Синтез и анализ ХТС в производстве ацетона

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

АцетонСН₃СОСН₃ 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 кгмуки можно получить 12 кгn-бутанола, 6 кгацетона и 2 кгэтилового 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:

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 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 тацетона расходуется 1,1—1,2 тизопропилового спирта или около 0,9 тпропилена (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

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 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 вадиабатических 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

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.»: