Производство фталевого ангидрида

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

 

 

 

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ  ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Институт физики высоких технологий

Кафедра биотехнологии и

органической химии

 

Производство фталевого ангидрида.

Индивидуальное задание по дисциплине Системы управления химико-технологическими процессами

 

 

Студентка гр. 4Г02                                           Акчинова А.П.

                                 (подпись)   

 

Руководитель проекта                                                    Шарова Е.С.

доцент каф. ХТТ                 (подпись)   

 

 

Томск – 2014

Содержание

1. Назначение процесса…………………………………..3
2. Характеристика исходных веществ и продуктов…….4
3. Условия проведения процесса………………………...8
4. Технологическая схема производства………………...9
5. Влияние основных технологических параметров……10
6. Основной аппарат………………………………………15

Список использованной литературы……………………..19

 

 

1. Назначение процесса

    Основным продуктом в данном производстве является фталевый ангидрид. Главный потребитель фталевого ангидрида- промышленность пластических масс и лакокрасочных материалов. В производстве пластических масс фталевый ангидрид применяется для изготовления пластификаторов. В лакокрасочной промышленности фталевый ангидрид применяют в виде алкидных смол, главным образом- модифицированных глифталевых смол, используемых в качестве пленкообразующих материалов.

    На основе фталевого ангидрида производят ряд промежуточных продуктов для красителей. Кроме того, с помощью фталевого ангидрида можно получать другие ценные продукты: лекарственные средства, инсектициды, ускорители вулканизации каучука, присадки к смазочным материалам, добавки к реактивным топливам и т.д.

    В настоящее  время известны несколько способов  получения фталевого ангидрида, наиболее распространен метод  парофазного каталитического оксиления нафталина воздухом.

   

 

2. Характеристика исходных веществ и продуктов

    Исходным сырьем  в процессе синтеза фталевого  ангидрида является нафталин, который  представляет собой ароматический  углеводород каменноугольного или  нефтяного происхождения. Главным  продуктом парофазного каталитического окисления нафталина является фталевый ангидрид, побочными продуктами- 1,4 –нафтохинон, малеиновый ангидрид, двуокись углерода и вода.

    Основные химические  реакции можно представить следующей  схемой:

 нафталин                 фталевый ангидрид     1,4-нафтохинон           малеиновый ангидрид

        Фталевый ангидрид образует белые кристаллы игольчатой структуры. По химическому строению он является ангидридом бензол-о-дикарбоновой (фталевой) кислоты:

   Свойства фталевого ангидрида

Молекулярный вес  148.11

Плотность, г/см3

        твердого при 4˚С……………   1,527

        расплавленного

                  при 150˚С…………………….   1, 197

при 220˚С…………………….   1, 131

 Температура, ˚С

          кристаллизации……………… 131,11

          плавления…………………….  130,85

          кипения……………………….. 284,5

  Теплоемкость, кал/(г*град)

           при 0˚С………………………. 0,240

           при 20˚С……………………… 0,257

           при 26,9˚С……………………. 0, 263

  Теплота, ккал/моль

           плавления……………………..  5,48

            испарения……………………… 12,91

            сгорания……………………….  779,7

            образования………………….    110,03

            гидратации……………………. 12,4

 

Таблица 1. Технические условия на фталевый ангидрид.

Показатели	Дистиллированный
	1 сорт	2 сорт	Технический
Внешний вид и цвет	Чешуйки и порошок белого цвета,  допускается желтоватый или розоватый оттенок	Чешуйки и порошок от белого до слабо-желтого или слабо-розового цвета	Смесь игольчатых кристаллов и кусочков белого, серого и желтого цвета
Содержание фт.ангидрида, % не менее	99,7	99,2	99,0
Содержание фт.кислоты, % не более	0,3	0,6	Не нормируется
Температура начала плавления, ˚С, не менее	130,5	130,2	130,0
Растворимость в растворе NaOH	Раствор бесцветный и прозрачный	Раствор бесцветный и прозрачный, допускается слабая мутность	Не определяется

 

 

    Основным источником нафталина является каменноугольная смола. В зависимости от катализатора, применяемого при окислении во фталевый ангидрид, могут перерабатывать нафталин различной степени чистоты.

    Свойства нафталина:

Молекулярный вес…………………………………128,16

Плотность, г/см3

    кристаллического  при 23,9˚С…………………..1,1789

    сухих паров  при 0˚С и 760 мм.рт.ст……………0,00572

Температура, ˚С

    плавления……………………………………….80,287±0,002

    кипения при 760 мм.рт.ст………………………217,96

Теплота, ккал/моль

    плавления при 80,03˚С…………………………4,45

    испарения при т.кип……………………………9,7

    сублимации при 20˚С………………………….15,9±0,4

Растворимость, г

    в 1 л Н2О при 25˚С……………………………..0,0344

    в 100 г СН3ОН при 19,5˚С……………………..8,1

    в 100 г С2Н5ОН………………………………..5,29

    в 100 г С6Н6 при 21˚С…………………………37,1

    В техническом нафталине содержатся органические смолообразные и минеральные вещества. Органические примеси присутствуют в нафталине в виде смолистых твердых скоагулировавшихся частиц, в виде растворенных примесей в виде «потенциальных смол», т.е. веществ, которые при определенных условиях способны образовывать нелетучие примеси.

    Для производства фталевого ангидрида целесообразно вести окисление нафталинсодержащей фракции нефтяного происхождения (95% нафталина), соответствующей по показателям техническому нафталину марки В по ГОСТ 102004-62.

Таблица 2.

Показатели	«Очищенный»	А	Б	В
Внешний вид	Расплавленный или твердый продукт
Темп-ра кристаллизации, ˚С, не менее	79,0	78,8	79,0	76,0
Остаток нелетучих веществ, %, не более	0,03	0,04	0,10	0,03
Зольность, %, не более	0,01	0,02	0,05	0,01
Содержание воды, %, не более	0,2	0,2	0,2	0,2
Содержание серы, %, не более	-	0,6	0,3	0,3

 

    Фталевый ангидрид, полученный из этого сырья, дешевле, чем продукт, полученный из фракций, содержащих меньшее количество  нафталина, или кристаллического  нафталина нефтяного происхождения.   

    Присутствие азотистых соединений в техническом нафталине нежелательно, так как могут образоваться посторонние цианистые соединения.

 

3. Условия проведения процесса

   Оптимальные условия  проведения парофазного каталитического окисления нафталина во фталевый ангидрид таковы:

1. 95%-ный нафталин
2. Температура в зоне реакции 360-400˚С
3. Катализатор пятиокись ванадия V2О5 с добавкой сульфата калия К2SO4
4. Давление до 6 атм

 

 

4. Технологическая схема получения фталевого ангидрида из нафталина

    Расплавленный  нафталин при 100˚С подают в испаритель 2, имеющий несколько колпачковых тарелок. Туда же вводят часть воздуха (предварительно подогретого в аппарате 1), который насыщается парами нафталина до концентрации 8-10 % об., что превышает верхний предел взрываемости. Остальной воздух нагревают в теплообменнике 3 горячим реакционным газом, смешивают с воздухом, насыщенным парами нафталина, и подают смесь в трубчатый реактор 4. Реактор охлаждается циркулирующим расплавом солей; при этом в котле-утилизаторе 5 генерируется пар высокого давления (до 5 МПа). При помощи этого пара осуществляют привод турбокомпрессора, подающего воздух на окисление, причем мятый пар с турбины частично используют на этой же установке, а частично передают для других целей. Горячие реакционные газы отдают тепло воздуху в теплообменнике 3 и затем охлаждаются в теплообменнике 6, где (в разных схемах) или производят пар низкого давления или подогревают водный конденсат, идущий в котел-утилизатор 5. Охлажденные реакционные газы поступают далее в систему из двух попеременно работающих конденсаторов 7 с ребристыми трубами, охлаждаемыми маслом. Фталевый ангидрид отлагается на трубах в твердом виде; когда он накапливается в достаточном количестве, переключают поток газа на второй конденсатор, а первый подогрева­ют горячим маслом. Расплавленный фталевый ангидрид стекает из конденсатора в промежуточную емкость 8, а из нее поступает на очистку в систему из двух вакуум-ректификационных колонн 9 и 10. В первой отгоняют более летучие вещества, а из второй в качестве дистиллята выводят чистый фталевый ангидрид. Легкий погон колонны 9 и тяжелый кубовый остаток колонны 10 сжигают. Остаточный газ после холодильников 7 дожигают в печи.

5. Влияние основных технологических параметров

    Фталевый ангидрид сравнительно стабилен к дальнейшему окислению, поэтому реакцию ведут до практически полной конверсии нафталина. Выход 1,4-нафтохинона и малеинового ангидрида настолько мал, что их невыгодно выделять из полученных смесей, а основным побочным процессом является окисление до СО2. Наиболее эффективным катализатором окисления нафталина оказался V2О5 с добавкой сульфата калия К2SO4 на силикагеле, обеспечивающий при 360-400˚С выход фталевого ангидрида 90 %.

   Окисление проводит  в аппарате- конверторе. К основным факторам, определяющим конструктивные особенности конвертора для производства фталевого ангидрида, относятся следующие: агрегатное состояние веществ, присутствующих в реакционной зоне; интенсивность перемешивания ингредиентов; давление; химические свойства перерабатываемых веществ; тепловой эффект процесса; температура реакции и интенсивность теплообмена.

   Вещества, присутствующие  в реакционной зоне, находятся  в разном агрегатном состоянии: газообразная нафталино-воздушная смесь окисляется в присутствии твердого катализатора с образованием паро-газовой смеси продуктов контактирования. Таким образом, при получении фталевого ангидрида парофазное каталитическое окисление ароматических углеводородов осуществляется в гетерогенных системах газ- твердое тело. Вследствие высокого теплового эффекта реакции для проведения процесса приемлемыми оказались трубчатые аппараты и аппараты с псевдоожиженным слоем катализатора.

    В трубчатых  аппаратах твердый гранулированный  слой катализатора находится  в трубках, а межтрубное пространство  заполняется хладоагентом, отводящим тепло реакции. Смесь воздуха с парами нафталина движется через слой твердого гранулированного катализатора со скоростью, обеспечивающей необходимую турбулентность потока. Так как активность применяемых катализаторов большая, достигаемый в данном случае контакт фаз оказывается вполне достаточным для протекания реакций окисления.

    Для успешного  проведения экзотермической реакции  необходима высокая интенсивность  перемешивания реагирующих веществ. В трубчатых аппаратах интенсивное  перемешивание осуществляется путем  создания соответствующей скорости  движения паро-газовой смеси, обеспечивающей необходимую турбулентность потока и соответствующий гидродинамический режим в зоне катализатора.

   Давление при промышленных  процессах парофазного каталитического окисления нафталина определяется в основном гидравлическим сопротивлением аппарата и составляет примерно 0,5 атм (избыточное давление).