Кумольный способ получения фенола и ацетона уравнение реакции

Кумольный способ получения фенола и ацетона уравнение реакции

к списку лекций

к списку предметов

Кумольный способ получения фенола.

Фенол С₆Н₅ОН представляет собой кристаллическое вещество ( t _пл=42 0 С, t _кип=181,4 0 С) В свежеперегнанном виде он бесцветен,. Но при хранении приобретает глубокий оранжевый или красный цвет.

Основные направления его применения – производство фенолоальдегидных полимеров, синтетических волокон капрон и нейлон, эпоксидных полимеров и поликарбонатов. Его используют также в качестве промежуточного продукта в производстве красителей, лекарственных и взрывчатых веществ, гербицидов. Алкилированием фенола получают антиокислительные присадки и промежуточные продукты для синтеза неионогенных ПАВ.

Наиболее прогрессивным способом получения фенола является кумольный, основанный на реализации следующих стадий:

1. Окисление изопропилбензола (кумола) в гидропероксид

2. Разложение получаемого гидропероксида на фенол и ацетон

Суммируя уравнения (1) и (2) получаем результирующее уравнение процесса

Можно видеть, что в правой части суммарного уравнения (3) фигурируют только фенол и ацетон, которые являются ценными товарными продуктами. С другой стороны, в этом процессе требуется дешёвое и доступное сырьё (изопропилбензол и воздух). Это и делает кумольный способ получения наиболее экономичным среди всех известных способов получения фенола.

Рассмотрим основные закономерности протекания стадий окисления и разложения гидропероксида изопропилбензола.

Окисление изопропилбензола (кумола)

Окисление изопропилбензола представляет собой типичный свободно-радикальный процесс с вырожденным разветвлением цепей. В отсутствие каких-либо посторонних инициирующих агентов зарождение цепей осуществляется посредством бимолекулярного взаимодействия молекул кислорода и изопропилбензола

Эта реакция характеризуется высоким энергетическим барьером и протекает крайне медленно. Низкая скорость инициирования не может обеспечить концентрацию свободных радикалов на уровне, вызывающем заметное протекание цепного процесса.

Поскольку гидропероксид изопропилбензола легко распадается по слабой кислород-кислородной связи

его накопление в ходе процесса приводит к лавинообразному увеличению скорости генерирования свободных радикалов, а значит, и скорости окисления изопропилбензола. Такой характер процесса обусловливает наличие некоторого индукционного периода реакции, который можно определить как время, в течение которого в системе накапливается количество гидропероксида, обеспечивающее заметное протекание цепного процесса. В связи с этим естественным способом сокращения индукционного периода является добавление в исходный изопропилбензол некоторое количество гидропероксида или окисленной реакционной массы.

Индукционный период процесса может быть значительно больше по причине присутствия в реакционной массе ингибиторов свободно-радикального окисления таких как серосодержащие органические соединения, фенолы и др. В этом случае индукционный период определяется как время, в течение которого в системе разрушается ингибитор J — H за счёт его взаимодействия с радикалами цепи

R × + J — H ® RH + J ×

Образующиеся при этом радикалы J × малоактивны и не способны дальше продолжать цепь. В связи с отмеченной причиной увеличения индукционного периода важной технологической задачей является очистка исходного сырья от веществ, являющихся ингибиторами или способных при окислении давать ингибиторы.

Обычные катализаторы жидкофазного окисления (соли марганца, кобальта и др.) в данном случае нельзя использовать в качестве инициирующих агентов, так как они вызываеют заметное разложение гидропероксида в побочный продукт – диметилфенилкарбинол.

Процесс окисления изопропилбензола в гидропероксид осложняется образованием побочных продуктов: ацетофенона и диметилфенилкарбинола. Механизм основной и побочных реакций может быть представлен следующей схемой

В соответствии с представленной схемой дифференциальная селективность процесса по гидропероксиду выразится уравнением

В условиях стационарности

однако поскольку удельный вес ацетофенона в этом процессе невелик, членом r ₂ в последнем равенстве можно пренебречь

Тогда соотношение концентраций выразится уравнением

Подставляя последнее выражение в уравнение (4), имеем окончательно

Анализ этого уравнения показывает, что селективность реакции падает с понижением парциального давления кислорода и ростом глубины превращения (что соответствует накоплению гидропероксида и уменьшению концентрации углеводорода). В соответствии с более низкими энергиями активации реакции развития цепей основного процесса по сравнения с побочными Е₄> E ₁ и E ₂> E ₃ селективность процесса растёт с понижением температуры, однако при этом понижается его скорость. Это обусловливает необходимость выбора оптимальной температуры. На практике процесс проводят при температурах 105-120 ° С. Если процесс осуществляется в каскаде реакторов, то температуру процесса ступенчато понижают при переходе от одного реактора к другому. Такое решение позволяет при сохранении скорости процесса (за счёт увеличения концентрации гидропероксида) увеличить селективность процесса.

Увеличение давления приводит к росту скорости и селективности процесса. В то же время давление ограничивается сверху в связи с более жёсткими условиями работы оборудования, увеличением расходов на компримирование, расширением пределов взрываемости паро-газовой смеси над реакционной массой. На практике работают с давлением 0,3-0,5 МПа.

Время реакции определяется значением оптимальной конверсии. Увеличение конверсии (соответствующие накоплению ROOH и исчерпыванию RH ) приводит в соответствии с уравнением ( 5) к снижению селективности.

Снижение конверсии, выгодное с точки зрения селективности, приводит к возрастанию доли непрореагировавшего изопропилбензола, что требует дополнительных затрат на его рециркуляцию. Оптимальная конверсия, представляющая компромисс между требованиями высокой селективности и экономичного рецикла, составляет обычно 25-30%. Таким значениям конверсии соответствует продолжительность реакции порядка нескольких часов.

В силу высокой реакционной способности изопропилбензола процесс при определенных условиях может протекать в диффузионной области. В этом случае низкие концентрации кислорода в реакционной массе, в соответствии с уравнением ( 5) обусловливают понижение селективности процесса. Поэтому важной технологической задачей при реализации процесса является создание эффективного гидродинамического режима.

Эта задача решается созданием режима циркуляции реакционной массы, проведением процесса в высокоэффективных массообменных аппаратах.

Присутствие кислых примесей в реакционной массе вызывает нежелательный процесс разложения гидропероксида с образованием фенола, который является ингибитором процесса свободно-радикального окисления:

С целью нейтрализации образующихся в ходе процесса кислых примесей, например, по реакции:

процесс окисления изопрпилбензола часто ведут в присутствии щелочных агентов. В качестве последних используют BaCO ₃, CaCO ₃, Na ₂ CO ₃, NaHCO ₂ и др.

Разложение гидропероксида на фенол и ацетон.

Разложение гидропероксида изопропилбензола катализируется протонными кислотами. Реакция протекает по ионному механизму:

Образующийся катион перегруппировывается с миграцией енольной группы к кислородному атому и последующими превращениями, в результате которых получается фенол и ацетон:

Побочные продукты окисления, содержащиеся в качестве примесей в гидропероксиде, также способны вступать в различные реакции под действием кислотных катализаторов. Так, диметилфенилкарбинол дегидратируется с образованием a -метилстирола, а также выступает в качестве алкилирующего агента по отношению к фенолу. Кроме того, a -метилстирол димеризуется:

Получаются также небольшое количество смол более сложного строения. При повышении концентрации кислоты и температуры становятся возможными кислотно-каталитические превращения ацетофенона и ацетона, например, по типу альдолной конденсации с последующим отщеплением воды:

Скорость основной реакции описывается уравнением:

Реакция протекает очень быстро. В присутствии 0,05-0,1 % (масс.) H ₂ SO ₄ при 50-60 0 С достигается практически полное превращение за 2-3 мин.

Ввиду высокой скорости процесса при его промышленной реализации необходимо, чтобы ее значение не достигало предела, при котором невозможно снять тепловыделения, чтобы сделать процессы съема тепла контролируемыми, реакцию ведут в разбавителях, в качестве которых выступают продукты реакции и ацетон.

Рис. 1. Реакционные узлы для кислотного разложения гидропероксидов:

а – проточно-циркуляционная установка;

б – установка с от­водом тепла за счет испаре­ния ацетона.

Один из методов проведения реакции состарив применении проточно-циркуляционной установки ( p ис. 1а), когда выде­ляющееся тепло снимают в трубчатом реакторе за счет охлаж­дения его водой. Реакционную смесь по выходе из реактора частично отводят на дальнейшую переработку, но основное ко­личество направляют на рециркуляцию: добавляют кислоту-катализатор и в насосе смешивают с исходным гидроперокси-дом. При такой системе время контакта лимитируется теплоотводом и является завышенным. Кроме того, рециркуляция смеси ведет к повышенному выходу побочных веществ. Так, на 1 т фенола получается 100—150 кг отходов, в том числе 15- 20 кг a -метилстирола, 40—50 кг димера и смол, 5—10 кг ацетофенона, 30 кг кумилфенола и т. д. Хотя окиси мезитила образуется не­много, но она существенно затрудняет очистку фенола.

Другой способ кислотного разложения гидропероксидов (рис. 1б) состоит в проведении реакции в растворе ацетона и отводе тепла за счет его испарения. Ацетон конденсируют в обратном холодильнике и возвращают в реактор, который можно секционировать поперечными перегородками. Это наряду с уменьшением концентрации фенола в растворе и времени контакта снижает выход побочных веществ.

Технологическая схема получения фенола и ацетона кумольным способом.

Рис. 2. Технологическая схема кумольного метода получения фенола и ацетона:

1 – реакционная колонна; 2 – холодильник; З – промыватель-сепаратор; 4 – теплооб­менник; 5 – сборник; 6, 8-11 – ректификационные колонны; 7 – узел кислотного раз­ложения гидропероксида; 12 – сепаратор; 13 – дефлегматоры; 14 – кипятильники; 15 – дроссельный вентиль; 16 – насос.

Производство фенола и ацетона кумольным методом включает стадии получения изопропилбензола, синтез гидро­пероксида изопропилбензола и его кислотного разложения в фенол и ацетон.

Технологическая схема двух последних стадий изображена на рис. 2. Окисление проводится в тарельчатой реакционной колонне ( 19) снабженной холодильниками: при их помощи под­держивают температуру жидкости от 120°С на верхней тарелке до 105°С в кубе. Воздух, предварительно очищенный от загряз­нений и механических примесей и подогретый, подают в ниж­нюю часть колонны под давлением » 0,4 МПа. Свежий и обо­ротный изопропилбензол (ИПБ), к которому добавлен гидропероксид (ГП), инициирующий начальную стадию окисления, из сборника ( 5) подают в теплообменник ( 4), а оттуда на верхнюю тарелку реактора. Воздух движется противотоком к жидкости, барботируя через нее на тарелках колонны. При этом он увле­кает с собой пары изопропилбензола и летучих побочных про­дуктов (муравьиная кислота, формальдегид), которые конден­сируются в холодильнике ( 2). Оставшийся воздух выводят в ат­мосферу, а конденсат отмывают от муравьиной кислоты водным раствором щелочи в промывателе-сепараторе ( 3). Углеводород­ный слой сливают в сборник ( 5), а водный слой рециркулируют на промывку, сбрасывая в конечном счете в канализацию.

Оксидат из нижней части колонны ( 7) содержит до 30 % гид­ропероксида. Он отдает свое тепло изопропилбензолу в тепло­обменнике ( 4), дросселируется до остаточного давления » 4 кПа и поступает на вакуум-ректификацию для концентрирования гидропероксида. Отгонку изопропилбензола ведут в насадочной ректификационной колонне ( 6) непрерывного действия, снабжен­ной конденсатором-дефлегматором. Применение вакуума обус­ловлено термической нестабильностью гидропероксида. Часть конденсированного изопропилбензола возвращают из конденса­тора-дефлегматора на орошение колонны ( 6), а остальное коли­чество выводят в сепаратор ( 3), промывают щелочью, и снова направляют на окисление. Кубовая жидкость из колонны ( 6) со­держит 70-75 % гидропероксида, а также побочные продукты окисления и остатки изопропилбензола. Путем дополнительной вакуум-ректификации (на схеме не изображена) при остаточ­ном давлении » 665 Па повышают концентрацию гидроперок­сида до 88-92%. Следующую стадию (кислотное разложение гидропероксида) осуществляют в узле ( 7) одним из двух опи­санных выше методов.

Заключительная стадия состоит в ректификации, которую ведут в разной последовательности. Чаще всего вначале при обычном давлении в колонне ( 8) отгоняют ацетон, затем при пониженном давлении отделяют в колонне ( 9) смесь высококипящих веществ (фенольная смола), остающуюся в кубе, от более летучих продуктов, включая фенол. От этой фракции в колонне ( 10) отгоняют a -метилстирол и остатки изопропилбензола (углеводородная фракция) и в колонне ( 11) – фенол, оставляй в кубе дополнительное количество фенольной смолы.

На некоторых установках углеводородную фракцию гидри­руют и возвращают на окисление. Это предотвращает ингибирующее действие a -метилстирола и позволяет вообще не кон­центрировать гидропероксид перед разложением или проводить только его «укрепление». Предложен ряд методов утилизации фенольной смолы, в том числе пиролиз с получением дополни­тельного количества фенола.

Кумольный способ получения фенола и ацетона уравнение реакции

Фенолы выделяют из каменноугольной смолы, а также из продуктов пиролиза бурых углей и древесины (деготь).

Промышленный способ получения самого фенола С₆Н₅ОН основан на окислении ароматического углеводорода кумола (изопропилбензол) кислородом воздуха с последующим разложением получающейся гидроперекиси, разбавленной H₂SO₄. Реакция проходит с высоким выходом и позволяет получить сразу два технически ценных продукта – фенол и ацетон.

Получение фенола в промышленности

1. Кумольный способ

(СССР, Сергеев П.Г., Удрис Р.Ю., Кружалов Б.Д., 1949 г.). Преимущества метода: безотходная технология (выход полезных продуктов > 99%) и экономичность. В настоящее время кумольный способ используется как основной в мировом производстве фенола.

В качестве исходного сырья используют бензол и пропилен, из которых получают изопропилбензол (кумол), подвергающийся дальнейшим превращениям:

1 стадия – получение кумола

2 стадия – каталитическое окисление

2. Из каменноугольной смолы (как побочный продукт – выход небольшой)

Каменноугольную смолу, содержащую в качестве одного из компонентов фенол, обрабатывают вначале раствором щелочи (образуются феноляты), а затем – кислотой:

3. Взаимодействие галогенпроизводных ароматических УВ со щелочами

или с водяным паром

4. Сплавлением солей аренсульфокислот с твёрдыми щелочами

Презентация «Кумольный метод получения фенола и ацетона «

Описание презентации по отдельным слайдам:

Кумольный метод получения фенола и ацетона Дегидрирование изопропанола Выполнила: студентка гр. ХМ-42 Солохина И.

Фенол Бесцветные игольчатые кристаллы, розовеющие на воздухе из-за окисления, приводящего к образованию окрашенных веществ. Обладают специфическим запахом (таким, как запах гуаши, т. к. в состав гуаши входит фенол). Умеренно растворим в воде (6 г на 100 г воды), в растворах щелочей, в спирте, в бензоле, в ацетоне. 5 % раствор в воде — антисептик, широко применяемый в медицине. Мировое производство фенола на 2006 год составляет 8,3 млн. тонн/год. По объёму производства фенол занимает 33-е место среди всех выпускаемых химической промышленностью веществ и 17-е место среди органических веществ.

Области применения фенола По данным на 2006 год мировое потребление фенола имеет следующую структуру: 44 % фенола расходуется на производство бисфенола А, который, в свою очередь, используется для производства поликарбоната и эпоксидных смол; 30 % фенола расходуется на производство фенолформальдегидных смол; 12 % фенола гидрированием превращается в циклогексанол, используемый для получения искусственных волокон -нейлона и капрона; В России большое количество фенола используется в нефтепереработке, в частности для селективной очистки масел на технологических установках типа 37/1 и А-37/1. Фенол проявляет высокую селективность и эффективность при удалении из масел смолистых веществ, различных полициклических ароматических углеводородов с короткими боковыми цепями, а также соединений, содержащих серу;

Остальной фенол расходуется на другие нужды, в том числе на производство антиоксидантов (ионол), неионогенных ПАВ — полиоксиэтилированных алкилфенолов (неонолы), других фенолов (крезолов), лекарственных препаратов (аспирин), антисептиков (ксероформа) и пестицидов. Раствор 1,4 % фенола применяется в медицине (орасепт) как обезболивающее и антисептическое средство. Фенол и его производные обуславливают консервирующие свойства коптильного дыма. Также фенол используют в качестве консерванта в вакцинах. Пример использования, в качестве антисептика — препарат «Орасепт». В косметологии как химический пилинг (токсично). В скотоводстве: дезинфекция животных растворами фенола и его производных. В косметологии для проведения глубокого пилинга.

Ацетон Ацетон — бесцветная подвижная летучая жидкость (при н.у.) с характерным резким запахом. Во всех соотношениях смешивается с водой, диэтиловым эфиром,бензолом, метанолом, этанолом, многими сложными эфирами и так далее. Мировые мощности по производству ацетона на текущий момент находятся на уровне 6,5 млн. тонн. Производство ацетона сосредоточено в Северной Америке, Азиатско-Тихоокеанском регионе и Западной Европе, где расположено соответственно 31%, 30% и 27% мировых мощностей. В сумме на эти регионы приходится 89,4% мирового выпуска ацетона.

Области применения ацетона Ацетон применяется как сырьё для синтеза многих важных химических продуктов, таких как уксусный ангидрид, кетон, диацетоновый спирт, окись мезитила, метилизобутилкетон, метилметакрилат, дифенилпропан, изофорон, бисфенол А и т.д; Последний широко применяется при синтезе поликарбонатов, полиуретанов и эпоксидных смол; Ацетон также является популярным растворителем, значительно превосходящим в плане безопасности уайт-спирит, скипидар и отчасти керосин. В частности он используется как растворитель; В производстве лаков; В производстве взрывчатых веществ; В производстве лекарственных препаратов;

В составе клея для кинопленок как растворитель ацетата целлюлозы и целлулоида; Компонент для очистки поверхностей в различных производственных процессах; Как очиститель инструмента и поверхностей от монтажной пены — в аэрозольных баллонах. Без ацетона невозможно хранить в компактном (сжиженном и в баллоне) состоянии ацетилен, который под давлением в чистом виде крайне взрывоопасен. Для этого используют ёмкости с пористым материалом, пропитанные ацетоном. 1 литр ацетона растворяет до 250 литров ацетилена. Ацетон используется также при экстракции многих растительных веществ. Ацетон служит также сырьём для синтезауксусного ангидрида, кетена, диацетонового спирта и многих других соединений.

Получение фенола совместно с ацетоном через гидроперекись изопропилбензола

Исходным сырьем, как и при остальных описанных выше способах получения фенола, служит бензол. Процесс протекает по схеме: Соответственно промышленный процесс также включает три стадии: получение изопропилбензола; окисление изопропилбензола в гидроперекись; разложение гидроперекиси.

Большое влияние на выход гидроперекиси изопропилбензола оказывают температура процесса и концентрация гидроперекиси в углеводородной фазе. Обычно окисление проводят при 110-130° С (при дальнейшем повышении температуры выход гидроперекиси понижается). Общий выход гидроперекиси понижается также при значительном увеличении ее концентрации. В начальный период окисления изопропилбензол почти количественно превращается в гидроперекись, при содержании ее 20% общий выход составляет около 90%. По мере дальнейшего накопления гидроперекиси в углеводородной фазе выход ее понижается. Уменьшение выхода при возрастании концентрации гидроперекиси и повышении температуры объясняется протеканием вторичных процессов разложения гидроперекиси изопропилбензола с образованием ацетофенона и метилового спирта (1) или диметилфенилкарбинола (2): 1 2

Окисление изопропилбензола часто проводят в нескольких последовательно расположенных аппаратах при разных температурах. При этом концентрация гидроперекиси соответственно меняется, например: При ступенчатом (каскадном) окислении изопропилбензола уменьшаются распад гидроперекиси и образование побочных продуктов — диметилфенилкарбинола и ацетофенона.

Концентрированную гидроперекись выделяют двумя способами. Первый способ — обработка реакционной массы 30-35% — ным водным раствором едкого натра, образующим с гидроперекисью натриевую соль: легко отделяющуюся от углеводородного слоя. Для выделения свободной гидроперекиси через водный раствор этой соли пропускают двуокись углерода:

При разложении гидроперекиси протекают побочные реакции, характер и направление которых зависят от чистоты исходной гидроперекиси. В технической гидроперекиси всегда содержится диметилфенилкарбинол, который в кислой среде дегидратируется с образованием ɑ-метилстирола: ɑ-Метилстирол в свою очередь способен к дальнейшим превра­щениям. Например, при конденсации с фенолом ɑ-метилстирол дает ɑ, ɑ ‘-диметилбензилфенол: Образующийся при разложении гидроперекиси ацетон может превращаться в окись мезитила :

Схема производства фенола и ацетона через гидроперекись изопропилбензола (с окислением изопропилбензола в эмульсии)

Применяются также схемы получения фенола и ацетона через изопропилбензол, отличающиеся от описанной главным образом тем, что из окисленного изопропилбензола выделяют концентрированную гидроперекись, которую затем разлагают.

Метод получения фенола через гидроперекись является общим методом совместного получения фенолов и кетонов. Например, фенол может быть получен совместно с метилэтилкетоном по схеме: Можно также получать ацетон и n-крезол окислением n-цимола (метилизопропилбензола):

В настоящее время кумольный метод является наиболее выгодным как по капитальным затратам, так и по себестоимости вырабатываемой продукции. Он прост по аппаратурному оформлению и дает возможность одновременно поручать два ценных продукта — фенол и ацетон. Большим достоинством этого метода является также возможность использования для получения изопропилбензола не только концентрированного пропилена, но и пропан-пропиленовой фракции газов крекинга.

Дегидрирование изопропанола Ацетон из изопропилового спирта можно получать в процессе окислительного дегидрирования при температуре 400 — 600°С. В качестве катализатора этого процесса используют серебро или медь. (СH3)2CHOH + 0,5О2 → (CH3)2CO + H2O ΔH= − 44,7 ккал/моль Другой более предпочтительный вариант получения ацетона из изопропанола — процесс дегидрирования. В качестве катализатора процесса используют ZnO. (СH3)2CHOH → (CH3)2CO + H2 ΔH= +13,2ккал/моль Температура 300-400°С. При проведении процесса в газовой фазе селективность — 90%, конверсия изопропанола – 98%. Для проведения процесса также используют медный или медь-цинковый катализаторы(температура 500°С, 3 атм).