Реферат: Синтез и анализ ХТС в производстве ацетона

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Общая химическая технология»

на тему:

СИНТЕЗ И АНАЛИЗ ХТС В ПРОИЗВОДСТВЕ АЦЕТОНА

Выполнил:

студент группы

Проверил:

2008 г.

1.Содержание

Содержание 2

Задание

Введение

Синтез ХТС

Обоснование создания эффективной ХТС

Определение технологической топологии ХТС

Установление технологических и конструкционных

параметров ХТС, технологических параметров

режима и потоков

Химическая модель ХТС

Функциональная модель ХТС

Структурная модель ХТС

Операторная модель ХТС

Технологическая схема ХТС

Анализ ХТС

Представление изучаемого объекта в виде

иерархической структуры ХТС

Построение математической модели ХТС

Изучение свойств и эффективности

функционирования ХТС

Заключение

2. Задание

Какое количество гидроперекиси изопропилбензола необходимо, если известно, что в процессе разложения получается 6 т. толуола, степень разложения 80 %

/>

3.Введение

АцетонСН3СОСН3 известен с 1732 г как продукт сухой пе­регонки солей уксусной кислоты и ранее назывался пироуксусным эфиром. Состав ацетона определили Ю. Либих и Ж. Дюма в 1832 г., а А. Уильямсон установил его строение (1852 г), ко­торое позднее было подтверждено синтезом ацетона из цинк-диметила и хлористого ацетила.

Долгое время ацетон не имел широкого применения и произ­водился в небольших масштабах термическим разложением ук­суснокислого кальция («уксусного порошка»), получаемого при сухой перегонке древесины."

Вследствие зарождения и развития химии синтетических ма­териалов возникла потребность в таком хорошем растворителе, каким является ацетон; это заставило искать новые способы его получения.

В настоящее время ацетон широко применяется в качестве растворителя в различных отраслях промышленности. Он яв­ляется также сырьем для синтеза целого ряда соединений, в том числе растворителей более сложного строения, таких, как диа-цетоиовый спирт, окись мезитила, метилизобутилкетон, метил-изобутилкарбинол; из ацетона (через ацетонциангидрин) полу­чают метилметакрилат, применяемый в производстве органиче­ского стекла, изофорон, уксусный ангидрид, дяфенилолпропан и другие продукты.

Разнообразие областей применения ацетона вызвало быстрый рост его производства.

В Российской Федерации ацетон применяется главным образом как раство­ритель в производстве автомобильных, авиационных, кабельных, кожевенных и других лаков и эмалей, кинопленок, фотореаген­тов, целлулоида, ацетатного шелка и т. п. Для химических син­тезов используется лишь небольшая часть ацетона.

В данной работе приводится анализ различных способов получения ацетона, выбор оптимальной технологической схемы, обеспечивающей экономически эффективный, технологически целесообразный и экологически безопасный метод производства.

4. Синтез ХТС

Производство ацетона брожением крахмала

Ферментативный метод является самым старым методом по­лучения ацетона в промышленных масштабах. В результате жизнедеятельности некоторых видов бактерий (Bacyllus acetobutylicus и др.) крахмал превращается в ацетон и n-бутиловый спирт. В качестве сырья для этого процесса чаще всего приме­няют кукурузную муку; из 100 кг муки можно получить 12 кг n-бутанола, 6 кг ацетона и 2 кг этилового спирта [1].

Производство ацетона из изопропилового спирта

Изопропиловый спирт в довольно больших количествах вы­рабатывается в различных странах путем сернокислотной или прямой гидратации пропилена. Основным потребителем изопропилового спирта является производство ацетона, который может быть получен из него двумя методами: каталитическим дегидри­рованием и неполным окислением (в паровой или жидкой фазе).

Каталитическое дегидрирование изопропилового спирта. Ме­тод каталитического дегидрирования изопропилового спирта в ацетон осуществляется в промышленности США с 1923 г. и по­лучил широкое распространение в других странах. Принципиальная схема производства ацетона этим методом показана на рис. 1. Процесс протекает в одну стадию то реакции:

СН3СН(ОН)СН3 → СН3СОСН3 + Н2 – 69,9 кДж (16,7 ккал)

В качестве катализатора Используется главным образом окись цинка, осажденная на пемзе. Повышение температуры способствует сдвигу равновесия реакции в сторону образования ацетона. По данным Кольбе и Барвелла [1], степень превращения Изопропилового спирта в аце­тон при 225 °С составляет 84%, три 325 °С – 97%, при 525 °С – 100%, однако в последнем случае в значительной степени про­текают побочные реакции.

/>

Рис. 1. Принципиальная схема производства ацетона дегидрирова­нием изопропилового спирта:

1 – испаритель; 2 – насосы; 3 – реактор; 4 – водяной холодильник смешения; 5 – холодильники; 6 – башня снасадкой; 7 – Водяной скрубберу; 9 – сборник ацетона

I – изопропиловый спирт; II – водород; III – пар; IV – вода; V – отходящие газы; VI – товарный ацетон.

Для предотвращения образования продуктов полимеризации, отравляющих катализатор, исходный изопропиловый спирт сме­шивают в паровой фазе с эквимолекулярным количеством водо­рода. Реакцию проводят яри 380°С, степень превращения изопропилового спирта составляет 98%. Реактор представляет со­бой заполненный катализатором трубчатый аппарат, межтруб­ное пространство которого обогревается топочными газами.

После 10 суток работы требуется регенерация катализатора, так как активность его уменьшается вследствие отложения угле­рода на поверхности. Регенерацию осуществляют пропусканиемчерез слой катализатора азота, содержащего –2% кислорода, при 500 °С, Срок службы катализатора –около 6 месяцев.

Контактные газы из реактора поступают на охлаждение (при котором конденсируется около 50% ацетона), после чего их промывают водой, поглощающей ацетон. Промывные воды под­вергаются фракционированию и азеотропной перегонке для вы­деления товарного ацетона и безводного изопропилового спирта, снова направляемого на дегидрирование.

Водород после промывки от ацетона возвращается на раз­бавление спирта, а водород, образовавшийся при дегидрирова­нии, выводится из системы и используется для других синтезов. Выход ацетона составляет около 90% (считая на изопропиловый спирт). На 1 тацетона расходуется 1,1—1,2 тизопропилового спирта или около 0,9 тпропилена [1].

Французским институтом нефти разработан способ дегидри­рования изопропилового спирта в жидкой фазе. Катализатором процесса служит суспендированный в исходном спирте никель Ренея, реакцию проводят при 150 °С. В этих условиях достига­ются почти количественные выходы ацетона.

Неполное окисление изопропилового спирта в паровой фазе.

Реакция неполного окисления изопропилового спирта

СН3СН(ОН)СН3+ 0,5 О2→СН3СОСН3+ Н3О + 180 кДж(43 ккал)

протекает в присутствии металлических катализаторов – меди, серебра, никеля, платины и т. д.

Высокий выход ацетона достигается при использовании се­ребра, осажденного на пемзе, или серебряной сетки. Темпера­тура реакции может изменяться в широких пределах (450— 650 °С) и выбирается в зависимости от применяемого катали­затора, объемной скорости паров спирта и воздуха и других факторов.

Перед подачей реагентов в контактный аппарат (рис. 2) изопропиловый спирт испаряют в испарителе-сатураторе, насыща­ют парами воздуха и перегревают полученную паровоздушную смесь. Реакция протекает вадиабатических условиях, т. е. теп­ло, выделяющееся в процессе окисления, воспринимается самой реакционной смесью.

При окислении, «роме ацетона, образуется также некоторое количество побочных продуктов, в том числе уксусной кислоты и ацетальдегида. Поэтому контактные газы после прохождения ими металлического катализатора пропускают через насадку в виде слоя мела, на которой уксусная кислота и ацетальдегид почти количественно превращаются в ацетон. Оптимальной для этой реакции является температура 450 °С, достигаемая охлаж­дением контактных газов во встроенном в реактор змеевике.

Из контактного аппарата газы поступают в котел-утилиза­тор, а затем последовательно на «парциальную» конденсациюи водную абсорбцию. Несконденсировавшиеся газы после аб­сорбции ацетона водой сбрасывают в атмосферу. Промывные воды из скруббера объединяют с конденсатом и направляют на ректификацию.

/>

--PAGE_BREAK--

Рис. 2. Принципиальная схема производства ацетона неполным окислением изопропилового спирта в паровой фазе:

1 – висциновый фильтр; 2 – ротационный компрессор; 3, 9, 12, 19 – холодильники; 4 – ресивер; 5 – сборник изопропилового спирта; 6 – испаритель-сатуратор; 7 – контактный аппарат; 8 – котел-утилизатор; 9 – сборник конденсата; 10 – скруббер; 11 – насосы; 12 – сборник сточной воды; 15 – сепаратор; 16 – ректификационные колонны; 17 – дефлегматоры; 18 – кипятильники; 20 – сборник ацетона.

В первой по ходу процесса ректификационной колонне из водного раствора отгоняют ацетон и изопропиловый спирт. В верхнюю часть колонны для очистки от осмоляющихся при­месей подают 15%-ный раствор NaOH. Вода из куба колонны после осаждения органических веществ и утилизации ее тепла подается в скруббер на абсорбцию ацетона.

В следующей колонне происходит разделение продуктов на ацетон-сырец и раствор изопропилового спирта. Ацетон-сырец поступает на ректификацию для выделения товарного ацетона; изопропиловый спирт выделяют перегонкой из водного раство­ра и возвращают на окисление.

Неполное окисление изопропилового спирта в жидкой фазе.

Интересным методом получения ацетона из изопропилового спирта является его неполное окисление и жидкой фазе. Этот метод, применяемый для производства перекиси водорода, осу­ществляется с 1957 г. на заводе фирмы «ShellChemicalСо.» в США [2].

Процесс протекает по схеме

СН3СН(ОН)СН3+ О2→ СН3СОСН3+ Н2О2

и проводится автокаталитически при 90 – 140°С под давлением, позволяющем удерживать смесь в жидкой фазе. В качестве окис­лителя можно применять как воздух, так и кислород.

Реактор должен быть изготовлен из материалов, не разла­гающих перекись водорода. На окисление подают 89%-ный рас­твор изопропилового спирта; по достижении концентрации пе­рекиси водорода 15 – 25% продукт выводится из реактора, раз­бавляется водой и стабилизируется. Ацетон и не прореагировавший спирт отгоняют и очищают, перекись водорода концентри­руют быстрым испарением и вакуум-перегонкой.

Выход ацетона составляет 95% от теоретического, выход перекиси водорода –около 87 %25.

Другие методы получения ацетона

Ацетон получается также в качестве побочного продукта в синтезе аллилового спирта из изопропилового спирта и акро­леина:

СН3–СН(ОН) –СН3+ СН2=СН–СНО → СH2=СН–СН2ОН + СН3–СО–СН3

Эта реакция проводится в паровой фазе при 350–450 °С и атмосферном давлении в присутствии катализатора –смеси оки­си магния и окиси цинка.

Данный процесс, так же как и процесс получения ацетона и перекиси водорода из изопропилового спирта, является состав­ной частью синтеза глицерина по методу американской фирмы «ShellChemicalСо.»:

/>/>

а) пропилен → изопропиловый спирт → ацетон + перекись водорода

/>

б) пропилен → акролеин

в) акролеин + изопропиловый спирт → аллиловый спирт + ацетон

г) аллиловый спирт + перекись водорода → глицерин.

Значительные количества ацетона производят из этилового спирта, ацетилена и уксусной кислоты. Все три процесса по механизму, вероятно, сходны между собой.

Реакция

2С2Н5ОН + Н2О → СН3СОСН3+ СО2+ 4Н2

протекает при взаимодействии паров этилового спирта и водыв присутствии катализатора—окиси железа, активированной известью; температура процесса 470 °С. Водной промывкой из контактных газов выделяют ацетон в виде 5%-ного водного раствора. Выход ацетона по этиловому спирту составляет 86% [2]. Катализатор нуждается в периодической регенерации, общий срок его службы — 6 месяцев. Реакцию

2СН=СН + ЗН2О →СН3СОСН3+ СО2+ 2Н2

проводят пропусканием ацетилена в смеси с избытком водяного пара над катализатором, состоящим из окисей цинка ижелеза. Процесс протекает при той же температуре (470 °С), что и син­тез ацетона из этилового спирта. Катализатор периодически ре­генерируют. При промывке контактных газов водой получают 10%-ный водный раствор ацетона, который подвергают ректи­фикации. Выход ацетона равен 85% от теоретического. Эта реакция успешно осуществлялась даже при применении газа, содержащего 8% ацетилена («разбавленный» ацетилен).

В обоих описанных процессах ацетон получается, по-видимому, в результате декарбоксилирования промежуточно образую­щейся уксусной кислоты, способность которой превращаться в (СН3)2СО при нагревании с солями металлов (например, с аце­татом кальция) известна уже давно.

Это обстоятельство использовано для оформления в промыш­ленном масштабе процесса производства ацетона пропусканием паров уксусной кислоты над окисью церия (осажденной на пемзе) при 400—450 С и атмосферном давлении:

2СН3СООН→СН3СОСН3+ СО2+ Н2О

Выход ацетона достигает 95% от теоретического.

Одним из путей получения ацетона в промышленности яв­ляется каталитическое окисление пропан-бутановых смесейпри низкой температуре и высоком давлении, осуществленное вСША фирмами «Gelanese Corporation of America» и «WarrenPetroleumCo.».

Наряду с ацетоном в этом процессе образуются также ук­сусная кислота (главный продукт), метилэтилкетон, ацетальдегид, метанол, муравьиная, пропионовая и масляная кислоты и различные лактоны.

Недавно была показана возможность синтеза ацетона пря­мым окислением пропилена в присутствии хлористого палладия. Сообщают, что пропилен легко превращается в ацетон в тече­ние 5 минпри 20 °С; выход ацетона составляет 90% от теоре­тического.

Процесс окисления пропилена, выражаемый суммарным уравнением

СН3СН=СН2+ 0.5 О2 →СН3СОСН3

протекает в две стадии:

а) СН3СН=СН2+ РbС12+ Н2О → СН3СОСН3+ Рb+ 2НС1

б) Рb+ 2НС1 + 0.5 О2 → РbС12+ Н2О

На практике процесс осуществляется значительно сложнее. Реакционной средой является водный раствор солей палладия, железа и меди. В этот раствор пропускают олефин. Хлористый палладий дает с олефином комплекс, который легко разру­шается с образованием карбонильного соединения, металличе­ского палладия и соляной кислоты. Металлический палладий немедленно окисляется в хлорид солями железа и меди, кото­рые при этом переходят в соли низшей валентности. Окисление солей меди и железа в соли с высшей валентностью осущест­вляется кислородом (или кислород-азотной смесью). Таким об­разом, указанные соли являются переносчиками кислорода.

Процесс может быть оформлен в одну стадию, если в реак­тор, содержащий раствор солей, одновременно поступают оле­фин и кислород, или в две стадии, когда олефин и кислород подаются в два отдельных реактора, между которыми цирку­лирует раствор солей.

Такой способ окисления олефинов в настоящее время раз­работан применительно к процессу получения ацетальдегида из этилена.

Наконец, как уже указывалось, ацетон полу­чается в качестве побочного продукта в синтезе фенола по кумольному методу. Этот метод значительно сложнее технологически, но при реализации достаточно больших объёмов производства позволяет намного снизить себестоимость продукта.

    продолжение
--PAGE_BREAK--

4.1 Обоснование создания эффективной ХТС

Реакция кислотного, или так называемого гетеролитического распада гидроперекисей, в отличие от гемолитического распада, до сравнительно недавнего времени не привлекала внимания исследователей. Толчком к изучению этой весьма интересной реакции послужило открытие и широкое распространение но­вого способа совместного получения фенола и ацетона через гидроперекись изопропилбензола.

П. Г. Сергеев, Р. Ю. Удрис и Б. Д. Кружалов, изучая в 1943 г. свойства впервые полученной ими гидроперекиси изо­пропилбензола, обнаружили, что данная гидроперекись в при­сутствии незначительных количеств серной кислоты практиче­ски количественно и с большой скоростью распадается на фенол и ацетон, выделяя при этом значительное количество тепла. Через год эта реакция была описана в литературе Хоком и Лан-гом [1]. В 1943—1946 гг. П. Г. Сергеев с сотрудниками детально изучил описанную реакцию, и несколько.позднее этот процесс был реализован в промышленном масштабе[2].

Первые сведения о возможности такого расщепления гидро­перекисей относятся к более раннему периоду (1931 г.), когда была опубликована работа Виланда и Мейера [3], посвященная изучению свойств гидроперекиси трифенилметана. Эти авторы впервые синтезировали гидроперекись трифенилметана и пы­тались получить ее бензоильное производное. Однако при взаи­модействии гидроперекиси с хлористым бензоилом неожиданно были получены фенол и бензофенон в эквимолекулярном соот­ношении:

(С6Н5)3–COOH → (С6Н6)3С=О + С6Н5ОН

Спустя 20 лет, в 1950 г., когда в СССР процесс получения фенола и ацетона через гидроперекись изопропилбензола уже был осуществлен в промышленности, появилась работа Караша с сотрудниками по изучению механизма реакции кислотного разложения гидроперекиси изопропилбензола.

Авторы отмечают, что реак­ция разложения чрезвычайно экзотермична и протекает с за­метной скоростью даже при –80 СС. Для того чтобы свести к минимуму нежелательные побочные процессы, разложение про­водилось в среде уксусной кислоты (в которой гидроперекись стабильна при комнатной температуре) в присутствии 0,1 мол. % хлорной кислоты. В этих условиях гидроперекись изопропилбензола количественно разлагалась на фенол и аце­тон.

Для объяснения этой реакции Караш предложил цепной механизм:

/>

С6Н5(СН3)2СООН → [С6Н5(СН3)2СО]+ + (АОН)— (а)

[С6Н6(СН3)2СО]+ → [СвН6-О-(СН3)2С]+ (б)

С6Н5(СН3)2СООН + [С6Н5–О– (СН3)2С]+ →

→ [СвН6(СН3)2СО]++ С6Н5ОН + (СН3)2СО (в)

В описанной схеме «А» — сильная кислота по теории Льюи­са. В результате бимолекулярной реакции гидроперекиси с кислотой образуется осколок молекулы, несущий положитель­ный заряд на кислородном атоме, который перегруппировы­вается затем в катион, несущий положительный заряд на угле­родном атоме (ион карбония). Этот ион, взаимодействуя с молекулой гидроперекиси, превращается в фенол и ацетон, ре­генерируя кислородный катион, который в свою очередь пере­группировывается в ион карбония и т. д.

Тот факт, что только сильные кислоты могут быть причиной гетеролитического распада гидроперекиси изопропилбензола, авторы доказывают следующим образом. Хлористый водород, растворенный в уксусной кислоте, не является сильной кислотой и в этом случае не пригоден для разложения гидроперекиси, тогда как в других условиях следы хлористого водорода вызы­вают бурный ее распад на фенол и ацетон. С другой стороны, хлорное железо, которое в спиртовом растворе представляет собой слабую кислоту, в данных условиях не разлагает гидро­перекись. В то же время раствор хлорного железа в бензоле является сильной кислотой и быстро превращает гидроперекись изопропилбензола в фенол и ацетон. Аналогичные результаты были получены с другими растворителями (диоксан, бензол) и кислотами (растворы фтористого бора, хлористого алюминия, серная кислота). Это указывает на отсутствие специфического влияния растворителя или аниона.

Караш с сотрудниками наблюдали также, что присутствие в гидро­перекиси диметилфенилкарбинола вызывает в условиях кислот­ного разложения образование димера α-метилстирола наряду с заметно уменьшающимися количествами фенола и ацетона.Если в реакцию вступали относительно большие количества этого карбинола (2 – 3 мольна 1 мольгидроперекиси), обра­зование фенола и ацетона полностью прекращалось; основными продуктами при этом были димер а-метилстирола и перекись водорода.

На основании описанного эксперимента Караш. сделал вы­вод о том, что разложение гидроперекиси изопропилбензола может по существу измениться в присутствии вещества, способ­ного конкурировать с гидроперекисью по отношению к кисло­те «А». В данном случае, очевидно, диметилфенилкарбинол является более сильным основанием, чем гидроперекись изо­пропилбензола; следовательно, реакция (а) не может проте­кать.

Сравнительно недавно Хоку с сотрудниками удалось синтезировать бензоильное производное гидроперекиси изопропилбензола, ко­торое безуспешно пытались получить Виланд и Мейер для гид­роперекиси трифенилметана. Детально изучив механизм пре­вращений гидроперекиси изопропилбензола, Хок предложил схему распада, в основе которой лежит перегруппировка иона оксония в ион карбония.

При рассмотрении реакции кислотного разложения гидро­перекиси изопропилбензола с точки зрения, механизма, пред­ложенного Карашем, становится очевидной аналогия с бекмановской перегруппировкой:

/>

Несмотря на то, что схема, предложенная Карашем, наибо­лее полно объясняет процесс кислотного разложения гидропере­кисей, следует отметить, что точный механизм первичного гетеролитического распада гидроперекисей в деталях не из­вестен и трудно сказать что-либо определенное относительно продолжительности существования предполагаемого кислород­ного катиона и того, является ли он в действительности «сво­бодным».

Таким образом можно сделать вывод о том, что процесс кислотного разложения гидроперекиси изопропилбензола является оптимальным процессом получения ацетона.

Рассмотрим технические решения по созданию данного производства.

4.2Определение технологической топологии ХТС

Вследствие того, что реакция кислотного разложения гидро­перекиси изопропилбензола нашла большое практическое при­менение в производстве фенола и ацетона, в научно-технической литературе с каждым годом появляются новые сообщения отно­сительно различных способов осуществления данного процесса. В основном вся литература по этому вопросу представлена в виде патентов или коротких сообщений рекламного характера. В то же время опубликовано очень мало сведений о конкретном аппаратурно-технологическом оформлении процесса кислотного разложения гидроперекиси на действующих или проектируемых промышленных установках.

В большинстве случаев в качестве катализатора рекомен­дуют серную кислоту, концентрированную или разбавлен­ную. При этом, как правило, концентрированная кислота применяется в каталитических количествах (0,1—2% от веса гидроперекиси), а разбавленная кислота берется в большом избытке. В ряде патентов предлагают вместо серной кислоты использовать хлорную и фосфорную кислоты, органические сульфокислоты, сульфированную феноло-формальдегидную смо­лу. Рекомендуют проводить разложение гидроперекиси изо­пропилбензола сернистым ангидридом в аппарате пленочного типа. Сообщают о возможности разложения гидроперекиси сульфидами щелочных или щелочноземельных металлов и их смесей, а также в присутствии таких катализаторов, как фос­фор, сера, селен и мышьяк при 108—110 °С в вакууме. В качестве катализаторов для разложения концентрированной или разбавленной гидроперекиси предлагают безводные сульфаты меди, кальция, бериллия, магния, стронция и бария. Разло­жение гидроперекиси можно также осуществить на пористом материале, пропитанном серной кислотой, с помощью катали­заторов алкилирования (А1С13, FеС13, активные глины) или на ионообменных смолах. Несмотря на множество предложен­ных катализаторов, в промышленности России и за рубежом применяют только серную кислоту, и нет никаких сведений о использовании других катализаторов.

Вследствие большого теплового эффекта реакции разложения гидроперекиси на фенол и ацетон (2×103кДж/кг= 486 ккал/кг) необходимо отводить выделяющееся тепло в качестве среды, воспринимающей тепло, применяют изопропилбензол, фенол, ацетон или серную кислоту.

В значительной части патентов указывается на возможность кислотного разложения неконцентрированной гидроперекиси изопропилбензола в том виде, в каком она получается сразу после окисления, т. е. состоящей примерно из 25% гидропере­киси и 70—75% изопропилбензола. Разложение такой гидро­перекиси обычно осуществляют с помощью относительно боль­шого количества разбавленной серной кислоты — в гетерогеннойсреде. Конструкция реактора не описывается, однако указано, что смесь в реакторе должна интенсивно перемеши­ваться для обеспечения необходимой скорости реакции. Эмуль­сия, образовавшаяся в реакторе, поступает в сепаратор, где происходит разделение фаз. Верхний, органический слой на­правляют сначала на нейтрализацию, затем на ректификацию для выделения индивидуальных продуктов, а слой отработанной серной кислоты вновь возвращают в реактор.

Для такого гетерогенного процесса рекомендуют применять 10—75%-ную серную кислоту. Выбор необходимой концентра­ции серной кислоты зависит от температуры реакции. Так, для того чтобы обеспечить достаточную скорость реакции при 50—60 °С, необходима 60—70%-ная серная кислота. В одном из патентов предлагают проводить процесс с использованием 44%-ной серной кислоты.

В первоначальном варианте гетерогенного метода разло­жения разбавленная (10%-ная) серная кислота и гидропере­кись энергично смешивались в реакторе. Затем после отстаи­вания и разделения органический и водный слои подвергали раздельной обработке для выделения целевых продуктов. Не­достатки этого метода: влияние эффективности перемешивания на скорость реакции, корродирующее действие разбавленной серной кислоты, сложность системы выделения целевых продук­тов, вызванная тем, что фенол и ацетон растворимы в органи­ческих и неорганических фазах. Серьезным недостатком являет­ся также необходимость удаления большого количества сточных вод, содержащих фенол. Гетерогенный процесс кислотного раз­ложения гидроперекиси изопропилбензола, по имеющимся сведениям, был реализован в промышленности только на первом зарубежном заводе по производству фенола и ацетона, введенном в действие в Монреале (Канада) в 1953 г.

В дальнейшем все большее применение стал находить гомо­генныйпроцесскислотного разложения, заключающийся в том, что кислота применяется в таких небольших количествах, кото­рые полностью растворимы в реакционной смеси и не образуют второго слоя.

Так, в кратком описании завода по производству фенола и ацетона в Пон-де-Кле (Франция) указывается, что гидропере­кись выделяется в концентрированном виде путем вакуум-рек­тификации продуктов, полученных в результате окисления изо-протшлбензола. Здесь же сообщается, что при современном состоянии техники такой метод концентрирования гидропере­киси не вызывает затруднений. Разложению на фенол и ацетон подвергается уже концентрированная гидроперекись. В сообщении о пуске в начале 1960 г. завода по получению фенола и ацетона в Гренжмаутсе (Англия) говорится, что концентрированная гидропере­кись разлагается на фенол и ацетон в присутствии серной кис­лоты. Процесс разложения протекает настолько быстро, что в любой момент количество гидроперекиси вреакторе незначи­тельно.

    продолжение
--PAGE_BREAK--

Для осуществления реакции разложения в гомогенной среде было разработано несколько методов, согласно которым один из основных продуктов реакции возвращают в аппарат на раз­ложение в количестве, достаточном для гомогенизации реак­ционной массы.

Применение фенола в качестве гомогенизатора было осу­ществлено рядом французских производителей. В данных процессах в реакторе создается пленка из фенола. Для этого гидроперекись изопропилбензола, серную кислоту, а также дополнительное количество фенола подают в реактор непрерывно.

Концентрация кислоты составляет 30—75%, а количество ее — около 1—5% от веса гидроперекиси. Реакцию можно про­водить при 50 °С и скорость подачи сырья регулировать таким образом, чтобы содержание гидроперекиси изопропилбензола в смеси не превышало 0,5%.

Реакционная смесь непрерывно поступает во второй реак­тор, в котором также поддерживается температура 50 °С и где реакция заканчивается. Смесь, выходящая из этого реактора, содержит менее 0,1% гидроперекиси и подается в третий реак­тор, в котором кислоту нейтрализуют каустиком до щелочной реакции по метилроту. Нейтрализованная смесь отстаивается от небольшого водного слоя, содержащего главным образом сульфат натрия. Органический слой перегоняют в трех колон­нах. В первой из них, работающей при атмосферном давлении, в виде дистиллята отгоняется ацетон, во второй — α-метилстирол и в третьей — фенол путем перегонки в вакууме. Выход фенола составляет 94—96%, ацетона — 95% в пересчете на гид­роперекись изопропилбензола.

Метод использования ацетона в качестве гомогенизаторабыл разработан фирмами «HerculesPowderCompany» (США) и «DistillersCompanyLimited» (Англия). Этот метод приме­няется в промышленности. Разложение гидроперекиси проводят в гомогенной среде, состоящей из ацетона и концентрированной (95—96%-ной) серной кислоты, которая вводится в виде 1%-ного раствора в ацетон. Реакционная среда не должна со­держать больших количеств воды, так как при этом происхо­дит расслаивание. Желательно, чтобы воды было менее 2%, а для достижения оптимальных результатов вода должна пол­ностью отсутствовать.

Гидроперекись изопропилбензола может быть применена как концентрированная, так и в виде сырой реакционной смеси, полученной окислением изопропилбензола. Преимущественно используют концентрированную (75—88%-ную) гидроперекись. Хотя количество серной кислоты можно изменять в широких пределах, оптимальной является добавка 0,8 вес. % Н2PО4(считая на серный ангидрид).

Регулирование температуры осуществляется путем дефлег­мации ацетона. Гидроперекись изопропилбензола и дополни­тельное количество ацетона вводят в реактор, в котором на­ходится смесь, гомогенизированная ацетоном. В патенте при­водится пример непрерывного разложения гидроперекиси изо­пропилбензола в ацетоне. Реакционный сосуд, в котором осу­ществлялось разложение, был снабжен термометром, механи­ческой мешалкой, холодильником и штуцерами для ввода гидро­перекиси, раствора серной кислоты в ацетоне и для вывода разложенной реакционной смеси. Штуцер для вывода смеси находился сбоку, на высоте, равной одной трети общей высоты реактора. До начала опыта реактор заполняли раствором, со­стоявшим из ацетона и 1 вес. % -(в пересчете на ацетон) кон­центрированной серной кислоты. Затем вводили до уровня сли­ва из реактора гидроперекись изопропилбензола. С этого момента из сосуда вытекала реакционная смесь, а из холодиль­ника возвращался -ацетон, который смешивался с добавляемой в количестве 1 % (из расчета на вводимую гидроперекись) сер­ной кислотой и поступал обратно в реактор. Полученная смесь отбиралась в том же объеме, в каком вводилась гидроперекись. Таким образом было разложено 3516 вес. частей 80,5%-ной гидроперекиси изопропилбензола. В минуту подавалось 17,2 вес. части гидроперекиси. Температура смеси в реакторе составляла 90 °С, а время контактирования — 29 мин. Вытекающий из реак­тора продукт содержал 0,5% гидроперекиси. При разгонке реакционной смеси было получено 1510 вес. частей твердого фенола, что соответствовало выходу 86% от теоретического.

Фирма «BergwerkgeselschaftHiberniaAG» рекомендует проводить процесс разложения гидроперекиси изопропилбензола в центробежном насосе с использованием в качестве тепло­носителя серной кислоты при температуре около 30°С, причем отношение объема раствора гидроперекиси к кислоте составляет 1: 14—20. Благодаря высокой степени перемешивания реакцион­ной смеси в насосе гидроперекись полностью разлагается, хотя смесь остается в насосе только короткое время. Размешивание можно интенсифицировать применением ультразвука, благодаря которому повышается также скорость реакции. В патенте ука­зывается, что при таком способе разложения не образуется по­бочных продуктов. Серная кислота, используемая в процессе, одновременно служит для поддержания температуры реакции в пределах 28—38°С. Продукты разложения гидроперекиси отличаются высокой степенью чистоты, что является важным условием для их выделения в чистом виде. Ниже приводится описание схемы предлагаемого патентом процесса (рис. 3).

Сборник 9заполняют смесью, состоящей из 50% серной кис­лоты и 50% ацетона; смесь готовят прибавлением ацетона к серной кислоте до тех пор, пока плотность смеси не станет рав­ной 1,325 г/см3при 15°С. Температура смеси, прокачиваемой через систему, поддерживается в пределах 20 °С при помощи холодильной установки 1. Гидроперекись изопропилбензола из сборника 3 подают через холодильник 2 в реактор, представ­ляющий собой центробежный насос 5, в котором смесь допол­нительно может быть перемешана путем применения ультра­звука. Насос имеет емкость около 5 л и вращается со скоростью 1400 об/мин. За 1 ччерез насос проходит 30 м3реакционной жидкости. Рекомендуемое объемное соотношение серной кисло­ты и гидроперекиси 14: 1. Смесь из насоса 5 поступает в холо­дильник 4, где отводится тепло реакции. Охлажденная смесь поступает в сосуд 6, снабженный мешалкой и охлаждающим устройством. После дополнительного перемешивания и охлаж­дения в сосуде 6смесь направляют в первый разделитель 7, откуда отделившаяся серная кислота стекает через холодиль­ник 8в сборник 9. Углеводородный слой из сосуда 7 поступает во второй разделитель 10для окончательного отделения остат­ков серной кислоты. Свободный от кислоты углеводородный слой подают из сосуда 10в нейтрализатор 11, а оттуда — на ректификацию для выделения целевых продуктов. Указывают, что по этому методу получают с высокими выходами очень чистые фенолы и кетоны. В качестве иллюстрации приводитсяследующий пример. Был взят продукт окисления, содержащий 41% гидроперекиси изопропилбензола. При количественном разложении в реакционной смесидолжно было бы содержаться 23,8% фенола и 15,7 % ацетона. Фактически смесь состояла из 23,8 % фенола и 15,2 %, т. е. выход фенола составил 94% и ацетона 97% от теоретического (считая на гидроперекись бензоила).

/>

Рис. 3. Принципиальная схема процесса кислотного разложения гидроперекиси изопропилбензола с центробежным насосом в ка­честве реактора:

1—холодильная установка; 2, 4, 8—холодильники; 3—сборник концентрированной гидроперекиси; 5— центробежный насос-реактор; 6—аппарат с мешалкой; 7, 10— разделительные сосуды; 9—сборник смеси серной кислоты и ацетона; 11—ней­трализатор.

С целью уменьшения количества побочных продуктов, об­разующихся при совместном получении фенола и ацетона, по­явились предложения о проведении кислотного разложения гидроперекиси изопропилбензола в присутствии перекиси водо­рода. Сущность этих предложений заключается в том, что присутствующий в качестве примеси в технической гидропере­киси диметилфенилкарбинол образует с перекисью водорода гидроперекись, которая вместе с основным количеством гидро­перекиси разлагается на фенол и ацетон. Возможность такого превращения диметилфенилкарбинола в фенол и ацетон впер­вые была показана Карашем с сотр. в 1950 г.

Росс и Хуттель показали, что диметилфенилкарбинол, со­держащийся в технической гидроперекиси изопропилбензола, путем обработки последней перекисью водорода в присутствии серной кислоты при низкой температуре (5—10 °С) можно превратить в гидроперекись. Однако при таком способе разложе­ния технической гидроперекиси изопропилбензола возможно образование димерной перекиси ацетона, являющейся сильным взрывчатым веществом. Кроме того, вследствие сравнительно больших расходов относительно дорогой (по сравнению с де­шевым фенолом, получаемым по кумольному методу) перекиси водорода указанный способ вряд ли может представлять про­мышленный интерес.

4.3Установление технологических и конструкционных параметров ХТС, технологических параметров режима и потоков

Реакция кислотного разложения гидроперекиси изопропил­бензола на фенол и ацетон очень экзотермична: средний теп­ловой эффект процесса составляет ~ 308×103кДж/кмоль( ~ 74 ккал/моль) или 2080 кДж/кггидроперекиси ( ~ 486 ккал/кггидроперекиси). Энергия активации, найденная для технической гидроперекиси, E= 75420 кДж/моль(18 000 кал/моль).

Скорость реакции разложения сильно меняется в зависи­мости от количества и концентрации кислоты. В случае при­менения 10%-ного раствора серной кислоты для полного раз­ложения гидроперекиси требуется около 1 ч, тогда как в присутствии 1%-ного раствора кислоты — 5 ч,а при примене­нии 94—96%-ной серной кислоты в количестве 0,1% от веса гидроперекиси — менее одной минуты.

Сообщают, что при подаче газообразного сернистого анги­дрида в сосуд, содержащий несколько граммов чистой гидро­перекиси изопропилбензола, происходил взрыв. Даже при очень низких температурах сернистый ангидрид все еще сохраняет свою активность. При добавлении гидроперекиси по каплям к жидкому SО3при —55 °С через некоторое время происходил сильный взрыв вследствие недостаточного отвода тепла из реакционной массы.

Кинетика реакции кислотного разложения гидроперекиси изопропилбензола была исследована П. Г. Сергеевым, М. С. Немцовым и Б. Д. Кружаловым, которые установили, что скорость реакции находится в сложной зависимости от концен­трации кислоты три ее значениях меньше 0,01%. При Концен­трациях кислоты выше 0,01% константа скорости пропорцио­нальна содержанию кислоты. Скорость реакции разложения увеличивается также с ростом температуры.

При кислотном разложении гидроперекиси изопропилбензо­ла очень важно поддерживать определенный температурный режим, так как при увеличении температуры выше определен­ного предела выход фенола и ацетона снижается. Существенным является также протекание вторичных реакций при кислотномразложении гидроперекиси. Очевидно, что для понижения вы­хода побочных продуктов необходимо снижать концентрации фенола и диметилфенилкарбинола в смеси, а также уменьшать время их пребывания в присутствии серной кислоты в реак­ционной зоне.

Перечисленные особенности кислотного разложения гидро­перекиси и определяют технологическое оформление этого процесса.

    продолжение
--PAGE_BREAK--

Разложение проводят при низких начальных концентрациях гидроперекиси в реакционной смеси таким образом, чтобы обе­спечивался полный распад гидроперекиси за один проход. При высоких концентрациях гидроперекиси незначительное колеба­ние режима может вызвать неконтролируемое спонтанное раз­ложение ее с выделением такого количества тепла, которое нельзя отвести в системе охлаждения реактора; это может при­вести к взрыву вследствие мгновенного испарения реакционной смеси. При неполном разложении за один проход гидропере­кись будет распадаться на следующих стадиях процесса, что вызывает ее потери за счет термического распада и нежела­тельно по соображениям техники безопасности. Высокая экзотермичность реакции обусловливает необходимость создания эффективной системы отвода тепла.

Практически процесс можно осуществлять как в адиабати­ческих, так и изотермических условиях. Оформление процесса в адиабатическомреакторесводится к следующему. По реак­ционной системе, состоящей из реактора и холодильника, цир­кулирует какой-либо разбавитель, к которому перед входом в аппарат добавляют серную кислоту и гидроперекись изопропил­бензола. За счет тепла реакции смесь нагревается от начальной температуры t1до заданной предельной температуры t2. Оче­видно, что степень тепловыделения и нагрева реакционной смеси определяется количеством гидроперекиси, вводимой на единицу веса жидкости, циркулирующей в системе.

Смесь из реактора поступает в холодильник, где охлаж­дается до начальной температуры t2 после чего часть ее, соот­ветствующая количеству гидроперекиси, поданной на разложе­ние, выводится из системы, а оставшаяся часть возвращается на циркуляцию. Как уже говорилось, в качестве реакционной среды может быть использована либо разбавленная серная кислота, легко отстаивающаяся от продуктов разложения гид­роперекиси и возвращаемая в производственный цикл, либо собственно смесь продуктов разложения гидроперекиси.

4.4Модели рассматриваемой ХТС

Химическая схема

Кислотное разложение гидроперекиси изопропилбензола протекает по следующей схеме:

/>

4.5 Функциональная модель ХТС

* — Гидроперекись и серная кислота в соотношении 1: 14.

** — Фенол и ацетон.

4.6 Структурная модель ХТС

1. Холодильник

2. Центробежный насос

3. Холодильник

4. Аппарат с мешалкой

5. Разделитель

6. Холодильник

7. Разделитель

8. Нейтрализатор.

4.8 Технологическая модель ХТС

/>

1, 3, 7 — холодильники; 2 — сборник концентрированной гидроперекиси; 4 — центробежный насос-реактор; 5 — аппарат с мешалкой; 6, 9 — разделительные сосуды; 8 — сборник смеси серной кислоты и ацетона; 10 — ней­трализатор.

Описание технологической схемы.

Гидроперекись изопропилбензола из сборника 2подают через холодильник 1в реактор, представ­ляющий собой центробежный насос 4, в котором смесь допол­нительно перемешивается путем применения ультра­звука. Смесь из насоса 4поступает в холо­дильник 3, где отводится тепло реакции. Охлажденная смесь поступает в сосуд 5, снабженный мешалкой и охлаждающим устройством. После дополнительного перемешивания и охлаж­дения в сосуде 5смесь направляют в первый разделитель 6, откуда отделившаяся серная кислота стекает через холодиль­ник 7в сборник 8. Углеводородный слой из сосуда 6 поступает во второй разделитель 9для окончательного отделения остат­ков серной кислоты. Свободный от кислоты углеводородный слой подают из сосуда 9в нейтрализатор 10, а оттуда — на ректификацию для выделения целевых продуктов.

5. Анализ ХТС

Реакционная масса, полученная в результате разложения гидроперекиси изопропилбензола, представляет собой довольно сложную смесь. Кроме фенола и ацетона, она содержит диметилфенилкарбинол, ацетофенон, α-метилстирол, окись мезитила, ацетальдегид, изопропилбензол, кислотные катализаторы, при­меси органических кислот и следы других примесей.

Первой стадией процесса выделения фенола и ацетона из этой смеси является нейтрализация кислот более сильных, чем фенол. Методы дальнейшей очистки бывают различными и за­висят от того, проводилось ли разложение гидроперекиси в гетерогенной или гомогенной среде. Шервуд указывает, что при гомогенном разложении во время последующей нейтрализации образуется небольшой водный слой, в котором содержание фе­нола и ацетона сравнительно невелико. В процессе нейтрали­зации, особенно -при гомогенном процессе, осаждается сульфат натрия, что вызывает небходимость фильтрации смеси.

Процесс обработки реакционной смеси, полученной при гетерогенном разложении гидроперекиси изопропилбензола, был разработан фирмой «DistillersCompanyLimited». Первая стадия этого процесса состоит в отгонке ацетона. Кубовый оста­ток из отгонной колонны экстрагируют водой при 75—90°С (весовое соотношение вода: сырой продукт составляет около 6). Эта экстракция обеспечивает выделение основной массы фено­ла и около 0,25части ацетофенона. Изопропилбензол в рафинате освобождается от ацетофенона перегонкой, а от α-метилстирола — гидрированием в мягких условиях. После такой очистки изопропилбензол можно снова направлять на окисление.

Водный слой экстрагируют бутилацетатом, в результате чего извлекают 99% содержащегося в нем фенола; ацетофенон остается в водном растворе. Некоторое количество бутилацета-та регенерируют перегонкой из водной среды, в которой его кон­центрация составляет 0,5%. Содержание фенола в бутилацетатном слое составляет около 40%. Растворитель регенерируют перегонкой, после чего остаются фенол и ацетофенон, последний в количестве примерно 1,5%. В процессе окончательного фракционирования фенол получается в технически чистом виде и практически не содержит ацетофенона. Степень выделения фенола, образующегося при разложении, составляет около 95%.

Для выделения целевых продуктов, получаемых в процессе разложения, гомогенизируемого ацетоном, попользуют много­ступенчатую перегонку. Вначале отбирается в качестве дистил­лята ацетон; изопропилбензол и α-метилстирол выделяются во второй колонне, где выгодно применять отгонку паром из щелочного раствора. Кубовый остаток из второй колонны под­вергают фракционированию и фенол, собранный в виде дистил­лята, кристаллизуют для получения кондиционного продукта. Кубовый остаток фенольной колонны состоит в основном из ацетофенона, который можно выделить и очистить.

Указывают, что в процессах такого типа соль, растворяю­щаяся в органическом слое во время нейтрализации, выкри­сталлизовывается в отгонных колоннах и коммуникациях, что вызывает серьезные затруднения при эксплуатации. Однако этого можно избежать, смешивая перед нейтрализацией продукт разложения с равным объемом воды. Нейтральная смесь от­стаивается, водный слой перегоняют для отделения в виде дистиллята фракции, состоящей главным образом из воды и неко­торого количества фенола и ацетона. Эта фракция возвращает­ся на промывку. Углеводородный слой фракционируют для выделения ацетона и фенола в соответствии с приведенной ниже схемой технологического процесса (рис. 4).

Наиболее широкое распространение получил способ гомо­генного разложения гидроперекиси с применением малых ко­личеств серной кислоты. В этом случае процесс разделения реакционной смеси проводят следующим образом (рис. 5).

Разложенная гидроперекись после нейтрализации ще­лочью подается насосом 2из сборника 1 на ректификацию вколонну 3для отгонки ацетона-сырца. Для снижения темпера­туры в кубе колонны смесь перед ректификацией в ряде слу­чаев разбавляют водой. Ацетон-сырец поступает на ректифи­кацию в колонну 10, в которую подают также водный раствор щелочи для осмоления альдегидов. Товарный ацетон собирают в емкость 12.Удаление альдегидов при получении товарного ацетона возможно и путем ректификации ацетона-сырца в не­сколько стадий.

/>

Рис. 4. Принципиальная схема процесса выделения фенола и ацетона, разработанная фирмой «Distillers Company Limited».

/>

/>

Рис. 5. Принципиальная схема процесса разделения продуктов разложения кислотного гидроперекиси изопропилбензола

1—сборник разложенной гидроперекиси; 5, 7, 23—центробежные насосы; 3—ректификационная колонна для отгонки ацетона-сырца; 4, 9, 15, 19, 24—кипятильники; 5, 11, 17, 21, 26—дефлегматоры; 6, 14, 18—конденсаторы; 8—мерник раствора едкого натра; 10—ректификационная колонна для выделения товарного ацетона; 12—сборник товарного ацетона; 13, 27—холодильники; 16—ректифи­кационная колонна для отгонки фенола-сырца; 20—ректификационная колонна для отгонки а метилстирола; 22—разделительный сосуд; 25—ректификационная колота для выделения товарного фенола; 28—сборник товарного фенола; 29—вакуум-насосы. I—вода; II—гре­ющий пар; III—охлаждающий рассол; IV—отходы на переработку.

Кубовый остаток колонны 3, состоящий главным образом из фенола с примесями а-метилстирола, ацетофенона, диметил­фенилкарбинола, воды и смолы, подвергают разгонке в колон­не 16; здесь отгоняется в вакууме от диметялфанилкарбинола и смолы фенольная фракция. Кубовой остаток направляют на дальнейшую -переработку, а дистиллят, состоящий из фенола, а-метилстирола, ацетофенона и воды, разгоняют в колонне 20. Эта колонна предназначена для отделения а-метилстирола от фенола, и от четкости ее работы во многом зависит качество товарного фенола, поскольку малейшие примеси а-метилстиро­ла снижают температуру застывания фенола, делая его некон­диционным. В качестве дистиллята из колонны 20 отбирают, гетероазеотропную смесь: фенол — а-метилстирол—вода. После расслоения смеси в сосуде 22 водный слой возращают на оро­шение колонны, а органический слой направляют на щелочную экстракцию для выделения фенола через фенолят натрия.

    продолжение
--PAGE_BREAK--

Дальнейшее выделение фенола можно производить двумя методами. По одному из них разгонку в колонне 20 осущест­вляют таким образом, что вся вода отгоняется с дистиллятом, а свободный от воды кубовый остаток направляется на окон­чательную ректификацию в колонну 25, где сверху отбирается товарный фенол. Другой метод более сложен, однако обеспе­чивает получение фенола самого высокого качества. В этом случае в колонне 20 отгоняется часть воды, а другая ее часть остается в кубовой жидкости, которую подвергают разгонке в дополнительной колонне (на схеме не показана), где сверху отбирается незначительное количество азеотропной смеси фе­нол—вода; кубовый остаток подают на окончательную разгон­ку в колонну 25.

Для уменьшения потерь продуктов (вследствие выделения смол), а также во избежание термической дегидратации диме­тилфенилкарбинола с образованием а-метилстирола в кубах колонн ректификацию в колоннах 16,

5.1 Иерархическая структура ХТС

/>

5.3Изучение свойств и эффективности функционирования ХТС

Изопропилбензол (кумол) С6Н5СН(СН3)2, молекулярная масса 120,20; бесцветная жидкость с запахом бензола; Тпл. — 96 °С, т. кип. 152,4°С, 38,2°С/10 мм рт. ст.; d420 0,8618; nD20 1,4915; давление пара (в кПа): 1 (33,22 °С), 20 (99,08 °С), 80 (143,5 °С); h 0,791 мПа×с (20°С), 0,612 мПа×с (40°С); γ 28,2 мН/м (20°С); tкрит 351,4°С, ркрит 3220 кПа; С0р 197 Дж/(моль.К); DH0исп 367 кДж/кг (25 °С), ΔH0обр -41,3 кДж/моль (25 °С); смешивается с этанолом, диэтиловым эфиром, ацетоном, бензолом, хлороформом; р-римость в воде менее 0,01% (20 oC). Изопропилбензол — типичное ароматическое соединение (легко алкилируется, хлорируется, сульфируется, нитруется в ядро). В промышленности изопропилбензол получают каталитическим алкилированием бензола пропиленом; реакция осложняется последовательным введением алкильных радикалов в образовавшийся И. вплоть до получения гексаизопропилбензола. В способе производства изопропилбензол, осуществленном в РФ, катализатором алкилирования служит хлоралюминиевый каталитический комплекс (АlСl3 с НСl и алкилароматическим углеводородом). Процесс осуществляют при 100-130°С (давление определяется т-рой), мольное соотношение бензол: пропилен (с учетом возвращаемых в реакцию полиалкилбензолов) составляет 3:3,5. Полученный изопропилбензол отмывают от катализатора последовательно 17-25%-ным раствором АlСl3, 3-5%-ным раствором NaOH и водой, подвергают ректификации. Расход бензола и пропилена на производство 1 т И. составляет 0,692 и 0,372 т соотв., АlСl3 — 5,5кг. Недостаток метода — необходимость использования коррозионностойкого оборудования. Все большее промышленное использование находит гомофазное алкилирование в присутвии растворимых количеств хлоралюминиевого каталитического комплекса. В этом методе упрощается технологическая схема процесса, возрастает скорость реакции, уменьшается коррозионная активность реакции среды и снижается выход побочных продуктов. За рубежом для производства И. используют фосфорнокислотные катализаторы на твердом носителе — глине, кизельгуре, силикагеле или алюмосиликате. Процесс осуществляют при температуре около 200 °С и давлении 2,8-4,2 МПа. Чтобы предотвратить дезактивацию катализатора, в реакционную зону вводят воду (0,06-0,08% по массе от массы сырья). С целью сокращения образования полиалкилбензолов процесс ведут при мольном соотношении бензол: пропилен, равном 10:1. Выход изопропилбензола 96-97% в расчете на бензол и 91-92% в расчете на пропилен. Применяют изопропилбензол для производства главным образом фенола и ацетона (через кумилгидропероксид) и α-метилстирола, а также как добавку к авиационным бензинам, повышающую октановое число, Твсп. 38 °С, КПВ 0,88-6,5%. При ингаляции вызывает острые и хронические поражения кроветворных органов (костного мозга, селезенки).

Ацетон (от латинского acetum — уксус) (2-пропанон, диметилкетон) СН3СОСН3, мол. м. 58,079; летучая бесцветная жидкость с характерным запахом; Тпл. — 94,6°С, Ткип. 56,1 °С; d420 0,7920, nD201,3588; η 0,36 мПа×с (10°С), 0,30 мПа×с (30 С); γ 0,0237 Н/м (20°С); tкрит 235,5°С, pкрит 4,75 МПа; С°р 749,3 Дж/(кмоль×К); ΔH°исп 29,1 кДж/моль (56,1 °С), ΔН°сгор -1787кДж/моль, ΔН°обр — 216,5 кДж/моль (газ; 25°С) и — 248 кДж/моль (жидкость). Смешивается с водой и органическими растворителями, например эфиром, метанолом, этанолом, сложными эфирами. Ацетон обладает всеми химическими свойствами, характерными для алифатических кетонов. Образует кристаллические соединения с гидросульфитами щелочных металлов, напр. с NaHSO3 — (CH3)2C(OH)SO3Na. Только сильные окислители, например щелочной раствор КМnО4 и хромовая кислота, окисляют ацетон до уксусной и муравьиной кислот и далее — до СО2 и воды. Каталитически восстанавливается до изопропанола, амальгамами Mg или Zn, а также Zn с СН3СООН — до пинакона (СН3)2С(ОН)С(ОН)(СН3)2. Атомы водорода легко замещаются при галогенировании, нитрозировании и т.п. Действием хлора и щелочи ацетон превращается в хлороформ, который взаимодействуя с ацетоном с образованием хлорэтона (СН3)2С(ОН)СС13, применяемого как антисептик. Ацетон окисляет вторичные спирты в присутствии алкоголятов А1 до кетонов (реакция Оппенауэра):

/>

Вступает в альдольную конденсацию с образованием диацетонового спирта (СН3)2С(ОН)СН2СОСН3, а также в кротоновую конденсацию с образованием окиси мезитила (СН3)2С=СНСОСН3, форона (СН3)2С=СНСОСН=С(СН3)2и мезитилена. В присутствии сильной минеральной кислоты ацетон алкилирует фенол с образованием дифенилолпропана (бисфенола ацетона) (НОС6Н4)2С(СН3)2, присоединяет цианид-ион с образованием ацетонциангидрина (CH3)2C(OH)CN. При пиролизе (700°С) ацетон образуются кетен СН2=С=О и метан. В промышленсти ацетон получают преимущественно так назеваемым кумольным способом одновременно с фенолом из бензола и пропилена через изопропилбензол (кумол) по схеме, рассмотренной подробнее выше:

/>

Ацетон — широко применяемый растворитель органических веществ, в первую очередь нитратов и ацетатов целлюлозы; благодаря сравнительно малой токсичности он используется также в пищевой и фармацевтической промышленности; ацетон служит также сырьем для синтеза уксусного ангидрида, кетена, диацетонового спирта, окиси, мезитила, метилизобутилкетона, метилметакрилата, дифенилолпропана, изофорона и многих других соединений. Для ацетон Твсп. -20°С, Тсамовоспл. 500°С; КПВ 2,15-13,00%. Ацетон при вдыхании накапливается в организме. Т.к. выводится из организма медленно, возможны хронические отравления. ПДК 200 мг/м3.

6.Заключение

В процессе производства применяются токсичные вещества, оказывающие вредное влияние на обслуживающий персонал и окружающую среду. Это исходные компоненты для синтеза – серная кислота и гидроперекись изопропилбензола и основные продукты синтеза – ацетон и фенол.

Серная кислота — чрезвычайно агрессивное вещество. Она поражает дыхательные пути, кожу, слизистые оболочки, вызывают затруднение дыхания, кашель, нередко — ларингит, трахеит, бронхит и так далее. ПДК аэрозоля серной кислоты в воздухе рабочей зоны 1,0 мг/м3, в атмосферном воздухе 0,3 мг/м3(максимальная разовая) и 0,1 мг/м3(среднесуточная). Поражающая концентрация паров серной кислоты. 0,008 мг/л (экспозиция 60 мин), смертельная 0,18 мг/л (60 мин). Класс опасности 2. Аэрозоль серной кислоты может образовываться в атмосфере в результате выбросов хим. и металлургических производств, содержащих оксиды S, и выпадать в виде кислотных дождей. Изопропилбензол — при ингаляции вызывает острые и хронические поражения кроветворных органов (костного мозга, селезенки)

Фенол вызывает нарушение функций нервной системы, дыхания и кровообращения, раздражает слизистые оболочки дыхательных путей и глаз, вызывает ожоги при попадании на кожу. ПДК в атмосферном воздухе 0,003 мг/м3, в воздухе рабочей зоны 0,3 мг/м3, в воде водоемов рыбохозяйственного и хозяйственно-бытового пользования 0,001 мг/л. ЛД50 427 мг/кг (мыши, внутрижелудочно). Ацетон при вдыхании накапливается в организме. Т.к. выводится из организма медленно, возможны хронические отравления. ПДК 200 мг/м3. Для снижения экологической напряжённости производства применяется регенерация серной кислоты, позволяющая снизить отходы производства. В цехах должны быть реализованы эффективные системы приточно-вытяжной вентиляции для обеспечения безопасных условий работы персонала.

Химическая наука и химическая промышленность в настоящее время являются одними из ведущих отраслей, которые обеспечивают научно технический прогресс в обществе. Интенсивный рост данной отрасли требует создания мощной производственной базы в области основных растворителей и крупнотоннажных реагентов.

В данной работе приведён критический анализ разнообразных способов получения ацетона. Выбрана оптимальная технологическая схема. Проведена оценка экологической безопасности производства.

Благодаря тому, что в рассмотренной схеме серная кислота работает в замкнутом цикле, снижается экологическая напряжённость процесса. Таким образом в курсовой работе разработана технологическая модель являющаяся прогрессивной, экономически эффективной и экологически безопасной.

7.Список использованных источников

1. Кутепов А. М., Бондарева Т. И., Беренгартен М. Г. Общая химическая технология. М.: Высшая школа, 1990. 520 с.

2. Общая химическая технология / Под ред. И. П. Мухлёнова М.: Высшая школа, т 1, 2. 1984, 419 с.

3. Расчёты химико-технологических процессов / Под ред. И. П. Мухлёнова, изд М.: Химия. 1982, 245 с.

4. Бесков С. Д. технологические расчёты. М.: Высшая школа,1966, 519 с.