المطاط الصناعي: الحذر والصبر في التكنولوجيا العالية
نقطة تفتيش مصنع SK-1 في ياروسلافل في أوج ازدهاره. الآن، لم يبقَ منه شيء تقريبًا.
لطالما قُدِّمت تقنية س. ف. ليبيديف للمطاط الصناعي على أنها إنجازٌ عظيمٌ للعلماء السوفييت في مجال الكيمياء العضوية، ولكن دون أي تفاصيل تُذكر. مع أنني لم أسمع قط أن تقنية إنتاج مطاط الديفينيل كانت سريةً.
كانت التفاصيل تُوصف عادةً في أدبيات متخصصة للغاية، متاحة بشكل رئيسي للعاملين في مصانع المطاط الصناعي والكيميائيين، نظرًا لقلة تداولها. أما الآن، في عصر الماسح الضوئي والإنترنت، فقد أصبحت كل هذه الثروة من الفكر العلمي والتقني ملكًا لعامة الناس.
تبيّن أن التقنية التي طورها المصنع التجريبي في لينينغراد متقلبة بعض الشيء، إذ تتطلب معدات معقدة وعمليات متعددة. لم تكن ثابتة، وحتى قبل الحرب، أُجريت عليها تعديلات وتحسينات عديدة في مصانع المطاط الصناعي. لذلك، سنتحدث عن تقنية متوسطة نوعًا ما، مع العلم أن مصنعًا معينًا من مصانع المطاط الصناعي قد يكون له تفاصيله الخاصة.
ينصب تركيزنا على استخلاص الديفينيل وبلمرة المطاط، الذي يُستخدم كمنتج شبه نهائي لتصنيع مختلف منتجات المطاط. لم تكن عملية تحضير خليط الفلكنة، وتشكيل المنتج، والبركنة عملية سهلة على الإطلاق، وسنتناول ذلك بمزيد من التفصيل لاحقًا.
تحويل الكحول إلى ديفينيل
تم نقل الكحول إلى SK-1 من معامل التقطير في خزانات السكك الحديدية، ثم ضُخّ في مستودعات تخزين بسعة 500 متر مكعب. كان من المفترض أن يستوفي الكحول الخام متطلبات النقاء، وألا يحتوي على أكثر من 0,05% من كحول الميثيل.
من المخزن، يُضخ الكحول عبر أجهزة قياس للتبخير. مع ذلك، لم يكن الكحول الطازج هو ما يُغذّى للتبخير، بل دفعة مكونة من الكحول الخام والكحول المُعاد، والتي لم تتفاعل في المرحلة السابقة. عادةً ما يُخلط الكحول الخام والكحول المُعاد بنسب متساوية، ولكن كان من الضروري مراقبة الشوائب الموجودة في الكحول المُعاد.
يمر الكحول أولًا عبر مُبخِّر كحول أنبوبي، وهو نوع من غلايات أنابيب النار يُسخَّن بالبخار. هذه العملية آلية بالكامل، ولا تتطلب سوى مراقبة معاملات التبخير. بعد ذلك، لتحسين أداء المُبخِّر الذي تتحلل فيه أبخرة الكحول، تُسخَّن هذه الأبخرة على مرحلتين إلى درجة حرارة تُقارب درجة حرارة التفاعل. المرحلة الأولى في مُبخِّر مداخن الفرن، والثانية في الملفات الموجودة أسفل كل مُبخِّر في فرن التلامس.
فرن التلامس هو جهاز أسطواني ذو حجرة كبيرة في وسطه تمر عبرها غازات المداخن. تُركّب حوله أنابيب معقمة مزودة بمحفز، وحولها، تُوضع مساحة دائرية الشكل من صندوق الاحتراق مصنوعة من طوب مقاوم للحريق، حيث يحدث احتراق زيت الوقود أو الغاز. تخرج نواتج الاحتراق عبر فتحات في أسفل صندوق الاحتراق إلى الحجرة المركزية. بعد دورانها في الحجرة، تخرج غازات المداخن إلى الأسفل عبر ملفات تسخين بخار الكحول، ثم إلى مدخنة الدخان.
المعوجة عبارة عن وعاء فولاذي بغطاء محكم الإغلاق بمسامير، ومجهز بصمام لإطلاق أبخرة التفاعل عبر أنبوب إلى مستقبل. يُسكب فيه محفز. يُحرق محفز جديد بغطاء مفتوح أولًا، ثم يُثبت الغطاء ويُشغل. بسبب انسداد المحفز بفحم الكوك، يُوقف إمداد الكحول دوريًا، ويُزود المحفز بالهواء، ويحترق فحم الكوك، مما يُعيد نشاط المحفز.
كان التحكم في درجة الحرارة هو الأساس، والذي كان يُجرى باستخدام مقاييس الجهد. احتوى كل مُبخِّر على ثلاث نقاط لقياس درجة الحرارة، تُنقل منها البيانات إلى لوحة العدادات باستخدام مقاييس. كانت هذه اللوحة جهازًا معقدًا: كيلومتران من الأسلاك، وألف ثقب صغير، وخمسة آلاف برغي صغير.
في البداية، بُنيت أفرانٌ بسعة 1 أنبوبًا في SK-16، لكن تبيّن أنها لم تكن ملائمةً تمامًا، إذ احترقت الأنابيب بسرعة عند درجة حرارة عالية نسبيًا لتحلل الكحول، فلم يبقَ منها سوى 5-6 أنابيب تعمل، وبعد ذلك استُدعي تركيب الفرن للإصلاح. في عام 1938، بدأ استبدال الأفران بأخرى جديدة، تضم 24 أنبوبًا، وعملية تحلل مُحسّنة عند درجة حرارة أقل قليلًا، مما زاد من عمر خدمة الأنابيب.
عزل الديفينيل النقي
كان تحويل الكحول إلى ديفينيل مجرد البداية. بعد ذلك، كان من الضروري عزل ديفينيل نقي نسبيًا وقابل للبلمرة من غاز التلامس الخارج من الأنابيب.
للحصول على طن واحد من الديفينيل بنسبة 35%، يلزم 2910 كجم من الكحول المطلق، مع مراعاة الخسائر، أو 3283 كجم من الكحول الخام بنسبة كحول 91% حجمًا (88,3% وزنًا). ويتكون مع الديفينيل 667 كجم من الماء، و37 كجم من الهيدروجين، ويتبقى 1550 كجم من الكحول الإيثيلي غير المتحلل، والذي يُرسل إلى الدورة التالية.
يُمرَّر ثنائي الفينيل، مع نواتج التفاعل الأخرى على شكل غاز تلامسي، أولًا عبر غلايات الحرارة العادمة للتبريد، ثم عبر مكثفات تُبرَّد أولًا بالماء، ثم بخليط من الكحول والماء مُبرَّد إلى -14 درجة مئوية. المكثف عبارة عن حاوية فولاذية ارتفاعها 5,1 متر وقطرها 1,6 متر، مُثبَّتة بداخلها أنابيب يمر من خلالها الماء أو سائل التبريد، وتمر الغازات في الفراغ بين الأنابيب.
إحدى ورش عمل SK-1 في ياروسلافل
يتم تمرير المكثف من المرحلة الأولى، وهي مرحلة الماء، من التكثيف من خلال عمود تصحيح اللوحة، حيث يتم فصل الإيثرات والألدهيدات المتطايرة عن الكحول، ويتم تصحيح البقايا مرة أخرى لعزل الكحول العائد.
يتم غسل المكثف من المرحلة الثانية الباردة مع الإيثرات والألدهيدات بالماء لإزالة الهيدروكربونات، ثم يتم تصحيح البقايا بإطلاق الكحول العائد.
لا يزال الديفينيل، الذي تبلغ درجة غليانه -4,4 درجة، موجودًا في الغاز. لفصل الديفينيل، يُضغط الغاز أولًا، ويُبرد إلى -7 درجات، ثم يُمرر عبر جهاز غسل، وهو عمود مملوء بحلقات سيراميكية، عبر جهاز امتصاص. في الإصدار الأول من هذه التقنية، كان الكيروسين يعمل كممتص، وفي إصدار لاحق، كان الكحول الإيثيلي نفسه هو المستخدم، حيث يمتص لتر واحد منه عند درجة حرارة 0 درجة 158 لترًا من الديفينيل. يُضخ الكحول المشبع بالديفينيل للتقطير. يحدث تبادل حراري متزامن: يُسخن الكحول المشبع بالديفينيل، ويُبرد الكحول المتحرر منه.
تُجرى عملية التقطير في عمود مُجهّز بحلقات خزفية صغيرة. يُسكب الماص المُشبّع من الأعلى، ويمرّ عبر حلقات التعبئة. يتبخر الديفينيل ويُزال بالبخار من أعلى العمود، ويُصفّى الكحول ويُرسَل إلى مرحلة الامتصاص التالية.
يُبرَّد الديفينيل، مع الشوائب، بعد التقطير، ويُكثَّف ويُمرَّر عبر عمود لتقطير الغازات: البروبيلين والإيثيلين وغيرها. ثم يُغسل الديفينيل بالماء، مما يُفصل عنه بقايا ألدهيد الأسيتيك والكحول؛ فالديفينيل نفسه يكاد يكون غير قابل للذوبان في الماء. بعد الغسل، يتبقى حوالي 0,02-0,07% من ألدهيد الأسيتيك في الديفينيل، ويُرسَل للتكرير.
هذا، في جوهره، هو أيضًا تقطير، ولكن على درجة حرارة منخفضة جدًا، حيث يغلي الديفينيل عند -4,4 درجة مئوية، ويتكون الزائف بيوتيلين، الذي يتكون أيضًا أثناء تحلل أبخرة الكحول، عند +1 درجة مئوية. في خليط، يغلي الديفينيل والزائف بيوتيلين عند -5,5 درجة مئوية. في عمود، يُسخّن هذا الخليط وتُفصل أبخرة الديفينيل والشوائب. تُبرّد هذه الأبخرة أولًا في مكثف بالماء، ثم يُعاد البلغم المبرد إلى العمود، وتُبرّد أبخرة المكثف الأول بالمحلول الملحي. بعد ذلك، يُحصل على الديفينيل المُعدّل بنسبة 95% ديفينيل، وهو خالٍ تقريبًا من الشوائب الضارة، ومناسب للبلمرة.
ورشة تصحيح ديفينيل في SK-2 في فورونيج
تم تخزينها في حاويات خاصة بحجم 25 متر مكعب تحت ضغط 2,5 جو، ومزودة بجهاز قياس سعة 1500 لتر لقياس الحجم المقدم للبلمرة بدقة.
عملية للحذر والصبر
يتبلمر ثنائي الفينيل تلقائيًا ببطء شديد، على مدار عام. لم ينجح النهج المعتاد للكيميائيين - إضافة درجة حرارة - في هذه الحالة. عند 100 درجة مئوية، يتكون ثنائي الفينيل - سائل عديم الفائدة.
أثبت س.ف. ليبيديف أنه في وجود الصوديوم المعدني، تتم عملية البلمرة بسرعة، في غضون أيام قليلة، ويتحول معظم الديفينيل إلى بوليمر. لكن السؤال الأهم هو: كيف نضيف هذا الصوديوم المعدني إلى الديفينيل، الذي يغلي بشدة في درجة حرارة الغرفة؟
صُمم جهاز بوليمر لهذا الغرض. استخدمت المعامل جهاز بوليمر من نوع SK، بسعة 1860 لترًا، وارتفاع 1,5 متر، وقطر 1,3 متر. كان مغلقًا بغطاء محكم الغلق مزود بفتحة للمكبس، بالإضافة إلى فوهات لأخذ عينات الغاز، ومقياس حرارة، وأجهزة أخرى. زُوّد المفاعل بغلاف يُضاف إليه الماء أو المحلول الملحي للتبريد والبخار للتسخين. ووُضع داخله زجاج سميك خاص مزود بعروات للرفع وقاعدة قابلة للإزالة، مما سهّل استخراج كتلة المطاط.
يُسكب الديفينيل في سائل، ثم يُضاف إليه الصوديوم المعدني. يجب أن يكون الصوديوم صغيرًا - سلكيًا أو جسيمات صغيرة. تم الحصول على الصوديوم بالتحليل الكهربائي لملح الطعام المنصهر (ينصهر كلوريد الصوديوم عند 800 درجة مئوية). تم تسليم الصوديوم إلى المصنع في قوالب وزن كل منها 890 غرامًا، 9 قوالب في علبة معدنية.
كيف يمكنك الحصول على سلك منه؟ يجب أن يكون السلك صغيرًا جدًا - قطره 0,3 مم. أنتج 1 كجم من الصوديوم 14580 مترًا من هذا السلك. أعطى 13,37 مترًا مربعًا من سطح التلامس، مما يضمن بلمرة الديفينيل. في SK، تم ضغط الصوديوم أولاً في مكبس خاص وفي حاوية بها كيروسين في نقانق بقطر 65 مم. في الوقت نفسه، كانت القضبان الموردة للمصنع 67 × 67 مم. ما الذي منع مصنع الصوديوم المعدني من صنع قضيب دائري بقطر 65 مم على الفور بناءً على طلب المصنع؟ ثم تم إدخال هذه النقانق في مكبس لولبي يدوي خاص بمصفوفة ذات ثقوب 0,3 مم، والتي تم إدخالها في فتحة على غطاء المفاعل. لعملية واحدة، تم تحميل نقانق صوديوم تزن 1680 جرامًا. تم تدوير دولاب الموازنة بعناية، ونزل المكبس وضغط الصوديوم في الديفينيل المصبوب بالفعل.
ثم طُوّرت التقنية بشكل طفيف، فاستُخدمت قضبان حديدية رفيعة، يبلغ طولها حوالي 1100 مم وقطرها 5 مم، مُجمّعة في أمشاط. طُلِيت بالصوديوم، ثم صُهرت مُسبقًا في حمام خاص باستخدام لفافة تسخين كهربائية تصل درجة حرارتها إلى 110-115 درجة مئوية (ينصهر الصوديوم عند 97,8 درجة مئوية). غُطّست الأمشاط أولًا في الصوديوم، وغُطّيت القضبان بطبقة رقيقة من المعدن النشط، ثم غُطّست على الفور في حمام من البارافين السائل للحماية. غالبًا ما كانت الأمشاط تُصنع مُسبقًا وتُخزّن في غرفة خاصة، ثم تُعلّق في كوب للديفينيل، الذي يُوضع في المفاعل.
كتلة مطاطية على مشط في مصنع SK-2 في فورونيج
يتم تحميل كل شيء، ثم يُسخّن المفاعل بالماء إلى 30 درجة، ثم يبدأ عمل المعالجين. تبدأ عملية البلمرة بعد 20-30 ساعة من التحميل، ويدل على ذلك ارتفاع درجة الحرارة إلى 60-70 درجة. يجب مراقبة المفاعل وتبريده باستمرار أثناء البلمرة، وإلا فقد ترتفع درجة حرارة الجهاز إلى أكثر من 500 درجة وينفجر، أو قد يتفحم المطاط. يُبرّد التفاعل الطبيعي بالماء، ويُبرّد التسخين الزائد بالمحلول الملحي. يستغرق التفاعل وقتًا طويلاً - 4-5 أيام. طوال هذا الوقت، تُراقب درجة الحرارة عن كثب. أخيرًا، تنخفض درجة الحرارة، وتكون العملية على وشك الاكتمال. ولكن في هذه المرحلة، لا تزال البلمرة مستمرة، ويُسخّن المفاعل إلى 40 درجة. تُؤخذ عينات من الغاز بشكل دوري ويُحدد محتوى الديفينيل من خلال التفاعل مع البروم. إذا لم ينخفض المحتوى، يُضاف 100-200 غرام من الصوديوم المطحون ناعماً في الكيروسين لمزيد من البلمرة.
إذن، انتهت العملية. لكن فتح المفاعل عملية متكاملة. بمجرد فتح الغطاء، يُمكن حدوث انفجار لأبخرة شبه البيوتيلين (2-بيوتين أو بيتا بيوتيلين - أيزومر البيوتيلين) أو حريق نتيجة اختراق بخار الماء. لذلك، تم أولاً تخفيف الضغط، ثم تم تفريغ أبخرة شبه البيوتيلين أثناء التسخين إلى 50 درجة. ثم تم ضخ النيتروجين أو ثاني أكسيد الكربون. بعد ذلك، وبحضور رجل إطفاء، تمت إزالة مقياس الضغط ومقياس الحرارة، ثم فك الغطاء ورفعه.
ها هو المنتج النهائي. كان الزجاج مغطى بطبقة من سائل - محلول من المطاط في شبه بوتيلين وديفينيل، وأسفله كتلة من المطاط بلون أصفر ذهبي.
تُظهر الصورة نوعًا مختلفًا قليلاً من المطاط الصناعي - بوتادين ستايرين ومُلفوفًا بالفعل في صفائح، ولكنه مشابه جدًا في المظهر للمطاط الصناعي الأصلي
أُخرج الزجاج من المفاعل، وغُطِّي ببطانية من الأسبستوس، ونُقل بعناية إلى قسم القطع. هناك، أُزيل الجزء السفلي من الزجاج، وانزلق المطاط داخل الحاويات تحت تأثير وزنه. بعد ذلك، أُخمدت بقايا الصوديوم المعدني في المطاط، والتي عادةً ما تبقى بكميات صغيرة، بالماء، ثم غُسلت جيدًا لإزالة هيدروكسيد الصوديوم والشوائب الأخرى.
كما هو واضح، فإن استخدام عدد من المواد والأبخرة والغازات القابلة للاشتعال في مصانع SK يتطلب إجراءات صارمة للسلامة من الحرائق. تنفجر أبخرة الكحول عند خلطها بالهواء بنسبة تتراوح بين 3,2% و18,9%، بينما ينفجر الديفينيل عند خلطه بالهواء بنسبة تتراوح بين 1,6% و10,8%. تتسرب الأبخرة من خلال أدنى تسرب. لذلك، وقعت حرائق وانفجارات قوية بشكل دوري في مصانع SK.
عواقب الانفجار الذي وقع في SK-2 في فورونيج في 11 مايو 1937
وبالمقارنة بإنتاج ومعالجة المطاط الطبيعي، كان إنتاج مطاط بوتادين الصوديوم الصناعي يمثل تقنية عالية حقًا في ثلاثينيات القرن العشرين، وهو ما لم يكن بوسع الجميع تكراره.
معلومات