Полімерізація пропілена: схема, рівняння, формула розрахунку

Навчання 02 липня 2022 Перегляди: 123

Що являє собою полімерізація пропілену? Які особливості протікання цієї хімічної реакції? Спробуємо знайти розгорнуті відповіді на ці запитання.

Характеристика з «єднань

Схеми реакцій полімеризації етилену і пропілену демонструють типові хімічні властивості, якими володіють всі представники класу олефінів. Таку незвичайну назву цей клас отримав від старої назви олії, що використовується в хімічному виробництві. У 18 столітті було отримано хлористий етилен, який був маслянистою рідкою речовиною.

Серед особливостей всіх представників класу неподільних аліфатичних вуглеводнів відзначимо наявність в них одного подвійного зв’язку.

Радикальна полімерізація пропілену пояснюється саме присутністю в структурі речовини подвійного зв’язку.

Загальна формула

У всіх представників гомологічного ряду алкенів загальна формула має вигляд С_пН_2п. Недостатня кількість воднів у структурі пояснює особливість хімічних властивостей цих вуглеводнів.

Рівняння реакції полімеризації пропілену є прямим підтвердженням можливості розриву по такому зв’язку при використанні підвищеної температури і каталізатора.

Непредельний радикал називається алілом або пропенілом-2. Навіщо проводиться полімерізація пропілену? Продукт цієї взаємодії застосовується для синтезу синтетичного каучуку, який, у свою чергу, затребуваний в сучасній хімічній промисловості.

Фізичні властивості

Рівняння полімеризації пропілену підтверджує не тільки хімічні, а й фізичні властивості цієї речовини. Пропілен є газоподібною речовиною з невисокими температурами кипіння і плавлення. Даний представник класу алкенів має незначну розчинність воді.

Хімічні властивості

Рівняння реакції полімеризації пропилену і достатку показують, що процеси протікають по подвійному зв’язку. В якості мономерів виступають алкени, а кінцевими продуктами такої взаємодії будуть поліпропілен і поліізобутилен. Саме вуглець-вуглецевий зв’язок при подібній взаємодії буде руйнуватися, і в кінцевому підсумку буде утворюватися відповідні структури.

По подвійному зв’язку відбувається утворення нових простих зв’язків. Як протікає полімеризація пропілену? Механізм даного процесу аналогічний процесу, що протікає у всіх інших представників даного класу непредельних вуглеводнів.

Реакція полімеризації пропілену передбачає кілька варіантів протікання. У першому випадку процес здійснюється в газовій фазі. За другим варіантом реакція йде в рідкій фазі.

Крім того, полімерізація пропілену протікає і по деяких застарілих процесах, що передбачають застосування в якості реакційного середовища насиченого рідкого вуглеводню.

Сучасна технологія

Полімерізація пропілену в масі за технологією Spheripol являє собою суміщення суспензійного реактора для виготовлення гомополімерів. Процес передбачає застосування газофазного реактора з псевдочікувальним шаром для створення блок-сополімерів. У подібному випадку реакція полімеризації пропілену передбачає додавання в пристрій додаткових сумісних каталізаторів, а також проведення попередньої полімеризації.

Особливості процесу

Технологія передбачає перемішування компонентів у спеціальному пристрої, призначеному для попереднього перетворення. Далі цю суміш додають у петлеві полімерізаційні реактори, туди надходить і водень, і відпрацьований пропілен.

Робота реакторів здійснюється при діапазоні температур від 65 до 80 градусів за Цельсієм. Тиск у системі не перевищує 40 бар. Реактори, які розташовуються послідовно, застосовуються на заводах, розрахованих на великі обсяги виготовлення полімерної продукції.

З другого реактора видаляють полімерний розчин. Полімерізація пропілену передбачає перенесення розчину в дегазатор підвищеного тиску. Тут здійснюється видалення порошкового гомополімера від рідкого мономера.

Виробництво блоксополімерів

Рівняння полімеризації пропілену CH2 = CH — CH3 в даній ситуації має стандартний механізм протікання, є відмінності тільки в умовах здійснення процесу. Разом з пропіленом і етеном порошок з дегазатора йде в газофазний реактор, що працює при температурі близько 70 градусів за Цельсієм і тиску не більше 15 бар.

Блок сополімери після виведення з реактора надходять у спеціальну систему відведення від мономера порошкоподібного полімеру.

Полімерізація пропілену і бутадієнів ударопрочного виду допускає використання другого газофазного реактора. Він дозволяє збільшувати рівень пропілену в полімері. Крім того, можливе додавання в готовий продукт добавок, використання гранулювання, сприяє підвищенню якості одержуваного продукту.

Специфіка полімерізації алкенів

Між виготовленням поліетилену і поліпропілену є деякі відмінності. Рівняння полімеризації пропілену дозволяє зрозуміти, що передбачається застосування іншого температурного режиму. Крім того, деякі відмінності існують і в кінцевій стадії технологічного ланцюжка, а також в областях використання кінцевих продуктів.

Пероксид використовують для смол, які мають відмінні реологічні властивості. У них підвищений рівень плинності розплавів, подібні фізичні властивості з тими матеріалами, які мають низький показник плинності.

Смоли, які мають відмінні реологічні властивості, застосовують у процесі литтєвого формування, а також у разі виготовлення волокон.

Для підвищення прозорості та міцності полімерних матеріалів виробники намагаються додавати в реакційну суміш спеціальні кристалізуючі добавки. Частину поліпропіленових прозорих матеріалів заміщують поступово іншими матеріалами в галузі видувного формування та створення лиття.

Особливості полімеризації

Полімерізація пропілену в присутності активованого вугілля протікає швидше. В даний час застосовується каталітичний комплекс вуглецю з перехідним металом, заснований на адсорбційній здатності вуглецю. В результаті полімеризації виходить продукт, що має відмінні експлуатаційні характеристики.

Як основні параметри процесу полімерізації виступає швидкість реакції, а також молекулярна вага і стереоізомірний склад полімеру. Значення має і фізична та хімічна природа каталізатора, полімеризаційне середовище, ступінь чистоти складових частин реакційної системи.

Лінійний полімер виходить і в гомогенній, і в гетерогенній фазі, якщо йдеться про етилен. Причина полягає у відсутності у даної речовини просторових ізомерів. Щоб отримати ізотактичний поліпропілен, намагаються використовувати тверді хлориди титану, а також алюмінійорганічні сполуки.

Під час застосування комплексу, адсорбованого на кристалічному хлориді титану (3), можна отримувати продукт із заданими характеристиками. Регулярність решітки носія не є достатнім фактором для придбання каталізатором високої стереоспецифічності. Наприклад, у разі вибору іодиду титану (3) спостерігається отримання більшої кількості атактичного полімеру.

Розглянуті каталітичні компоненти мають льюїсовський характер, тому пов’язані з підбором середовища. Найвигіднішим середовищем є застосування інертних вуглеводнів. Оскільки хлорид титану (5) є активним адсорбентом, переважно вибирають аліфатичні вуглеводні. Як протікає полімеризація пропілену? Формула продукту має вигляд (-SN₂-SN₂-SN₂-) п. Сам алгоритм реакції аналогічний протіканню реакції у інших представників даного гомологічного ряду.

Хімічна взаємодія

Проаналізуємо основні варіанти взаємодії для пропілену. Враховуючи, що в його структурі є подвійний зв’язок, основні реакції протікають саме з її руйнуванням.

Галогенування протікає при звичайній температурі. За місцем розриву складного зв’язку відбувається безперешкодне приєднання галогена. У результаті цієї взаємодії утворюється дигалогенвиробне з’єднання. Найважче відбувається йодування. Бромування і хлорування протікає без додаткових умов та енергетичних витрат. Фторування пропілену протікає з вибухом.

Реакція гідрування передбачає використання додаткового прискорювача. Як каталізатор виступає платина, нікель. В результаті хімічної взаємодії пропиляна з воднем, утворюється пропан — представник класу граничних вуглеводнів.

Гідратація (приєднання води) здійснюється за правилом В.В. Марковникова. Суть його полягає в приєднанні по подвійному зв’язку атома водню до того вуглецю пропілену, який має його максимальну кількість. При цьому галоген буде прикріплюватися до того С, який має мінімальне число водню.

Для пропілену характерне горіння в кисні повітря. В результаті цієї взаємодії буде виходити два основних продукти: вуглекислого газу, водяного пари.

При дії на цю хімічну речовину сильних окислювачів, наприклад, перманганату калію, спостерігається його знецінення. Серед продуктів хімічної реакції буде двоатомний спирт (гліколь).

Отримання пропілену

Всі способи можна розділити на дві основні групи: лабораторні, промислові. У лабораторних умовах можна отримати пропілен при відщепленні галогеноводню від вихідного галогеналкілу при впливі на них спиртового розчину гідроксиду натрію.

Пропілен утворюється при каталітичному гідруванні пропина. В лабораторних умовах цю речовину можна отримати при дегідратації пропанолу-1. У цій хімічній реакції застосовують як каталізаторів фосфорну або сірчану кислоту, оксид алюмінію.

Як отримують пропілен у великих обсягах? У зв’язку з тим, що в природі ця хімічна речовина зустрічається рідко, були розроблені промислові варіанти її отримання. Найпоширенішим є виділення алкена з продуктів нафтопереробки.

Наприклад, здійснюється крекінг сирої нафти в спеціальному киплячому шарі. Пропілен отримують шляхом піролізу бензиново фракції. В даний час виділяють алкен і з попутного газу, газоподібні продуктів коксування вугілля.

Є різноманітні варіанти піролізу пропилену:

• у трубчастих печах;
• у реакторі із застосуванням кварцового теплоносія;
• процес Лавровського;
• автотермічний піроліз за методом Бартломе.

Серед відпрацьованих промислових технологій необхідно відзначити і каталітичне дегідування насичених вуглеводнів.

Застосування

Пропілен має різні області застосування, тому і виробляється у великих масштабах у промисловості. Своєю появою даний неробочий вуглеводень зобов’язаний роботам Натти. У середині двадцятого століття він, користуючись каталітичною системою Циглера, розробив технологію полімеризації.

Натта зумів отримати стереорегулярний продукт, який був ним названий ізотактичним, оскільки в структурі метильні групи були розташовані з одного боку ланцюжки. Завдяки такому варіанту «упаковки» полімерних молекул, отримувана полімерна речовина має відмінні механічні характеристики. Поліпропілен використовується для виготовлення синтетичного волокна, затребуваний в якості пластичної маси.

Приблизно десять відсотків нафтового пропилену споживається для виробництва його оксиду. До середини минулого століття цю органічну речовину отримували хлоргідринним методом. Реакція протікала через утворення проміжного продукту пропіленхлоргідрина. У такої технології є певні недоліки, які пов’язані з використанням дорогого хлору і гашеною вапном.

У наш час на зміну цій технології прийшов халкон-процес. Він ґрунтується на хімічній взаємодії пропену з гідропероксидами. Застосовують оксид пропілену в синтезі пропіленгліголя, що йде на виготовлення пінополіуретанів. Вони вважаються відмінними амортизуючими матеріалами, тому йдуть на створення упаковок, килимків, меблів, теплоізоляційних матеріалів, сорбуючих рідин і фільтруючих матеріалів.

Крім того, серед основних сфер застосування пропілену необхідно згадати синтез ацетону та ізопропілового спирту. Ізопропіловий спирт, будучи відмінним розчинником, вважається цінним хімічним продуктом. На початку двадцятого століття цей органічний продукт отримували сірчанокислотним методом.

Крім того, відпрацьована технологія прямої гідратації пропена з введенням в реакційну суміш кислих каталізаторів. Близько половини всього виробленого пропанолу йде на синтез ацетону. Дана реакція передбачає відщеплення водню, проводиться при 380 градусах за Цельсієм. Каталізаторами в цьому процесі виступають цинк і мідь.

Серед важливих галузей застосування пропілену особливе місце займає гідроформілювання. Пропен йде на виробництво альдегідів. Оксисинтез у нашій країні почали використовувати з середини минулого століття. В даний час ця реакція займає важливе місце в нафтохімії. Хімічна взаємодія пропілену з синтез-газом (сумішшю чадного газу і водню) при температурі 180 градусів, каталізаторі оксиді кобальту і тиску в 250 атмосфер спостерігається утворення двох альдегідів. Один має нормальну будову, у другого — вигнутий вуглецевий ланцюжок.

Відразу після відкриття даного технологічного процесу, саме ця реакція стала об’єктом досліджень для багатьох вчених. Вони шукали способи пом’якшення умов її протікання, намагалися знизити процентний вміст у отримуваній суміші альдегіду розгалуженої будови.

Для цього були придумані економічні процеси, які передбачають застосування інших каталізаторів. Вдалося знизити температуру, тиск, збільшити вихід альдегіду лінійної будови.

Ефіри акрилової кислоти, які також пов’язані з полімеризацією пропілену, застосовують як сополімери. Близько 15 відсотків нафтохімічного пропену застосовують як вихідну речовину для створення акріонітрилу. Цей органічний компонент необхідний для виготовлення цінного хімічного волокна — нітрона, створення пластичних мас, виробництва каучуків.

Ув’язнення

Поліпропілен вважають в даний час найбільшим виробництвом нафтохімії. Попит на цей якісний і недорогий полімер зростає, тому він поступово витісняє поліетилен. Він незамінний при створенні жорсткої упаковки, пластин, плівок, автомобільних деталей, синтетичного паперу, канатів, килимових деталей, а також для створення різноманітного побутового обладнання. На початку двадцять першого століття виробництво поліпропілену займало друге місце в полімерній промисловості. Враховуючи запити різних галузей промисловості, можна зробити висновок: найближчим часом збережеться тенденція масштабного виробництва пропілену та етилену.