Синтез и анализ ХТС в производстве ацетона

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

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 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

Страницы: 1, 2, 3, 4