Индивидуальный групповой анализ побочных продуктов окисления циклогексана и дегидрирования циклогексанола
|
Перечень сокращений и обозначений 4
Введение 5
1 Литературный обзор 9
1.1 Производство капролактама 9
1.2 Технология и химизм получения циклогексанона 10
1.3 Катализаторы процесса окисления циклогексана и дегидрирования циклогексанола 13
1.4 Идентификация и количественный анализ примесей производства капролактама 15
1.5 Газовая хроматография 24
2 Технологическая часть 29
2.1 Характеристики сырья и продукции 29
2.2 Технологическая схема производства капролактама (стадия окисления циклогексана) 31
3 Экспериментальная часть 37
3.1 Подбор условий разделения компонентов ЦГС и СФПК на капиллярной колонке 37
3.2 Идентификация пиков основных компонентов ЦГС и СФПК, примесей и микропримесей 40
3.3 Выбор метода количественного расчета хроматограмм и определение относительных коэффициентов чувствительности ПИД 45
4 Методика определения состава СФПК 55
5 Экономическое обоснование проекта 70
5.1 Маркетинговый анализ производства 70
5.2 Расчёт годовой производственной мощности 71
5.3 Расчёт капитальных вложений на внедрение проекта 72
5.4 Расчёт себестоимости продукции 75
5.5 Расчёт расходов на содержание и эксплуатацию оборудования 77
5.6 Расчёт экономической эффективности внедрения методики в процесс производства капролактама 78
Заключение 82
Список используемых источников 83
Введение 5
1 Литературный обзор 9
1.1 Производство капролактама 9
1.2 Технология и химизм получения циклогексанона 10
1.3 Катализаторы процесса окисления циклогексана и дегидрирования циклогексанола 13
1.4 Идентификация и количественный анализ примесей производства капролактама 15
1.5 Газовая хроматография 24
2 Технологическая часть 29
2.1 Характеристики сырья и продукции 29
2.2 Технологическая схема производства капролактама (стадия окисления циклогексана) 31
3 Экспериментальная часть 37
3.1 Подбор условий разделения компонентов ЦГС и СФПК на капиллярной колонке 37
3.2 Идентификация пиков основных компонентов ЦГС и СФПК, примесей и микропримесей 40
3.3 Выбор метода количественного расчета хроматограмм и определение относительных коэффициентов чувствительности ПИД 45
4 Методика определения состава СФПК 55
5 Экономическое обоснование проекта 70
5.1 Маркетинговый анализ производства 70
5.2 Расчёт годовой производственной мощности 71
5.3 Расчёт капитальных вложений на внедрение проекта 72
5.4 Расчёт себестоимости продукции 75
5.5 Расчёт расходов на содержание и эксплуатацию оборудования 77
5.6 Расчёт экономической эффективности внедрения методики в процесс производства капролактама 78
Заключение 82
Список используемых источников 83
Полимерные материалы - это ведущие объекты в развитии промышленности. Одними из важных полимерных материалов являются капрон и нейлон.
«Обеспечение высокого качества капролактама - одна из важнейших задач, стоящих перед производителями этого продукта, определяющего качество получаемого из него полиамида и материалов на его основе. Поэтому вопросам оценки качества товарного капролактама уделяется особое внимание» [24].
Циклогексанон является ключевым полупродуктом в производстве капролактама. Обычно циклогексанон получают окислением циклогексана и каталитическим дегидрированием циклогексанола, при чем эти реакции протекают не селективно - с образованием множества побочных продуктов, содержание которых в материальных потоках зависит от качества сырья и условий проведения реакций.
Одной из наиболее нежелательных примесей процесса производства циклогексанона является 2-циклогексенон, из которой, впоследствии, образуется ряд ненасыщенных соединений, присутствие которых в капролактаме может обуславливать его легкую окисляемость.
В условиях получения циклогексаноноксима образуются 2 геометрических изомера цилогексеноноксима. Изомер Syn при последующей перегруппировке Бекмана в среде 20% олеума превращается в лактам 6- амино-гексеновой кислоты.
Часть син-оксима циклогексенона в условиях перегруппировки превращается в свой анти-изомер, который при температуре синтеза капролактама является устойчивым и попадает в товарный продукт в практически неизменном виде.
«Для идентификации и количественного определения основных компонентов смесей, образующихся при окислении циклогексана, наиболее прогрессивным методом является газовая хроматография, т.к. данный метод позволяет разделять сложные смеси веществ. Примеси производства циклогексанонов могут включать множество различных классов соединений, таких как спирты, альдегиды, сложные эфиры, простые эфиры, углеводороды и кетоны» [1].
Основные трудности при определении примесей заключаются в их большом разнообразии и низких концентрациях.
Цель и задачи исследования.
Цель предпринимаемого исследования - модернизация метода аналитического контроля побочных продуктов производства капролактама. Для выполнения заданной цели было необходимо решить следующие основные задачи:
• Подобрать условия разделения компонентов циклогексанона-сырца и спиртовой фракции производства капролактама;
• Идентифицировать пики основных компонентов циклогексанонасырца и спиртовой фракции производства капролактама, примесей и микропримесей путем хромато масс-спектрометрического исследования, определения линейных и логарифмических индексов удерживания, сравнением времен удерживания определяемых компонентов и заведомо чистых веществ;
• Выбрать метод количественного расчета хроматограмм (внутренняя нормализация, абсолютная градуировка, внутренний стандарт);
• Определить относительные коэффициенты чувствительности пламенно-ионизационного детектора.
• Разработать методики качественного и количественного анализа циклогексанона-сырца и спиртовой фракции производства капролактама.
Объект исследования.
Объектами данного научного исследования являлись компоненты побочных продуктов, образующихся при окислении циклогексана и дегидрировании циклогексанола, которые содержатся в спиртовой фракции производства капролактама (СФПК) и циклогексаноне-сырце (ЦГС) производства ПАО «КуйбышевАзот».
Научная новизна.
Для контроля содержания примесных соединений побочных продуктов производства капролактама разработана методика аналитического контроля с помощью газовой хроматографии с использованием капиллярных колонок.
Методы проведения исследования.
Проведение анализа продуктов производства капролактама методом газовой хроматографии с использованием капиллярных колонок.
Поиск и анализ литературных источников по теме исследования.
Теоретическая, научная, практическая значимость.
Необходимость проведения точной идентификации компонентов побочных продуктов процесса окисления циклогексана обусловлена тем, что присутствие примесей в циклогексаноне значительно влияет на качество образующегося капролактама, что, в свою очередь, негативно отражается на процессе полимеризации и качестве товарного полиамида.
Основные положения работы, выносимые на защиту.
На защиту выносятся следующие результаты:
• рекомендуемая методика анализа продуктов производства капролактама;
• данные хромато-масс-спектроскопического анализа исследуемой смеси;
• упрощенная принципиальная технологическая схема окисления циклогексана, показывающая этап образования исследуемой смеси;
• организационно-экономическое обоснование проекта, показывающее эффективность внедрения методики контроля в процесс производства капролактама.
Научная обоснованность и достоверность.
Научная достоверность полученных результатов и выводы работы обеспечены тщательным контролем условий проведения экспериментов, а также использованием современных физико-химических методов анализа, включая хромато-масс-спектрометрию.
Апробация результатов диссертации.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на XXVIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, 2021), а также в сборнике конференции «Дни науки ТГУ» (Тольятти, 2021).
По материалам диссертации были опубликованы в сборнике тезисов XXVIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, 2021).
Личный вклад диссертанта.
Проведена работа по поиску и анализу литературных данных по теме исследования. Данные, представленные в работе, были получены непосредственно автором диссертации совместно с соавторами опубликованных работ. Автор принимал непосредственное участие в лабораторных экспериментах: выполнял аналитический контроль за ходом химического процесса с помощью метода газовой хроматографии, обрабатывал полученные результаты, производил расчеты, формулировал основные выводы по итогам проделанных работ. Автор принимал непосредственное участие в лабораторных экспериментах, анализировал полученные результаты, проводил расчеты и обобщал результаты проделанной работы.
Объем диссертации.
Диссертация включает введение, перечень условных обозначений, 5 основных разделов, заключение, список используемых источников. Работа изложена на 86 страницах, содержит 30 рисунков, 28 таблиц, 39 литературных источников.
«Обеспечение высокого качества капролактама - одна из важнейших задач, стоящих перед производителями этого продукта, определяющего качество получаемого из него полиамида и материалов на его основе. Поэтому вопросам оценки качества товарного капролактама уделяется особое внимание» [24].
Циклогексанон является ключевым полупродуктом в производстве капролактама. Обычно циклогексанон получают окислением циклогексана и каталитическим дегидрированием циклогексанола, при чем эти реакции протекают не селективно - с образованием множества побочных продуктов, содержание которых в материальных потоках зависит от качества сырья и условий проведения реакций.
Одной из наиболее нежелательных примесей процесса производства циклогексанона является 2-циклогексенон, из которой, впоследствии, образуется ряд ненасыщенных соединений, присутствие которых в капролактаме может обуславливать его легкую окисляемость.
В условиях получения циклогексаноноксима образуются 2 геометрических изомера цилогексеноноксима. Изомер Syn при последующей перегруппировке Бекмана в среде 20% олеума превращается в лактам 6- амино-гексеновой кислоты.
Часть син-оксима циклогексенона в условиях перегруппировки превращается в свой анти-изомер, который при температуре синтеза капролактама является устойчивым и попадает в товарный продукт в практически неизменном виде.
«Для идентификации и количественного определения основных компонентов смесей, образующихся при окислении циклогексана, наиболее прогрессивным методом является газовая хроматография, т.к. данный метод позволяет разделять сложные смеси веществ. Примеси производства циклогексанонов могут включать множество различных классов соединений, таких как спирты, альдегиды, сложные эфиры, простые эфиры, углеводороды и кетоны» [1].
Основные трудности при определении примесей заключаются в их большом разнообразии и низких концентрациях.
Цель и задачи исследования.
Цель предпринимаемого исследования - модернизация метода аналитического контроля побочных продуктов производства капролактама. Для выполнения заданной цели было необходимо решить следующие основные задачи:
• Подобрать условия разделения компонентов циклогексанона-сырца и спиртовой фракции производства капролактама;
• Идентифицировать пики основных компонентов циклогексанонасырца и спиртовой фракции производства капролактама, примесей и микропримесей путем хромато масс-спектрометрического исследования, определения линейных и логарифмических индексов удерживания, сравнением времен удерживания определяемых компонентов и заведомо чистых веществ;
• Выбрать метод количественного расчета хроматограмм (внутренняя нормализация, абсолютная градуировка, внутренний стандарт);
• Определить относительные коэффициенты чувствительности пламенно-ионизационного детектора.
• Разработать методики качественного и количественного анализа циклогексанона-сырца и спиртовой фракции производства капролактама.
Объект исследования.
Объектами данного научного исследования являлись компоненты побочных продуктов, образующихся при окислении циклогексана и дегидрировании циклогексанола, которые содержатся в спиртовой фракции производства капролактама (СФПК) и циклогексаноне-сырце (ЦГС) производства ПАО «КуйбышевАзот».
Научная новизна.
Для контроля содержания примесных соединений побочных продуктов производства капролактама разработана методика аналитического контроля с помощью газовой хроматографии с использованием капиллярных колонок.
Методы проведения исследования.
Проведение анализа продуктов производства капролактама методом газовой хроматографии с использованием капиллярных колонок.
Поиск и анализ литературных источников по теме исследования.
Теоретическая, научная, практическая значимость.
Необходимость проведения точной идентификации компонентов побочных продуктов процесса окисления циклогексана обусловлена тем, что присутствие примесей в циклогексаноне значительно влияет на качество образующегося капролактама, что, в свою очередь, негативно отражается на процессе полимеризации и качестве товарного полиамида.
Основные положения работы, выносимые на защиту.
На защиту выносятся следующие результаты:
• рекомендуемая методика анализа продуктов производства капролактама;
• данные хромато-масс-спектроскопического анализа исследуемой смеси;
• упрощенная принципиальная технологическая схема окисления циклогексана, показывающая этап образования исследуемой смеси;
• организационно-экономическое обоснование проекта, показывающее эффективность внедрения методики контроля в процесс производства капролактама.
Научная обоснованность и достоверность.
Научная достоверность полученных результатов и выводы работы обеспечены тщательным контролем условий проведения экспериментов, а также использованием современных физико-химических методов анализа, включая хромато-масс-спектрометрию.
Апробация результатов диссертации.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на XXVIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, 2021), а также в сборнике конференции «Дни науки ТГУ» (Тольятти, 2021).
По материалам диссертации были опубликованы в сборнике тезисов XXVIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, 2021).
Личный вклад диссертанта.
Проведена работа по поиску и анализу литературных данных по теме исследования. Данные, представленные в работе, были получены непосредственно автором диссертации совместно с соавторами опубликованных работ. Автор принимал непосредственное участие в лабораторных экспериментах: выполнял аналитический контроль за ходом химического процесса с помощью метода газовой хроматографии, обрабатывал полученные результаты, производил расчеты, формулировал основные выводы по итогам проделанных работ. Автор принимал непосредственное участие в лабораторных экспериментах, анализировал полученные результаты, проводил расчеты и обобщал результаты проделанной работы.
Объем диссертации.
Диссертация включает введение, перечень условных обозначений, 5 основных разделов, заключение, список используемых источников. Работа изложена на 86 страницах, содержит 30 рисунков, 28 таблиц, 39 литературных источников.
• Определено, что для анализа испытуемых смесей наиболее эффективным и подходящим оказался метод газожидкостной хроматографии.
• Проведены экспериментальные исследования, направленные на определение состава побочных продуктов производства капролактама
• Разработана методика качественного и количественного анализа циклогексанона-сырца и спиртовой фракции производства капролактама методом газовой хроматографии с использованием капиллярных колонок. Внедрение методики в производство капролактама для текущего контроля является актуальным и необходимым.
• При обнаружении допустимого количества примесных соединений в продуктах процесса окисления циклогексана, одним из возможных действий может являться извлечение продукта в момент образования минимального количества кислородосодержащих побочных соединений, что обеспечит более высокое качество целевого продукта.
• Проведена оценка экономической эффективности проекта. Внедрение методики определения состава побочных продуктов в текущий процесс получения капролактама может обеспечить получение более высококачественного продукта, который будет иметь более высокую рыночную стоимость. При капитальных вложениях на сумму 2581523,33 руб., проект является эффективным. Срок окупаемости внедрения проекта 2 месяца.
• В настоящее время применяются технологические системы, которые обеспечивают получение более высококачественной продукции, например, применение в качестве сырья - фенола.
• Проведены экспериментальные исследования, направленные на определение состава побочных продуктов производства капролактама
• Разработана методика качественного и количественного анализа циклогексанона-сырца и спиртовой фракции производства капролактама методом газовой хроматографии с использованием капиллярных колонок. Внедрение методики в производство капролактама для текущего контроля является актуальным и необходимым.
• При обнаружении допустимого количества примесных соединений в продуктах процесса окисления циклогексана, одним из возможных действий может являться извлечение продукта в момент образования минимального количества кислородосодержащих побочных соединений, что обеспечит более высокое качество целевого продукта.
• Проведена оценка экономической эффективности проекта. Внедрение методики определения состава побочных продуктов в текущий процесс получения капролактама может обеспечить получение более высококачественного продукта, который будет иметь более высокую рыночную стоимость. При капитальных вложениях на сумму 2581523,33 руб., проект является эффективным. Срок окупаемости внедрения проекта 2 месяца.
• В настоящее время применяются технологические системы, которые обеспечивают получение более высококачественной продукции, например, применение в качестве сырья - фенола.
Подобные работы
- Определение индивидуального и группового состава продуктов окисления циклогексана в производстве циклогексанона на ПАО «Куйбышевазот»
Бакалаврская работа, химия. Язык работы: Русский. Цена: 4650 р. Год сдачи: 2020