Бутадиен: особенности производства и роль в современной промышленности

Что такое бутадиен?

Определение и структура молекулы

Дивинил, или бутадиен-1,3, при нормальных условиях представляет собой бесцветный газ (углеводород) со специфическим неприятным запахом. При температуре от -4 до -5 градусов конденсируется в легкоподвижную прозрачную жидкость. Углеводород содержит две двойные сопряженные связи С=С, благодаря которым наделен высокой реакционной способностью к присоединению и окислению, относится к классу алкадиенов. Выпускается по регламентам ГОСТ Р 55066-2012.

Свойства бутадиена определяет молекула, которая в зависимости от расположения двойных связей относительно одинарной С-С принимает конформации S- цис и с более устойчивой структурой S-трансформированную. Газ имеет эмпирическую формулу С4Н6 и структурную СН2=СН-СН=СН2.

Химические свойства

Дивинил способен хорошо растворяться в керосине, хлороформе, бензоле, спирте и эфире. Растворимость в воде по массе составляет всего 0,09%. С некоторыми растворителями образует азеотропные смеси, при взаимодействии с воздухом – взрывчатые.

Физические характеристики

К ним относятся:

• вещество легко подвергается полимеризации и в зависимости от температуры тепловой эффект от процесса колеблется от 72 до 126 кДж/моль;
• предельно допустимая концентрация бутадиена в рабочей зоне не должна превышать 100 мг/м3;
• ненасыщенное органическое соединение почти в 2 раза тяжелее воздуха, масса 1 л бутадиена в газообразном состоянии составляет 2,48 г.;
• молекулярная масса – 54,09;
• плотность – 0,6568 г/см3;
• температура плавления – минус 108,9, кипения – минус 4,5, вспышки – 40 и самовоспламенения – 420 градусов.

Из-за низкой температуры кипения вещества работающие с ним сотрудники подвергаются воздействию его паров.

Влияние на организм человека

Бутадиен с высокой концентрацией обладает наркотическим воздействием, вызывает тошноту, рвоту, шаткую походку, угнетающе действует на нервную систему, нарушает дыхание и потерю сознания. В малых дозах раздражает слизистую оболочку глаз, вызывает общую слабость, головную боль, сонливость, шум в ушах. Попавшая на кожу жидкость приводит к обморожению из-за ее быстрого испарения.

Производство бутадиена

Промышленные способы получения ценного мономера отличаются между собой экономической составляющей, количеством технологических операций, видом сырья. Еще в начале 30-х годов прошлого столетия бутадиен получали путем каталитического разложения этилового спирта по способу С. В. Лебедева. Метод другого химика И. И. Остромысленского состоял из 2-х стадий и был основан на дегидрировании этанола при 250-300 градусах с получением ацетальдегида, смесь которого со спиртом в соотношении 1:3 пропускали над катализатором – медью, нанесенную на асбестовое волокно, и получали бутандиол, при его гидратации образовывался бутадиен.

Процесс дегидрогенизации (дегидрирования) заключается в отнятии водорода, а гидрирование – в его присоединении. Для быстрого дегидрирования в аппаратах применяют катализаторы на основе металлов и повышают температуру до 500-750 градусов. Катализаторы сокращают время протекания реакции. Сейчас используют другие, более выгодные методы производства бутадиена. Основные из них перечислены ниже.

Первый – из ацетилена методом синтеза:

• бутадиена путем гидратации в ацетальдегид, далее происходит конденсация, гидрирование, получают бутиленгликоль с дальнейшей его дегидратацией (в промышленности используют гидратацию в жидкой фазе при использовании ртути);
• через бутандиол – основан на взаимодействии с формальдегидом;
• через димеризацию.

Второй способ – дегидрирование бутана, происходящее в реакторе при температуре 590 градусов с катализатором из алюминия и хрома. Третий – окислительное дегидрирование бутана и бутиленов в присутствии кислорода и галогенов при минусовой температуре или с применением катализаторов. Четвертый – из С-4 фракции пиролизом углеводородного сырья методом экстрактивной ректификации с одновременным получением этилена и пропилена. Из сжиженного нефтяного газа, этана и других нефтепродуктов дегидрированием бутана в одну или две стадии под вакуумом получают готовый продукт.

Пятый – из нефтяного сырья путем выделения из фракции С4 парового крекинга с применением ректификаций – одноступенчатой (получают вместе с примесями) и двухступенчатой (с разделением фракций). Дегидрирование происходит в адиабатическом реакторе шахтного типа – цилиндре из стали диаметром до 6 м и длиной до 14 м. Внутри он облицован огнезащитным материалом и оборудован решетками из перфорированных керамических плит, на которых расположены слои катализатора. Распределительное устройство равномерно распыляет газ по всему объему реактора. Для этого в качестве экстрагирующего агента используется ацетонитрил, который не образует азеотропы. Данным методом получают чистый бутадиен, применяемый для полимеризации. Таким образом, нефтяные газы, выделяемые в процессе добычи и перегонки нефти, являются ценным сырьем для химической промышленности, в том числе для производства бутадиена.

Применение бутадиена

Мономер, полученный различными методами, нашел широкое применение в производстве различных изделий. В основном с применением бутадиена путем полимеризации получают синтетические каучуки – полибутадиеновые, бутадиен-стирольные, хлоропреновые, метил-виниловые, нитрильные, а также адипонитрил и термоэластопласты.  От массовой доли чистого дивинила и степени его чистоты различаются марки А (первого и высшего сорта), полученные путем стереоспецифической полимеризации при синтезе синтетических каучуков и Б, применяемые для синтеза латексов и пластиков путем эмульсионной полимеризации.

Бутадиеновые каучуки отличаются высокой прочностью, стойкостью к истиранию, долговечностью, гибкостью и эластичностью. На производствах на основе каучуков выпускают автомобильные шины, конвейерные ленты, шланги, оболочки кабелей, технический пластик, искусственные нити и волокна, резиновую обувь, резинотехнические изделия, герметики, присадки и другую продукцию. Мономер также используется в производстве смол, клея, латексов и в качестве топлива.

Экологические аспекты

Класс опасности загрязнения воздуха от производства бутадиена и по степени воздействия на организм – 4, но этот газ является токсичным канцерогеном. Во избежание отравления парами бутадиена и с целью безопасности при проведении производственных процессов следует обязательно соблюдать правила:

• оборудовать производственное помещение приточно-вытяжной вентиляцией и следить за параметрами воздуха в рабочей зоне;
• обеспечить герметичность разложенным упаковкам и регулярно контролировать исправность приборов и оборудования;
• работать в защитной одежде и обуви, очках, респираторе или использовать фильтрующий противогаз;
• в случае возгорания вещества воспользоваться для тушения инертным газом в закрытых сосудах, асбестом, песком, химической пеной, углекислотой;
• периодически проходить диспансеризацию.

Скорость распространения пламени может достигать 0,55 м/с.

Экономический аспект

В России синтетический каучук производится на 12 предприятиях, на долю крупных производителей («Тольяттикаучук», «Нижнекамскнефтехим», «Воронежсинтезкаучук») приходится почти 80% всего выпускаемого объема продукта в стране. За 2022 г. российские предприятия произвели 596330 т бутадиена.

Необходимость в ценном мономере для промышленности ежегодно повышается. Отечественное производство синтетических каучуков – одна из конкурентоспособных отраслей нефтехимии. Несмотря на определенные трудности с добычей сырья, многие предприятия стали выпускать новейшую продукцию, что привело к росту экспорта и открытию новых рынков.

Рынок дивинила определен сосредоточением производственных мощностей в конкретных регионах, и по итогам прошлого года их структура поддерживает стабильность. Прогнозирование объема рынка обусловлено балансом спроса, предложений и ценовой политикой. Импорт бутадиена разносторонней направленности в РФ определяется внутренним спросом и ценовой политикой.

Инновации и перспективы

Ученым удалось получить новую молекулу бутадиена со звеньями в форме ромба. Вещество назвали олигоциклобутан, который позволяет многократно перерабатывать мономер в полимер и наоборот. Термически стабильное вещество способно разлагаться только при 250 градусах. Для синтеза был использован пиридин железа в качестве катализатора. Повторное использование позволяет сокращать количество отходов и создавать гидроизоляционные материалы, уплотнители, прочную резину для производства автомобильных шин и множество других новейших изделий.

Другая инновационная технология основана на применении нового катализатора, оболочка которого состоит из бромида лития, а внутренняя часть заполнена стронциевым ферритом. Такой «помощник» при использовании реакции окислительного дегидрирования позволяет превращать компонент природного газа бутан в бутадиен при каждом проходе через реактор более эффективно, а производство существенно повысит рентабельность.

В перспективе предусмотрено получение бутадиена из биомассы с помощью специально разработанных ферментов. Это поможет снизить зависимость производителей мономеров от нефти и сократит выбросы углекислого газа в атмосферу. Над этой проблемой работают ученые всего мира, так как запасы природных ресурсов добычи нефти постепенно уменьшаются, а экология ухудшается.

Заключение

Бутадиен – один из важных продуктов химической отрасли, имеет широкий спектр применения, но в основном используется для получения синтетических каучуков, из которых производится более 50 тысяч различных изделий. Материалы, синтезированные из побочных продуктов переработки нефти, незаменимы в производстве автомобилей. Надежные, прочные и эластичные, они используются для изготовления шин, уплотнительных колец и прокладок, ремней и шлангов, способных работать в широком диапазоне температур и экстремальных условиях.

Использование бутадиена для производства резинотехнических изделий снижает энергозатраты и способствует автоматизации процесса. Спрос на продукцию постоянно растет и начинает превышать предложения. Поэтому для удовлетворения потребностей современного человека в новейших материалах на предприятиях по производству мономеров проводится модернизация оборудования, увеличиваются производственные мощности и внедряются автоматизированные линии.