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

1. Содержание 2

2. Задание

3. Введение

4. 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

5. Анализ ХТС

Представление изучаемого объекта в виде

иерархической структуры ХТС

Построение математической модели ХТС

Изучение свойств и эффективности

функционирования ХТС

6. Заключение

2. Задание

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

3. Введение

Ацетон СН₃ СОСН₃ 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:

СН₃ СН(ОН)СН₃ → СН₃ СОСН₃ + 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 пропусканием через 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 т ацетона расходуется 1,1—1,2 т изопропилового спирта или около 0,9 т пропилена [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

СН₃ СН(ОН)СН₃ + 0,5 О₂ → СН₃ СОСН₃ + Н₃ О + 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 в адиабатических 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» конденсацию и водную абсорбцию. Несконденсировавшиеся газы после аб­сорбции ацетона водой сбрасывают в атмосферу. Промывные воды из скруббера объединяют с конденсатом и направляют на ректификацию.

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 «Shell Chemical Со.» в США [2].

Процесс протекает по схеме

СН₃ СН(ОН)СН₃ + О₂ → СН₃ СОСН₃ + Н₂ О₂

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–СН₂ ОН + 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 «Shell Chemical Со.»:

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

2С₂ Н₅ ОН + Н₂ О--- → СН₃ СОСН₃ + СО₂ + 4Н₂

протекает при взаимодействии паров этилового спирта и воды в 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 + ЗН₂ О → СН₃ СОСН₃ + СО₂ + 2Н₂

проводят пропусканием ацетилена в смеси с избытком водяного пара над катализатором, состоящим из окисей цинка и железа. 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 )₂ СО 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 ⁰ С и атмосферном давлении:

2СН₃ СООН → СН₃ СОСН₃ + СО₂ + Н₂ О

Выход ацетона достигает 95% от теоретического.

Одним из путей получения ацетона в промышленности яв­ляется каталитическое окисление пропан-бутановых смесей при низкой температуре и высоком давлении, осуществленное в США фирмами «Gelanese Corporation of America» и «Warren Petroleum Co.».

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 мин при 20 °С; выход ацетона составляет 90% от теоре­тического.

Процесс окисления пропилена, выражаемый суммарным уравнением

СН₃ СН=СН₂ + 0.5 О₂ → СН₃ СОСН₃

протекает в две стадии:

а) СН₃ СН=СН₂ + РbС1₂ + Н₂ О → СН₃ СОСН₃ + Рb + 2НС1

б) Рb + 2НС1 + 0.5 О₂ → Рb С1₂ + Н₂ О

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.

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:

(С₆ Н₅ )₃ –COOH → (С₆ Н₆ )₃ С=О + С₆ Н₅ ОН

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 ^С С. 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:

С₆ Н₅ (СН₃ )₂ СООН → [С₆ Н₅ (СН₃ )₂ СО]⁺ + (АОН)^— (а)

[С₆ Н₆ (СН₃ )₂ СО]⁺ → [С_в Н₆ -О-(СН₃ )₂ С]⁺ (б)

С₆ Н₅ (СН₃ )₂ СООН + [С₆ Н₅ –О– (СН₃ )₂ С]⁺ →

→ [С_в Н₆ (СН₃ )₂ СО]⁺ + С₆ Н₅ ОН + (СН₃ )₂ СО (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 моль на 1 моль гидроперекиси), 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.

4.2 Определение 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 (2×10³ кДж/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 гетерогенной среде. 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 гомо­генный процесс кислотного 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 в реакторе незначи­тельно.

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 гомогенизатора был разработан фирмами «Hercules Powder Company» (США) и «Distillers Company Limited» (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. % Н₂ PО₄ (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 «Bergwerkgeselschaft Hibernia AG» 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 9 заполняют 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/см³ при 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 ч через насос проходит 30 м³ реакционной 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 6 смесь направляют в первый разделитель 7, откуда отделившаяся серная кислота стекает через холодиль­ник 8 в сборник 9. Углеводородный слой из сосуда 7 поступает во второй разделитель 10 для окончательного отделения остат­ков серной кислоты. Свободный от кислоты углеводородный слой подают из сосуда 10 в 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 приводится следующий 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.

4.3 Установление 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 ~ 308×10³ кДж/кмоль ( ~ 74 ккал/моль) или 2080 кДж/кг гидроперекиси ( ~ 486 ккал/кг гидроперекиси). 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 SО₃ при —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 кислотном разложении 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.

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 адиабатическом реакторе сводится 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 t₁ до 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.

4.4 Модели 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 2 подают через холодильник 1 в реактор, представ­ляющий собой центробежный насос 4, в котором смесь допол­нительно перемешивается путем применения ультра­звука. Смесь из насоса 4 поступает 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 5 смесь направляют в первый разделитель 6, откуда отделившаяся серная кислота стекает через холодиль­ник 7 в сборник 8. Углеводородный слой из сосуда 6 поступает во второй разделитель 9 для окончательного отделения остат­ков серной кислоты. Свободный от кислоты углеводородный слой подают из сосуда 9 в 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 «Distillers Company Limited». 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 0,25 части 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 2 из сборника 1 на ректификацию в колонну 3 для 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.

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

5.3 Изучение свойств и эффективности функционирования ХТС

Изопропилбензол (кумол) С₆ Н₅ СН(СН₃ )₂ , молекулярная масса 120,20; бесцветная жидкость с запахом бензола; Т_пл. - 96 °С, т. кип. 152,4°С, 38,2°С/10 мм рт. ст.; d₄ ²⁰ 0,8618; n_D ²⁰ 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); t_крит 351,4°С, р_крит 3220 кПа; С_0р 197 Дж/(моль.К); DH0исп 367 кДж/кг (25 °С), ΔH⁰ _обр -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, Т_всп. 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) СН₃ СОСН₃ , мол. м. 58,079; летучая бесцветная жидкость с характерным запахом; Т_пл. - 94,6°С, Т_кип. 56,1 °С; d₄ ²⁰ 0,7920, n_D ²⁰ 1,3588; η 0,36 мПа×с (10°С), 0,30 мПа×с (30 С); γ 0,0237 Н/м (20°С); t_крит 235,5°С, p_крит 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 )₂ C(OH)SO₃ Na. 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 СН₃ СООН - до пинакона (СН₃ )₂ С(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 )₂ С(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 )₂ С(ОН)СН₂ СОСН₃ , а также в кротоновую конденсацию с образованием окиси мезитила (СН₃ )₂ С=СНСОСН₃ , форона (СН₃ )₂ С=СНСОСН=С(СН₃ )₂ и мезитилена. В присутствии сильной минеральной кислоты ацетон алкилирует фенол с образованием дифенилолпропана (бисфенола ацетона) (НОС₆ Н₄ )₂ С(СН₃ )₂ , присоединяет цианид-ион с образованием ацетонциангидрина (CH₃ )₂ C(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 Т_всп. -20°С, Т_{самовоспл.} 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.