Синтез и анализ ХТС в производстве ацетона (стр. 5 из 6)

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.