Производство уксусной кислоты из ацетальдегида (1022750), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Образующийся гидропероксид может распадаться, причем получающийся метилэтилкетон при дальнейшем окислении дает α-кетогидропероксид:

α-Кетогидропероксид, в свою очередь распадается с образованием уксусной кислоты и ацетальдегида

С целью сокращения индукционного периода окисления первоначально процесс проводился в присутствии солей металлов переменной валентности (СО, Ni и др.), в последнее время чаще это достигается за счет частичного возврата продуктов окисления.

Энергия активации при гомогеннокаталптическом окислении углеводородов в жидкой фазе составляет 50—81 кДж/моль против 105—147 кДж/моль при термическом инициированном окислении.

Снижение периода индукции при добавлении в сырье незначительных количеств продуктов окисления происходит за счет большей их скорости окисления и разложения образующихся гидропероксидов по реакциям, рассмотренным выше.

Критические температура и давление для н-бутана соответственно равны 152 °С и 3,5 МПа. Жидкофазное окисление н-бутана при температуре, близкой к критической, малоэффективно из-за небольшой скорости реакции. Кроме того, очень трудно управлять процессом, так как требуется поддерживать температуру во всем объеме реактора в очень узких пределах. В связи с этим окисление н-бутана проводят в растворе. Наиболее подходящими растворителями оказались уксусная кислота, получаемая в самом процессе, и продукты реакции, возвращаемые в реактор вместе с непрореагировавшим н-бутаном. Раствор н-бутана в такой смеси имеет критическую температуру около 195 °С. Применение других растворителей, например бензола, менее эффективно.

Производство уксусной кислоты окислением н-бутенов

В последние годы в промышленности осуществлено окисление н-бутенов в уксусную кислоту. Процесс разработан фирмой Вауег и отличается высокой селективностью. Селективность окисления достигается путем ослабления центральной связи бутеновой цепочки при превращении смеси н-бутенов во втор-бутилацетат. При окислительном крекинге втор-бутилацетата образуется три молекулы уксусной кислоты, одна из которых возвращается в цикл для образования ацетата:

[CH₂=CHCH₂CH₃]

+CH₃COOH → CH₃CH₂CHCH₃ + 2O₂ → 3CH₃COOH

[CH₃CH=CHCH₃] I

OCOCH₃

Сырьем для такого процесса служит смесь н-бутенов.

Из фракции С₄ газов пиролиза извлекают (обычно экстракцией) бутадиен и 2-метилпропен. Остаток состоит из н-бутенов (~80%) и н-бутана (20%). При непосредственном окислении этой фракции получается сложная смесь продуктов, содержащая много смолистых веществ. Превращение же н-бутенов во втор-бутилацетат создает условия для преимущественного образования уксусной кислоты. Бутен-1 реагирует с уксусной кислотой быстрее, чем бутен-2, поэтому последний составляет основную массу н-бутенов, возвращаемых в цикл. Для ускорения процесса присоединения к олефину уксусной кислоты ее берут в полуторном избытке.

Процесс состоит из трех стадий: образования втор-бутилацетата, окислительного крекинга втор-бутилацетата, дистилляции продуктов реакции.

Товарная уксусная кислота содержит 99,7 % основного продукта и очень мало примесей (0,01 % муравьиной кислоты, 0,0003 % ацетальдегида 0,0001 % железа и серы). На 1 т товарной уксусной кислоты расходуется 1,260 т бутан-бутеновой фракции с содержанием 84,4 % н-бутенов. Выход уксусной кислоты за проход составляет 44 % от пропущенных н-бутенов.

Производство уксусной кислоты окислением парафинов С₄-С₈ в кислоты.

Одним из промышленных методов синтеза низкомолекулярных монокарбоновых кислот с преимущественным выходом уксусной кислоты является метод жидкофазного окисления индивидуальных углеводородов С₄-С₈ или их технических смесей под давлением. Впервые промышленное окисление н-бутана в растворе уксусной кислоты осуществлено в США фирмойCelanese.

Окисление проводится в реакторе из нержавеющей стали О₂ воздуха в присутствии солей кобальта или марганца. Основной продукт реакции – уксусная кислота, побочные продукты – муравьиная и пропионовая кислоты, метиловый и этиловый спирты, метилэтиленкетон, этилацетат, ацетон. На 1 тону уксусной кислоты расходуется 752-875 кг бутана, причём уксусная кислота составляет 80-90% от всех кислородсодержащих продуктов реакции.

Очевидно, что при использовании бензиновых фракций продукты окисления будут представлены еще более широкой гаммой веществ.

Полное разделение продуктов окисления бензиновых фракций представляет собой сложную задачу из-за наличия ряда бинарных и тройных азеотропов. Однако подавляющее большинство нейтральных кислородсодержащих продуктов образуете водой азеотролы, кипящие нижеТ_кип наиболее низкокипящей муравьиной кислоты. Поэтому отделение этой части оксидата от водного раствора кислот реализуется сравнительно легко. Нейтральные кислородсодержащие продукты возвращаются на повторное окисление и превращаются в низкомолекулярные кислоты. По этому принципу в Англии в 1961 г. был реализован процесс получения уксусной кислоты жидкофазным окислением бензиновой фракции С₅—С₈.

Производство уксусной кислоты из метанола и оксида углерода

Производство уксусной кислоты жидкофазным карбонилированием метанола осуществляется при 250°С и 63,7 МПа в присутствии в качестве катализатора карбонила и иодида кобальта:

CH₃OH + CO → CH₃COOH

Побочными продуктами являются пропионовая кислота и более высококипящие продукты, а также оксид и диоксид углерода. На 1 т уксусной кислоты расходуется 0,6 т метанола и 620 м³ оксида углерода. Одновременно получается 20 кг пропионовой кислоты и 20 кг высококипящих продуктов.

Синтез уксусной кислоты из метанола впервые был разработан и осуществлен в промышленном масштабе фирмой ВАSF. Выход уксусной кислоты составляет 90% в расчете на метанол.

Получение уксусной кислоты окислением ацетальдегида

Окисление проводится кислородом в колоннах, футерованных алюминием, при 50—70°С и давлении до 0,7 МПа. В качестве растворителя используется уксусная кислота или ее водный раствор. Повышенное давление способствует поддержанию необходимой концентрации альдегида в жидкой фазе и увеличению надежности работы конденсационной системы. В качестве катализатора используется ацетат марганца. Окислительная колонна в нижней части снабжена перфорированной перегородкой для равномерного распределения кислорода по ее сечению. Процесс окисления протекает через стадию образования надуксусной кислоты, и катализатор играет активную роль в предотвращении ее накопления в значительных количествах.

Основными побочными продуктами окисления ацетальдегида являются ме-тилацетат, формальдегид, муравьиная кислота, ацетон, диацетил, этилиденди-ацетат. Это требует тщательной очистки товарного продукта от примесей.

В случае окисления ацетальдегида с использованием сложных катализаторов Со—Сu, Мn—Сu и в присутствии водоотводящих агентов (диизопропиловый эфир, этилацетат и т. д.) одновременно с уксусной кислотой образуется уксусный ангидрид.

Окисление ацетальдегида молекулярным кислородом представляет гомогенную каталитическую реакцию, протекающую в жидкой фазе и выражаемую общим уравнением:

СН₃СНО + 0,5О₂ = СНзСООН -∆Н (1)

Реакция протекает по цепному механизму через стадию образования надуксусной кислоты (НУК):

СНз-СНО + О₂ →СНз-СOООН (2)

Которая, являясь сильным окислителем, окисляет ацетальдегид до уксусного ангидрида:

СНз-СНО + СНз-СOООН →(СН₃СО)₂О + Н₂О (3)

Уксусный ангидрид при достаточном количестве воды гидролизуется до уксусной кислоты:

(СН₃СО)₂O + Н₂O→ 2СН₃СООH

Таким образом, в системе всегда сосуществуют уксусная кислота, уксусный ангидрид и вода.

СH₃-COOOH→CH₃COOH+O

Распад надуксусной кислоты сопровождается выделением большого количества тепла, поэтому накопление надуксусной кислоты в продуктах реакции может привести к взрыву. Кроме того, выделяющий кислород энергично окисляет ацетальдегид до двуокиси углерода и воды. Для предотвращения взрыва, окисление ацетальдегида проводят с большим избытком последнего против стехиометрически требуемого количества и в присутствии катализатора

Термодинамика процесса:

Справочные данные термодинамических величин исходных веществ и продукта реакции имеют следующие значения

Установим зависимость изменения теплоёмкости от температуры

Δср= f(T)

Δср=Δa + ΔbT + Δc"T^-2 + ΔcT²

Δa=Σ(υa)j – Σ(υa)i = -23,17

Δb= Σ(υb)j – Σ(υb)i =88,305*10^-3

Δc"= Σ(υc")j – Σ(υc")i =153,785*10⁵

Δc= Σ(υc)j – Σ(υc)i =90,5*10^-6

Стандартные значения изменений термодинамических величин:

ΔН°298 = Σ(υ ΔН°f, 298)j – Σ(υ ΔН°f, 298)i =-271,4 кДж/моль

ΔН°298<0, следовательно реакция экзотермична

ΔS°298 = Σ(υ S°298)j – Σ(S°298)i =-84,22 Дж/моль•К

Согласно уравнению Гиббса-Гельмгольца

ΔG°298 = ΔН°298 – T• ΔS°298 =-246,3 кДж/моль

ΔG°298 <0, следовательно при стандартных условиях реакция может протекать в прямом направлении.

Определим зависимость ΔН°T= f(T), подставив Δср= f(T) в уравнение Кирхгофа:

ΔН°T= ΔН°298 + Δc°pdt = ΔН°298 + Δa(T – 298) + Δb(T² – 298²)/2 – Δc"(T^-1 – 298^-1)+ Δc(T³ – 298³)

Подставив в полученную зависимость значения температур в интервале 25 – 175°С, найдём характер изменения зависимости ΔН°f= f(T):

Зависимость теплового эффекта реакции ΔН°от температуры.

Определим зависимость ΔS°= f(T)

ΔS°T= ΔS°298 + Δc°pdt/T = ΔS°298 + Δa(lnT – ln298) + Δb(T – 298) – Δc"/2(T^-2 – 298^-2)+ + Δc/2(T² – 298²)

Зависимость изменения энтропии ΔS° от температуры

Пользуясь уравнением Гиббса-Гельмгольца:

ΔG°T = ΔН°T – T • ΔS°T, рассчитаем значения ΔG° при соответствующих температурах

Характеристики

Список файлов реферата