تحقیق در مورد اتیلن اکساید و موارد استفاده آن

تاریخچه:
اتیلن اکساید (Ethylen Oxide) برای اولین بار در سال 1859 توسط میثمی دان فرانسوی چارلز آدولف ورتز (Charles Adolphe Wurtz) بدست آمد. این دانشمند اتیلن اکساید را از ترکیب 2- کلرواتانول با یک پایه به دست آورد.
در طول جنگ جهانی اول این ماده از لحاظ صنعتی اهمیت پیدا کرد و از آن برای تولید دو محصول اتیلن گلایکول (خنک کننده رادیاتور) و همچنین ساخت بمب شیمیایی گاز خردل استفاده شد.
در سال 1931 دیگر شیمی دان فرانسوی روشی برای تهیه اتیلن اکساید به طور مستقیم از اتیلن و اکسیژن با استفاده از کاتالیزور نقره پیدا نمود. از سال 1949 تقریباً تمام تولید اتیلن اکساید صنعتی، به همین روش انجام می‎گیرد.
به طور خلاصه، اتیلن اکساید از واکنش اتیلن و اکسیژن روی کاتالیزور و نقره در دمای 200 تا 300 درجه سانتیگراد به دست می‎آید. فشار این فرایند در محدوده 1 تا 2 مگاپاسکال و معادله شیمیایی آن به صورت زیر است:
بازده این واکنش معمولاً بین 70 تا 80% است. روشهای گوناگونی برای تولید اتیلن اکساید وجود دارد که از لحاظ صنعتی هیچ یک ارزش روش ذکر شده را ندارند.
موارد استفاده:
گاز اتیلن اکساید، توانایی از بین بردن باکتری ها، قارچ ها و کپک ها را داراست و بنابراین برای استریل کردن موادی که نمی توان آنها را با استفاده از حرارت استریلیزه نمود، کاربرد فراوانی دارد. (موادی که در اثر حرارت تخریف می‎شوند) استریلیزه کردن با اتیلن اکساید برای حفاظت ادویه جات در سال 1938 توسط شیمیدان آمریکایی به کار گرفته شد و هنوز هم استفاده می‎شود. علاوه بر این، اتیلن اکساید برای استریلیزه کردن تجهیزات پزشکی مانند باند و لوازم جراحی و بخیه استفاده می‎شود.
بیشترین مصرف اتیلن اکساید به عنوان ماده واسطه در تولید دیگر محصولات شیمیایی است. عمده مصرف آن در تولید اتیلن گلایکول است. اتیلن گلایکول برای تولید پلی استرها (مانند پلی اتیلن ترفتالات) برای ساخت فیبرها، بطری ها و فیلمهای مخصوص و همچنین تولید ضدیخ برای رادیاتور اتومبیل ها به کار می رود. اتیلن اکساید هم علاوه بر مصارف ذکر شده، به عنوان یک ماده واسطه در تولید گستره وسیعی از مواد شیمیایی مانند اتانول آمین ها، گلایکول اترها برای پوشش سطوح و اتوکسی لات ها برای فرمولاسیون سورفکتانت ها.
اتانول آمین ها را می‎توان از واکنش اتیلن اکساید با آمونیاک به دست آورد. از اتیلن اکساید در تولید شوینده ها نیز استفاده می‎شود.
نکات بهداشتی:
استنشاق اتیلن اکساید سمی است. نشانه های این مسمومیت سردرد و سرگیجه بوده و پیشرفت بیماری با تشدید نشانه های آن و همچنین تشنج همراه است. در ضمن شوک ناگهانی و حالت اغما (کما) نیز به دنبال دارد. تماس اتیلن اکساید با پوست، خارش ایجاد کرده و بخار آن تنفس را مشکل می کند. استنشاق بخار آن منجر به پر شدن ریه از این سیال می گردد که عواقب بدی را به دنبال دارد. حیوانات آزمایشگاهی که در معرض تماس با این ماده قرار گرفتند، دچار درجات بالایی از سرطان کبد شدند، در حالیکه نشانه ای از سرطان در انسانهایی که برای مدت طولانی با آن سروکار داشتند و یا مقدار ناچیزی (دوز پائین) از اتیلن اکساید به آنها تزریق شد، دیده نشد. تماس طولانی با اتیلن اکساید ممکن است احتمال بیماری آب مروارید را در انسان تقویت کند. اتیلن اکساید تاثیرات وراثتی بی شماری روی حیوانات دارد و با جهش ژنتیکی نرخ بالایی از سقط جنین را به همراه دارد. تاثیرات وراثتی اتیلن اکساید روی انسانها به خوبی مطالعه نشده است، اما به وضوح معلوم شده است که تاثیرات مشابهی روی انسانها دارد.
تولید:
تولید اتیلن اکساید با اکسیداسیون مستقیم اتیلن توسط اکسیژن روشی است که حدوداً 95% اتیلن اکساید مصرفی در جهان به این روش تهیه می‎شود.
در طراحی های قدیمی از هوا به جای اکسیژن استفاده می شد که نسبت به اکسیژن بازده کمتری دارد. امروزه با توجه به بازده بالاتر و همچنین قیمت مناسب اکسیژن، استفاده از روش جدید به صرفه تر است.
در اکثر طراحی ها، نیمی از اتیلن اکساید تولیدی برای فروش خالص سازی می‎شود و نیمی دیگر به واحد تولید اتیلن گلایکول فرستاده می‎شود که در اکثر موارد واحد تولید اتیلن گلایکول در کنار واحد اتیلن اکساید وجود دارد. طراحی هایی نیز وجود دارد که اتیلن اکساید تولیدی تماماً برای تولید اتیلن گلایکول استفاده می‎شود و یا تماماً برای فروش خالص سازی می‎شود.
تولید اتیلن اکساید و اتیلن گلایکول از آنجا که دو ماده مهم برای تولید بسیاری از فرآورده های آلی هستند، در هر کشوری ضروری به نظر می رسد.
فرآیندی که مدنظر ماست، فرایندی در فاز بخار شامل اکسیداسیون اتیلن با اکسیژن در حضور دی اکسید کربن بازگشتی و گازهای بی اثر و همچنین متان برای افزایش ظرفیت حرارتی و بهبود خارج کردن حرارت از این واکنش گرمازا است.
کاتالیزور نفره بر پایه آلومینا معمولاً به صورت حلقه ای یا لخته ای شکل، برای افزایش سطح تماس، استفاده می‎شود. مقادیری از عناصری مانند Cs و Re به کاتالیزور افزوده می‎شود تا آن برای تولید EQ را افزایش دهد. مقادیری از ترکیبات کلردار به صورت پیوسته به راکتور اضافه می‎شوند تا از تولید نامطلوب CO2 جلوگیری شود.
میزان تبدیل اتیلن در هر pass پائین نگه داشته می شود، بنابراین تولید EQ به مقدار لازم بالا است. دمای واکنش در محدوده 240 تا 270 درجه سانتیگراد است. اتیلن اکساید تولیدی در راکتور، توسط آب از محصول خروجی راکتور جذب می‎شود. اتیلن و اکسیژن واکنش نداده، به همراه محصول جانبی CO2 و ناخالصی ها جذب نمی‎شوند و پس از فشرده شدن به راکتور باز می گردند. (جریان برگشتی که از کمپرسور عبور می کند). قسمتی از گاز از یک جاذب CO2 مانند محلول داغ کربنات پتاسیم عبور داده می‎شود تا مقدار CO2 در جریان گاز بازگشتی کاهش یابد. اتیلن اکساید از جاذب جدا شده و سپس خالص سازی می‎شود. مراحلی نیز برای جداسازی ناخالصی ها، آب، باقی مانده فرمالدهید و استالدهید و طراحی می‎شود.
اتیلن اکساید در راکتور لوله ای با بستر ثابت تولید می‎شود. گازهای واکنش دهنده از درون لوله ها عبور کرده و یک خنک کننده مناسب هم در خارج از لوله گرمای تولید شده را خارج می کند. قطر لوله معمولاً 20 تا 40 میلی متر می‎باشد. قطرهای بالاتر ممکن است که انتقال حرارت به خوبی انجام نگیرد و نقاط داغ در مرکز لوله به وجود بیاید. طول لوله ها نیز ماکزیمم 14 متر است و لوله های طویل تراخت فشار مطلوبی را به دست نمی دهد. علاوه بر اتیلن و اکسیژن ناخالصی های گازی در خوراک راکتور حضور دارند. این گازها با واکنش دهنده ها مخلوط شده و آنها را از محدوده انفجار دور می کند.
رنج دمای 200 تا 275 سانتیگراد محدوده مناسبی برای این فرایند است. چرا که دمای بالاتر موجب واکنش سریعتر و در نتیجه میزان تبدیل بالاتر به ازای هر pass می‎شود ولی
را کاهش می‎دهد. ماکزیمم دمای مجاز در راکتورهای تجاری با توجه به طراحی و هزینه که به سیستم خنک کننده مربوط است، محدود می‎شود.
بازده کلی اتیلن اکساید بر پایه خوراک ورودی اتیلن، به واکنش و کاهش اتیلن در حلقه بازگشتی مربوط می‎شود. این کاهش مربوط به گازهایی می‎باشد که به همراه خوراک وارد می‎شود. (مانند آرگون و نیتروژن به همراه اکسیژن و اتان به همراه اتیلن).
اکسید اتیلن اولین بار توسط ورتز تهیه شد او اتیلن هیدروکربن را با هیدروکسید پتاسیم آبدار واکنش داد. این روش تهیه او پایه و اساسی برای فرایند مهم کلروهیدرین بود که تا امروز هم استفاده می‎شود. او همچنین سعی کرد تا اکسید اتیلن را به وسیله اکسید کردن مستقیم هم به دست آورد. در سال 1863 او نوشت که: اکسید اتیلن را نمی توان به روش اکسید کردن مستقیم به دست آورد.
خواص فیزیکی اکسید اتیلن
اکسید اتیلن یک گاز بی رنگ است که در دمای پایین به گاز تبدیل می‎شود. اتیلن اکساید با هر نسبتی با آب، الکل، اتر و حلال های آلی دیگری به هر نستبی قابل امتزاج است. بخار اتیلن اکساید شعله ور و قابل انفجار می‎باشد. خواص فیزیکی اتیلن اکساید در جدول ضمیمه آمده است.
تولید اتیلن اکساید
فرایند تولید اتیلن اکساید هنگامی که به وسیله اکسید کردن مستقیم کلروهیدرین انجام شود بسیار اقتصادی می‎باشد. دانشمندان آلمانی این روش را در جنگ جهانی اول معرفی کردند. اتحادیه کاربیت در آمریکا اولین کمپانی می‎باشد که به طور عمده فرایند کلروهیدرین را مورد استفاده قرار داده است. اتحادیه کاربیت همچنین اولین اتحادیه می‎باشد که فرایند اکسیداسیون مستقیم را به صورت اقتصادی و تجاری درآورده است.
فرایند کلروهیدرین
فرایند کلروهیدرین هنگامی که از کلرین ارزان قیمت یا کسدیک سود در دسترس تهیه شود از نظر تجاری بسیار جذاب می‎باشد. فرایند کلروهیدرین در حدود 50 تا 60 درصد محصول تولید شده اتیلن اکساید می‎دهد در صورتی که اکسیداسیون مستقیم تنها 15 درصد اتیلن اکساید از محصول خروجی می‎دهد. یک بیان قابل شرح برای مرحله ی هیپوکلردار کردن اینکه ابتدا ما یون کلرید مثبت را به اتیلن اضافه کنیم تا به شکل یون کربونیوم یا کلرونیوم درآید سپس آنها را به وسیله ی هیدروکسیل یا یون کلراید شارژ کنیم.
2 کلرواتیلن اتر می‎تواند به وسیله ی واکنش اتیلن و کلرین در حضور کلرو هیدرین در دمای بالای 60 درجه اتفاق بیافتد. دو روش مهم صنعتی برای به دست آوردن اتیلن کلروهیدرین که برای به دست آوردن اتیلن اکساید یک واسطه است وجود دارد. در روش اول اتیلن با آهک هیدروژن دار شده ی له شده در دمای 20 درجه ی سانتی گراد و تحت فشار 200 اتمسفر مخلوط می‎شود. این مخلوط به مخلوط کن پمپ می‎شود و در آنجا با بخار کلرین برخورد می کند و بصورت کلسیم اکسید کلراید ناپایدار درآید و در نهایت اسید هیپوکلروس و کلسیم کلراید می دهد، سپس اسید هیپوکلروس با اتیلن واکنش داده می‎شود.
در روش دوم کلرین در آب 15 تا 25 درجه سانتی گراد را در فشار حدود 5/2 اتمسفر پاشیده می شود، سپس اتیلن بر روی محلول اسید هییپوکلروس برای به دست آوردن اتیلن کلروهیدرین پاشیده می‎شود. راکتور کلرو هیدرین باید در برابر خوردگی بوسیله ی محلول های آبی هیدروکلریک و اسید هیپوکلروس در مواد هیدروکربنی کلر دار مقاوم باشد، بنابراین استیل مورد استفاده در جدار راکتور باید بوسیله ی لاستیک به مواد شیمیایی لاستیکی دیگر پوشیده شود. برج کلرو هیدرین قطری در حدود 4 فوت و ارتفاعی در حدود 50 فوت دارد، قسمت پایین بجر شامل اسپارجر و صفحات حس و فرج برای افزایش اثر پاشیدن کلرین به داخل آب و تزریق کردن اتیلن به داخل اسید هیپوکلروس می‎باشد. اتیلن کلروهیدرین به سرعت در قسمت پایین برج وارد می‎شود و سپس در داخل بخش میانی که شامل 2 مجموعه پارکینگ راشینگ می‎باشد وارد می‎شود. گازها از محلول کلروهیدرین رقیق شده در قسمت بالای برج جدا می‎شود. مقداری از دی کلرواتان ها از بخار اورهد اسید مقاوم بازیافت می‎شود. محلول کلروهیدرین آبی تجهیزات ضد اسید را ترک می کند و با 10 درصد محلول شیره ی آهک در مدخل ورودی هیدرولایزر مخلوط می‎شود.
بخار در 95 تا 100 درجه ی سانتیگراد و در فشار 60 تا 80 میلی متر جیوه در هیدرولایزر سریعا به اتیلن اکسید تبدیل می‎شود.
روش اکسیداسیون مستقیم
در حالت کلی پروسه ی اکسیداسیون اتیلن در یک بستر ثابت در دمای 250 تا 325 درجه ی سانتیگراد و در فشار 10 تا 30 اتمسفر و در زمان تماس 1 تا 4 ثانیه انجام می‎شود. اتیلن 95 تا 98 درصد خالص و هوا یا اکسیژن به صورت جداگانه و جریان گاز به یک تبدیل کننده ی اولیه به صورت موازی مورد عمل قرار می‎گیرد. نسبت هوا به اتیلن معمولاً در حدود 10 به 1 است. واکنش بر روی بستر کاتالیستی نقره ای در لوله های راکتور اتفاق می افتد. فریات گاز به سمت بستر کاتالیستی سوق داده می‎شود. به منظور خنک کردن راکتور از مایعی که در جدار راکتور قرار دارد استفاده می‎شود. تبدیلذات اتیلن در راکتورهای اولیه بین 30 تا 50 درصد در هر گذر نگهداری می‎شود برای اطمینان از اینکه سلکتیویتی آن بیشتر از 60 درصد باشد. بازدارنده های اکسیداسیون از قبیل اتیلن دی کلراید به گاز ورودی در مقیاس پی پی ام اضافه می‎شود به منظور کاهش ترکیبات دی اکسید نامحدود. گنداب خروجی از راکتور اولیه می‎تواند شامل 2/1 تا 2 مول درصد اتیلن اکساید و 2 تا 3 مول درصد اتیلن باشد. این گنداب را در یک مبدل تا دمای حدود 100 درجه ی فارنهایت سرد می کنیم و از آن به عنوان جریان بازگشتی استفاده می کنیم. بخار محصول خام توسط مبدل سانتریفیوژال قبل از ورود به جاذب توسط آب سرد کمپرس می‎شود. همچنین می‎توان از اسید سولفوریک و متانول و کربن برای استخراج اتیلن دی اکساید از بخار محصول خام استفاده کرد. هیدرولیز و بازیافت به طور همزمان صورت می‎گیرد. جاذب هایی که آب استفاده می کند در ارتفاع 60 فوتی برج تعبیه می‎شود.
منظر اقتصادی
ظرفیت تولید اتیلن اکساید در ایالات متحده 2 میلیارد پوند جرم در سال بود (1964). این تولید در سال 1970 به حدود 5/3 درصد افزایش پیدا کرد.
پارامترهای نگهداری و سلامتی
4 نکته ی مهم باید در مورد اتیلن اکساید به خاطر داشته باشیم.
1- یک مایع شعله ور است. 2- قدرت ترکیب بالایی دارد. 3- به صورت بخار قدرت متلاشی کردن زیادی دارد. 4- بسیار سمی ست و نباید استنشاق شود. اتیلن اکساید در حالت بخار به شدت منفجره می‎باشد. قرار گرفتن در محیطی که اتیلن اکساید وجود دارد باعث آسیب رساندن به چشم و بینی می‎شود. همچنین تنفس آن سبب حالت تهوع و استفراغ به مدت طولانی می‎شود. باعث کم کردن حواس پنج گانه می‎شود. در ضمن قابل ذکر است که اتیلن اکساید دارای بوی مطبوعی می باشد، همچنین این ماده در مردان سبب عقیم شدن و در زنان از حاملگی آنها جلوگیری می کند.
موارد استفاده
از اتیلن اکساید برای بدست آوردن مواد بسیار زیادی استفاده می‎شود. مانند: اتیلن گلیگول، دی اتیلن گلیگول، تری اتیلن گلیگول، پلی اتیلن گلیگول، اترگلیگول، اتانول آمین، اکرلیو نیتریل.

1

15