Produkcja przemysłowa

substancji chemicznych

Dr inż. Katarzyna Kozłowska

Podstawowe surowce przemysłu
chemicznego

Z kopalin wydobywa się:

 surowce mineralne takie jak sól kamienna, hematyt,

kwarc, piryt, blenda cynkowa, wapień, magnetyt, sole
potasu, boksyt, galena, apatyt, anhydryt i wiele innych.

 ropę naftową
 gaz ziemny
 różne węgle

Rośliny i zwierzęta są źródłem:

 tłuszcze
 drewno
 zboża, ziemniaki, buraki cukrowe

Gaz ziemny

 Zawiera głównie metan

 Częściej jednak - mieszanina zawierająca 95% metanu oraz

wyższe alkany z domieszkami H

2

S, N

2

, CO

2

i helowców

 Gaz ziemny - wykorzystuje się jako tanie paliwo w instalacjach

domowych i przemysłowych

 Metan - cenny surowiec przemysłu

Półspalanie metanu:

2CH

4

+ O

2

--> 2CO + 2H

2

daje gaz syntezowy - z którego można otrzymać metanol,

alkany, kwasy karboksylowe i inne związki organiczne

Ropa naftowa

 Ropa naftowa - to mieszanina węglowodorów zawierających

związki węgla od C4 do C50

 Skład ropy zależy od pochodzenia

 Głównym składnikiem - alkany o łańcuchu prostym

Frakcje ropy naftowej

 Frakcja benzynowa - służy jako paliwo do silników

spalinowych

 Ilości benzyny otrzymywane z ropy nie wystarczają na

pokrycie potrzeb -

opracowano metody przekształcania

węglowodorów niższych i wyższych w węglowodory wrzące

w pożądanym zakresie temperatur

 Wyższe frakcje poddaje się

krakowaniu

(rozrywanie długich

łańcuchów) a niższe

polimeryzacji, izomeryzacji

 Dąży się przez odpowiedni dobór warunków aby

węglowodory miały budowę rozgałęzioną

 Jako kryterium oceny benzyn - liczba oktanowa (L.O).

Założono, że liczba oktanowa łańcuchowego n-heptanu

wynosi 0, a rozgałęzionego izooktanu - 100

izooktan (2,2,4-trimetylopentan) LO = 100

Produkty ropy naftowej

Liczba oktanowa

Liczba oktanowa podaje procentową zawartość izooktanu w

porównawczej mieszaninie izooktanu i n-heptanu

Celem podniesienia liczby oktanowej benzyny dodaje się

nieraz tetraetylek ołowiu (C

2

H

5

)

4

Pb - stąd nazwa etylina

Węgiel kamienny

 To mieszaniną różnych połączeń - w skład których jako

pierwiastki podstawowe wchodzą; węgiel, wodór, tlen, azot,

siarka

 W

czasie ogrzewania (sucha destylacja)

- następuje

zrywanie wiązań C-C, C-H, C-O

 Przeróbkę węgla prowadzi się w koksowniach i gazowniach

w temperaturze 900 - 1000

o

C

Węgiel kamienny

Przy zgazowaniu 1000kg węgla otrzymuje się:
 gaz świetlny 330m

3

(20%) o przeciętnym składzie: 50% H

2

,

34% CH

4

, 80% CO, 4% olefin, 4% N

2

, 1% CO

2

 koks 650 kg (65%)
 smołę węglową 42 kg (5%)
 wodę pogazową (ok. 10%) (NH

3

+ H

2

SO

4

--> (NH

4

)

2

SO

4

)

Smołę poddaje się destylacji frakcjonowanej

Skład smoły zmienia się w zależności od temperatury suchej

destylacji węgla i gatunku węgla

Surowce roślinne i zwierzęce

 Tłuszcze roślinne i zwierzęce

 Celuloza

 Kauczuk

Tłuszcze roślinne i zwierzęce

 Występują w tkankach zwierzęcych (łój, smalec, masło, tran

oraz w nasionach roślin (oleje, masło kakaowe)

 Ekstrakcja - proces polegający na wypłukiwaniu tłuszczu

rozpuszczalnikiem organicznym ze zmiażdżonych uprzednio

roślin

 Ekstrakt (roztwór) - poddaje się destylacji w celu usunięcia

rozpuszczalnika, który ponownie używa się do ekstrakcji

 Tłuszcze występujące w przyrodzie nie mają jednolitego

składu chemicznego -wydzielono z nich ponad 50 różnych

kwasów karboksylowych

Celuloza

 Jej źródłem jest drewno, słoma, bawełna i juta

 Z celulozy wyrabia się papier, kleje, lakiery, celofan, błony

fotograficzne i sztuczny jedwab

 Papier produkowany jest z celulozy nie zmienionej chemicznie

 Inne wyroby celulozowe wymagają modyfikacji struktury

łańcucha celulozowego

 Chemiczna modyfikacja celulozy polega na estryfikacji grup

hydroksykowych

Kauczuk

 Kauczuk występuje w drzewach kauczukowych

 Z kauczuku naturalnego wyrabia się gumę

 Kauczuk naturalny jest polimerem z izoprenu:

nCH

2

=C(CH

3

)-CH=CH

2

--> (-CH

2

-C(CH

3

)=CH-CH

2

-)n

Wartość n waha się w granicach 1500 – 3000

 Kauczuk jest wrażliwy na temperaturę i czynniki atmosferyczne

 Ogrzewanie kauczuku z siarką (wulkanizacja) daje gumę -

produkt sprężysty, elastyczny odporny na chemikalia i

wytrzymały mechanicznie

 Podczas wulkanizacji atomy siarki wiązane są przez reszty

izoprenowe w miejscu podwójnych wiązań

 Wiązanie C=C pęka i atomy siarki tworzą mostek miedzy

dwoma łańcuchami polimeru. W ten sposób łańcuchy

poliizoprenu tracą swobodę poruszania się względem siebie,

dzięki czemu guma zyskuje elastyczność i sprężystość

Surowce mineralne

 Sól

kamienna

- surowiec wyjściowy do produkcji węglanu

sodu, wodorotlenku sodu, chloru, wodoru, kwasu

chlorowodorowego i innych chemikaliów

 Hematyt

- jest to tlenkowa ruda żelaza - 35 - 60% zawiera

tlenek żelaza(III) - jest to surowiec wyjściowy do produkcji

surówki żelaza

 Kwarc - SiO

2

- surowiec do produkcji szkła,

półprzewodników krzemowych oraz zaprawy murarskiej

 Piryt

- Jest to siarczkowa ruda żelaza (Fe=33-45%, S=32-

45%, zawiera FeS

2

- to surowiec do produkcji tlenku

siarki(IV) i surówki żelaza

Surowce mineralne

 Blenda cynkowa

to ruda cynku zawierająca siarczek cynku

ZnS - to surowiec do produkcji cynku i tlenku siarki(IV)

 Wapień -CaCO

3

– to

surowiec do produkcji wapna palonego,

cementu, szkła, karbidu, dodatków do produkcji surówki żelaza

i stali, nawozów sztucznych, środków pomocniczych przy

produkcji celulozy

 Magnetyt

-to tlenkowa ruda żelaza (II i III) - Fe

3

O

4

-

Wykorzystywana jest do produkcji surówki żelaza

 Sole potasu

- minerały potasu w mieszaninie z solami

magnezu - Zawierają głównie chlorek potasu KCl, chlorek

magnezu MgCl

2

, siarczan magnezu MgSO

4

, chlorek sodu NaCl

- surowiec wyjściowym do produkcji nawozów sztucznych,

wodorotlenku potasu, materiałów wybuchowych

Synteza organiczna w przemyśle

Syntetycznie otrzymuje się te związki - które nie występują w

przyrodzie, bądź występują w zbyt małych ilościach w

stosunku

do potrzeb człowieka, lub gdy wyodrębnienie ich z surowców

naturalnych jest droższe niż synteza

Środki powierzchniowo czynne

 Są to związki - których cząsteczki zawierają jedną polarną

hydrofilową grupę końcową i długą hydrofobową resztę

węglowodorową (10 - 20 atomów C)

 W wodzie tworzą roztwory koloidalne a na granicy faz

jednocząsteczkowe warstwy, które obniżają napięcie

powierzchniowe

 Środki powierzchniowo czynne - wykorzystywane są jako

środki myjące, środki czyszczące, jako emulgatory, jako

środki dyspergujące w przemyśle farb, tworzyw sztucznych i

papierowym, jako plastyfikatory do wapna i betonu oraz do

wytwarzania piany w środkach gaśniczych

Środki powierzchniowo czynne

Rodzaje środków powierzchniowo czynnych:

 Anionowe

- Własności warstwy powierzchniowej pochodzą

od anionów, które posiadają grupę końcową -COO- lub -SO

3

-;

mydło, siarczany alkilowe, sulfoniany alkilobenzenowe

 Kationowe

-Własności warstwy powierzchniowej pochodzą

od kationów, które najczęściej posiadają grupę

alkiloamoniową -NR

3+ -

czwartorzędowe sole amonowe

 Amfoteryczne -

Własności warstwy powierzchniowej

pochodzą od jonów obojnaczych, które w grupie końcowej

zawierają glicynę - alkilobetanina

 niejonowe środki powierzchniowo czynne -

Własności

warstwy powierzchniowej pochodzą od cząsteczek o

strukturach polihydroksylowych lub polieterowych -Są to

struktury węglowodanowe lub pochodne poliglikoli

etylenowych - poliester etylenowy

Mydło

 Mydło powstaje w reakcji hydrolizy glicerydów (tłuszcze)

 Hydroliza ta prowadzi do otrzymania soli kwasów

tłuszczowych i gliceryny

 Przykład soli - palmitynian sodowy C

15

H

31

COONa

 Zwykłe mydło - to mieszaniną soli sodowych wyższych

kwasów tłuszczowych

 Mydło może różnić się składem i metodą obróbki; można

zrobić z oliwy - wówczas stanowi ono

mydło kastylijskie

,

można dodać do niego alkoholu, wówczas uzyskuje się

mydło przezroczyste

, można sporządzić dyspersję

powietrza w mydle i otrzymuje się

mydło pływające w

wodzie

, można również dodać środki zapachowe,

bakteriobójcze i barwniki

 Jeżeli zamiast soli sodowej sporządzi się sól potasową - to

uzyskuje się miękkie (maziste)

mydło potasowe (tzw.

mydło szare)

Mydło

 Mydło jest skutecznym środkiem piorącym dzięki zdolności

emulgowania tłuszczów i oleju w wodzie

 Zdolność emulgowania mydło osiąga dzięki - obecności w

cząsteczce części

hydrofilowej (lubiacej wodę)

i części

hydrofobowej (nie rozpuszczalnej w wodzie ale
rozpuszczalnej w rozpuszczalnikach niepolarnych)

 Każda cząsteczka mydła zawiera koniec polarny jak i

niepolarny, a przy tym są one dostatecznie duże, aby ich
końce mogły niezależnie od siebie przejawiać swe skłonności
do rozpuszczania się

Mydło

Mydło

 Zgodnie z regułą

podobne rozpuszcza podobne

niepolarny

koniec każdej cząsteczki poszukuje niepolarnego środowiska

 Jeżeli nie ma w roztworze innych podobnych substancji to

wtedy niepolarne końce gromadzą się obok innych
niepolarnych części cząsteczek mydła -powstaje wtedy

micela

Mechanizm tworzenia miceli i
gromadzenia sie cząsteczek mydła na
powierzchni roztworu

Mydło

 Polarne końce ustawiają się na zewnątrz w kierunku

polarnego rozpuszczalnika czyli wody

 Jony sodowe lub potasowe przechodzą do roztworu a na

powierzchnia miceli uzyskuje ładunek ujemny

 Odpychanie się ładunków jednoimiennych powoduje, że

micele są rozproszone

 Podobnie zachowują się cząsteczki mydła na powierzchni

roztworu

 Części hydrofilowe skierowane są w stronę wody

Mechanizm tworzenia emulsji w
procesie usuwania oleju

Mydło

 Otoczka - powstaje w wyniku silniejszego oddziaływania -

wnikania do kropelki oleju części węglowodorowej łańcucha

anionu kwasu tłuszczowego

 Powstaje -warstwa graniczna od strony oleju

 Jonowe (polarne) końce mydła rozpuszczają się w fazie wodnej,

a końce węglowodorowe (niepolarne) - w fazie olejowej

 Końce nie są połączone - tworzy się

graniczna powierzchnia

międzyfazowa

 Na powierzchni zgromadzony ładunek jednoimienny zapobiega

zlewaniu się kropelek oleju -tworzy się trwała emulsja oleju i

wody, którą można usunąć z oczyszczanej powierzchni

Spoiwa budowlane

Spoiwo budowlane - to wypalony i sproszkowany minerał,

który po wymieszaniu z wodą na skutek reakcji chemicznych

ulega stwardnieniu, wykazując właściwości wiążące

Ze względu na zachowanie się spoiw w środowisku wodnym,

w czasie ich twardnienia rozróżnia się spoiwa:

o hydrauliczne

o powietrzne

Spoiwa budowlane

 Spoiwo hydrauliczne

- zmieszane z wodą wiąże i

twardnieje zarówno w wodzie jak i na powietrzu, uzyskując
odpowiednie cechy wytrzymałościowe - wapno
hydrauliczne, cementy portlandzkie, hutnicze, glinowe

 Spoiwo powietrzne

- po zmieszaniu z wodą ulegają

wiązaniu i stwardnieniu jedynie na powietrzu - wapno,
spoiwo gipsowe, magnezjowe oraz spoiwa krzemianowe

Spoiwa wapienne

 Spoiwo wapienne należy do grupy spoiw powietrznych i

oparte jest na tlenku wapnia CaO

 Wapno palone (CaO) - otrzymuje się przez wypalanie

kamienia wapiennego (CaCO

3

) w piecach szybowych,

obrotowych w temperaturze 950 - 1050

o

C

Proces wypalania

CaCO

3

<=> CaO + CO

2

+ 165,5 kJ/mol

Spoiwa wapienne

 W czasie wypalania wapienia temperatura nie może być zbyt

wysoka - może wystąpić proces

powlekania (oblepiania)

ziarenek wapna palonego nieprzepuszczalnymi dla wody

stopionymi tlenkami zanieczyszczeń

 Zanieczyszczenia te to: krzemionka, tlenki żelaza, tlenki

glinu lub węglan magnezu

 Zbyt wysoka temperatura wypalania daje tzw. wapno

martwe - nie podatne na proces gaszenia

Proces gaszenia wapna palonego:

CaO + H

2

O --> Ca(OH)

2

- 63,5 kJ/mol

Wapno gaszone

W zależności od sposobu prowadzenia procesu gaszenia
wapno dzieli się na:

o ciasto wapienne

o wapno hydratyzowane

o mleko wapienne

Ciasto wapienne

 Ciasto wapienne

- otrzymywane jest w dołach do gaszenia

 Stanowi układ koloidalny wodorotlenku wapnia w

nasyconym wodnym roztworze tegoż wodorotlenku -

zawartość wody wynosi ok. 50% masy ciasta wapiennego

 Wapno hydratyzowane (sucho gaszone) to sproszkowany

wodorotlenek wapnia - otrzymuje się metodą

przemysłową

przez gaszenie wapna palonego małą ilością wody (ok. 25%)

Mleko wapienne

 Mleko wapienne - charakteryzuje się znacznym

nadmiarem wody w układzie koloidalnym wodorotlenku

wapnia

 Zaprawę murarską (wapienną) otrzymuje się poprzez

zmieszanie 1 części objętościowej wapna gaszonego z 3-5

częściami piasku oraz wodą

 Proces wiązania i twardnienia spoiwa wapiennego (zaprawy)

zachodzi w dwóch etapach - Pierwszy etap (kilka godzin) to

czas w którym następuje proces wiązania i krzepnięcia

spoiwa - Drugi etap trwający bardzo długo (do kilku lat) to

okres twardnienia spoiwa

Twardość wody

Twardość wody - powodują rozpuszczone w niej sole
wapnia, magnezu i metali wielowartościowych

Rozróżnia się następujące rodzaje twardości wody:

 twardość węglanowa (Tw)

 twardość niewęglanowa zwana stałą (Ts)

 twardość ogólna lub całkowita (To)

Twardość węglanowa

Twardość węglanowa (Tw) - przemijająca - spowodowana

jest obecnością kwaśnych węglanów wapnia i magnezu –

można ją usunąć przez zagotowanie wody

Ca(HCO

3

)

2

--> CaCO

3

+ H

2

O + CO

2

Mg(HCO

3

)

2

--> MgCO

3

+ H

2

O + CO

2

Twardość niewęglanowa

Twardość niewęglanowa (Ts) -

spowodowana jest zawartością w wodzie chlorków,

azotanów, siarczanów, krzemianów i innych

rozpuszczalnych soli wapnia i magnezu

Twardość ogólna (To)

jest sumą twardości węglanowej i niewęglanowej

(To) = (Tw) + (Ts)

Zmiękczanie wody

Zmiękczanie wody nazywamy procesy prowadzące do
całkowitego lub częściowego usunięcia rozpuszczalnych soli
wapnia, magnezu oraz niektórych wielowartościowych
metali

Rozróżnia się następujące metody zmiękczania wody:
o destylacja
o metody termiczne
o metody chemiczne
o metody fizykochemiczne

Destylacja -daje pełne odmineralizowanie wody – rzadko
stosowana - ze względu na wysokie koszty energii cieplnej