Хімія і технологія виробництва 2нафтола лужним плавленням

Федеральне агентство з освіти

Державна освітня установа вищої професійної освіти

«СИБІРСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

Факультет хімічних технологій

Кафедра ОХ і ХТОВ

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

Хімія і технологія виробництва 2 - нафтолу лужним плавленням

(ХТОВ. 000000.016ПЗ)

Керівник:

Б.Б. Кочетков

_______________Е.В. Роот

(Підпис)

_______________________

(Оцінка, дата)

Розробив:

Студент групи 64-7:

Троцюк А.В.

_________________

(Підпис)

__________________________

(Дата)

ЗАВДАННЯ НА КУРСОВУ РОБОТУ

Варіант 16

Студенту групи 64-7 Троцюк Ганні Василівні

Тема курсової роботи: Хімія і технологія виробництва 2 - нафтолу лужним плавленням.

Завдання видано

________________________________Руководитель Кочетков Б.Б.

Реферат

У цій роботі була проведена оцінка і обрано найбільш вигідна схема отримання β - нафтолу, підібрано апаратурне оформлення і технологічна схема для його отримання.

Курсова робота містить 37 сторінок, 3 таблиці, 4 рисунка.

Зміст

Введення

1 Призначення та характеристика продукції, що випускається

2 Технологічна частина

2.1 Кінетика і механізм реакції

2.2 Технологія лужного плавлення

2.3 Отримання β - нафтола

2.3.1 Лужне плавлення β - солі

2.3.2 Підкислення розчину нафтолята

2.3.3 Очищення 2 - нафтола

3 Контроль процесу лужного плавлення і методи визначення гідроксісоедіненій

4 Апаратура для обробки продуктів лужного плавлення

5 Безпека і екологічність роботи

Висновок

Список використаних джерел

Додаток А

Додаток А.1

Додаток А.2

Додаток Б

Додаток В

Введення

Лужне плавлення - процес взаємодії металевих солей сульфокислот з лугами, що призводять до заміщення сульфогруп гідроксильною групою. Даний метод є одним з основних для одержання ароматичних гідроксильних сполук, які дуже важливі у виробництві багатьох продуктів тонкого органічного синтезу. Вихідним органічним сировиною у процесах лужного плавлення є металеві (головним чином натрієві) солі сульфокислот (бензолсульфонат натрію, нафталін сульфонати натрію, натрієві солі нафталінаміносульфокіслот, антрахононсульфокіслот і т.д.), які застосовуються у вигляді розчинів, паст і сухих речовин. Неорганічним сировиною, бере участі у цих процесах, є лугу (їдкий натр, їдке калі, окис кальцію та інші), які застосовуються у вигляді розчинів і розплавів.

1 Призначення та характеристика продукції, що випускається

2-нафтоли (β-нафтоли)-безбарвні кристали зі слабким фенольним запахом; добре розчиняються в етанолі, діетиловому ефірі, хлороформі, бензолі, погано - у воді.

β - нафтол застосовується при виробництві органічних барвників, у парфумерній промисловості, в медицині.

β - нафтол напівпродукт органічного синтезу, має молекулярну масу М = 144,17 г / моль;

щільність p = 1,217;

температура кипіння t кип = 2860С;

температура плавлення t пл = 1220С;

Розчинний у воді (0,074) і в органічних розчинниках: хлороформі, бензолі, етанолі.

2 Технологічна частина

2.1 Кінетика і механізм реакції

Заміна сульфогруп гідроксігруппой в ароматичних з'єднаннях методом лужного плавлення є одним з основних методів отримання ароматичних гідроксісоедіненій - важливого класу органічних сполук, що використовуються у виробництві багатьох продуктів тонкого органічного синтезу, в тому числі у виробництві органічних барвників.

Вперше в 1864 р. Дюзаром і майже одночасно і незалежно Вюрц і Кекуле було здійснено перетворення бензолсульфокіслоти в фенол. Ця реакція, в якій один заступник в ароматичному ядрі заміщається іншим, відбувається з розривом зв'язку С-S і утворенням нового зв'язку С-О. Реакції заміщення сульфогруп гідроксігруппой протікають в жорстких умовах, при високій температурі (150-340 ° С), часто при дії розплавленої лугу (NaOH або КОН) з невеликим вмістом води.

В якості реагентів для перетворення сульфогруп в гідроксігруппу застосовують гідроксид натрію NaOH, гідроксид калію КОН і гідроксид кальцію Са (ОН) 2 (в ряду антрахінону). Найбільш часто використовують NaOH, який дешевший, хоча і менш реакционноспособен, ніж КОН. У деяких випадках використовують суміш NaOH і КОН, що має більш низьку температуру плавлення, ніж кожен реагент окремо (т. пл. NaOH 328 ° С, т. пл. КОН 360 ° С), що дозволяє вести процес при більш низьких температурах.

Заміщення сульфогруп в ароматичних з'єднаннях гідроксігруппой протікає при дії лугів на солі сульфокислот (рівняння 1).

ArSO3Na + 2NaOH ® ArONa + Na2SO3 + H2O (1)

Проте насправді реакція протікає більш складно, ніж показано в рівнянні (1). При вивченні кінетики реакцій лужного плавлення бензолсульфокіслоти і деяких нафталінсульфокіслот з водними розчинами NaOH було знайдено, що для більшості сульфокислот реакції мають другий порядок, а для бензолсульфокіслоти, 6-гідрокси-і 7-гідроксінафталін-2-сульфокислот - порядок близький до трьох, т. е. спостерігається ється перший порядок по сульфокислот і другий - по лугу. Ці дані вказують, що реакція протікає в дві стадії (схема 2). На першій стадії

- + Він - + він -

ArSO 3 - ¾ ¾ ¾ ® [HOArSO 3] 2 - ¾ ¾ ® ArO - + SO 32 - + Н2О (2)

відбувається приєднання гідроксид-іона до аниону аренсульфокіслоти з утворенням діаніона, який далі (друга стадія) реагує з другим гідроксид-іоном, утворюючи феноксід-іон, сульфіт-іон і воду. Ця схема була запропонована Н. Н. Ворожцова ст. ще в 30-і роки XX століття.

Відповідно до загальних положень ароматичного нуклеофілиюго заміщення і даними, отриманими при вивченні кінетики цієї реакції, в даний час механізм лужного плавлення може бути представлений рівнянням (3). Вважають, що при дії другого гідроксид-іона відбувається відрив протона від гідроксильної групи s-комплексу. Електронодонорних вплив утворюється заступника О - сприяє подальшому отщеплению іона SO 32 -

(3)

Застосувавши, принцип стаціонарності і визначивши концентрацію продукту приєднання першого гідроксид-іона (s-комплексу) (рівняння 4) отримаємо для швидкості реакції лужного плавлення рівняння (5).

[HOArSO32 -] = k1 [ArSO3 -] [ОН -] / k - 1 + k2 [АЛЕ -] (4)

v = k 1 k 2 [ArSO 3 -] [АЛЕ -] 2 / k - 1 + k 2 [АЛЕ -] (5)

Якщо відповідно до загальної схемою лужного плавлення (дивись схему 3) перша стадія (приєднання гідроксид-іона до аниону сульфокислоти) буде повільною стадією, тобто k 1 <k 2, то швидкість реакції лужного плавлення буде визначатися рівнянням (6), а порядок реакції буде дорівнює 2.

v = k 1 [ArSO 3 -] [АЛЕ -] (6)

Якщо дію другого гідроксид-іона і відрив сульфіт-аніона будуть проходити повільно, тобто k 1> k 2, і визначати швидкість всього процесу, то реакція буде описуватися рівнянням (7) і мати порядок, рівний 3.

v = Kk 2 [ArSO 3 -] [АЛЕ -] 2 (7)

де K = k 1 / k - 1.

Зниження електронної щільності в реакційному центрі, що полегшує нуклеофільних атаку гідроксид-іоном викликається в основному тільки індуктивним ефектом іонізованої сульфогруп. Тому реакція має високу енергію активації (143-197 кДж / моль) і протікає в жорстких умовах (300-340 ° С). Протікання реакції при високій температурі пояснюється тим, що в ході реакції відбувається взаємодія двох негативних іонів - ArSO третій АЛЕ -. Структура проміжно утворюються s-комплексів пояснює стабільність до лужного плавлення, наприклад, 4-гідроксібензол-1-сульфокислоти (п-фенолсульфокіслоти) і неможливість отримання з неї гідрохінону. У цьому випадку у взаємодію з гідроксид-іоном мав би вступати діаніон 4-гідроксібензол-1-сульфо-кислоти, в якому у атома вуглецю, пов'язаного з сульфогрупп, додатково підвищується електронна щільність через мезомерного впливу іонізованої групи ОН.

Таким чином, введення в молекулу ароматичної сульфокислоти електронодонорних заступника ускладнює реакцію лужного плавлення, і, навпаки, електроноакцепторні заступники полегшують реакцію.

Вивчення лужного плавлення [14 C] бензолсульфокіслоти показало, що гідроксильна група вступає в те ж положення, де перебувала сульфогруппа. При лужному плавленні п-толуолсульфокіслоти утворюється тільки п-крезол. При дії на сіль бензолсульфокіслсми гідроксидів натрію і калію, збагачених 18О, було виявлено, що атом кисню гідроксиду переходить в утворюються феноксід і воду. Все це є підтвердженням розглянутого вище механізму лужного плавлення.

Згідно з наявними даними, реакція заміщення сульфогруп гідроксігруппой протікає за механізмом ароматичного нуклеофільного заміщення (приєднання - відщеплення), а реакція, що протікає по «аріновому» механізму, практично відсутня.

2.2 Технологія лужного плавлення

Лужне плавлення можна здійснювати трьома способами: при атмосферному тиску, так звана відкрита плавка, 2) при підвищеному тиску в автоклавах; 3) з використанням гідроксиду кальцію (вапна), так званий вапняний плав.

Для лужного плавлення при атмосферному тиску застосовують гідроксид натрію як у твердому стані, так і у вигляді 12%-ного або 70-73%-ного розчинів. При використанні розчинів NaOH їх упарюють до концентрації: 80-85%, при застосуванні твердого NaOH до його розплаву додають до 10% води. Все це дозволяє отримати плав, рухливий при 270 - 290 ° С, і створити сприятливі умови для ведення реакції.

Для успішного проведення реакції використовувана сіль сульфокислоти повинна містити мінімальну кількість мінеральних_солей (хлорид і сульфат натрію). В іншому випадку спостерігаються неповна розчинність солі сульфокислот в розплавленої лугу, поява в плаву грудок (комкование), що призводить до зниження рухливості плаву і можливості місцевих перегрівів; при високих температурах (вище 300 ° С) це може викликати підгоряння плаву або навіть горіння всієї маси . При хорошому розмішуванні невеликий вміст мінеральних солей (до 10%> зазвичай не відбивається на процесі). Сіль сульфокислоти не повинна мати кислу реакцію, тому що це призводить до додаткової витрати NaOH на нейтралізацію, а отже, і до збільшення вмісту мінеральних солей.

Теоретично для лужного плавлення необхідно 2 моль NaOH (на 1 моль сульфокислоти), практично використовують надлишок лугу (2,1 - 2,4 моль, і окремих випадках 3-4 моль),

Загальний метод проведення лужного плавлення полягає в наступному: у добре рухливий, рідкий плав NaOH при 275-280 ° С вносять поступово (порціями) при розмішуванні сіль сульфокислоти у вигляді сухого подрібненого порошку або насиченого водного розчину. Вода поступово випаровується, але рухлива реакційна маса легко розмішується. До того ж кількість води в масі поповнюється внаслідок її утворення в ході реакції. Випари води також сприяють перемішуванню маси. Після закінчення завантаження солі сульфокислот реакційну масу при розмішуванні нагрівають, підвищуючи температуру до необхідної (300-340 ° С). Готовий плав містить феноксід натрію, сульфіт натрію, а також невелика кількість вільного лугу. Контроль за процесом лужного плавлення здійснюють, визначаючи вміст у плаву вільного NaOH,

Після закінчення реакції плав виливають у воду - так зване гасіння плаву. В отриманому розчині виділяється в осад сульфіт натрію, який фільтрують, а з фільтрату при підкисленні виділяють вільний гідроксісоедіненіе, яке направляють на очищення.

Лужну плавку при атмосферному тиску проводять в апаратах, виготовлених з чавуну з присадкою нікелю і хрому і забезпечених мішалкою і нижнім штуцером для вивантаження реакційної маси (малюнок 4). У кришці плавильного котла є люк для вентиляційної труби, отвори для завантаження сульфоната, відбору проб плаву під час процесу, штуцери для завантаження рідкого NaOH і установки термопари. Котел монтують в кладці печі і обігрівають топковими газами. Застосовуються також чавунні котли, в стінках яких є сталеві змійовики, по яких циркулює перегріта вода. В окремих випадках використовують електрообігрів плавильних котлів (Додаток В).

Лужна плавка під тиском проводиться у вертикальних сталевих автоклавах. У цьому випадку використовують водні розчини лугу і солі ароматичної сульфокислоти.

Лужне плавлення антрахінонсульфокіслот із застосуванням гідроксиду кальцію (вапна) проводиться в автоклавах під тиском. Умови лужного плавлення, тобто концентрація лугу, температура і тривалість плавки, залежать від природи вихідної солі сульфокислот.

Відносна легкість проведення процесу сплавлення з лугами залежить значною мірою від більшої чи меншої рухливості сульфогруп в тому чи іншому поєднанні і характеризується температурою, при якій швидкість заміщення сульфогруп гідроксігруппой стає найбільшою. Так, в бензолсульфокіслоте та її гомологах сульфогруппа порівняно мало рухома і тому плавка протікає в жорстких умовах (300-340 ° С). У нафталін-1-сульфокислот сульфогруппа більш рухлива, і лужне плавлення в цих випадках ведуть при більш низьких температурах (160-250 ° С).

При проведенні лужного плавлення аміносульфокіслот необхідно враховувати можливість побічних реакцій - гідроліз аміногрупи з виділенням аміаку і заміщення аміногрупи гідроксігруппой. До нітросульфокіслотам метод лужного плавлення не застосовується. У цьому випадку при високих температурах можливе протікання окислювально-відновних процесів через наявність в молекулі нітрогрупи.

Як зазначено раніше, введення електроноакцепторних групи призводить до збільшення рухливості сульфогруп, а введення електронодонорних групи - до зменшення її рухливості, тому в полісульфокіслотах сульфогруппа більш рухлива, ніж в моносульфокіслотах (8). Введення в молекулу нафталінсульфокіслоти другий сульфогруп, як, наприклад, в поєднанні (9), значно (в 10-20 разів) збільшує швидкість заміщення сульфогруп. Гидроксинафталинсульфокислоты (10), які утворюються в реакції лужного плавлення, реагують значно повільніше не тільки дисульфокислоти, а й відповідних моносульфокіслот.

Так, в нафталін-1,5-дисульфокислоти (158) за рахунок електронно-акцепторної дії сульфогруп зменшена електронна щільність у атома вуглецю, у якого знаходиться друга сульфогруппа, що полегшує взаємодію з гідроксид-іоном. Іонізована гідроксігруппа, навпаки, збільшує електронну щільність в ароматичному кільці, що ускладнює приєднання гідроксид-іона до атома вуглецю кільця. Внаслідок цього підбором умов лужної плавки в нафталінполісуль-фокіслотах можна замістити тільки одну гідроксігруппу. При плавленні, наприклад, нафталін-1, 5 - і нафталін-2 ,7-дисульфокислоти в якості основних продуктів реакції можна отримати відповідно 6-гідроксінафталін-1-сульфокислот (азуріновую кислоту) і 7-гідроксінафталін-2-сульфокислот. Таким чином, регулюючи температуру проведення реакції, а також концентрацію лугу можна управляти ходом реакції лужного плавлення.

Введення достатньої кількості води в плав дозволяє підтримувати реакційну масу в рідкому стані при відносно низьких температурах. Однак додавання води в реакційну масу хоча не змінює основного напрямку реакції лужного плавлення, але різко знижує її швидкість. Тому водні розчини лугу зручніше застосовувати для часткової заміни сульфогруп в полісульфокіслотах. Так отримують з нафтплін-1 ,5-дисульфокислоти 5-гідроксінафталін-1-сульфокислот (схема 11).

Методом лужного плавлення в автоклаві з високими виходами можна отримувати гідроксісоедіненія (наприклад, фенол, b-нафтол) з моносульфокіслот. Процес проводять в жорстких умовах (> 300 ° С, 10 МПа). Отримання фенолу може бути здійснено безперервним способом; в цьому випадку водний розчин лугу і сіль бензолсульфокіслоти під тиском при 350-370 ° С пропускають через апарат трубчастого типу.

Апарати для плавлення лужного

Залежно від методу в процесах лужного плавлення переробляються рідкі або тверді (сипучі) речовини.

Консистенція реакційної маси в цих процесах різна, залежно від характеру оброблюваних речовин і умов процесів. У процесах лужного плавлення при атмосферному тиску реакційна маса може представляти собою рідину або суспензію різної консистенції досить рухливу, в'язку або тістоподібну масу в залежності від властивостей, сплавляється речовин. Так, при плавленні бензолсульфоната натрію утворюється рідка рухлива реакційна маса, яку можна розмішувати мішалкою будь-якого типу. У процесі плавлення β - нафталінсульфоната натрію виходить досить в'язка рідка реакційна маса, розмішування якої можливо лише потужними лопатевими або якірними мішалками.

У процесі сплавлення з сульфідірующімі агентами (розчини сірчистого натрію або полісульфідів натрію) реакційна маса має консистенцію досить рухомий рідини або суспензії, з невеликим вмістом твердих частинок. У цих випадках для розмішування придатні мішалки будь-якого типу. Процеси сульфідування, що проводяться під тиском, також приводять до утворення досить рухомий реакційної маси. При сульфідірованін методом запікання, яке проводиться за участю молекулярної сірки, як і в процесах лужного плавлення, проведеного методом запікання, виходять тверді продукти реакції або рідкі, але настільки в'язкі, що розмішування реакційної маси іноді стає неможливим. Слід зазначити, що в процесах лужного плавлення не потрібно Інтенсивне перемішування; так як в даному випадку воно не є чинником, що сприяє взаємодії інгредієнтів. Перемішування використовується в цих процесах для деякого поліпшення умов їх проведення, тобто для очищення стінок апарату від налипає на них є і суспендування незначної кількості твердих зважених часток, що дозволяє запобігти місцеві перегріви і пригорання реакційної маси. Тому реакційну апаратуру в ряді випадків постачають мішалками, що забезпечують неенергійну перемішування маси.

Температура процесів лужного плавлення коливається в межах 150-450 ° і в реакційній масі часто присутня значна кількість води. Це обумовлює можливість проведення зазначених процесів різними методами. У процесі, що проводиться за атмосферному тиску, з реакційної маси випаровується значна кількість води, отже, необхідна температура в апараті може бути досягнута лише після закінчення випаровування, тобто в результаті підведення великих кількостей тепла. Якщо ж процес проводиться під тиском, необхідна температура досягається набагато швидше і з меншою витратою тепла.

Необхідно підкреслити, що методи лужного плавлення під тиском мають ряд істотних переваг. Лужне плавлення малоконцентрованої розчинів під тиском протікає більш гладко внаслідок більшої рухливості реакційної маси і з великим виходом, оскільки в закритих апаратах продукти плавлення не окислюються на поверхні реакційної маси, що стикається з повітрям. Процеси лужного плавлення протікають з виділенням досить великої кількості тепла, однак якщо вони проводяться при атмосферному тиску, необхідно не охолоджування, а нагрівання реакційної маси для випаровування води, що вимагає великої витрати тепла.

Розглянуті процеси при досить високій температурі протікають з дуже великою швидкістю. Час, необхідний для завершення процесу, практично залежить від швидкості підведення до реакційної масі тепла, яке витрачається на випаровування води і нагрівання інгредієнтів до необхідної температури. Тому апаратура повинна мати розвинену поверхню нагріву і конструювати ці апарати слід з урахуванням можливості максимальної інтенсифікації теплообміну. З цієї точки зору процеси під тиском (переробка безводних інгредієнтів) мають великі переваги порівняно з іншими методами лужного плавлення, тому що при лужному плавленні під тиском не відбувається випаровування води і, отже, витрата тепла при проведенні процесу мінімальний.

Реакційна маса, що перероблялася в апаратах для лужного плавлення, має лужний характер. К. впливу лужних середовищ стійкі сталь і чавун, особливо леговані. Внаслідок високої температури процесів лужного плавлення знос чавунних і сталевих апаратів збільшується. Присадка хрому підвищує жаростійкість і міцність чавунних виливків, присадка нікелю збільшує їх щелочеустойчівость.

Реакційна маса, що утворюється в процесах сульфідування, за хімічними властивостями відповідає розчинів лугу, сірчистого натрію або полісульфідів натрію. Органічні сполуки, що містяться в реакційній масі, при виборі матеріалу апаратури можна не брати до уваги, так як вплив їх на металеві деталі апаратів досить незначно. Як показує досвід діючих заводів, апарати з чорних металів в більшості випадків достатньо стійкі до дії розчинів лугів, сульфідів і полісульфідів натрію і можуть служити протягом 2-7 років за умови більш частої заміни деяких деталей, що швидко.

Сильнішому корозійного впливу піддаються частини апаратів, безпосередньо дотичні з газовою фазою. Газова фаза реакційної маси містить S О2. У цих умовах найбільш швидко руйнуються ті частини апаратури, які також стикаються з газовою фазою.

Резюмуючи викладене, можна зробити висновок, що для процесів лужного плавлення найбільш придатні реакційні апарати наступних типів:

1) апарати, що працюють при атмосферному тиску, у вигляді котлів з ​​мішалками відповідної конструкції (ці апарати називаються в техніці плавильними і варильними котлами);

2) апарати, що працюють при атмосферному тиску і застосовуються при обробці твердих інгредієнтів;

3) апарати, що працюють під тиском.

Вибір мішалок та їх характеристика

Апарати з пристроями, що перемішують застосовують для самих різних процесів. Однак, незважаючи на різноманітність технологічних цілей, для яких застосовується перемішування, більшість з них зводиться до поліпшення тепло-і ма c сообмена, отриманню рівномірних сумішей декількох рідин, рідини і твердого тіла, рідини і газу. Основне завдання перемішування - рівномірний розподіл речовини або температури в перемішуємо обсязі. Іноді перемішування служить для емульгування однієї рідини в іншу або диспергування твердої фази, а іноді для створення високих швидкостей середовища близько теплообмінних поверхонь з метою інтенсифікації теплообміну.

У нашому випадку використовують фаолітовую мішалку, сталевий вал якої захищений фаолітом тобто мішалка з антикорозійному захистом.

2.3 Отримання b-нафтолу

Синтез b-нафтолу шляхом сульфування нафталіну і подальшого лужного плавлення (схема 12) є єдиним промисловим методом його отримання.

H2SO4 Na2SO3 NaOH

C10 Н 8 ¾ ¾ ¾ ® C10 Н 7 SO3H ¾ ¾ ¾ ® C10 Н 7 SO3Na ¾ ¾ ¾ ®

- H2O - SO2, - H2O - Na2SO3 - H2O

SO2, H2O

C 10Н7 ONa ¾ ¾ ¾ ® C 10Н7 OH (12)

- Na 2 SO 3

Виробництво 2-нафтолу включає стадії лужного плавлення β - солі (рис.2; Додаток А), підкислення розчину нафтолята натрію (рис.3; Додаток А.1) і очищення 2-нафтолу (рис.4; Додаток А.2). β - сіль для виробництва 2 - нафтолу беруть в готовому вигляді.

Умови процесів і вибір основного обладнання

Умови нуклеофільного заміщення сульфогруп гідроксид-іоном малосприйнятливі: внаслідок іонізації сульфогруп знижена електронна щільність в реакційному центрі, та необхідна взаємодія двох негативних іонів Аг S Оз - і.НО-; в результаті реакція характеризується високою енергією активації (140-200 кДж / моль) і протікає при високих температурах (до 300-380 o С).

У промисловості тонкого органічного синтезу реалізовані два види лужного плавлення - відкрита плавка і закрита плавка, що розрізняються за умовами проведення процесу і апаратурним оформлення. Вибір виду (способу) лужної плавки визначається реакційною здатністю вихідної ароматичної сульфокислоти (рухливості сульфогруп) і можливістю перебігу побічних реакцій.

Відкрита плавка проводиться для моносульфокіслот в ряду бензолу і нафталіну при температурах 300-350 ° С і концентрації лугу 80-85%. Основний апарат (плавильний котел) має зв'язок з атмосферою, що і визначило назву цього виду лужного плавлення. У плавильному котлі можуть відбуватися попереднє упарювання лужного агента до досягнення його регламентованої концентрації та отгонка води при температурі витримки. Жорсткі умови відкритої плавки визначають вибір матеріалу плавильних котлів (чавун і сталь з обов'язковими добавками нікелю для збільшення стійкості до концентрованої луги та хрому - для підвищення стійкості до перепадів температур) і періодичну організацію процесу. Термін служби плавильного котла при відкритій плавці становить 2-3 роки.

Висока температура реакційної маси при лужному плавленні, досить великі втрати тепла при отгонке води і тепловипромінювання з поверхні апарата навіть при позитивних значеннях теплового ефекту процесу вимагають тільки підведення тепла, що при відкритій плавці може бути досягнуто обігрівом топковими газами, парами СОТ, електрообігрівом.

Одним із суттєвих чинників, що впливають на хід процесу і якість кінцевого продукту, є якість вихідних солей сульфокислот і лугів. Вони повинні бути по можливості вільні від домішок мінеральних солей, тому що останні при плавці не розчиняються в розплавленої (концентрованої) луги, призводять до грудкуванню реакційної маси, що перешкоджає перемішуванню і сприяє місцевим перегрівів і пригоранню до стінок плавильного котла. Повністю має бути виключено присутність в луги хлоратов, взаємодія яких з продуктами може призвести до вибуху. Цим вимогам відповідає плавлений гідроксид натрію, який поставляється на підприємства в сталевих барабанах [40 - 42%-й розчин їдкого натра (їдкий каустик) зі стадії електролізу хлориду натрію може містити мінеральні домішки, і його краще використовувати при проведенні закритою лужної плавки].

Швидкість лужного плавлення чутлива до концентрації луги, тому для кожного процесу регламентується надлишок лужного агента (завантаження становить 2,1-3,0 моль на 1 моль моносульфокіслоти). Другим регламентним показником є вміст лугу в плаву в кінці процесу, що використовується при аналітичному контролі. Надлишок лугу і температура витримки при f плавці взаємопов'язані. Наприклад, плавка натрієвої солі бензолсульфокіслоти дає 95%-й вихід феноляту натрію при 30-хвилинній витримці і температурі 320 ° С з застосуванням 55%-го надлишку Гідроком-сіда натрію. Підвищення температури до 350 ° С дозволяє закінчити плавку при витримці протягом 15 хв і застосуванні лише 5-10%-го надлишку лугу.

Консистенція реакційної маси в плавильних казанах може змінюватися від досить рухомий рідини (при плавці в виробництві фенолу і крезолів) до густої в'язкої маси (при плавці у виробництві 2-нафтолу) і малорухомої тістоподібної маси (при виробництві І-і гамма-кислот). У першому випадку для перемішування використовують пропелерні мішалки, що роблять 100-150 об / хв. У густих плавках головною небезпекою є налипання на стінки апарату шару реакційної маси, що запобігає при перемішуванні якірними мішалками, які при обертанні (40-60 об / хв) майже торкаються стінок котла (зазор між апаратом і мішалкою 2-3 мм).

Закрита лужна плавка відрізняється від відкритої більш м'якими критеріями по температурі і концентрації застосовуваної лугу. У ряді випадків необхідна температура перевищує температуру кипіння розчину вихідної лугу або реакційного розчину при атмосферному тиску, тому процес проводять під тиском до 2,5 МПа в автоклавах.

При наявності надлишкового тиску (у виробництві С-, СС-, Аш-і азуріновой кислот), лужне плавлення проводиться в автоклавах, виготовлених із сталі і захищених від лужної корозії чавунними вкладишами (детально конструкція автоклавів і їх вузлів розглянута в розд. 6.10). Перемішування здійснюється лопатевими або рамними мішалками; для досягнення температур витримки застосовують обігрів водяною парою або парою СОТ, поданими в сорочку або в змійовик, і обігрів топковими газами.

Відкрита лужна плавка має такі переваги перед закритою: велика продуктивність внаслідок високої концентрації інгредієнтів, застосування обладнання, що працює без надмірного тиску; можливість виділення сульфіту натрію після гасіння плаву. До недоліків відносяться: великі енерговитрати; можливість окислення продукту реакції при контакті з повітрям; пригорання малорухомих реакційних мас внаслідок високої температури. Для запобігання окислення плав захищають від контакту з повітрям створенням над ним парової подушки. При проведенні закритою плавки ці небажані можливі ускладнення процесу практично виключаються, але продуктивність плавки менше, і в ряді випадків застосовують обладнання, що працює під надлишковим тиском.

Цікавим процесом відкритої плавки є «суха» плавка у виробництві резорцину, для якої використовують вільні від води динатрієва сіль бензол-1 ,3-дисульфокислоти і чешуірованний гідроксид натрію. Процес має дві характерні особливості: зміна температури (300-380 ° С) в часі і зміна стану (консистенції) реакційної маси, - що визначає його апаратурне оформлення.

На початку процесу вихідна суміш інгредієнтів досить рухлива. При температурі близько 300 ° С відбувається заміщення першого сульфогруп, що виділяється вода завдяки гігроскопічності гідроксиду натрію залишається тимчасово в реакційній суміші, яка набуває тістоподібну консистенцію. У міру збільшення температури вода віддаляється, і необхідним стає подрібнення утворюються твердих шматків до порошкоподібного стану.

2.3.1 Лужне плавлення β-солі

Лужне плавлення β - солі ведуть в закритому чавунному казані 6 з якірної мішалкою. Ємність котла 2500 - 5000 л залежно від масштабів виробництва. На 2,3 моль їдкого натра (у вигляді 87-88%-го розплаву) рівномірно і безперервно завантажують I моль β - солі (у вигляді 81-85%-й пасти) при 300-310 ° С. Після закінчення завантаження швидко нагрівають реакційну масу до 325-335 ° С і дають короткочасну витримку при цій температурі. У процесі плавлення поверхню плаву захищають від дії повітря парової подушкою.

Після плавлення в реакційній масі міститься близько 3% вільного їдкого натра, близько 40% β-нафтолята (вважаючи на 2-нафтол), близько 35% сульфіту натрію і 1-2% непрореагіровавшей β - солі.

Їдкий натр в процесі лужного плавлення β - солі можна застосовувати як у твердому стані, так і у вигляді 42 або 70-73%-го розчину. У наведеній схемі застосовується 42% - й розчин NaOH. З збірник 1 розчин подають через мірник 2 в випарної котел 3. Після упарювання лугу до концентрації 80-85% плав занурювальним насосом перекачують в плавильний котел 6. У разі застосування 70-73%-го розчину лугу його можна упарюють безпосередньо в плавильному котлі.

Після реакції готовий плав негайно переводять в гаситель 7, куди попередньо заливають воду або першу промивну воду після промивки 2-нафтолу. Плав розбавляють приблизно в 3 рази, щоб у розчин перейшли і нафтол та сульфіт натрію. Цим відрізняється "рішення" нафтолятного і фенольного плаву. (Додаток А).

2.3.2 Підкислення розчину нафтолята

Підкислення розчину нафтолята проводять сірчистим газом, який утворюється при нейтралізації сульфомасси.

Процес проводять в сталевих футерованих кислототривкої плиткою герметичних апаратах 2 з фаолітовой мішалкою. Реакційну масу після підкислення передають на розшарування в сталеву, футерованную кислототривкої плиткою воронку 6 з мішалкою. У воронці масу нагрівають гострим парою до 100 ° С і розмішують. Потім маса відстоюється і розділяється на два шари - сульфітний і нафтольний. У цій же воронці нафтольний шар промивають і повторюють нагрівання, розмішування і відстоювання. Друга промивка 2-нафтолу проводиться у воронці 7 чистою водою. Промивна вода після відстоювали), передається в воронку 6 на першу промивку нафтольного шару. Сульфітний шар (зміст сульфіту натрію не менше 15%), відокремлений від нафтольного у воронці 6, направляється в збірник 11 і далі на нейтралізацію сульфомасси, якщо вміст у ньому 2-нафтолу не перевищує 1%. При більшому вмісті 2-нафтолу розчин направляють в апарат 10, де при охолодженні до 30-40 ° С викристалізовується 2-нафтол. Осад 2-нафтолу фільтрують на фільтр-пресі 8, який розвантажують після декількох операцій фільтрування. Вивантажений з фільтр-преса зворотний 2-нафтол в апараті 9 обробляють сірчаної кислотою для звільнення від сульфіту і повертають на першу промивку в воронку 6. (Додаток А.1).

2.3.3 Очищення 2 - нафтола

Після промивання проводять остаточне очищення 2-нафтолу у дві стадії - зневодненням та дистиляцією.

Сирий 2-нафтол зі збірки 1 іде в обезводнювачі 2, де 2-нафтан розплавляють, нагріваючи його до 125-130 ° С і додаючи воду. Пари води конденсуються в теплообміннику 5, і конденсат направляється на промивання 2-нафтолу, приєднуючись до другої промивної воді.

Зневоднений продукт, що містить не менше 87-90% 2-нафтолу і не більше 1,5% мінеральних домішок, передається в перегінний куб 4. При 120-130 ° С і вакуумі з куба відганяється залишок води, що надходить у приймач 8. Захоплюється парами води 2-нафтол повертають з приймача на зневоднення. При 180-200 ° С з куба починає відганяти 2-нафтол, першу порцію якого приєднують до першого погона. Готовий продукт надходить у обігрівається приймач 9, де підтримується температура 140-160 ° С. Прийом чистого 2-нафтолу продовжується до тих пір, поки в гонитві не з'являється жовтий відтінок. Погони жовтого продукту направляють в приймач 8. Залишилася в кубі смолу передавлюють пором в сталевій гранулятор 5, залитий водою. Гранули смоли фільтрують на фільтр б, вивантажують і відвозять у відвал або на спалювання.

2-нафтол подають в напірний бак 13, а звідти в барабанний кристалізатор 14. На лінії між приймачами 8,9 і вакуум-насосом встановлені пастки 2-нафтолу 10,11,12. Під час перегонки різних фракцій пастки охолоджуються водою. Після закінчення операцій, що накопичився в пастках 2 - нафтол, розплавляють і направляють в апарат для зневоднення 2. (Додаток А.2).

Вихід з усього виробництва 2-нафтолу - 74%.

3 Контроль процесу лужного плавлення і методи визначення гідроксісоедіненій

У процесі лужного плавлення періодично відбираючи проби плаву, визначають у них вміст лугу. Якщо у двох послідовно взятих пробах вміст лугу залишається постійним, то це вказує на закінчення реакції. Аналогічно кінець реакції можна визначити за кількістю утворився в плаву сульфіту натрію. Так контролюють, наприклад, процес лужного плавлення у виробництвах І-і Гамма-кислот і ін При проведенні плавки в автоклаві (наприклад, у виробництві Аш-кислоти, С-кислоти та ін) процес ведуть протягом певного часу.

Утворені в результаті реакції лужного плавлення гідроксісоедіненія в більшості випадків здатні при взаємодії з солями діазонію утворювати забарвлені Азосполуки. Ця властивість лежить в основі їх якісного і кількісного визначення. Якщо в аналізованому з'єднанні відсутні аміногрупи або заміщені аміногрупи, то якісною реакцією може служити поява інтенсивного забарвлення (зазвичай від оранжевого до червоного тонів) при зливанні розчину випробуваного з'єднання і карбонату натрію з розчином диазосоединения. Часто цю пробу виконують на фільтрувальному папері, спостерігаючи фарбування на кордоні завданих крапель зазначених розчинів. Як диазосоединения часто використовують хлорид п-нітробензолдіазонія або бензолдіазонія.

Для кількісного визначення гідроксісоедіненія титрують розчином п-нітробелзолдіазонія. Попередньо з наважки досліджуваного речовини готують приблизно 0,05-0,1 н. водний розчин. Від цього розчину беруть аликвотную частина (20 - 25 мл), додають карбонат натрію і титрують розчином диазосоединения. Для визначення кінця титрування на фільтрувальний папір за допомогою скляної палички поміщають краплю розчину з взмученной в ньому барвником. У місці нанесення краплі утворюється безбарвний або злегка забарвлений витік. Поряд з першою краплею наносять краплю диазосоединения. При наявності в пробі гідроксісоедіненія в місці зіткнення витік з'явиться фарбування. На початку титрування в пробі міститься гідроксісоедіненіе, кількість якого буде зменшуватися в міру титрування. Відсутність фарбування означає кінець титрування.

При аналізі гідроксісоедіненія, що має в своєму складі аміно-, алкіламіни-або аріламіногруппи, що підвищують реакційну здатність цього з'єднання по відношенню до диазосоединения, результати аналізу за описаною методикою можуть бути недостатньо точними. При аналізі аміногідроксінафталінмоно-або-дисульфокислоти, наприклад Аш-кислоти, поряд з поєднанням в орто-положення до гідроксігруппе (положення 6) можливе поєднання в орто-положення до аміногрупи (положення 3), а також поєднання в обидва ці положення одночасно. Однак азосочетания з диазосоединение в лужному середовищі, обумовлене впливом гідроксігруппи, протікає зі значно більшою швидкістю, ніж поєднання під впливом аміногрупи, тому для визначення аминогидроксинафталинсульфокислот титрування диазосоединения проводять у лужному середовищі (зазвичай в розчині карбонату натрію).

Для аналізу фенолу і b-нафтолу використовують метод йодометрической титрування. Фенол у водному розчині під дією розчину броміду і бромата калію кількісно броміруется до трібромфеіола.

Для визначення гідроксісоедіненій широко використовують також різні методи хроматографії та спектроскопії.

4 Апаратура для обробки продуктів лужного плавлення

Подальша обробка продуктів лужного плавлення зводиться до вельми нескладним операціям. Плав, отриманий в результаті лужного плавлення, піддають гасіння. Ця операція легко може бути проведені в найпростішої апаратури.

Гасіння плаву зазвичай проводиться в сталевих котлах, які мають мішалки, а іноді і охолоджуючими змійовиками. У котли завантажують розраховану кількість води, в яку виливають плав. Розведений плав в ряді випадків містить осад сульфіту натрію. Його зазвичай відфільтровують на напівавтоматичних або автоматичних горизонтальних центрифугах, отримуючи таким способом цінний товарний продукт. При цьому скорочується також витрата кислот або сірчистого газу на підкислення плаву і різко зменшується кількість мінеральних солей в отбросних фільтрату. Підкислення розведеного плаву проводиться при розмішуванні в сталевих апаратах-підкислювач, зсередини футерованих діабазових плитками. Підкислювачі забезпечуються свинцевими змійовиками для охолодження водою і фаолітовимі рамними мішалками. Для підкислення застосовують сірчистий газ, який надходить із спеціальною станції для отримання сірчистого газу або безпосередньо з нейтралізаторів. Газ, що вводиться в апарати-підкислювачі через фаолітовие барботер, поглинається лужним розчином. Процес підкислення проводять як періодичним, так і безперервним методом.

Для охолодження вологого сірчистого газу використовують свинцеві холодильники, краще застосовувати холодильники з трубами з графітових матеріалів.

Кожух холодильника сталевий, трубні решітки також виконуються зі сталі. У гратах просвердлюють отвори, діаметр яких на 1 мм більше діаметра труб, зазор заповнюють арзамітовой мастикою. Зовнішні сторони трубних решіток, а також внутрішні поверхні днища і кришки покривають шаром арзамітовой замазки товщиною 20 мм. Описаний холодильник в два рази легше свинцевого. Тривалість служби холодильників з трубами з графітових матеріалів в два рази перевищує строк служби свинцевих холодильників в однакових умовах експлуатації.

Відходять з апаратів сірководневі гази значно розбавлені повітрям, вміст сірководню в газах коливається в широких межах: від 2,5 до 270 мг / л (в середньому 40 мг / л).

Цілком задовільна очищення газів досягається шляхом поглинання сірководню розчинами лугу. При абсорбції сірководню водою не вдається очистити гази в такій мірі, щоб можливо було їх видалення в атмосферу.

У процесі абсорбції сірководню розчином їдкого натра виходить розчин сірчистого натрію, який використовується далі для процесів сульфідування. Тому бажано, щоб насиченість розчин мав таку концентрацію Na ОН, при якій міг би утворюватися розчин сірчистого натрію необхідної концентрації. Внаслідок наявності в сірчистому газі парів води концентрація лужного розчину в насичення розчин повинна бути на 2 - 3% більше розрахункової концентрації.

В результаті абсорбції сірководневих газів лужними розчинами часто утворюється розчин сульфіду натрію, сильно забруднений іншими мінеральними солями і тому непридатний для подальшого використання в процесах сульфідування. В даному випадку абсорбція сірководню проводиться не з економічних міркувань, а виходячи з умов техніки безпеки.

Для поглинання сірководню можуть бути використані різні типи абсорберів: насадочні, розпилюють, механічні. Останні дуже ефективні в процесах поглинання сірководню розчином їдкого натра.

Механічний абсорбер являє собою горизонтально розташований циліндричний апарат, по осі якого проходить вал, що приводиться в обертання за допомогою електродвигуна. Процес абсорбції в цьому апараті протікає так. Через циліндр, періодично заливається лужним розчином на висоту 1 / 3 - 1 / 4 діаметра, пропускають сірководневі пари. Вони проходять в абсорбері над рідиною і стикаються при цьому з найдрібнішими бризками розчину, які утворюються в результаті обертання сітчастих дисків, насаджених на вал. Міститься в газі сірководень абсорбується лужним розчином, залитим в абсорбер, гази, звільнені від H 2 S, видаляються з апарату за допомогою відцентрового вентилятора.

Відпрацьований лужний розчин періодично зливають з абсорбера і замінюють свіжим розчином. Гази надходять на абсорбцію зазвичай безпосередньо з апаратів, в яких вони виділяються.

Недоліком механічних абсорберів є відносна складність їх пристрою і підвищена витрата електроенергії.

5 Безпека і екологічність роботи

5.1 Екологічна безпека виробництва β - нафтола

Екологічна безпека виробництва β - нафтолу складається з екологічної небезпеки компонентів, що входять до складу виробництва, ефективності знешкоджуючих систем, способів утилізації відходів, а також екологічної безпеки матеріалів і речовин, що звертаються в процесі виробництва.

5.2 Ефективність очисних пристроїв

Екологічна безпека виробництва β - нафтолу залежить від типу та ефективності очисних споруд. Чим ефективніше споруди, тим екологічніше виробництво.

5.3 Способи утилізації відходів

Тверді відходи виробництва вивозять у відвал або ховають. Крім того, їх можна знищити спалюванням на спеціальних умовах. Контроль за станом навколишнього середовища, шкідливими речовинами полягає у встановленні стандартів і нормативів на викиди забруднювачів, угодами між місцевими органами влади та підприємствами, санкціями за порушення нормативів, правил і законів ГОСТ 17.2.3.02-78.

Таблиця 1 - Характеристика шкідливих речовин за системою стандартів безпеки праці

А - речовини, здатні викликати алергічні захворювання у виробничих умовах.

Висновок

У цій роботі була розроблена технологічна схема для отримання β - нафтолу і підібрано апаратурне оформлення.

Дана технологічна схема отримання β - нафтолу відображає не тільки основний прийом проведення хімічного процесу, а й виділення і очищення кінцевого продукту. До технологічною схемою дається пояснення як у вигляді основних хімічних процесів, так і вигляді опису прийомів проведення основних і допоміжних стадій.

Список використаної літератури

1. Технологічні схеми виробництв органічних речовин: Учеб. посібник / Ю. Г. Воробйов; Іван. держ. хім. - Технол.універсітет; 2000 - 102 с.

2. Стандарт підприємства, ЕСКД. Вимоги до оформлення текстових документів СПТ 3.4.204-01, Красноярськ, 2001.-43с.

3. СТП 3.4.104-01. Стандарт підприємства. Курсове проектування. Вимоги до виконання та поданням .- Натомість СТП 17-87. Введено 01.04.01. -Кр-ськ: Вид-во СібГТУ, 2001, -12 с.

4. Гранично допустимі концентрації шкідливих речовин у повітрі і воді. Изд. 2-е, пров. і доп. Л.: «Хімія», 1975.-456с.

5.Касаткін А.Г., Основні процеси та апарати хімічної технології. М.: Хімія, 1973. - 482с.

6. Касаткін А.Г., Плановскій А.Н. Процеси та апарати промисловості органічного синтезу. Частина 1. М.: Редакція хімічної літератури, 1939. - 492 с.

Додаток А

Рис 2. Технологічна схема лужного плавлення β - солі

1 - збірник їдкого натра, 2 - мірники, 3 - випарної котел, 4 - приймальний бункер, 5 - дозатор сульфосолі, що надходить на плавлення; 6 - плавильний котел; 7 - гаситель.

Додаток А.1

Рис. 3 Технологічна схема підкислення розчину нафтолята

1 - мірник, 2 - підкислювач; 3,4 - ловушві, 5 - конденсатор; 6,7 - промивні воронки, 8 - фільтр-прес; 9 - плавники; 10 - охолоджувач; 11-збірник розчину сульфіту.

Додаток А.2

Рис.4 Технологічна схема очищення 2-нафтолу:

1 - збірник сирого 2 - нафтолу, 2-обезводнювачі, 3 - конденсатор-теплообмінник, 4 - перегінний куб, 5 - гранулятор смоли; 6 - фільтр, 7 - відстійник стічних вод; 8-прнемнік; 9 - приймач 2-нафтолу, 10 , 11,12 - пастки, 13 - напірний бак; 14 - барабанний кристалізатор; 15 - бункер; 16 - вентильований шафа для розвантаження 2-нафтолу.

Додаток Б

Таблиця 2 - Фізичні константи цільових продуктів

	C10H7OH
Молярна маса	144,17
Колір, кристалічна форма

Показник заломлення	---
Щільність	1,217
Т пл.	122
Т кип.	286
Розчинність у H 2 O при 25оС	0,074
Розчинність в інших розчинниках при 20оС	Р., сп., Е., Хл., Бз.

Таблиця 3 - Фізичні константи вихідних продуктів

Таблиця 4 - Фізичні константи побічних продуктів

Додаток В

Малюнок 4. Котел для лужного плавлення:

1 - корпус, 2 - мішалка, 3 - нижній спуск для плаву