Синтез и анализ ХТС в производстве ацетона

СИНТЕЗ И АНАЛИЗ ХТС В ПРОИЗВОДСТВЕ АЦЕТОНА Выполнил: студент группы Проверил: 2008 г. 1. Содержание 1. Содержание 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 СН3СОСН3 известен с 1732 г как продукт сухой пе¬регонки 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), ко¬торое позднее было подтверждено синтезом ацетона из цинк-диметила и хлористого ацетила. Долгое время ацетон не имел широкого применения и произ¬водился в небольших масштабах термическим разложением ук¬суснокислого кальция («уксусного порошка»), получаемого при сухой перегонке древесины." Вследствие зарождения и развития химии синтетических ма¬териалов 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 яв¬ляется 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) полу¬чают метилметакрилат, применяемый в производстве органиче¬ского 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 раство¬ритель в производстве автомобильных, авиационных, кабельных, кожевенных и других лаков и эмалей, кинопленок, фотореаген¬тов, целлулоида, ацетатного шелка и т. п. Для химических син¬тезов 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 по¬лучения 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 приме¬няют 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 вы¬рабатывается 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 дегидри¬рованием и неполным окислением (в паровой или жидкой фазе). Каталитическое дегидрирование изопропилового спирта. Ме¬тод каталитического дегидрирования изопропилового спирта в ацетон осуществляется в промышленности США с 1923 г. и по¬лучил 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 аце¬тон при 225 °С составляет 84%, три 325 °С – 97%, при 525 °С – 100%, однако в последнем случае в значительной степени про¬текают побочные реакции. Рис. 1. Принципиальная схема производства ацетона дегидрирова¬нием 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 сме¬шивают в паровой фазе с эквимолекулярным количеством водо¬рода. Реакцию проводят яри 380°С, степень превращения изопропилового спирта составляет 98%. Реактор представляет со¬бой заполненный катализатором трубчатый аппарат, межтруб¬ное пространство которого обогревается топочными газами.

После 10 суток работы требуется регенерация катализатора, так как активность его уменьшается вследствие отложения угле¬рода 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 под¬вергаются фракционированию и азеотропной перегонке для вы¬деления товарного ацетона и безводного изопропилового спирта, снова направляемого на дегидрирование.Водород после промывки от ацетона возвращается на раз¬бавление спирта, а водород, образовавшийся при дегидрирова¬нии, 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 дегидри¬рования изопропилового спирта в жидкой фазе. Катализатором процесса служит суспендированный в исходном спирте никель Ренея, реакцию проводят при 150 °С. В этих условиях достига¬ются 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 се¬ребра, осажденного на пемзе, или серебряной сетки.Темпера¬тура реакции может изменяться в широких пределах (450— 650 °С) и выбирается в зависимости от применяемого катали¬затора, объемной скорости паров спирта и воздуха и других факторов. Перед подачей реагентов в контактный аппарат (рис. 2) изопропиловый спирт испаряют в испарителе-сатураторе, насыща¬ют парами воздуха и перегревают полученную паровоздушную смесь.

Реакция протекает в адиабатических условиях, т. е. теп¬ло, 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 охлаж¬дением контактных газов во встроенном в реактор змеевике.Из контактного аппарата газы поступают в котел-утилиза¬тор, а затем последовательно на «парциальную» конденсацию и водную абсорбцию.

Несконденсировавшиеся газы после аб¬сорбции 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 при¬месей 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 раство¬ра 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, осу¬ществляется с 1957 г. на заводе фирмы «Shell Chemical Со.» 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 окис¬лителя можно применять как воздух, так и кислород.

Реактор должен быть изготовлен из материалов, не разла¬гающих перекись водорода.На окисление подают 89%-ный рас¬твор изопропилового спирта; по достижении концентрации пе¬рекиси водорода 15 – 25% продукт выводится из реактора, раз¬бавляется водой и стабилизируется.

Ацетон и не прореагировавший спирт отгоняют и очищают, перекись водорода концентри¬руют 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 акро¬леина: 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 оки¬си магния и окиси цинка.

Данный процесс, так же как и процесс получения ацетона и перекиси водорода из изопропилового спирта, является состав¬ной 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 2С2Н5ОН + Н2О → СН3СОСН3 + 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 + ЗН2О → СН3СОСН3 + 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 син¬тез ацетона из этилового спирта. Катализатор периодически ре¬генерируют.

При промывке контактных газов водой получают 10%-ный водный раствор ацетона, который подвергают ректи¬фикации. 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 образую¬щейся уксусной кислоты, способность которой превращаться в (СН3)2СО при нагревании с солями металлов (например, с аце¬татом кальция) известна уже давно.

Это обстоятельство использовано для оформления в промыш¬ленном масштабе процесса производства ацетона пропусканием паров уксусной кислоты над окисью церия (осажденной на пемзе) при 400—450 0С и атмосферном давлении: 2СН3СООН → СН3СОСН3 + СО2 + Н2О Выход ацетона достигает 95% от теоретического.Одним из путей получения ацетона в промышленности яв¬ляется 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 ук¬сусная кислота (главный продукт), метилэтилкетон, ацетальдегид, метанол, муравьиная, пропионовая и масляная кислоты и различные лактоны. Недавно была показана возможность синтеза ацетона пря¬мым окислением пропилена в присутствии хлористого палладия.

Сообщают, что пропилен легко превращается в ацетон в тече¬ние 5 мин при 20 °С; выход ацетона составляет 90% от теоре¬тического.

Процесс окисления пропилена, выражаемый суммарным уравнением СН3СН=СН2 + 0.5 О2 → СН3СОСН3.