صناعة المواد البتروكيماوية النهائية

المبحث الثالث

صناعة المواد البتروكيماوية النهائية

تنتج البتروكيماويات النهائية باستخدام واحد أو أكثر من البتروكيماويات الأساسية و/أو الوسيطة، ومن أمثلتها في مجال صناعة البلاستيك (الترموبلاستيك) البولي إيثيلين والبولي بروبلين والبولي فينيل كلوريد، والبولي إستايرين.

أولاً: البولي إيثيلين CH2-CH2- n

1. يستهلك 50% من إنتاج الإيثيلين في العالم في إنتاج البولي إيثيلين. وقد تم اكتشاف هذا البوليمر عام 1932، وسمي بالبولي إيثيلين منخفض الكثافةPELD، أو البولي إيثيلين عالي الضغط، لأنه يحضر عند ضغوط في حدود 1500 ضغط جوي، وعند 200°م، وتسير البلمرة بميكانيكية الشقوق الحرة، إذ تضاف مركبات قادرة على تكوين شقوق حرة، مثل البيروكسيدات أو الهيدروبيروكسيدات أو الأكسجين نفسه.

يتكون البوليمر من سلاسل مستقيمة متوازية يقطعها وصلات عرضية Cross linked، لذلك يسمى البولي إيثيلين منخفض الكثافة، إذ تبعد الوصلات العرضية السلاسل عن بعضها، كما أن لهذا النوع من البولي إيثيلين نسبة تبلورCrystallinity منخفضة.

2. في عملية إنتاج البولي إيثيلين منخفض الكثافة، يدفع الإيثيلين إلى ضغط التفاعل، وذلك بواسطة عدة مكابس تتطلب فيما بينها عمـليات تبريد. يتم إدخال الإيثيلين المكبوس والحفاز إلى مفاعل أوتوكلاف Autoclave ترفع فيه درجة الحرارة والضغط لتتم عملية البلمـرة. يسحب البولي إيثيلين النـاتج بانتظام ثم يبرد، ويحول لحبيبات جافة، في الوقت الذي يتم فيه فصل باقي الإيثيلين، الذي لم يتبلمر، ويعاد تدويره في الكباسات. (اُنظر شكل مصنع بولى إيثيلين منخفض الكثافة)

3. أما البولي إيثيلين مرتفع الكثافة PEHD أو منخفض الضغط، فقد اكتشف عام 1945، وهو يخلو من الوصلات العرضية، ونسبة التبلور فيه عالية.

ويتم تحضيره عند ضغط في حدود 2 جو، مما يجعل هذه العملية اقتصادية للغاية، وتستخدم درجات حرارة ما بين 50 - 70°م أي أوطأ من درجة انصهار البوليمر نفسه، كما يستعمل زمن تلامس ما بين 1 - 4 ساعة، ويمكن التحكم في الوزن الجزيئ للبوليمر بالتحكم في ظروف التفاعل.

تسمى عملية إنتاج البولي إيثيلين عالي الكثافة بعملية زيجلر Zeigler، إذ يستعمل حفاز زيجلر المكوّن من ناتج تفاعل أحد مركبات فلز انتقالي، مثل رابع كلوريد التيتانيوم TiCl4 مع مركب عضو فلزي Organometallic مثل داي إيثيل ألومنيوم مونو كلوريد Diethyl Aluminium Monochloride.

وهناك طريقة أخرى لإنتاج بولي إيثيلين عالي الكثافة تستخدم فيها حفازات أكسيدية من أكاسيد الفلزات مثل أكسيد الكروم المحمل على سيليكا أو سيليكا ألومينا، والتي يضاف إليها بعض المنشطات من أكاسيد الفلزات الأخرى مثل أكسيد الحديد وأكسيد النحاس وأكسيد الباريوم.

في هذه العملية تستعمل ضغوط في حدود 40 جو، وحرارة 125-160°م، ويضاف الحفاز بنسبة ½ %..

وفي عمليات الإنتاج، يتم تحضير الحفاز في غرفة مستقلة، تمد المفاعل بكميات صغيرة من الحفاز المذاب في مذيب الهكسان الحلقي Cyclohexane. كما يغذى المفاعل بإيثيلين شديد النقاوة ليعطي ضغطًا من 1 - 6 جو، وتكون درجة حرارة المفاعل 50 - 70°م. يتكون البولي إيثيلين عالي الكثافة، ثم يسير إلى مبخر المذيب، ويترسب البوليمر الصلب. (اُنظر شكل مصنع بولى إيثيلين مرتفع الكثافة) و(صورة مصنع هوكست سيلانيز)

4. يعدّ البولي إيثيلين واحدًا من أهم البوليمرات الذي يزداد إنتاجه عامًا بعد عام، وهو مادة ثرموبلاستيكية Thermoplastic ذات لون أبيض ونقطة ليونة Softening point تساوي 120 - 125°م". (اُنظر جدول الطلب العالمي على البولي إيثيلين) و(جدول تطور الطلب العالمي على البولي إيثيلين) و(جدول التوزيع الجغرافي للطاقات الإنتاجية للبولي إيثيلين).

وللبولي إيثيلين مقاومة كيماوية عالية وقوة ميكانيكية، ومقاومة للتجمد، ومقاومة للنشاط الإشعاعي، ومقاومة لنفاذية الغازات والرطوبة. ويمتاز بوزنه الخفيف، كما أنه لا يحتوي على أي سمّيّة.

ثانياً: البولي بروبلين

عندما نضجت تكنولوجيا البولي بروبلين PP في أواخر عام 1950، أسرعت الصناعات الكيماوية بحصاد التطبيقات العديدة لهذا المنتج الثرموبلاستيكى Thermoplastic، نظرًا لسهولة تشكيله أو دفعه وكذلك لقدرته على تقبل الألوان.

تشبه مصانع إنتاج البولي بروبلين إلى حد كبير مصانع إنتاج البولى إيثيلين عالي الكثافة، بل إنه يمكن استخدام المصانع نفسها في الإنتاج. التغذية هنا تتم بواسطة بروبلين عالي النقاوة. كما أن مصانع إنتاج البولي بروبلين مزودة بوحدات إضافية لإزالة البولي بروبلين منخفض الوزن الجزيئ والعشوائي atactic من البولى بروبلين مرتفع الوزن الجزئي والمنتظم المستوى isotactic، وذلك بوضع خليط البوليمرات في هبتين طبيعية heptane ساخنة، التي تذيب البوليمر العشوائي، ولا تذيب البوليمر المنتظم، وبالتالي يمكن فصل البوليمر الأخير بواسطة عمليات الطرد المركزي.

مازالت هناك بحوث لتطوير صناعة البولي بروبلين، خاصة في مجال الحفازات، للوصول إلى بوليمر منتظم isotactic، بنسبة 100% نظرًا لأن الحفازات المستخدمة حاليا لا تنتج إلا 60 - 70% من هذا النوع المطلوب.

ثالثاً: البولي فينيل كلوريد

1. البولي فينيل كلوريد PVC هو أحد البوليمرات القليلة ذات التطبيقات الواسعة تجاريّا، والتي لها حجم مبيعات يقع بين البولي إيثيلين والبولي إستايرين. في عام 2000 تنبأ معهد استانفورد للبحوث أن PVC في الولايات المتحدة الأمريكية سيصل إلى المقدمة، وسيكون حجم إنتاجه السنوي 17 × 910 طن متري. وهذا التوسع في الإنتاج ناتج من درجة المقاومة الكيماوية العالية، والقدرة الفريدة، لهذا النوع من البوليمرات، الذي يمكن خلطه مع إضافات أخرى ليعطي أنواعًا كثيرة من بوليمرات ذات خصائص طبيعية وكيماوية وبيولوجية متعددة أكثر من أي بوليمرات أخرى. (اُنظر جدول تطور الطلب العالمي على البولي فينيل كلوريد) و(جدول لتاوزيع الجغرافي لإنتاج البولي فينيل كلوريد)

2. يتم إنتاج PVC بواسطة بلمرة الشقوق الحرة لكلوريد الفينيل. وتتراوح درجة البلمرة n ما بين 300 إلى 1500 جزيئ. بوليمرات PVC تتشكل حرارياً Thermoplastic بمعنى أنها تزداد طواعية، وتتشكل في الحرارة العالية، وعند تبريدها تحتفظ بخواصها الأصلية. بتطبيق الحرارة والضغط يمكن دفع PVC وتشكيله ليأخذ أي شكل مطلوب، ويتم ذلك في حرارة 150 - 200°م طبقًا للوزن الجزيئ والتركيب.

3. في عام 1935 تم اكتشاف PVC بعد تعرض مادة 1، 2 - ثنائي كلوريد الإيثان لضوء الشمس، ففي أوائل عام 1935 تم تسجيل مادة بيضاء تركيبها العنصري C2H3Cl وكثافتها 1.406 جرام/سم3. ثم تم اكتشاف الطبيعة اللدائنية والأهمية التجارية لهذه المادة، وظهرت لها تطبيقات تم تسجيلها في براءات اختراع لإنتاج الرقائق والألياف. بعد ذلك ظهرت طريقة بلمرة مشتركة لها باستخدام البيروكسيدات كمنشطات للبلمرة. وقد فتحت مجالات عديدة لهذه المادة بعد اكتشاف الملدنات ومثبتات الحرارة.

4. خلال الحرب العالمية الثانية، ظهر نقص في إنتاج المطاط الصناعي وظهر في الأفق الـ PVC كمواد عازلة للأسلاك والكابلات تفوقت على المطاط، واستمر تطور الـ PVC حتى وقتنا الحالي.

5. صناعة PVC لها مشاكلات الخواص الفراغية للبولي بروبلين نفسها، نظرًا لعدم انتظام ذرة الكربون المتصل بها ذرة الكلور، وبالتالي يمكن أن تنتج جزيئات PVC منتظمة أو عشوائية التبلمر. بوليمر PVC التجاري يحـتوي على 5 - 10% أشكال بلورية، وهي نسبة مئوية صغيرة من الجزيئات المنتظمة. كثافة البوليمر حوالي 1.3 - 1.8 جرام/سم2، وهي أعلى من البولي إيثيلين أو البولي بروبلين.

6. يتم بلمرة مونومر فينيل كلوريد VCM بواسطة أربع طرق: معلق، مستحلب، كتلة، محلول، أغلب PVC يصنع بواسطة طريقة المعلق Suspensio، إذ يسهل تشكيله ودفعه وتحويله إلى رقائق.

وبوليمر PVC الناتج من عمليات المستحلب emulsion يمكن استخدامه في الدهانات، كما أنه يمكن تشكيله بعد تجفيفه وإضافة ملدن سائل Plasticizer

7. في عملية البلمرة كمعلق يتم ملء مفاعل الأوتوكلاف autoclave بالماء، ويستخدم كحول بولي فينيل Polyvinylalcohol للمساعدة في تثبيت المعلق، كما يضاف لورويل بيروكسيد كحفاز للشقوق الحرة. تستغرق عملية الإنتاج 10 - 12 ساعة في الدفعة الواحدة.

وتبلغ سعة المفاعل 5000 - 6000 جالون، وهو مبطن بالزجاج. بعد شحن جميع المكونات يتم دفع بخار ماء في قميص خارجى للتسخين. وعند بداية التفاعل يتم استبدال البخار بالماء البارد. ثم تخلط المكونات بقوة للحفاظ على المونومر معلقاً في الماء، ويتم متابعة تكوين جزيئات البوليمر والحفاظ على نموها. (اُنظر شكل مصنع إنتاج PVC معلق)

رابعاً: البولي إستايرين

1. بدأ الإنتاج التجاري للبولي إستايرين PS عام 1930، بطاقة إنتاجية متزايدة بسرعة، خلال الحرب العالمية الثانية، لتغطية المصانع المنتجة للمطاط الصناعي. (اُنظر جدول الطلب العالمي على البولي ستيرين)

2. بالرغم أن الإستايرين يتبلمر ذاتيّا بالحرارة في جو خالٍ من الأكسجين، إلا أن الحفازات تضاف إليه للبلمرة الكاملة في حرارة منخفضة. هذه الحفازات تشمل مركبات كاتيونية أو أنيونية أو مركبات زيجلر أو شقوق حرة مثل البيروكسيدات أو مركبات الآزو. تعدّ الشقوق الحرة من أهم الحفازات ذات الأهمية التجارية الكبرى. ويستخدم لذلك بواعث للشقوق الحرة ثنائية الوظيفة لتقليل زمن التفاعل، والتحكم في تكوين الوزن الجزيئ الفعال. يتم الوصول إلى معدلات عالية من البلمرة باستخدام حفازات أنيونية، مثل المركبات العضوية الفلزية.

3. يستخدم في صناعة البولي إستايرين عمليات بلمرة مستحلب أو معلق مائي أو محلول، أو كتلة وكل عملية تنتج أنواعًا مختلفة من البوليمرات. عملية بلمرة الكتلة تتميز بالنقاوة والألوان الممتازة للبوليمر، بالمقارنة لعملـية البلمرة بالمعلق، التي تنتج بسهولة بوليـمرات ذات أوزان جزيئية مختلفة، ولكنها تفتقد النقاوة.

4. البولى إستايرين المتمدد أو الرغوي EPS هو نوع من أشكال البوليمرات الخلوية الجامدة. ويتم إنتاجها بإضافة عامل متمدد مثل البنتان الطبيعي أو الأيزو بنتان إلى الإستايرين قبل عملية البلمرة المعلقة. يتم إضافة مثبتات إلى خليط التفاعل لإنتاج حبيبات ذات أحجام كبيرة.

5. تعدّ عمليات بلمرة المعلق أكثر العمليات شيوعًا في إنتاج البولي إستايرين. (اُنظر شكل مخطط إنتاج البولى إستايرين)

خامساً: مواد البلاستيك

1. بلغ إنتاج مواد البلاستيك 34.1 مليون طن بالولايات المتحدة الأمريكية عام 1994، كانت قيمتها 36 بليون دولار، ودخلت هذه المواد في تصنيع سلع ارتفعت قيمتها إلى 80 بليون دولار. وتمثل الجداول المرفقة تطور الطاقات الإنتاجية وأحجام الطلب على نوعيات مواد البلاستيك الثرموبلاستيك والتي يتضح منها:

ظلت الدول الصناعية حتى عهد قريب مناطق الإنتاج الرئيسة لمواد البلاستيك والمستهلك الأساس لها، ولكن هذه الصورة تغيرت كثيرًا في الوقت الحاضر، وينتظر أن تستمر صورة التغيير بدخول دول منطقة آسيا/ الباسيفيك أساسًا كمنطقة إنتاج رئيسة، كما تطور الاستهلاك في العالم النامي بصفة عامة.

2. ينتظر أن يتجمد حجم الطلب للفرد من البولي إيثيلين منخفض الكثافة، بينما يتزايد الطلب على كل من البولي إيثيلين الخطي منخفض الكثافة والبولى إيثيلين مرتفع الكثافة، كما يتزايد الطلب بمعدلات مختلفة بالنسبة للنوعيات الأخرى من مواد البلاستيك. (اُنظر جدول الطلب العالمي على البولي إيثيلين) و(جدول تطور الطلب العالمي على البولي إيثيلين) و(جدول التوزيع الجغرافي للطاقات الإنتاجية للبولي إيثيلين) و(جدول تطور الطلب العالمي على البولي فينيل كلوريد) و(جدول التوزيع الجغرافي لإنتاج البولي فينيل كلوريد) و(جدول الطلب العالمي على البولي ستيرين)

3. هناك نوعية جديدة من العوامل المساعدة المسماة بالميتالوسين، يمكن باستخدامها إنتاج نوعيات متميزة من مواد البلاستيك، تقترب في خواصها من مواد البلاستيك الهندسية، وبتكلفة محدودة نسبيّا، مما يدعو للاعتقاد بأنه لن يكون هناك مشروع جديد لإنتاج البولي أوليفينات، بدون استخدام هذه النوعية من العوامل المساعدة.

4. هناك اهتمام كبير، وعلى مستوى عالمي، بإعادة تدوير مواد البلاستيك المختلفة، وقد يؤثر هذا الاتجاه بالسلب على معدلات نمو الطلب على الإنتاج الجديد، في حالة نجاح تكنولوجيا إعادة التدوير، والتوسع في تطبيقها مستقبلاً، وتعدّ ألمانيا دولة رائدة في هذا المجال.

كما يتزايد استهلاك مواد البلاستيك سهلة التحلل كوسيلة من وسائل حماية البيئة.

5. يحتاج تشغيل مواد البلاستيك إلى منتجات نهائية لاستخدام العديد من الإضافات، التي تسهل من عمليات التشغيل، أو تحافظ على خواص المنتجات أو تحسنها، وقد بلغ حجم هذه الإضافات على المستوى العالمي 6.8 مليون طن عام 1994، وكان حجم مبيعاتها 15 بليون دولار.

6. لا توجد دولة في العالم مكتفية ذاتيّا من جميع نوعيات مواد البلاستيك، وليس أدل على ذلك من حجم صادرات وواردات الولايات المتحدة الأمريكية من مواد البلاستيك عام 1995، إذ بلغ حجم الواردات 7.5 بليون دولار، بينما كانت الصادرات 15.5 بليون دولار.

البلاستيك الثرموست Thermoset plastics

يعدّ البلاستيك الثرموست أكثر صلابة، ولكنه أكثر هشاشة من البلاستيك الثرموبلاست. ويتميز البلاستيك الثرموست بخواص متميزة من الناحية الميكانيكية والكيماوية والكهربية، ولكن ذلك يعتمد على التركيب الكيماوي والوزن الجزيئ.

ويتكون البلاسيتك الثرموست من جزيئات طويلة السلسلة، تكون بوليمرات متشابكة في ثلاثة أبعاد تنتج من تفاعلات التكاثف condensation.

خلال عملية البلمرة أو بواسطة إضافة مواد تساعد على التشابك، يتم تقوية هذا النوع من البلاستيك، لتحسين نوعياته، وذلك باستخدام الألياف الزجاجية أو الألياف الصناعية أو القطن أو الورق.

ويعدّ بلاستيك الفينول ـ فورمالدهايد، وكذلك بلاستيك اليوريا ـ فورمالدهايد، من أقدم أنواع البلاستيك الهندسية، التي تتميز بأنها قوية وثابتة الأبعاد، ومقاومة للتآكل والصدمات، وتعمل في ظروف حرارية مختلفة.

1. لدائن الفينول ـ فورمالدهايد

تعدّ من أقدم أنواع اللدائن، وقد تم اكتشافها بواسطة العالم باكيلاند Backeland عام 1909، ولذلك أطلق عليها اسم باكيلايت Bakelites، وقد استخدمت على نطاق واسع في صناعات الكهرباء والسيارات، ويتم إنتاجها بأشكال مختلفة متعددة، إذ أنها تحتوي على مجموعات وظيفية ثنائية وثلاثية. (اُنظر شكل مخطط إنتاج لدائن الفينول فورمالدهايد)

وينتج تفاعل التكاثف بين الفينول والفورمالدهايد نوعان من اللدائن: أحدها يسمى نوفولاك Novolacs، والآخر يسمى ريزول Resols، ويتم تفاعل التكاثف في وسط قاعدي، أو وسط حامضي، لينتج نوعان من اللدائن.

وعندما يتفاعل الفينول مع الفورمالدهايد في وسط حامضي بكميات متماثلة جزيئيّا أو في وجود زيادة طفيفة من الفينول، تنتج كحولات بنزيلية، ثم تحدث بلمرة فيما بينها، مكونة وصلات ميثيلينية. ومع ازدياد التكاثف تتكون مركبات ذات سلاسل طويلة. تكون الحفازات الحامضية في وجود زيادة من الفينول لدائن خطية تذوب في كثير من المذيبات العضوية. هذا النوع من اللدائن يكثر عليه الطلب في صناعة البويات والطلاءات.

وفي صناعة اللدائن الفينولية، يمكن إنتاج أنواع منها تلائم عدة أغراض في مجال التشكيل أو مقاومة الحرارة أو الطلاءات، أو المواد اللاصقة المستخدمة في صناعة الخشب الحبيبى. الشكل الرقم 24 يوضح عملية إنتاج لدائن الفينول - فورمالدهايد.

2. لدائن اليوريا ـ فورمالدهايد

يقع هذا النوع من اللدائن تحت اسم البلاستيكات الأمينية. والمنتجات الناتجة من تكاثف اليوريا والفورمالدهايد قديمة مثل قدم المنتجات الناتجة من تكاثف الفينول - فورمالدهايد. تلعب نسب مواد التفاعل وظروف التفاعل دورًا مهمّا في سير تفاعل التكاثف، وينتج عند إضافة اليوريا إلى الفورمالدهايد نوعان من المواد: أحدهما يسمى أحادي ميثايلول يوريا، والآخر يسمى ثنائي ميثايلول يوريا، كالآتي:

يتم بلمرة الميثايلول يوريا عند التسخين في وجود حامض أو هكسامين. ويتم التفاعل ببطء تحت ظروف متحكم فيها، بحيث يحتفظ بالحرارة عند 40°م، ودرجة تركيز هيدروجينى pH 7 - 8. ثم يستمر التسخين لإزلة الماء. عادة تستخدم كمية كبيرة من الفورمالدهايد تصل نسبتها من 3 إلى 5 مرات من اليوريا. بعد إزالة الماء تصبح الكتلة اللدنة المتكونة لزجة، وذلك بإضافة مواد طاردة للماء مثل الثيوريا أو السليولوز، وهذه المواد تعمل على فصل الماء من المنتج المتكون. يتم إضافة حفازات حامضية مثل البروم أو حمض التارتاريك قبل عملية عجن اللدائن. ثم يتم إزالة الحفاز الحامضى تحت ضغط، إذ تعمل الحرارة بعد ذلك على سير البلمرة. يضاف كلوريد الأمونيوم، الذي يعمل على صلابة المنتج قبل تشكيله.

نموذج مستعمرة : النوع قائمة

بث مباشر || قناة القرآن الكريم || Makkah Live

قائمة

الروابط

الروابط

الروابط

ديموفنف 4

مواقع التواصل

نموذج مستعمرة : النوع قائمة

بث مباشر || قناة القرآن الكريم || Makkah Live

قائمة