試論化學(xué)工程與工藝中的裂解

仇龍　程亞強(qiáng)　裴鴻艷

摘要：隨著裂解在化學(xué)工程中的應(yīng)用范圍正在逐漸擴(kuò)大，使其能夠在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)一定的位置。本文對(duì)裂解原理在化學(xué)工程過程中的應(yīng)用進(jìn)行究和探討。

關(guān)鍵詞：化學(xué)工程；裂解技術(shù)

引言：關(guān)于“裂解"2e要指的是在熱能的作用下將某種高分子的化合物轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌头肿拥幕衔铮摶瘜W(xué)過程又叫做熱解或熱裂解。這一工藝往往應(yīng)用于石油化工的生產(chǎn)過程，它的發(fā)生溫度較高，一般在七百至八百攝氏度之間，有些特殊的裂解反應(yīng)甚至需要提供一千攝氏度的高溫才能進(jìn)行，也正是因?yàn)槌隽鸦母邷厥沟昧呀夥磻?yīng)可以不同于裂化反應(yīng)達(dá)到更好的效果，比如它可以通過斷裂長(zhǎng)鏈烴的過程將石油或石油氣的分餾產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)楸┗蛞蚁┑孺湡N較短的物質(zhì)?？梢哉f，高溫是裂解反應(yīng)的必要條件。

一、關(guān)于裂解反應(yīng)人類型

裂解反應(yīng)大致包括以下幾種類型：首先是含水裂解。顧名思義，含水裂解就是指反應(yīng)過程中有水存在的裂解過程，一般包括對(duì)石油進(jìn)行蒸汽裂化或是從有機(jī)廢料中提取出輕質(zhì)的原油，這些過程都需要或不排斥水分子的存在；其次是無水裂解。不像有水裂解需要或容許水分子的存在，無水裂解恰恰是不需要水分子才能發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)過程。無水裂解的歷史由來已久，古代的時(shí)候，古人將木材變成木炭的過程就屬于無水裂解的過程。目前看來，這種裂解方式還可以用于塑料及生物質(zhì)能中液體燃料的制??；第三種類型是真空裂解。真空裂解控制的是化學(xué)反應(yīng)中的空氣含量，某些物質(zhì)在沒有空氣的情況下才能進(jìn)行裂解。

二、關(guān)于裂解在化學(xué)工程與工藝中的用途

裂解原理在目前的化學(xué)工程中的應(yīng)用相對(duì)來說是比較廣泛的，起初的化學(xué)工程中，裂解反應(yīng)的原料主要包括柴油、煤油及石腦油等，不過隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展和化學(xué)理念的變更，重油逐漸成為人們更為倚重的裂解反應(yīng)原料。裂解的過程往往還會(huì)伴隨著環(huán)化、縮合以及脫氫等不同類型的化學(xué)反應(yīng)。

一般來說，我們可以將整個(gè)反應(yīng)過程分成兩個(gè)不同的階段。在第一階段的時(shí)候，裂解原料發(fā)生了初步的化學(xué)變化，會(huì)形成我們需要的目的產(chǎn)物，比如丙烯及乙烯等，這是一次反應(yīng)過程。第二階段的時(shí)候，是一次反應(yīng)的產(chǎn)物作為反應(yīng)物發(fā)生的二次變化，所以也叫做二次反應(yīng)，亦即丙烯及乙烯轉(zhuǎn)變成了二烯烴、環(huán)烷烴、芳烴及炔烴等的過程，甚至還有反應(yīng)更為徹底的，直接變成了焦炭和氫氣。經(jīng)過了一次反應(yīng)和二次反應(yīng)以后，人們獲得的裂解產(chǎn)物就比較復(fù)雜了，可以說是不同物質(zhì)組成的混合物。一般來說，裂解反應(yīng)受到溫度、原料及反應(yīng)時(shí)間的影響比較大，這三項(xiàng)因素的變化會(huì)導(dǎo)致不同的反應(yīng)產(chǎn)物出現(xiàn)。一般來說，化工生產(chǎn)中比較常見的反應(yīng)容器是蓄熱爐或管式爐，在這兩種反應(yīng)容器中，石油烴會(huì)變成芳香烴、炔烴及烯烴等小分子物質(zhì)，比如丙烯、乙烯、乙炔、丁二烯、甲苯及苯等。

目前的化學(xué)工程中，裂解原理一般用在化工產(chǎn)品的合成上，比如將二氯乙烯進(jìn)行裂解以后，人們可以得到PVC，即聚氯乙烯。而聚氯乙烯是人們?nèi)粘Ｉ钣闷分斜容^常用的一種原材料，比如門窗、管材、板材、鞋底、玩具、文具、電線外皮及包裝盒等物品，都是由聚氯乙烯制成，雖然除了化學(xué)工程領(lǐng)域的工作者及相關(guān)的研究者以外多數(shù)人并不了這些日常生活用品的合成過程。另外，在化學(xué)工程中，難免要出現(xiàn)一些化工廢料，對(duì)這些化工廢料的處理同樣離不開裂解反應(yīng)，因?yàn)樗梢酝ㄟ^不同類型的裂解過程將這些化工廢料轉(zhuǎn)變成一些低害物質(zhì)以避免對(duì)自然環(huán)境的污染，甚至有些化工廢料還能夠在裂解反應(yīng)的作用下變成能夠被人們二次利用的新的化工原料，這樣就實(shí)現(xiàn)了資源的可持續(xù)利用，是低碳環(huán)保理念所提倡的一種化工生產(chǎn)方式。比如“合成氣”，經(jīng)過裂解反應(yīng)將部分化工廢料轉(zhuǎn)變?yōu)楹铣蓺夂?，合成氣又可以成為氨及甲醇的制造原料，而氨又是尿素及各類?fù)合肥、硝酸等的重要合成材料。

三、分析裂解技術(shù)在橡膠制品的應(yīng)用案例

橡膠制品由于相對(duì)分子質(zhì)量大，難溶、難熔且難以揮發(fā)，用通常的分析技術(shù)難以分析他們的組成。分析裂解技術(shù)可以結(jié)合化學(xué)方法并與其他儀器分析法如紅外、核磁等聯(lián)用，對(duì)橡膠制品進(jìn)行深入、系統(tǒng)的分析，是提供制品分子結(jié)構(gòu)、組成信息唯一而有效的方法。廢舊橡膠分析橡膠工業(yè)發(fā)展的同時(shí)廢舊橡膠的產(chǎn)量也與日俱增，這不僅造成了環(huán)境污染，還浪費(fèi)了大量資源，回收利用廢舊橡膠制品已成為一個(gè)重大的社會(huì)問題?；厥绽脧U舊橡膠制品首先要對(duì)其組成結(jié)構(gòu)給以分析。景治中等人曾用熱裂解色譜2質(zhì)譜技術(shù)對(duì)硅橡膠邊角廢料及次品進(jìn)行分析，確定了兩種酸堿化合物的組成，高溫橡膠的酸催化裂解產(chǎn)物主要是環(huán)狀化合物，室溫橡膠的酸催化裂解產(chǎn)物中有環(huán)狀和鏈狀兩類化合物，從而為硅橡膠廢料利用提供了理論依據(jù)。邱清華等運(yùn)用裂解質(zhì)譜及其他輔助技術(shù)對(duì)膠粉進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，膠粉含膠率為49.161%，填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50.139%，其中炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.128%，為膠粉的利用提供了理論依據(jù)。孫玉珍采用色質(zhì)連用儀對(duì)氟橡膠二段硫化揮發(fā)物進(jìn)行了研究，確定揮發(fā)物及組分來源，對(duì)環(huán)境保護(hù)有很重要的意義。對(duì)廢舊橡膠制品的組成結(jié)構(gòu)分析，可以了解其廢舊原因，探討其廢舊機(jī)理，以便在制品的配方設(shè)計(jì)或工藝設(shè)計(jì)中加以改善，從而提高制品的使用壽命。Cardina利用分析裂解色譜技術(shù)研究了輪胎胎面膠廢舊后成粒子狀的原因是空氣粉塵對(duì)其破壞作用，但空氣粉塵對(duì)不同膠種的破壞作用不同，由此，我們可以優(yōu)化耐用胎面膠配方。

結(jié)語

裂解反應(yīng)是目前化學(xué)工程中應(yīng)用比較廣泛的一類化學(xué)反應(yīng)類型，它與人們的日常生活息息相關(guān)，為推動(dòng)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及方便人們的日常生活做出著巨大的貢獻(xiàn)。作為化學(xué)反應(yīng)的類型之一，裂解反應(yīng)不可避免地受到一定反應(yīng)條件的制約并且也會(huì)有部分能耗的浪費(fèi)，在未來的發(fā)展過程中，更新裂解反應(yīng)的技術(shù)工藝，創(chuàng)造低碳、節(jié)能、環(huán)保的裂解方式必然會(huì)成為化學(xué)工程發(fā)展的方向和目標(biāo)。