Курсовой проект новенький. Окисление изопропилбензола

• Название: Окисление изопропилбензола
• Анкор: Курсовой проект новенький.docx
• Дата: 28.02.2018
• Размер: 3.5 Mb.
• Имя файла: Курсовой проект новенький.docx
• Тип: Курсовой проект; #16016
• страница: 1 из 6

Министерство образования Российской федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра общего органического и нефтехимического синтеза

Курсовой проект на тему:

«Окисление изопропилбензола»

Выполнил студент

5 курса 2 группы

(специальность 240401)

Артюнина Е.С.

_________________________

Научный руководитель

Дружинина Ю. А.

____________________

Работа защищена

апреля 2012г.

Оценка___________________

САМАРА 2012

СОДЕРЖАНИЕ

	Введение	3
1.	Литературный обзор	4
2.	Описание технологической схемы процесса
3.	Характеристика сырья и готовой продукции
4.	Материальный баланс процесса
5.	Тепловой баланс процесса
6.	Конструктивно-механический расчёт основного аппарата
7.	Расчёт и подбор вспомогательного оборудования
8.	Нормы технологического режима
9.	Аналитический контроль производства
10.	Автоматизация и сигнализация процесса
11.	Заключение
	Библиографический список

Введение
Фенол и ацетон являются важнейшими крупнотоннажными продуктами промышленности органического и нефтехимического синтеза. Совместное их получение гораздо более экономичнее всех ранее реализованных методов, вследствие чего оно нашло широкое применение во всех промышленно развитых странах мира.

Широкое распространение получил кумольный метод синтеза фенола совместно с ацетоном, основанный на окислении изопропилбензола в гидроперекись и последующем разложении гидроперекиси на фенол и ацетон. При этом образуется также небольшое количество побочных продуктов. Изопропилбензол, в свою очередь, получается алкилированием бензола пропиленом. Таким образом, исходным сырьем для получения фенола и ацетона по кумольному методу являются бензол и пропилен.

Первое крупное производство фенола и ацетона кумольным методом было реализовано в 1949 году в Советском Союзе. В основу этого производства были положены исследования П.П Сергеева, Б.Д. Кружалова и Р.Ю. Удриса по окислению изопропил бензола в гидроперекись с последующим её разложением на фенол и ацетон[2].

Процесс производства фенола и ацетона кумольным методом складывается из следующих стадий:

1. Алкилирование бензола пропиленом.

2. Окисление изопропилбензола в гидроперекись.

3. Выделение гидроперекиси изопропилбензола.

4. Разложение технической гидроперекиси изопропилбензола серной кислотой.

5. Нейтрализация реакционной массы после разложения.

6. Ректификация реакционной массы после разложения и выделение товарных фенола и ацетона.

Наиболее важной стадией кумольной технологии фенола является окисление кумола до его гидропероксида (ГПК), так как именно на этой стадии образуются основные и побочные продукты производства. Побочные продукты в дальнейших стадиях участвуют в разнообразных реакциях, тем самым усложняют производство.

Промышленные методы получения изопропилбензола

Изопропилбензол, или кумол, С₆Н₅СН (СН₃)₂ был впервые получен сухой перегонкой кальциевой соли или бариевой соли куминовой

(n- изопропилбензойной) кислоты. Впоследствии его обнаружили в продуктах сухой перегонки каменного угля. Строение кумола установили Р.Фиттинг и его ученики, а классический синтез по Вюрцу-Фиттингу взаимодействием йодистого изопропилбензола, бромбензола и натрия провёл О.Якобисен. в 1895 году был осуществлён синтез изопропилбензола из бензола и пропилена при помощи безводного хлористого алюминия в жидкой фазе.

Изопропилбензол в обычных условиях - бесцветная легкоподвижная жидкость с приятным запахом, при большом разведении, напоминающем запах древесины хвойных пород.

Несмотря на то, что химические методы получения изопропилбензола разработаны давно, промышленное производство его впервые было начато лишь во время второй мировой войны в СССР и США. В то время изопропилбензол целиком использовался в качестве высокооктановой добавки к авиационным бензинам.

В промышленности органического синтеза изопропилбензол стал применяться совсем недавно как исходный продукт для получения фенола и ацетона, а также в производстве а-метилстирола.

Известны три метода получения изопропилбензола, имеющие промышленное значение:

1.Алкилирование бензола пропиленом в присутствии безводного хлористого алюминия (алкилирование по Фриделю-Крафтсу).

2.Алкилирование бензола пропиленом в паровой фазе с применением фосфорнокислотного катализатора.

3.Алкилирование бензола пропиленом в жидкой фазе в присутствии серной кислоты как катализатора.

В России изопропилбензол производят главным образом алкилированиемпоФриделю-Крафтсу.
В основе всех перечисленных методов получения кумола лежит реакция алкилирования бензола пропиленом, которая протекает по схеме:

Физико-химические свойствагидропероксида изопропилбензола
Гидроперекись изопропилбензола С₆Н₅(СН₃)₂-О-ОН представляет собой бесцветную маслянистую, немного вязкую жидкость с характерным запахом, напоминающим запах озона. При попадании на кожу вызывает ожоги, подобно концентрированным растворам Н₂О₂.

В глубоком вакууме гидроперекись перегоняется без разложения. Перегонка при остаточном давлении выше 5 мм.рт. ст. сопровождается, по-видимому, уже незначительным разложением, о чём можно судить по бледной, зеленовато-жёлтой окраске дистиллята, отбираемого в этих условиях, в отличие от бесцветных дистиллятов, получаемых при большом разложении.

Гидроперкись хорошо растворима в обычных органических растворителях (спирте, эфире, бензоле, ацетоне и др.) и сравнительно плохо - в воде.

В обычных условиях гидроперекись является вполне стойким соединением; так, при хранении в течение длительного времени в стеклянной посуде на рассеянном свету(комнатная температура) она не разлагается. Опыты, проведённые П.Г.Сергеевым по хранению технической (87%-ной) гидроперекиси в таре из углеродистой стали показали, что состав гидроперекиси не изменился в течении четырёх лет.

Гидроперекись как «детонатор» часто добавляют к дизельному топливу для повышения его цетанового числа.

Гидроперкись не даёт окрашенных растворов с хромовой и титановой кислотами. Поэтому с помощью данных реактивов можно обнаружить присутствие перекиси водорода при наличии гидроперекиси изопропилбензола. При кипячении с водой гидроперекись частично перегоняется с водяным паром без изменения, остальное количество её распадается с образованием перекиси водорода и диметилфенилкарбинола.

Гидроперекись изопропилбензола медленно реагирует при комнатной температуре с раствором 2,4-динитрофенилгидразина в соляной кислоте, причём выпадает коричневый осадок, состав которого не исследован. Это обстоятельство следует учитывать при попытках идентификации кетонов и альдегидов в виде гидразонов в присутствии гидроперекиси.[2]

Гидроперекись является активным инициатором полимризации в водных эмульсиях таких соединений, как дивинил, стирол, а-метилстирол и т.п.

Получение гидропероксида изопропилбензола

Гидропероксиды – это первичные молекулярные продукты окисления углеводородов. Они относятся к числу довольно нестабильных соединений, превращающихся при окислении в другие продукты. Поэтому их концентрация в реакционной массе, особенно при каталитическом окислении или при повышенных температурах, невелика. Наиболее нестабильны первичные гидропероксиды и, наоборот, относительно стабильны третичные гидропероксиды, которым, собственно и является гидропероксид изопропилбензола.

В основе современной теории окисления углеводородов лежат представления, высказанные более 60 лет назад А. Н. Бахом и, независимо от него, К. Энглером, согласно которымокисление углеводородов протекает через образование перекисных соединений, являющихся первыми стабильными продуктами реакции. В настоящее время работами многих исследователей на примере углеводородов самого различного строения показано, что на начальных стадиях окисления гидроперекисиявляются практически единственными продуктами. Однакоперекисная теория Баха—Энглера, соответствующая уровнюзнаний конца XIX—начала XX столетия, естественно, не моглаобъяснить целый ряд особенностей процессов окисления.

Наиболее полно механизм процессов окисления углеводородов удалось раскрыть лишь благодаря появлению теориирадикально-цепных реакций, значительную роль в создании которой сыграли работы Н. А. Шилова и особенно Н. Н. Семенова и его школы. Согласно этой теории, окисление углеводородов рассматривается как цепной процесс, происходящий приучастии свободных радикалов. Радикально-цепная теория основывается на следующих двух положениях классической химии:

Свободный радикал (в противоположность валентнонасыщенной молекуле) является весьма активной частицей. Длявзаимодействия между свободными радикалами необходимасравнительно небольшая энергия активации (обычно не выше41 900 кдж/кмоль= 10 ккал/моль), в то время как для реакциймежду валентнонасыщенными молекулами эта величина составляет 167 500--418 700 кдж/кмоль=40—100 ккал/моль и более.Реакции свободных радикалов с молекулами также требуютменьшей энергии активации, чем реакции между самими молекулами. Другими словами, свободный радикал, благодаря наличию свободной валентности, способен возбуждать молекулу,делать ее более активной.

При взаимодействии свободных радикалов с молекуламисвободная валентность не исчезает. Среди продуктов такоговзаимодействия неизбежно будет находиться новый свободныйрадикал.

Из этих двух положений следует, что если в какой-либореакционной системе появился свободный радикал, то он, легковзаимодействуя с одной из молекул окружающей его среды, образует новый радикал, который опять вступает в реакцию собразованием радикала, и т. д. Таким образом, возникает реакционная цепь, которая оборвется лишь в том случае, если исчезнет свободная валентность.

Большой экспериментальный материал по окислению углеводородов, накопленный к настоящему времени, убедительнопоказывает, что начальная стадия процесса окисления — образование гидроперекиси — является радикально-цепной реакцией. Одно из доказательств этого — наличие индукционногопериода и ускоряющее действие на процесс, особенно в начальный период, веществ, способных в условиях окисления разлагаться с образованием свободных радикалов (различные перекиси и гидроперекиси,азосоединения и др.). Ускоряющеевлияние перекисей на окисление углеводородов было показаноцелым рядом исследований. Цепной характер окисленияуглеводородов доказывается также тем, что небольшие примеси некоторых веществ (например, фенолов) способны резко замедлять процесс.

Процесс окисления углеводородов, как и всякий цепной процесс, включает в себя по крайней мере три реакции: зарождение (инициирование), рост и обрыв цепи.[1]

Реакция зарождения цепи связана с разрывом С—Н-связи в валентнонасыщенной молекуле окисляемого углеводорода RH:
Однако энергия разрыва связи С—Н обычно составляет 335000—418 700 кдж/кмоль (80—100 ккал/моль) и, следовательно, в условиях жидкофазного окисления такой разрыв самопроизвольно не происходит. Он может наблюдаться при столкновении молекулы RH с какой-либо активной частицей А:
или при поглощении кванта световой энергии в случае фотохимического окисления:
В настоящее время принято, что реакция зарождения цепи при окислении углеводородов кислородом протекает по схеме:
которая является наиболее энергетически выгодной так как требует затраты энергии на 196 900 кдж/кмоль (47 ккал/моль) меньше, чем процесс образования радикалов Re путем распада молекулы по связи С—Н³².

Рост цепи при наличии в системе радикалов происходит таким образом:
Возникает более или менее длинная реакционная цепь, в результате чего значительная часть молекул исходного углеводорода может превратиться в гидроперекись.

Обрыв цепи происходит вследствие различных причин, основные из которых следующие: рекомбинация свободных радикалов, обрыв цепи на стенках реактора и взаимодействие свободных радикалов с примесями, являющимися ингибиторами.

Рекомбинация может заключаться в следующих элементарных актах:
В некоторых условиях процесс рекомбинации можетпротекать в заметном объеме. Так, описано получение с выходомдо 38% соответствующих «димеров» (R—R) изопропилбензола,п-цимола и хлоризопропилбензола путем жидкофазного окисления этих углеводородов кислородом воздуха. Значительнораньше (в 1944 г.) П. Г. Сергеевым, Б. Д. Кружаловым иР. 10. Удрисом при изучении состава продуктов, образующихсяв результате окисления изопропилбензола, был выделен иидентифицирован 2,4-диметил-2,4_:дифенилбутан, появление которого можно объяснить лишь димеризацией радикала R*.Однако следует отметить, что на первых стадиях процесса,когда концентрация свободных радикалов в системе незначительна, вероятность такого бимолекулярного столкновениярадикалов мала и рекомбинация не является главной причинойобрыва цепи. То же самое относится и к обрыву цепи за счетстолкновения свободных радикалов со стенками реактора. В отличие от процессов, протекающих в газовой фазе, где роль стенки реактора гораздо больше, при жидкофазном процессе вероятность такого столкновения мала, ввиду значительно меньшейскорости диффузии свободных радикалов к стенке через жидкость, чем через газ. Кроме того, любой свободный радикал,диффундируя через слой жидкости к стенке, неизбежно встретит на своем пути громадное количество молекул и радикалов,способных реагировать с ним. Сказанное, разумеется, не относится к реакторам, имеющим развитую поверхность в виде насадки, или к реакторам пленочного типа.

Главная роль в обрыве цепи при жидкофазном окисленииуглеводородов, по-видимому, принадлежит ингибиторам — веществам, способным тормозить цепные реакции. Механизм действия ингибиторов и, в частности, антиокислителей (антиоксидантов), т. е. ингибиторов процессов окисления, в ряде случаевостается неясным. Тормозящее действие некоторых ингибиторов совершенно не связано с реакцией обрыва цепи, а может,например, заключаться в уменьшении скорости реакции зарождения цепи. В данном случае речь идет лишь о тех ингибиторах, роль которых состоит в обрыве реакционной цепи. В зависимости от своего химического строения ингибиторы по-разномуобрывают цепь; здесь различают два случая:

1. 
   Отрыв атома водорода от молекулы ингибитора InH:
   

2. 
   Присоединение свободного радикала к молекуле ингибитора:
   

Если вновь образованные свободные радикалы In* или RInH* и иR0₂lnH* будут менее активны, чем исходные радикалы R* иR0₂*, то произойдет ингибирование— торможение цепного процесса окисления.

Совершенно очевидно, что ингибиторы первого типа должныиметь более слабую связь In—Н, чем связь С—Н у окисляемого углеводорода. К этой категории ингибиторов следует отнести, например, фенолы и нафтолы. Ко второму типу ингибиторов, по-видимому, относятся амины (главным образомароматические), способные присоединять радикалы R0₂*, и хиноны, способные к захвату радикалов R*.

Окисление углеводородов относится к числу автокаталитических процессов, в связи с чем часто применяют термин «автоокислеиие» (аутооксидация). Процессы автокатализа являютсяцепными реакциями с вырожденным разветвлением, теория которых подробно разработана Н. Н. Семеновым. Самоускорение, или автокатализ, процессов окисления заключается в том,что первичный продукт окисления — гидроперекись обладаетспособностью в условиях окисления подвергаться частичномураспаду на свободные радикалы (вырожденное разветвление). Уже при небольших концентрациях гидроперекиси(10^-4 моль/л) скорость реакции ее распада намного превышает скорость реакции зарождения цепи путем разрыва связиС—Н в углеводороде. Поэтому основным источником свободныхрадикалов в системе является реакция вырожденного разветвления.