КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ2. 1. Промышленное производство окиси пропилена. Существует два основных промышленных способа получения окиси пропилена: Метод получения окиси пропилена путем присоединения хлорноватистой кислоты к пропилену, впервые подробно описанный Марковниковым, до сих пор является самым распространенным. Мольне соотношение а – и p-пропиленхлоргидринов составляет 9 : 1. В результате воздействия элементарного хлора на пропилен и хлоргидрин в качестве побочных продуктов образуются дихлор – пропан и дихлордиизопропиловый эфир: Поскольку присоединение хлора идет значительно быстрее, чем присоединение хлорноватистой кислоты, нужно по возможности подавлять реакцию хлора с пропиленом. Для этого взаимодействие хлора с водой следует проводить в отдельной колонне. Собственно хлоргидринирование происходит в следующей второй колонне. Большое значение имеет хороший контакт между жидкой фазой и углеводородом. Целесообразно выбрать двухкамерную установку. [Н.А. Платэ и др, 335 с] Недиссоциированная кислота всегда присоединяется по двойной связи. В присутствии буферного бората (рН = 10) хлоргидрин практически не образуется, между тем как в кислой среде (рН = 4,7) наступает хлоргидринирование. Увеличение диссоциации равносильно уменьшению выхода хлоргидрина. Так как степень диссоциации слабых кислот возрастает пропорционально температуре, то хлоргидринирование при повышенных температурах идет, в принципе, хуже. Константа диссоциации НОСІ при 25°С равняется 1,05-10’7. Если определить с помощью термодинамических характеристик показатель константы диссоциации для 65°С, то можно установить изменение только на одну десятую степени, которое так мало, что не имеет практического значения. По теории реакция взаимодействия должна проходить с образованием 1 моль хлоргидрина на 1 моль НС1. Однако аналитическое исследование процесса свидетельствует о избытке соляной кислоты. Соотношение пропиленхлоргидрина и соляной кислоты зависит от температуры и концентрации хлоргидрина, соотношения пропилен: хлор, концентрации пропилена в исходном газе и от аппаратурного оформления процесса. С повышением температуры растет избыточное количество соляной кислоты, которое может достигнуть, например, при 75—80°С примерно 50%. При 40°С избыток колеблется в пределах 6—10% при концентрации пропиленхлоргидрина 50 г/л. Омыление пропиленхлоргидрина происходит так же, как омыление этиленхлоргидрина, однако оно протекает примерно в 20 раз быстрее. Уменьшение констант скорости во время реакции обмена можно объяснить протеканием вторичных реакций. Действительно, окись пропилена реагирует с образованием промежуточного соединения, которое затем медленнее омыляется. Это нужно учитывать при промышленном производстве и быстро удалять образовавшуюся окись пропилена из реакционного раствора. При промышленном получении процесс лучше всего идет в реакторе с двойной камерой, который применяется для превращения этиленхлоргидрина. При сравнимых рабочих условиях выход в таком реакторе составляет 87,5% пропиленхлоргидрина с одновременным образованием 11,0% пропилендихлорида и 1,5% ди – хлордиизопропилового эфира. В противоположность этому реактор с одной камерой дает только 69,2% продукта, одновременно 21,6% прореагировавшего пропилена высаждается в виде пропилендихлорида, а 9,2% превращается в дихлордиизопропиловый эфир. Это свидетельствует о несомненном превосходстве двухкамерной системы для процесса превращения пропилена в хлоргидрин. В первой камере такой установки хлор растворяется вместе с подаваемой свежей водой в циркулирующем пропиленхлоргидрине, разбавленном водой. После введения хлора- смесь подается во вторую камеру, где попадает в поток пропилена, и реакция заканчивается. При хлоргидринировании пропилена нельзя избежать образования побочных продуктов, так как в растворе хлоргидрина наряду со свободной НОСІ имеются еще свободные НС1 и С12. Реагируя с пропиленом, С12 вызывает образование 1,2-дихлорпропана, а в результате реакции с пропиленхлоридрином получается дихлордиизопропиловый эфир. Как и в случае этиленхлоргидрина, для подавления побочных реакций желательно работать при температуре ниже 50—60 °С. При этих условиях этилендихлорид можно в значительной степени вывести из верха колонны газовым потоком и предотвратить образование второй фазы в реакторе. При реакции превращения пропилена более тяжелый дихлорид не позволяет работать с чистым пропиленом. Тем не менее, дихлорид можно отогнать во время реакции обмена при 50—60 °С, использовав поток углеводорода, содержащий более 45% пропилена. Не вступивший в реакцию газ содержит инертные газы: метан, этан, пропан или азот. При начальном контакте с пропиленовым потоком водная фаза должна содержать не более 0,5 г/л хлора. Концентрация самого раствора хлоргидрина также не должна значительно повышаться, так как это способствует протеканию побочных реакций (рис. 1, 2). Из этого следует, что концентрацию продукта нельзя привести к экономическому показателю при однократном прохождении через аппарат и приходится использовать вышеописанную циркуляционную систему. Концентрация пропиленхлоргидрина на выходе из реактора влияет на конечный результат в гораздо большей степени, чем при реакции обмена этилена. При 45°С и концентрации хлора 0,15 г/л в случае с пропиленом получается 97% качественного продукта. 1— 1 г/л хлора, 45 оС; 2 — 0,15 г/л хлора,45 оС; 3 — 1 г/л хлора, 35 оС; 4 — 0,15 г/л хлора, 35 оС; Рисунок 1 — Влияние избытка HCl на образование пропиленхлоргидрина
1— 0,15 г/л хлора, 35 оС; 2 — 0,15 г/л хлора,45 оС; 3 — 1 г/л хлора, 35 оС; 4 — 1 г/л хлора, 345 оС; Рисунок 2 — Зависимость выхода пропиленхлоргидрина в пересчете на Cl2 от конечной концентрации пропиленхлоргидрина Общая концентрация пропиленхлоргидрина ниже 5 г/л. При концентрации пропиленхлоргидрина 50 г/л выход снижается до 89,5%, а при 70 г/л выход примерно на 7%- ниже теоретически вычисленного (87%). Понижение, температуры до 35°С приводит к незначительному увеличению выхода. Дальнейшее уменьшение температуры не повышает выхода, а при 15°С наблюдаются потери продукта из-за затруднений с аппаратурным оформлением. Омыление пропиленхлоргидрина в окись пропилена происходит в основном аналогично образованию окиси этилена. Однако здесь можно использовать только известковое молоко, содержащее не более 1% MgO, иначе – будет преобладать образование пропионового альдегида. Скорость образования окиси пропилена значительно ниже (примерно в 10 раз), чем при производстве окиси этилена. Однако показано, что образование пропилена в основном замедляется присутствием продукта в реакционной среде. Поэтому для ускорения реакции необходимо максимально быстро выделять продукт из системы по мере его образования. [Андреас Ф., Гребе К.,1973. – 70-86 с.] Обзор лабораторных опытов по получению пропиленхлоргидрина сделан Мейем и Франке. Необязательно использовать чистый пропилен для хлоргидринирования, даже лучше разбавлять его пропаном. Предложен способ проведения реакции пропилена с хлором даже в 20—80%-ной серной кислоте при 10—И °С. Окись пропилена можно получать и совместным хлоргидриниро – ванием этилена и пропилена, так как образующийся пропиленхлоргидрин омыляется в известковом молоке примерно в 20 раз быстрее, чем этиленхлоргидрин. Показатель рН имеет решающее значение для направленного отщепления НС1 от пропиленхлоргидрина. При рН = 9 – f – 12 образуется окись пропилена, при рН = 9 -4- 7 — пропиленгликоль, в очень кислой среде — ацетон. Увеличение мольного соотношения Са(ОН)2 : окись пропилена от 1 : 1 до 2 : 1 повышает выход пропиленгликоля, уменьшает выход окиси пропилена и не влияет на выход карбонильных соединений. Оптимальные параметры производства окиси пропилена приведены ниже:
При этих условия выход продуктов реакции составляет (в мол %): Окись пропилена – 91; Пропилен гликоль – 7; Карбонильные соединения – 2. Схема получения окиси пропилена методом хлор – гидрирования показана на рисунке 3. Для получения хлорноватистой кислоты в нижнюю часть колонны 3 с кислотостойкой облицовкой вводят газообразный хлор. Газообразный пропилен, смешанный в незначительном избытке с циркулирующим газом, подается в другом месте колонны 3. Из колонны часть реакционного раствора отводится для дальнейшей переработки в дегазационную колонну 4 с аналогичной кислотостойкой облицовкой. Большая часть однако циркулирует через перепускное устройство. В верхнюю часть перепускной трубы подается свежая вода в таком количестве, чтобы концентрация хлоргидрина в колонне не превышала 40 г/л, а содержание свободного хлора было не выше 0,3 г/л. 1 — промывная колонна с содовым раствором; 2 — компрессор; 3 — колонна для хлорпикрина; 4 — дегазационная колона; 5 — гидролизёр; 6— дефлегматор; 7 — конденсатор для неочищенной окиси пропилена; 8 — ёмкость для неочищенной окиси пропилена; 9 — тарельчатая колонна; 10 — конденсатор для очищенной окиси пропилена. Рисунок 3 — принципиальная технологическая схема установки по производству окиси пропилена Температура реакции в колонне должна поддерживаться в пределах 40—45 °С. Отходящие с верха колонны 3 и дегазационной колонны 4 непрореагировавшие пропилен и пропан вместе с хлористым водородом, смешанным с дихлорпропаном, направляются под небольшим вакуумом в куб промывной колонны 1, заполнен? ной кольцами Рашига. Подаваемый в верхнюю часть промывной колонны раствор соды нейтрализует реакционную смесь и одновременно поглощает дихлорпропан. Нейтрализованная смесь пропан — пропилен возвращается через компрессор 2 в колонну 3. Для предотвращения накопления инертных газов осуществляется постоянный сброс газа перед подачей циркулирующей газовой смеси на реакцию. Если содержание пропилена в газе, вводимом в колонну 3, не превышает 40 объемн. %, то получают оптимальный результат. Из дегазационной колонны 4 реакционная смесь поступает в гидролизер 5 через перепускное устройство, где добавляется 10-20%- ное известковое молоко. Гидролизер представляет собой горизонт тальный стальной резервуар, снабженный перегородками. В каждую ячейку, образованную перегородками, подается пар и реакционная смесь нагревается до 60—80 °С. При этом происходит моментальное превращение пропиленгидрина в окись пропилена, которая испаряется и вместе с водяным паром и дихлорпропаном поступает в дефлегматор 6, где часть водяного пара конденсируется и возвращается в цикл. В холодильнике 7 дистиллят охлаждается, после чего направляется для хранения в промежуточную емкость 8. В ректификационной колонне 9 с 50 теоретическими тарелками фракционируют сырую окись пропилена. Из верхней части выходит при 34 °С 98 %-ная окись пропилена, а в кубе колонны остаются вода, дихлорпропан с небольшими примесями дихлордиизопропилового эфира, прохшоновый альдегид и пропиленгликоль. Дихлорпропан из куба колонны периодически удаляют осушкой хлоридом кальция. Выход окиси пропилена составляет около 80% по отношению к исходному хлору. Установка работает непрерывно и, несмотря на небольшие размеры аппаратов, имеет высокую производительность. [Андреас Ф., Гребе К., 1973. – 70-86 с.] 2.1.2. Окисление пропилена в жидкой фазе под давлением Первые опыты по прямому окислению пропилена в окись пропилена в жидкой фазе были описаны в 1957 г. в американском патенте. Окислению подвергали либо чистый пропилен при 21,1 кгс/см2 и 175—225 °С, либо смесь пропилена и пропана (1 : 1) при 52,7 кгс/см2 и 160—180 °С в присутствии пропионата марганца, растворенного в бензоле. Во избежание гидролиза окиси пропилена в пропиленгликоль необходимо работать с инертным растворителем. По отношению к израсходованному пропилену выход составил 40% окиси пропилена и 20% пропиленгликоля наряду с кислотами, окисью углерода и метилформйатом. Добавка пропана повышает выход, хорошее действие оказывает также добавка нитробензола, подавляющего полимеризацию во время окисления. В качестве растворителей используют соединения, которые инертны к кислороду и окиси пропилена, не смешиваются с водой и растворяют большие количества пропилена: бензол, изооктан, неопентан, изододекан и т. д. Можно проводить окисление в толуоле при повышенных температурах (210—230°С) при введении водного фосфатного буфера (pH = 6,5). Хорошему окислению пропилена в ароматических углеводородах способствует добавление к реакционной смеси Na2CO3 или K2CO3 для нейтрализации образовавшихся кислот. По первому методу при конверсии 12,5% получают 28,8 мол. % окиси пропилена и 18 мол. % пропиленгликоля наряду с кислотами и эфирами. Для инициирования реакции рекомендуется вводить соединения с карбонильными или карбоксильными группами, например пропионовый альдегид или ацетальдегид. По второму методу, благодаря специальной конструкции реакционной камеры, получают высокую конверсию (94,2%) и высокий выход на единицу объема в единицу времени: 100 г/ч окиси пропилена и 50 г/ч пропиленгликоля. Имамура с сотрудниками провел обширные исследования жидкофазного окисления пропилена. При 145—220°C и давлении 2—10 кгс/см2 нафтенат марганца является наилучшим по селективности катализатором для образования окиси пропилена. Индукционный период сокращают повышением парциального давления кислорода и концентрации пропилена, а также добавкой ранее полученного оксидата. Увеличение температуры реакции оказывает аналогичное действие (продолжительность индукционного периода при 145°С составляет 6 ч, при 220 °С — 1 мин). Окисление протекает по радикальному механизму, обрывают цепь перекисные соединения типа CH2=CH-CH2O2. Ниже 190°С энергия активации составляет 16,1 ккал/моль, выше 190 °С — 0 ккал/моль. Скорость поглощения кислорода не зависит от его парциального давления (при 2—5 кгс/см2) и пропорциональна количеству растворенного в бензоле пропилена в 1,3—1,4 степени, добавка пропана не оказывает никакого влияния. При 10—15%-ной конверсии наивысшую селективность для реакций получения окиси пропилена и пропиленгликоля достигали при давлении 22—30 кгс/см2, получая 700 г окиси пропилена и пропиленгликоля на 1000 г израсходованного пропилена . Пропилен в растворе можно превращать в окись пропилена и без катализатора. На рисунке 4 представлена схема такой установки. В реактор 2, заполненный нагретым до нужной температуры раствором пропилена в углеводороде, вводят кислород или воздух. Выходящая из реактора смесь охлаждается в теплообменнике 3 до 10—20 C 1— подогреватель; 2 — реактор; 3 — теплообменник; 4 — флорентийский сосуд; 5 — экстрактор; 6 — отстойник. Рисунок 4 — принципиальная технологическая схема производства окиси пропилена прямым окислением После теплообменника кислые фракции (жирные кислоты и т. д.), получающиеся при окислении, нейтрализуются водным раствором едкой щелочи. Во флорентийском сосуде 4 водный щелочной экстракт отводится снизу. Верхний слой, содержащий раствор углеводородов, подается в экстрактор 5 для экстрагирования водой при 10— 20°C По меньшей мере 50—70% окиси пропилена и пропиленгликоля поглощается водой. Водный экстракт выводится из экстрактора и фракционируется в колоннах для получения чистой окиси пропилена и пропиленгликоля. Участвовавший в реакции углеводород возвращается через отстойник 6 в подогреватель 1. Таким же образом непрореагировавший газ возвращается в процесс. Все агрегаты установки за исключением ректификационных колонн работают под давлением. Процесс характеризуется следующими параметрами:
Для окисления в жидкой фазе предложены самые различные катализаторы, например разлагающиеся при нагреве соли Со, Cu, Mn, V или Cr с карбонатом или ацетатом свинца илибария в качестве промотора. После 10-минутного окисления при 200 0C и давлении 56 кгс/см2 в бензоле из 465 г пропилена в присутствии таких катализаторов получают следующие количества (в г) окиси пропилена C3H6O и пропиленгликоля C3H6O2:
При окислении под давлением в бензоле рекомендуется добавлять фталоцианин кобальта, никеля и особенно меди (при 175 °С через 10 мин получают 40,1% окиси пропилена и 2,2% пропиленгликоля). пропилена и ацетальдегида при 10Oj0C и 80 кгс/см2 получили следующие результаты:
Окисление пропилена в метилацетате в присутствии ацетальдегида при 200 0C привело к получению 49,4 мол. % окиси пропилена. Ультрафиолетовое облучение и перекисные алкильные и ацильные соединения ускоряют окисление в присутствии ацетальдегида. Добавки перекиси водорода или алкилгидроперекисей в присутствии солей Cu, Мй, Ni или Со также ускоряют окисление. 2.1.3. Окисление пропилена в газовой фазе До сих пор не удалось окислить пропилен в окись пропилена на серебряных катализаторах с таким же хорошим выходом, как в случае превращения этилена в окись этилена. При 130—260 °С и времени контакта 0,6—6 с получали менее чем 0,07% окиси пропилена. Основными продуктами реакции были CO2 и вода. Введение промоторов должно улучшать выход. Для этого рекомендуются добавки CuO к катализатору из Ag2O*, в этом случае при 160—180 °С получается окись пропилена, при повышении температуры — акролеин. Были предложены катализаторы на основе Ag/Au и Ag/Au/Cu. По данным фирмы Farbenfabriken Bayer в окислительный реактор, состоящий из подогревательного устройства, реакционной камеры емкостью 0,8 л и холодильника, при 9 кгс/см2 подают каждый час 20 м3 газовой смеси с содержанием 45 объемн. % пропилена и 5 объемн. % кислорода (остальное составляет преимущественно азот, окись и двуокись углерода). В подогревателе поддерживается температура 280—300 °С, в реакционной камере она повышается до 430—450 °С. В результате реакции окисления содержание кислорода падает до 0,5—1 объемн. %. Выходящая из окислительной печи реакционная смесь охлаждается и промывается водой под давлением. Из оставшихся газообразных фракций, содержащих наряду с пропиленом кислород, азот, окись и двуокись углерода, выделяют окись углерода и превращают ее в двуокись, которую затем удаляют промывкой щелочью. В оставшиеся газы добавляют отработанный пропилен с кислородом, и смесь снова подают через компрессор в окислительный реактор. При дистилляции экстракционной воды при нормальном давлении на 1000 кг израсходованного пропилена получают следующие продукты окисления (в кг): Окись пропилена – 270 Акролеин –73 Окись этилена – 24 Ацетон – 16 Ацетальдегид – 330 Смесь высококипящих в-в. – 62 Пропионовый альдегид – 25 Выход в единицу времени на единицу объема для окиси пропилена составляет–400—450г/(л-ч).
Подобные результаты получают при использовании гидроперекиси кумола (образуется а-метилстирол). Этот метод подробно описан Ланда. Нафтенат …………………………… Mo W Ti Nb Re Ta Конверсия, % ……………………… 97 83 54 22 25 100
|