Степаненко Т.І., Рутковська Д.С.,
Башева Т.С.
Донбаська національна академія
будівництва і архітектури, Україна
Підвищення
екологічності виробництва фенолу кумольним методом
Охорона
навколишнього середовища і раціональне використання природних ресурсів належить
до однієї із глобальних проблем сучасності. Хімічна промисловість – комплексна
галузь, що визначає рівень науково-технічного прогресу, забезпечує усі галузі
народного господарства хімічними технологіями і матеріалами. Основні напрями
розвитку хімічної промисловості полягають, з одного боку, в пошуку нових сполук
і матеріалів, а з іншої – в підвищенні ефективності виробництва існуючої
номенклатури хімічної продукції. Ефективність по суті визначається економікою,
і її підвищення забезпечується зниженням витрат сировини і матеріалів, енергії,
капітальних вкладень і підвищенням продуктивності праці. Безупинно зростають
потреби хімічної промисловості, а також ряду інших галузей у фенолах і стають
більш різноманітними [1; 2].
Метою роботи є вивчення впливу введення
ініціатору процесу на підвищення рівня використання вихідної сировини,
збільшення виходу кінцевого продукту, зменшення викидів шкідливих речовин.
Сучасний
процес одержання фенолу і ацетону включає наступні стадії: одержання
ізопропилбензолу (ІПБ); окислення його до гідропероксида кумолу (ГПК);
концентрування продуктів окислення, що містять 20–40 % гідропероксида, шляхом
відгону під вакуумом (1–3 стадії) непрореагувавшого кумолу; розкладання ГПК у
середовищі фенолу, ацетону і кумолу в присутності сірчаної кислоти до фенолу,
ацетону, α-метилстирола та побічних продуктів (так званої «фенольної
смоли»); нейтралізація сірчаної кислоти і виведення із системи Na2SO4
і NaHSO4; розподіл отриманих продуктів до індивідуальних речовин;
гідрування α-метилстирола до кумола; очищення фенолу-сирцю від
мікродомішок з використанням кислотних катіонітів; очищення ацетону від
мікродомішок з використанням лугів; частковий термічний крекінг побічних
продуктів виробництва. Окислення проводиться в тарільчастій реакційній колоні,
що має холодильники; при їхній допомозі підтримують температуру рідини від 120
°С на верхній тарілці до 105 °С у кубі. Повітря, попередньо очищене від
забруднень і механічних домішок та підігріте, подають у нижню частину колони
під тиском 0,4 МПа. Свіжий і оборотний ізопропилбензол, до якого доданий ГПК,
що ініціює початкову стадію окислення, подають у підігрівник, а звідти на
верхню тарілку реактора [2].
Повітря
рухається противотоком до рідини, барботуючи через неї на тарілках колони. При
цьому він захоплює із собою пари ізопропилбензола і летучих побічних продуктів
(мурашина кислота, формальдегід), які конденсуються в холодильнику. Повітря, що
залишилося, виводять в атмосферу, а конденсат відмивають від мурашиної кислоти
водним лугом у промивачі-сепараторі. Вуглеводний шар зливають у збірник, а
водний шар рециркулюють на промивання, скидаючи в кінцевому підсумку в
каналізацію [2].
Рисунок 1 – Технологічна схема кумольного методу одержання фенолу і ацетону: 1 – реакційна колона; 2 – холодильник; 3 – промивач-сепаратор; 4 – теплообмінник; 5 – збірник; 6, 8–11 –
ректифікаційні колони; 7 –
вузол кислотного розкладання ГПК
Оксидат з нижньої частини колони віддає своє тепло ізопропилбензолу в теплообміннику, дросселюється до залишкового тиску 4 кПа та надходить на вакуум-ректифікацію для концентрування гідропероксида. Відгін ізопропилбензола ведуть у насадочній ректифікаційній колоні безперервної дії, постаченої конденсатором-дефлегматором. Застосування вакууму обумовлене термічною нестабільністю гідропероксида. Частину конденсованого ізопропилбензола повертають із конденсатора-дефлегматора на зрошення колони, а іншу кількість виводять у сепаратор, промивають лугом і знову направляють на окислення [2].
При
використанні найбільш поширеного в світі кумольного методу підсумковий вихід
корисного продукту складає 86%. Таким чином, вихідна сировина використовується
не повною мірою, її витрата становить 0,95 т бензолу на 1 т фенолу. Підвищити
рівень ресурсозбереження вихідної сировини можна за рахунок більш повного протікання
процесу на стадії окислення ізопропилбензолу до гідропероксиду і його
розкладання. Встановлено, що при зміні концентрації ініціатора зменшується
витрата вихідної сировини та збільшується вихід корисного продукту. Нами
проведено експериментальні дослідження із встановлення найбільш прийнятних
параметрів процесу виробництва фенолу з використанням ініціатора
дибензо-18-краун-6-NaBr-N-гидроксифталімід. Використання даного активатора
дозволяє підвищити вихід фенолу з 86 – 88% до 98 – 99% і при цьому зменшити
витрату вихідної сировини – бензолу в 1,2 разу.
Технологічний процес виробництва фенола та ацетону супроводжується
утворенням шкідливих речовин, що надходять в атмосферу, такі як: ацетофенон, дикуміл, α-Метилстирол, а також фенол і органічні кислоти. Із
літературних джерел встановлено, що зі зниженням температури процесу окислення
кумолу в гідропероксид зменшується кількість шкідливих викидів в атмосферу. Додавання
реагенту – ініціатора окислення – дозволяє знизити температуру окислення до 35
°С [3]. Нами було досліджено
швидкість окислення кумолу в гідропероксид (у присутності ініціатора дибензо-18-краун-6-NaBr-N-гідроксифталімід)
при температурах 35–60 °С з інтервалом в 5 °С. Аналізуючи отримані
експериментальним шляхом дані, зроблений висновок, що найбільша швидкість окислення
кумола в присутності ініціатора спостерігалася при температурі 60 °С. При цьому
ми можемо домогтися зменшення кількості шкідливих речовин, що утворюються в
процесі та надходять в атмосферу: ацетофенону – в 5 разів; дикумілу – в 1,9
раз; метану – в 2,25 раз, α-Метилстиролу – в 2 рази.
Введення ініціатору дибензо-18-краун-6-NaBr-N-гидроксифталімід є економічно обґрунтованим через те, що дозволяє
зменшити викиди шкідливих речовин у 2 – 5 разів; підвищити рівень використання вихідної сировини у 1,2 рази;
збільшити вихід кінцевого продукту.
Література:
1.
Кружалов Б.Д. Совместное
получение фенола и ацетона. / Б.Д.Кружалов, Б.Н. Голованенко. – M.: Химия, 1983. – 200 с.
2.
Лебедев
Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза.
/ Н.Н. Лебедев. – М.: Химия, 1989. – 608 с.
3.
Горбатенко Н.В. Дія
супрамолекулярних галоїдвмісних комплексів на розпад ацилпероксидів та
ініціювання ними радикально-ланцюгового окиснення: дис.
... канд. наук: 02.00.04 / Горбатенко Наталія Валеріївна. – Донецьк, 2006. – 144 с.