Вуглеводневий пропелент та спосіб його одержання

Пропозиція належить до наповнювачів аерозольних упаковок, в яких нагнітання рідини або газу здійснюють шляхом безпосереднього контакту з другою рідиною або газом та тиском газу зсередини та до способів їх одержання. Пропеленти можуть бути застосовані для створення надлишкового тиску в аерозольних упаковках з метою виділення наповнювача у розпиленому стані в побутовій хімії та парфюмерній промисловості. Відомі пропеленти, (Зубко Т.Т., Колесник В.М., Крюков В.А. и др, Методические указания по учету пропеллентов на предприятиях Минхимпрома, производящих аэрозольные упаковки. Черкассы, 1979г., стр.186¸256), основним сировинним джерелом яких як в умовах України, так і світу є фтор хлорвуглеводні (фреони): монофтортрихлорметан (СFСl3) - фреон -11, та дифтордихлорметан (СF2Сl2) - фреон-12. Ці речовини застосовують як в чистому ви гляді, так і в сумішах у співвідношенні:фреон-11+ фреон-12(% мол.) 30+70, 50+50, 70+30. Пропелент одержують змішуванням окремих компонентів. Але роботи світових вчених до вели, що похідні фторхлорвуглеводнів р уйнівно впливають на навколишнє середовище. Вони руйнують захисний озоновий шар нашої планети. Тому доцільно замінити пропеленти, які містять фторхлорвуглеводні на інші сполуки, речовини та суміші. Відомий також пропелент і спосіб його одержання(Патент ФРН №2716834, М. кл.5 С09К3/30, 1977р.), який являє собою суміш вуглеводнів (пропану, ізобутану, бутан у, ізопентану та пентану), та галогенвуглеводнів (СВrF3, CBrClF2, CBrF2CBrF2 , СНСlF2, CH2ClF, СНF2CH2F, СН3СF3, СНF2СНF2, СFзCH2F, СН3СНF2, СНСl2СF3, ССlF2СHF2, СН2СІСF3, СНСІFСНF2, СН2ССІF2). Пропелент одержують змішуванням вищенаведених компонентів у співвідношенні: вуглеводні - 50% мас. (залишок - фреони), при кімнатній температурі та 0°С суміш є гомогенною. Але цей пропелент має ті ж недоліки, що й наведений вище, бо він також містить шкідливі фтор хлорвуглеводні. В останній час в аерозольній промисловості багато уваги приділяють вуглеводневим пропелентам, тобто пропану, ізобутану, бутан у та їх різним сумішам. На сьогодні більш ніж 80% аерозольних упаковок в США випускають з вуглеводневим пропелентом. Зростаюче використання вуглеводневих пропелентів закономірно, тому що вони економічно вигідні. Їх вартість в порівнянні з фторвуглеводневими значно менша. Крім цього, набагато менша питома вага вуглеводнів здешевлює упаковку. В порівнянні з фреонами вуглеводневі пропеленти забезпечують, при однаковій масі, краще диспергування вмісту упаковки. Відомі вуглеводневі пропеленти та способи їх одержання, які містять суміш насичених вуглеводнів: пропану (C3H8), ізобутану (і-С4Н10) та нормального бутану (н-С4Н10) в різних співвідношеннях, (Зубко Т.Т., Колесник В.М., Крюков В.А. и др. Методические указания по учету пропеллентов на предприятиях Минхимпрома, производящих аэрозольные упаковки. Черкассы, 1979 г., етр.183¸185). Співвідношення цих компонентів у всі х відомих шістьох пропелентах різного складу наведені в таблицях 1 (склад в % моль., як в оригіналі), та 2 (склад перерахований в % мас., бо так в подальшому буде розглядатися склад пропеленту). Таблиця 1. Склад шістьох наведених пропелентів, в мол. %. Компоненти С3 і-С4 н-С4 1 20 20 60 2 20 40 40 Склад пропелентів, % мол. 3 4 20 40 60 20 20 40 5 40 40 20 6 60 20 20 Таблиця 2. Склад вищезгаданих пропелен-гів перерахований, в %мас. Компоненти С3 і-С4 н-С4 1 16.0 21.0 63.0 2 16.0 42.0 42.0 Склад іфопелентів, %мас. 3 4 16.0 33.6 63.0 22.1 21.0 44.3 5 33.6 44.3 22.1 6 53.2 23.4 23.4 Пропеленти одержують змішуванням окремих вищенаведених компонентів у співвідношеннях, які наведені в таблиці 2. Але відомі вуглеводневі пропеленти, які являють собою суміш пропану, ізобутану та н-бутан у складні в приготуванні, тому що вимагають одержання індивідуальних компонентів, строгого дотримання рецептури суміші та інше. Це спричиняє значні технічні ускладнення та подорожчання продукції (пропеленту), що і зумовлює недостатньо широке його застосування в сучасній вітчизняній аерозольній промисловості. Основною характеристикою прецедентів є пружність їх пари при 20°С в МПа. Згідно з технічними вимогами всі вуглеводневі пропеленти повинні задовольняти умові: пружність насиченої пари пропеленту при 20°С має бути в межах 0,3¸0,4МПа. Цій умові відповідають тільки перші три з наведених вище шести складів пропеленту, а саме: 1) С3-16+ іС4-21+ н-С4-63; 2) С3-16+ і-С4-42+ н-С4-42; 3) С3-16+ і-С4-63+ н-С4-21 (%мас.). Значення цієї величини для них дорівнює відповідно: 0,34МПа, 0,36МПа, 0,38МПа. Останні ж три пропеленти мають значення пружності пари значно вищі вимог, відповідно: 0,46МПа, 0,48МПа та 0,59МПа. В основу пропозиції поставлене завдання створення вуглеводневого пропеленту, в якому в результаті розширення діапазону його складових забезпечується можливість одержання його з вуглеводневої фракції зрідженого газу без поділу її на окремі індивідуальні компоненти і тому спрощується технологія його одержання і за рахунок цього зменшуються матеріало- та енерговитрати та здешевлюється продукція. В основу пропозиції також поставлене завдання спрощення способу одержання вуглеводневого пропеленту з природного газу, в якому в результаті одержання пропеленту в процесі ректифікації забезпечується скорочення кількості технологічних операцій при умові підтримання високої якості пропеленту і за рахунок цього зменшуються матеріало- та енерговитрати, що обумовлює здешевлення пропеленту. Поставлене завдання вирішено тим, що вуглеводневий пропелент, який містить суміші насичених вуглеводнів пропану, ізобутану та н-бутану, згідно з пропозицією, містить додатково етан, нео-пентан, іпентан, та н-пентан і всі складові знаходяться у таких співвідношеннях (%мас.): С2 0.001 ¸ 0.500 С3 2.000 ¸ 25.000 і-С4 2.000 ¸ 96.998 н-С4 1.000 ¸ 75.000 нео-С5 i-C5 } 0.001 ¸ 0.500 н-C5 Поставлене завдання вирішено також тим, що спосіб одержання вуглеводневого пропеленту з природного газу, згідно з пропозицією, здійснюють за рахунок ректифікації газового конденсату, який одержуюють шляхом низькотемпературної сепарації природного газу, а одержану після ректифікації фракції, пропан-бутану подають у другу ректифікаційну колону з тиском 1,4- ¸ 1,5МПа, в якій з пропан-бутану вилучають пропелент. Запропонований склад пропеленту дозволяє вирішити поставлене завдання, тому що всі суміші відповідають умові високої якості пропеленту - підтримання пружності насиченої пари пропеленту при 20°С в межах 0,3 ¸ 0,4МПа, при цьому нема потреби вилучати окремі індивідуальні компоненти в чистому вигляді, а потім змішува ти їх. Згідно з пропозицією, вуглеводневий пропелент має такий якісний та кількісний склад (%мас,): С2 0.001 ¸ 0.500 С3 2.000 ¸ 25.000 і-С4 2.000 ¸ 96.998 н-С4 1.000 ¸ 75.000 нео-С5 i-C5 } 0.001 ¸ 0.500 н-C5 Для одержання пропеленту, з природного газу шляхом низькотемпературної сепарації вилучають газовий конденсат. Конденсат подають в ректифікаційну колону, де з нього видаляють пропан-бутанову фракцію. Далі пропан-бутанову фракцію подають в другу ректифікаційну колону, яка працює під тиском 1,4-1,5МПа, де з фракції вилучають пропелент. Приклад 1-6. (На прототип). Розглянуто шість відомих пропелентів різного складу (%мас.): 1) С3-16+і-С4-21+н-С4-63; 2) С3-16+і-С4-42+н-С4-42; 3) С3-16+і-С4-63+н-С4-21; 4) С3-33,6+і-С4-22,1+н-С4-44,3; 5) С3-33,6+і-С4-44,3+н-С4-22,1; 6) С3-53,2+і-С4-23,4+н-С4-23,4. В таблиці 3 наведені характеристики цих пропелентів. В прототипі вуглеводневі пропеленти одержують з індивідуальних компонентів шляхом їх змішування, процес одержання складний, тому що вимагає строгого дотримання рецептури суміші, крім того, процес одержання індивідуальних компонентів пропану, ізобутану та н-бутану складний в технологічному оформленні. З нижченаведеної таблиці видно, що запропонований у прототипі вміст компонентів вибраний не зовсім вдало, бо не забезпечує виконання вимоги до вуглеводневих пропелентів. В прототипі захищені тільки три конкретних склада пропеленту, котрі відповідають основним вимогам до пропеленту як такого. Дійсно, тільки у пропелентів за номерами 1, 2 та 3 значення пружності насиченої пари при 20°С знаходиться у діапазоні тиску 0.3-0.4МПа, інші ж три суміші за номерами 4, 5, 6 не задовольняють цим вимогам до пропелентів, бо мають значення пружності пари значно вищі вимог, відповідно: 0,46МПа, 0,48МПа та 0,59МПа. Таблиця 3. Характеристика пропеленту - прототипу. Компоненти С3 і-С4 н-С4 Пружність пари, МПа при 20° 1 16.0 21.0 63.0 2 16.0 42.0 42.0 0.34 0.36 Склад пропеленту, % мас. 3 4 16.0 33.6 63.0 22.1 21.0 44.3 0.38 0.46 5 33.6 44.3 22.1 6 53.2 23.4 23.4 0.48 0.59 Приклад 7-18. (На запропонований пропелент). В таблиці 4 наведено склади дванадцятьох вуглеводневих сумішей, склад яких знаходиться в діапазоні концентрацій, що заявляють, (суміші 4, 5, 6, 7, 8, 9) а також за їх межами. Суміші 1, 2, 3 становлять величини менші, ніж в діапазоні, що заявляють, а суміші 10, 11, 12 більші, ніж в діапазоні, що заявляють. Одержання вуглеводневого пропеленту здійснюють за рахунок ректифікації газового конденсату, який одержуюють шляхом низькотемпературної сепарації природного газу. Одержану після ректифікації фракцію пропан-бутану у кількості 7,5т/год подають у другу ректифікаційну колону з тиском 1,5МПа, в якій з пропан бутан у вилучають пропелент у кількості 1,14т/год та після його охолодження до 40°С направляють на склад готового продукту. З таблиці 4 бачимо, що суміші за номерами 1, 2 та 3, значення пружності насиченої пари яких при 20°С знаходяться у діапазоні тиску 0.29 ¸ 0.47МПа, не задовольняють вимогам для пропелентів, а тому не можуть вважатися пропелентами. Суміші за номерами 4, 5, 6, 7, 8, 9, значення пружності насиченої пари яких при 20°С знаходяться у діапазоні тиску 0.3 ¸ 0.4МПа є пропеленти, тому що задовольняють вимогам до пропелентів. Суміші за номерами 10, 11,12, значення пружності насиченої пари при 20°С яких знаходиться у діапазоні тиску 0.26 ¸ 0.45МПа, не задовольняють вимогам для пропелентів, а тому не можуть вважатися пропелентами. З таблиці 4 бачимо також (суміші 4, 5, 6, 7, 8, 9), що розширення якісного та кількісного інтервалу складу пропеленту забезпечує дотримання відповідних вимог до якості пропелентів. Так для всіх наведених в таблиці пропелентів з запропонованим діапазоном вмісту компонентів, справедлива вимога щодо значення тиску насиченої пари. Це значення знаходиться в діапазоні вимог щодо вуглеводневих пропелентів. Таблиця 4. Характеристика запропонованого пропеленту та сумішей, склад яких знаходиться за межами діапазону, що заявляють. 1 0.0005 0.8000 96.9980 2.2010 3 0.5000 25.0000 73.0200 0.9800 0.0005 0.5000 0.29 С2 С3 і-С4 н-С4 нео-С5 і-С5 } н-C5 Пружність пари, МПапри20°С Скдад пропеленту, % мас. 2 0.5000 25.0000 1.8000 72.6995 0.0005 Компоненти 0.41 0.47 Продовження таблиці 4. Компоненти С2 С3 і-С4 н-С4 нео-С5 і-С5 } н-С5 Пружність пари, МПа при 20°С Склад пропеленту, % мас. 6 7 0.250 0.100 12.000 25.000 48.000 2.000 39.500 72.400 4 0.001 2.000 96.998 1.000 5 0.001 25.000 2.000 72.998 0.001 0.001 0.250 0.31 0.39 0.35 8 0.001 2.000 96.998 1.000 9 0.500 20.000 4.000 75.000 0.500 0.001 0.500 0.39 0.31 0.38 Продовження таблиці 4. Компоненти С2 С3 і-С4 н-С4 нео-С5 і-С5 } н-С5 Пружність пари, МПа при 20°С 10 0.600 26.000 36.800 36.000 Склад пропеленту, % мас. 11 0.001 0.500 97.998 1.500 12 0.600 2.000 19.800 77.000 0.600 0.001 0.600 0.45 0.29 0.26 Приклад 19 - 22. (на запропонований спосіб). Як в прикладі 7, тільки змінюють тиск у ректифікаційній колоні відповідно: 1,3; 1,4; 1,5; 1,6МПа. В таблиці 5 наведені якісні характеристики способу одержання пропеленту в діапазоні, що заявляють, а також за його межами. З таблиці 5 бачимо, що тільки в діапазоні тиску 1,4 ¸ 1,5МПа, що заявляють, можливе одержання якісного та економічно вигідного пропеленту. Таблиця 5. Порівняння способу одержання пропеленту при різних тисках у ректифікаційній колоні. Процес ректифікації пропан1.3 бутан у. Якісні Процес нерентабельний, показники тому що неможливо процесу. сконденсувати в повітряному охолоджувачі пропанову фракцію, а це призводить до подорожчання пропеленту. Тиск, МПа. 1.4 1.5 1.6 Процес рентабельний. Одержують якісний пропелент. Процес рентабельний. Одержують якісний пропелент. Процес нерентабельний, тому що потрібні додаткові енерговитрати на нагрівання сировини в колоні. Запропонований вуглеводневий пропелент позбавлений недоліків, притаманних прототипу та має ті переваги, що в нього широкий діапазон якісного та кількісного складу, який задовольняє вимогам до якості пропеленту, а це, в свою чергу, значно спрощує його одержання та застосування. Крім технічних переваг, він має ще й економічні, бо значно дешевший за існуючий прототип, тому що технологічні витрати на його одержання набагато (45-80 %) менші. Пропелент за прототипом має вартість 600у.о. за тону, а запропонований пропелент коштує близько 300у.о. за тону. Запропонований пропелент одержують шляхом ректифікації зрідженого газу "пропан-бутану" в відповідній ректифікаційній колрні. Таке пряме одержання пропеленту у вигляді суміші його компонентів без попереднього поділу їх та подальшого змішування дає можливість скоротити низку те хнологічних операцій при умові підтримання високої якості пропеленту, а також зменшити матеріало- та енерговитрати і, таким чином, здешевіти пропелент. Технологія його одержання не вимагає застосування індивідуальних компонентів та складної технології їх вилучення, крім того, не потрібно дотримуватись строгої рецептури вмісту складових.