Теоретическая часть.
Лабораторная работа №4
«Оксиэтилирование нонилфенола»
Цель работы:изучение процесса оксиэтилирования алкилфенола в зависимости от параметров процесса, определение характера продуктов процесса и их использования в химической промышленности.
Теоретическая часть.
Неионогенные ПАВ
Неионогенные ПАВ обладают хорошими моющими свойствами, в том числе возможностью применения их при низких температурах, стойкостью в жесткой воде, способностью удерживать загрязнения без добавок специальных реагентов, а также высокой биоразлагаемостью и хорошей совместимостью с другими ПАВ. Производство НПАВ характеризуется наличием широкой сырьевой базы, низкой себестоимостью продукта. ПАВ на основе оксиэтилированных алкилфенолов являются наиболее многотоннажными из числа неионогенных ПАВ (свыше 50% их производства).
Неионогенные ПАВ нашли широкое применение в нефтяной и газовой промышленности, в частности, для повышения извлечения нефти при эксплуатации месторождений. Эффективные ПАВ, используемые для нефтеизвлечения, должны отличаться следующими характеристиками:
ü снижать межфазное натяжение на границе нефть/вода до очень низких значений при низких концентрациях реагента;
ü не сильно сорбироваться породами месторождений;
ü быть физически и химически стабильными к действию солевых растворов в пластах при соответствующих температурах;
ü проникать на большую часть призабойной зоны пласта;
ü быть дешевыми и обеспеченными сырьевой базой;
ü хорошо совмещаться с другими химическими реагентами, используемыми в нефтедобыче;
ü обладать хорошей биоразлагаемостью;
ü характеризоваться отсутствием токсичности и низкой пожаро- и взрывоопасностью;
ü обладать достаточно высокой технологичностью при применении в процессах нефтедобычи.
Эффективность заводнения нефтяных месторождений растет, если к закачиваемой воде добавлять оксиэтилированные алкилфенолы. Извлечение нефти можно увеличить, закачивая в месторождение также водные пены.
Оксиэтилированные алкилфенолы могут быть использованы в качестве деэмульгаторов при обработке свежих промысловых водно-нефтяных эмульсий для снижения остаточного содержания воды в нефти.
Неионогенные ПАВ использутся в качестве эмульгаторов для получения обратных (инвертных) эмульсий в нефтедобывающей промышленности, а так же как структурирующие добавки и регуляторы реологических свойств инвертно-эмульсионных растворов и других дисперсных систем на углеводородной основе.
Водорастворимые неионогенные ПАВ с высоким значением ГЛБ (более 8) могут быть стабилизаторами прямых эмульсий, а с низкими значениями ГЛБ – обратных эмульсий.
Оксиэтилирование изооктилфенолов
Принимается, что оксиэтелирование нонилфенола описывается теми же уравнениями, что и октилфенола.
В литературе опубликованы данные кинетических исследований по оксиэтилированию октилфенола в реакторе с мешалкой, т.е. периодическим методом в условиях, приближенных к условиям идеального перемешивания.
В общем виде реакция оксиэтилирования описывается схемой:
Оксиэтилирование изучалось в присутствии щелочного катализатора - NaOH в количестве 0,075 моль/кг. Согласно этим данным, скорость оксиэтилирования, выраженная числом молей оксида этилена, присоединенным к 1 молю октилфенола, после 24 минут реакции является величиной постоянной и при данной температуре (пределах от 150 до 220 0С) зависит только от продолжительности реакции.
Математически эту закономерность можно выразить функцией:
z=f1(t) + f2(t)∙(x-24)
z = (2,6439 – 0,037∙t + 1,448∙10-4∙t2) + (0,8123 – 0,01428∙t + 7,9943∙10-3∙t2 –
– 1,1548∙10-7∙t3)∙(х - 24)
где z - средняя степень оксиэтилирования, т.е. среднее число молей оксида этилена, присоединенное к 1 молю алкилфенола за время реакции t.
Первый член выражения f1(t) представляет собой функцию, характеризующую число молей оксида этилена, присоединившихся к алкилфенолу к двадцать четвертой минуте реакции в зависимости от температуры реакции.
Второй член выражения f2(t) характеризует степень оксиэтилирования от времени реакции оксиэтилирования.
Для изучения реакции оксиэтилирования можно воспользоваться программным продуктом OXIET_F, чтобы рассчитать среднюю степень оксиэтилирования в зависимости от температуры и времени реакции.
Распределение компонентов в оксиэтилированных фенолах по числу присоединенных оксиэтильных групп сходна с аналогичной задачей для оксиэтилированных спиртов, так как после присоединения оксида этилена к алкилфенолу (что происходит в первую очередь), на второй стадии оксиэтилирования алкилфенолов оксид этилена присоединяется к спиртовым группам. Поэтому для определения состава полимергомологов реакционной массы предлагается воспользоваться распределением Пуассона:
где Ni – количество (выраженное в %мольн.) оксиэтилированного продукта, содержащего i молей оксида этилена;
i – число молей оксида этилена, присоединенное к 1 молекуле спирта или степень оксиэтилирования каждой отдельной молекулы оксиэтилированного спирта;
v – средняя степень оксиэтилирования, т.е. среднее число молей оксида этилена, присоединенное к одному молю спирта;
е – основание натуральных логарифмов.
Коэффициент 100 введен для того, чтобы результат расчетов выразить в процентах.
Рис. 9. Состав продуктов оксиэтелирования ,% масс
| Количество присоединенных оксиэтилированных групп, n | Состав продуктов оксиэтилирования, %мольн. | Состав продуктов оксиэтилирования, %мольн. На 100% | М, г/м | Состав продуктов оксиэтилирования, %масс. | |
| 0,00 | 0,00 | 0,00 | |||
| 0,00 | 0,00 | 0,00 | |||
| 0,00 | 0,00 | 0,00 | |||
| 0,00 | 0,00 | 0,00 | |||
| 0,01 | 0,01 | 0,01 | |||
| 0,02 | 0,02 | 0,02 | |||
| 0,06 | 0,07 | 0,06 | |||
| 0,16 | 0,18 | 0,19 | |||
| 0,35 | 0,39 | 0,35 | |||
| 0,69 | 0,76 | 0,81 | |||
| 1,23 | 1,36 | 1,25 | |||
| 2,01 | 2,23 | 2,37 | |||
| 3,04 | 3,37 | 3,09 | |||
| 4,27 | 4,73 | 5,05 | |||
| 5,60 | 6,21 | 5,72 | |||
| 6,89 | 7,64 | 8,18 | |||
| 7,97 | 8,83 | 8,17 | |||
| 8,70 | 9,64 | 10,36 | |||
| 9,01 | 9,99 | 9,27 | |||
| 8,86 | 9,82 | 10,58 | |||
| 8,30 | 9,20 | 8,57 | |||
| 7,42 | 8,22 | 8,89 | |||
| 6,34 | 7,03 | 6,57 | |||
| 5,20 | 5,76 | 6,25 | |||
| 4,09 | 4,53 | 4,25 | |||
| Всего | 90,22 | 100,00 | 100,00 | ||
Содержание целевой фракции (синтетические полиоксиэтелированные масла) с количесвом присоединённых оксиэтелированных групп от 16 до 22 равно 64,01 % масс в реакционной смеси.
Выводы:При температуре реакции 223 оС и времени реакции 80 мин. степень оксиэтилирования составила 19,7. При времени реакции 90 мин и при той же температуре степень оксиэтилирования равна 22,9. Следовательно, увеличение времени реакции, при неизменной температуре реакции, приводит к увеличению степени оксиэтилирования. Целевую фракцию можно использовать в качестве синтетических полиоксиэтилированных масел.