Курсовая работа: Синтез и анализ ХТС в производстве 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

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 «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 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 0С 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 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

СН3СН=СН2 + 0.5 О2    → СН3СОСН3

протекает в две стадии:

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

б)  Рb + 2НС1 + 0.5 О2         →    Рb С12 + 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.

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: