Производство полипропилена полимеризацией пропилена

ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день полимерные материла являются ведущими объектами в развитии промышленности. Практический каждый год на рынке появляются новые разработанные полимеры, отличающиеся модернизированным свойствами. Одним из важнейших и неотъемлемых полимерных материалов является капрон и нейлон. Отсюда следует, что главным продуктами для их получения являются капролактам и адипиновая кислота. Ε-Капролактам является основой для производства полиамида, синтетических волокон, инженерных пластиков и пленок. В виду этого следует правильно выбирать метод их производство в промышленных масштабах, то есть надо учитывать дешевизну исходных материалов, технически и экономически выгодные технологичные схемы. Поэтому по сей день ведется поиск наиболее оптимальных условиях процесса.
Возможность синтеза полипропилена появилась впервые в середине ХХвека, когда немецкий химик-органик Карл Циглер и итальянский химик Джулио Натта сделали открытие металлокомплексного катализа полимеризации олефинов. При смешивании металлоорганических катализаторов произошла каталитическая стереоспецифическая полимеризация ненасыщенных углеводородов и синтез структурной разновидности полипропилена. Этимспособом был получен первый полипропилен - самый легкий термопласт.В результате этого открытия Джулио Натта был удостоен Нобелевской премии.
Целью данной работы является рассмотреть технологию газофазной полимеризации пропилена на титан-магниевом катализаторе. Рассчитать материальный баланс с производительностью по полипропилену 490 000 т/год.


1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
Полипропилен принадлежит к классу полиолефинов. Он является термопластичным неполярным полимером пропилена и представляет собой бесцветное кристаллическое вещество изотактической структуры.
Молекулярная структура полипропилена:

Процесс полимеризации пропилена является одним из основных процессов в нефтехимической промышленности.
Для производства полипропилена требуется пропилен высокой степени чистоты. Допускается незначительное содержание примесей, таких как окись и двуокись углерода, ацетиленовые соединения, сернистые соединения, кислород [1].
Полипропилен выпускают стабилизированным, окрашенным и неокрашенным и имеет три разновидности (по формам):
• гомополимер;
• статистический сополимер;
• гетерофазный ударопрочный сополимер.
Самым важным свойствомвсех марок полипропилена является то, что он самый легкий из всех твердых полимеров, обладающийзначительной прочностью при ударе и многократном изгибе и имеющий хорошую износостойкость, низкую газопроницаемость. Также полипропиленхороший диэлектрик.
Имея кристаллическую структуру, стереорегулярный полипропилен сохраняет форму и высокие механические свойства до температуры своего плавления и поэтому имеется возможность стерилизации изделий из него. Полипропилен является экологически чистым материалом.
Из механизмов полимеризации можно выделитьбиметталлический механизм Натта. [2], который заключается в следующем.
При взаимодействии катализатора и сокатализатора происходит хемосорбция алкилатов алюминия на твердой поверхности хлоридов титана, в результате чего образуется координационный мостичный комплекс, имеющий дефицит электронов

Данный комплекс является активным центром. Молекула мономера притягивается к Ti—С-связи (С атом из алкильной группировки R) активного центра и образует π-комплекс с ионом Ti:

C-связь между R и Ti открывается, в результате возрастает дефицит электронов Ti и образуется карбанион на R

Ион Ti притягивает π-электроны мономера и образует с ним σ – связь, противоион притягивает к себе углеродный атом с меньшей электронной плотностью. Таким образом, мономер внедряется в переходный комплекс замкнутой структуры:


Это переходное состояние начинает рост цепи по связи металл-углерод, регенерируя исходный активный центр:

Повторив всю цепочку со второй присоединяющейся молекулой мономера, можно представить структуру роста цепи двух звеньев:

Далее идет повторение внедрения следующих мономерных звеньев в такой переходный комплекс с такой-же ориентацией заместителя в мономере в сторону от иона Ti, что ведет к эффекту стереорегулирования.
Реакция полимеризации пропилена с использованием каталитической системы может быть описана путем ее разделения на IV основных этапа [2]:
I. Этап активации.
Сокатализатор вступает в реакцию с хлоридом титана на поверхности катализатора на подложке и снижает степень окисления титана с +4 до +3, в результате чего титан активируется для полимеризации. Между триэтилалюминием и активным центром происходит реакция алкилирования с образованием связи Ti-C.

II. Этап инициирования.
Молекула пропилена встраивается в связь Ti-C на активном центре и формирует начало полипропиленовой цепочки.
III. Этап роста цепи.
Молекулы пропилена встраиваются в активный центр, полимерная цепь начинает разрастаться с поверхности частицы катализатора. Такое встраивание в связь Ti-C может идти по двум путям:

(первичное встраивание)