft, Kazincbarcika 2. Halogénezés, DKE - vinilklorid gyártás gyakorlat (üzemlátogatás), BorsodChem Zrt, Kazincbarcika Előadás, I.Zárthelyi dolgozat I.Zárthelyi dolgozat Nitrálás: nitrálószerek alifás vegyületek gőzfázisú nitrálása salétromsavval, aromás vegyületek kevertsavas nitrálása. Toluol és benzol nitrálása, DNT, és nitrobenzol gyártástechnológia példáján. Gyakorlat, BorsodChem Zrt., 3. Nitrálás DNT gyártás gyakorlat (üzemlátogatás), BorsodChem Zrt, Kazincbarcika 4. Redukció TDA, Foszgénezés - TDI gyártás gyakorlat (üzemlátogatás), BorsodChem Zrt, Kazincbarcika 5. DNT és TDA gyártási szennyvíz előkezelés gyakorlat (üzemi gyakorlat), Vegyipari Műveleti Labor, BorsodChem Zrt, Kazincbarcika Előadás, Számítási gyakorlat Redukció: telítetlen-, karbonil- és nitrovegyületek katalitikus hidrogénezése, a hidrogénezés dehidrogénezés egyensúlya. Aromás aminok előállítása hidrogénezéssel, DNT - TDA. Foszgénezés: TDA TDI. Szerves kémiai technológiai számítások ipari példákkal REKTORI SZÜNET Előadás, Számítási gyakorlat Kondenzáció átrendezés - MDA gyártás Foszgénezés, MDI gyártás, MDI PUR gyártástechnológia BorsodChemnél megvalósított példáján. Szerves kémiai technológiai számítások ipari példákkal Előadás, II.Zárthelyi dolgozat II.Zárthelyi dolgozat Oxidáció: paraffinok, alkoholok, aldehidek és aromás vegyületek oxidációja. Etilén oxid, propilén oxid előállítás, toluol oxidálása benzoesav, peroxidok előállítása. Formaldehid előállítás metanol oxidációjával a BC-KC Formalin Kft. technológiai példáján.

6 h Gyakorlat, BorsodChem Zrt., BC-KC Formalin Kft. 6. Kondenzáció MDA, Foszgénezés - MDI gyártás gyakorlat (üzemlátogatás) BorsodChem Zrt, Kazincbarcika 7. Oxidáció - formaldehid gyártás gyakorlat (üzemlátogatás), BC-KC Formalin Kft, Kazincbarcika 3. Minta zárthelyi dolgozat 1. Mit nevezünk Friedel-Crafts reakcióknak? 2. Ismertesse az MTBE/ETBE gyártás technológiájának reakcióegyenletét, folyamat ábráját. 3. Irja le a dietil karbonát (DEK) gyártás reakcióegyenleteit. 4. Ismertesse a vinilklorid (VCM) gyártás főbb technológiai lépéseit. 5. Mutassa be az MDI gyártást reakcióegyenletekkel! 6. Melyek a TDI gyártást befolyásoló fontosabb tényezők? Miért előnyös az orto-diklórbenzol (ODCB) oldószer használata? 7. Számítási feladat példa: Mennyi MDA-ra van szükség 1000 tonna MDI előállításához 95%-os hatásfok esetén? Mennyi HCl melléktermék keletkezik ezen MDI mennyiség gyártása közben. Megoldások 1. Friedel Crafts reakcióknak nevezzük a Lewis savakkal (AICl 3, ZnCl 2, FeCl 3, BF 3, TiCl 4, stb.) katalizált alkilező illetve acilező reakciókat. A reakció szubsztrátuma valamilyen aromás karakterű vegyület, amely az úgynevezett aktív komponens Lewis savas komplexével reagál a reakció során. 2. Módosítható izobutilén reagáltatása metanollal vagy etanollal > megfelelő éterek keletkeznek: metil-tercier-butil-éter (MTBE) / etil-tercier-butil-éter (ETBE) A reakciót általában két lépcsőben valósítják meg kis alkohol felesleggel a 99 % feletti konverzió biztosítására. Az ipari eljárásoknak több változata létezik, a különböző eljárások között a reaktor konstrukciójában és a hőmérséklet szabályozás módjában van különbség.

7 3. Fő reakciók (2 lépés) 1. a foszgén reagál az alkohollal és etil-klór formiát képződik. CH 3 -CH 2 -OH + COCl 2 CH 3 -CH 2 -O-COCl + HCl 2. az etil- klór formiát egy további alkohol molekulával reagál és DEK képződik CH 3 -CH 2 -O-COCl + CH 3 -CH 2 -OH CH 3 -CH 2 -O-CO-O-CH 2 -CH 3 + HCl Mellékreakciók (az alkohol felesleg és a képződő sósav következményeként) 1. CH 3 -CH 2 -OH + HCl CH 3 -CH 2 -Cl + H 2 O (etil-klorid) 2. CH 3 -CH 2 -Cl + CH 3 -CH 2 -OH CH 3 -CH 2 -O- CH 2 -CH 3 + HCl (dietil-éter) 3. COCl 2 + H 2 O CO HCl 4. A vinilklorid (VCM) gyártás főbb technológiai lépései: 1. Oxihidroklórozás /OHC / 2. DKE mosás 3. DKE-bontás, VC desztilláció. 4. DKE tisztítás és direktklórozás 5. Tárolás 6. Melléktermék kezelés Az oxihidroklórozó egységben /OHC/ etilént, levegőt és sósavgázt fluidizált katalizátorágyon átvezetve DKE-t állítanak elő, melyet lúgos, illetve vizes mosás után a DKE tisztító egységbe továbbítanak. A HTDC reaktorban előállított DKE-t a nyers DKE-val együtt, a DKE tisztító egységben desztillációval tisztítják. A tisztított DKE-t a bontó egységben használják fel. A bontó egységben a DKE termikus bontásával vinilklorid és HC1 keletkezik. A HC1-t teljes egészében visszaadják az oxihidroklórozó egységbe. A VC-t elválasztják a reagálatlan DKEtől és tisztítás után a tároló egységbe vezetik. A reagálatlan DKE-t visszavezetik a DKE tisztító egységbe. A tárolóegység tároló kapacitást biztosít a VC, DKE, könnyű- és nehéz melléktermékek, illetve a technológiai folyamatban használatos egyes vegyi anyagok számára. A melléktermék elégető egység csökkenti a technológiai hulladék mennyiségét és további felhasználásra alkalmas terméket /sósavat/ állít elő /30%-os sósavoldat/.

8 5. I. MDA gyártás II. MDI gyártás

9 6. A TDI előállítás reakcióegyenleteiből kiindulva: I. TDA foszgénezése C H 3 N H 2 C H 3 O D C B + 2 C O C l H C l H N O C C l N H 2 N C C l T D A fo s zg é n H O s ó s a v k a rb a m o il-k lo rid II. a karbamoil-klorid közbenső termék bomlása során Toluilén-diizocianát (TDI) képződik: C H H O C H 3 3 N C C l hő N C O + 2 H C l N C C l N C O H O k a rb a m il-k lo rid T D I A disszociáció (vagyis az izocianát konverziója) függ a hőmérséklettől, nyomástól, komponensek koncentrációjától. A disszociáció endoterm folyamat, így a hőmérséklet emelése az izocianát képződése irányába tolja el az egyensúlyt. A disszociáció mólszámváltozással jár. 1 mól karbamoil - kloridból 1 mól izocianát + 2 mól sósav keletkezik. Így a nyomás csökkentése az izocianát konverziónak (felső nyíl) kedvez. Az orto-diklór-benzol (ODCB) használata azért előnyös, mert a foszgén-hcl gázelegyből a foszgént szelektíven képes oldani, adott körülmények között ugyanis a sósav oldékonysága az ODCB-ben sokkal kisebb, mint a foszgéné. A HCl gáz formában eltávozik a rendszerből. Ezáltal az egyensúly a karbamoil-klorid disszociációja, vagyis az izocianát képződés irányába tolódik el. 7. A metil-difenil-izocianát (MDI) gyártás kiinduló alapanyaga a metilén-difenil-diamin (MDA). 1. Először az alapanyag amin-csoportját foszgénnel karbonilezik, így karbamoil-klorid köztitermék és sósav keletkezik: 2. Ezután a köztiterméket hőbontásnak vetik alá, így izocianát és sósav keletkezik:

10 mmda=198,26 g/mol mmdi =250,25 g/mol mhcl =36,465 g/mol mfoszgén =98,923 g/mol m metilén-difenil-dikarbamoil-klorid =323,18 g/mol 1 mol MDA 1 mol MDI 198,26 g MDA 250,25g MDI X1 t MDA 1000 t MDI X1=792,25 t MDA 95% X1=833,95 t MDA 100% 1 mol MDA 4 mol HCl (A kétlépcsős reakcióban keletkező melléktermék HCl) 198,26 g MDA 145,86 g HCl 833,95 t MDA X2=613,54 t HCl Összes pontszám: 60 pont Elért pontszám: Pontozás: 0-29 pont: elégtelen pont: elégséges pont: közepes Érdemjegy: pont: jó pont: jeles

11 KOMMUNIKÁCIÓS DOSSZIÉ 4. Kollokviumi tételsor 1. A szerves vegyipar legnagyobb mennyiségben előállított intermedierjei és termékei, a leggyakrabban alkalmazott kémiai átalakítások és azok kapcsolódása. 2. Alkilezés, alkilezőszerek, katalizátorok, mellékreakciók, az alkilezést befolyásoló tényezők. 3. Friedel-Crafts reakciók jellemzői, reakció mechanizmus, befolyásoló tényezők, legfontosabb ipari alkalmazásai. 4. Izooktán előállítása alkilezéssel ipari eljárás ismertetése. 5. MTBE, ETBE előállítása alkilezéssel. Az ipari MTBE gyártási eljárás ismertetése 6. Acilezés, különböző acilezőszerek, észteresítései egyensúlyok, karbonsavak acilezése, savszármazékok hidrolízise, a hidrolízis ipari körülményei. 7. Ipari di-etil-karbonát, savklorid gyártási eljárás ismertetése. 8. Halogénezés, halogénezőszerek, különböző szénhidrogének szubsztitúciós és addíciós klórozása 9. Etilén alapú ipari diklóretán és vinilklorid gyártási eljárás ismertetése. 10. Nitrálás, nitrálószerek, alifás vegyületek gőzfázisú nitrálása salétromsavval, aromás vegyületek kevertsavas nitrálása. 11. Toluol és benzol ipari nitrálási eljárása. A dinitro-toluol gyártási eljárás ismertetése. 12. Redukció, telítetlen-, karbonil- és nitrovegyületek katalitikus hidrogénezése, a hidrogénezés dehidrogénezés egyensúlya. 13. A TDA előállítás, dinitro-toluol hidrogénezés ipari eljárás ismertetése. 14. Foszgénezés, MDA foszgénezési technológia, ipari MDI előállítási eljárás ismertetése. 15. Foszgénezés, TDA foszgénezési technológia, ipari TDI előállítási eljárás ismertetése. 16. Oxidáció, paraffinok, alkoholok, aldehidek és aromás vegyületek oxidációja. 17. Etilén oxid, propilén oxid előállítás ipari eljárásának ismertetése. 18. Formaldehid metanol oxidációjával történő előállítás ipari eljárás ismertetése. 5. Egyéb követelmények Miskolc február 14. Dr.Lakatos János Intézetigazgató Dr. Leskovics Katalin Tantárgyjegyző 11