УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКИ НЕСТАБИЛЬНЫХ АНГИДРИДОВ ОРГАНИЧЕСКИХ КИСЛОТ

Полезная модель относится к области органической химии, в частности, к техническим средствам получения термически нестабильных ангидридов из твердых органических кислот.
Известно устройство для получения ацетальдегида и тримеллитового ангидрида, представляющее собой емкость, в полости которой установлены мешалка, насаженная на вал, соединенный с двигателем, и змеевик для подвода тепла в реакционное пространство (CN 201823522).
Недостатками известного устройства являются отсутствие возможности получения ангидридов из твердых органических кислот, а также наличие движущихся деталей в реакционном пространстве, что приводит к усложнению конструкции и снижению надежности работы устройства.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство, состоящее из узла смешения, в котором происходит диспергирование жидкого катализатора в уксусной кислоте, реактора пиролиза уксусной кислоты, холодильника для конденсации водяных паров, реактора для получения уксусного ангидрида, в котором кетен реагирует с дополнительным количеством уксусной кислоты с образованием уксусного ангидрида (US 20130072718).
Указанное устройство также не позволяет получать ангидриды из твердых органических кислот.
Кроме того, известное устройство предусматривает использование катализатора и характеризуется наличием движущихся деталей, контактирующих с агрессивной средой, что приводит к усложнению и снижению надежности работы устройства.
Задачей предлагаемой полезной модели является разработка устройства, обеспечивающего получение термически нестабильных ангидридов из твердых органических кислот.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для получения термически нестабильных ангидридов органических кислот содержит реактор термолиза с аксиальной линией подачи органической кислоты из бункера-дозатора и радиальной линией подачи в его верхнюю часть подогретого газа-носителя из нагревателя, вход которого подсоединен к узлу подачи газа-носителя, холодильник с линией подвода хладоагента, сепаратор, контур регулирования температуры нагревателя, состоящий из последовательно соединенных датчика температуры на выходе нагревателя, регулятора расхода теплоносителя и исполнительного клапана на линии подачи теплоносителя в нагреватель, контур регулирования соотношения расходов органической кислоты и газа-носителя в реактор, состоящий из последовательно соединенных датчика температуры на выходе реактора, регулятора расхода газа-носителя в нагреватель и исполнительного клапана на линии подачи газа-носителя в нагреватель, и контур регулирования температуры холодильника, состоящий из последовательно соединенных датчика температуры на выходе холодильника, регулятора расхода хладоагента и исполнительного клапана, при этом выход реактора подключен к холодильнику, линия отвода охлажденных продуктов реакции которого подсоединена к входу сепаратора с линиями отвода газовой фазы продукта, жидкой водной фазы продукта и жидкой неводной фазы целевого продукта.
Достигаемый технический результат заключается в оптимизации процесса термолиза твердой органической кислоты с обеспечением температурного режима в реакторе, необходимого для проведения реакции термолиза твердой органической кислоты, а также исключении вторичных превращений термически нестабильного целевого продукта при одновременном упрощении конструкции устройства.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором показана принципиальная схема предлагаемого устройства, и иллюстрируется на примере получения итаконового ангидрида из лимонной кислоты.
Устройство состоит из узла подачи газа-носителя 1, соединенного линией подачи газа-носителя 2, с установленным на ней клапаном 3, с нагревателем 4. Нагреватель 4 соединен посредством линии подачи горячего газа-носителя 5 с установленным на ней датчиком температуры 6 с верхней частью реактора 7. Причем ввод газа-носителя в верхнюю часть реактора 7 осуществляется в радиальном направлении.
С входом реактора 7 посредством аксиальной линии подачи лимонной кислоты 8 соединен бункер-дозатор 9. Выход реактора 7 соединен посредством линии выхода продуктов реакции 10, на которой расположен датчик температуры 11, с холодильником 12. Выход холодильника 12 соединен линией отвода охлажденных продуктов реакции 13, на которой расположен датчик температуры 14, с сепаратором 15. От сепаратора 15 газообразная фаза отводится по линии 16, жидкая водная фаза - по линии 17, жидкая неводная фаза, содержащая итаконовый ангидрид, отводится по линии 18.
Подвод тепла в нагреватель 4 регулируется потоком теплоносителя, подаваемого по линии подачи теплоносителя 19, по температуре на выходе из него, измеряемой датчиком 6, сигнал от которого поступает на регулятор расхода теплоносителя 20, управляющий исполнительным клапаном 21. Датчик температуры 6, регулятор 20 и клапан 21 образуют контур регулирования температуры в нагревателе 4.
Температура на выходе из реактора измеряется датчиком 11, сигнал от которого поступает на регулятор расхода газа-носителя в нагреватель 22, управляющий клапаном 3. Датчик температуры 11, регулятор 22 и клапан 3 образуют контур регулирования соотношения расходов лимонной кислоты и газа-носителя в реактор 7.
Подвод охлаждающей среды в холодильник 12, осуществляемый по линии подвода хладоагента 23, регулируется по температуре на выходе из холодильника, измеряемой датчиком 14, сигнал от которого поступает на регулятор расхода хладоагента 24, управляющий клапаном 25. Датчик температуры 14, регулятор 24 и клапан 25 образуют контур регулирования температуры в холодильнике.
Отвод отработанного хладоагента осуществляется по линии 26.
Устройство работает следующим образом.
Газ-носитель, подаваемый с помощью узла подачи газа-носителя 1, соединенного линией подачи газа-носителя 2, на которой находится клапан 3, поступает в нагреватель 4, где подогревается до температуры 160-515°C. Подвод тепла в нагреватель 4 регулируется потоком теплоносителя, подаваемого по линии 19, по температуре на выходе из него, измеряемой датчиком 6, сигнал от которого поступает на регулятор 20, управляющий исполнительным клапаном 21. Отвод теплоносителя на чертеже не показан. Далее подогретый газ-носитель по радиальной линии подачи горячего газа-носителя 5 вводится в верхнюю часть реактора 7, где смешивается с лимонной кислотой, поступающей из бункера-дозатора 9 с заданным расходом лимонной кислоты, по линии подачи кислоты 8. В реакторе 7 происходит термолиз лимонной кислоты за счет тепла отдаваемого газом-носителем. Температура на выходе из реактора 7, измеряемая датчиком 11, поддерживается регулятором 22, управляющим расходом газа-носителя, путем воздействия на исполнительный клапан 3. Температура на выходе из реактора поддерживается на уровне 148-220°C. Далее поток газа-носителя вместе с продуктами реакции по линии подачи продуктов реакции 10 поступает в холодильник 12, где охлаждается до температуры 25-60°C, и по линии подачи холодных продуктов 13 поступает в сепаратор 15. Температура на выходе из холодильника 12, измеряемая датчиком 13, поддерживается регулятором 24, управляющим расходом охлаждающей среды, поступающей в холодильник по линии 23, путем воздействия на клапан 25. Отвод охлаждающей среды от холодильника 12 осуществляется по линии 26. Наличие холодильника позволяет резко охлаждать реакционную смесь на выходе из реактора во избежание изомеризации целевого продукта, поскольку известно [Shriner R.L., Ford S.G, Roll L.J. Itaconic anhydride and itaconic acid //Organic Syntheses. - 1931. - C. 70-70.], что под воздействием температуры лимонная кислота плавится с разложением на итаконовый ангидрид, воду и углекислый газ. Итаконовый ангидрид при этом находится в газообразном состоянии и при длительной выдержке при высокой температуре изомеризуется до цитраконового ангидрида.
В сепараторе 15 происходит разделение продуктов на газовую фазу, которая отводится потоком 16, жидкую водную фазу, которая отводится потоком 17, и жидкую неводную фазу, содержащую итаконовый ангидрид, который отводится потоком 18.
Для проведения реакции термолиза необходимо обеспечить режим быстрого нагревания сырья до температуры 148-220°C и последующего быстрого охлаждения (закалки) продукта до температуры 25-60°C. Для этого целесообразно использовать пневмотранспорт сырья, при котором газ-носитель выступает одновременно в роли теплоносителя. При этом подводимую к сырью тепловую мощность не удается задавать путем регулирования только температуры газа-носителя, так как при температуре газа-носителя свыше 550°C в момент контакта газа-носителя с сырьем происходит перегрев части сырья, что приводит к снижению выхода целевого продукта. По этой причине необходимо одновременно регулировать как температуру газа-носителя, так и соотношение расходов сырья и газа-носителя, поскольку для предотвращения комкования сырья и обеспечения быстрого и равномерного его нагрева следует поддерживать определенное соотношение расходов предварительно нагретого газа-носителя и сырья. Для реализации вышеописанного режима производят регулирование соотношения расходов сырья (лимонной кислоты) и газа-носителя путем автоматического регулирования расхода газа-носителя при сохранении постоянного расхода сырья. При этом ввод газа-носителя в радиальном направлении к сырью обеспечивает быстрое турбулентное смешение газа-носителя и сырья и, таким образом, быстрый нагрев сырья. Благодаря одновременной работе трех регулирующих контуров (регулирования расхода газа-носителя, регулирования температуры нагревателя, регулирования температуры холодильника) обеспечивается оптимизация процесса термолиза лимонной кислоты с последующей закалкой продукта. Таким образом, при заданном постоянном расходе сырья (лимонной кислоты) устройство обеспечивает подведение теплоты, необходимой для проведения реакции термолиза, вместе с тем, не допуская перегрева сырья в реакторе и обеспечивая закалку продукта.
В качестве средства подачи газа-носителя можно использовать вентилятор или компрессор.
В качестве газа-носителя можно использовать любой термически стабильный газ, например, воздух, азот, углекислый газ, гелий, аргон и др.
Подвод тепла в нагреватель может осуществляться любым теплоносителем, а также путем электрического нагрева.
В качестве охлаждающей среды в холодильнике 14 могут использоваться, например, вода, воздух.
Процесс проводится в отсутствии катализатора.
ПРИМЕР 1
Воздух в количестве 100 кг/ч, подаваемый с помощью средства подачи 1, проходит через нагреватель 4, где подогревается до температуры 160°C. Далее, подогретый газовый поток вводится в радиальном направлении в реактор 7, где смешивается с лимонной кислотой, поступающей в реактор из бункера-дозатора 9 в количестве 1 кг/ч. В реакторе лимонная кислота подвергается термолизу за счет теплоты отдаваемой воздухом с образованием итаконового ангидрида. Температура на выходе из реактора поддерживается на уровне 148°C. Затем реакционная масса направляется в холодильник 12, где охлаждается до температуры 25°C. Далее, охлажденная реакционная масса поступает в сепаратор 15, где происходит отделение жидкой фазы от газообразной. Жидкая фаза расслаивается на водную и неводную фазы. Непрореагировавшая лимонная кислота растворяется в водной фазе. Выход итаконового ангидрида составляет 92% масс.
ПРИМЕР 2
Азот в количестве 3,8 кг/ч, подаваемый с помощью узла подачи 1, проходит через нагреватель 4, где подогревается до температуры 515°C. Далее, подогретый газовый поток вводится в радиальном направлении в реактор 7, где смешивается с лимонной кислотой, поступающей в реактор из бункера-дозатора 9 в количестве 1 кг/ч. В реакторе лимонная кислота подвергается термолизу за счет теплоты отдаваемой азотом с образованием итаконового ангидрида. Температура на выходе из реактора поддерживается на уровне 220°C. Затем реакционная масса направляется в холодильник 12, где охлаждается до температуры 60°C. Далее, охлажденная реакционная масса поступает в сепаратор 15, где происходит отделение жидкой фазы от газообразной. Жидкая фаза расслаивается на водную и неводную фазы. Непрореагировавшая лимонная кислота растворяется в водной фазе. Выход итаконового ангидрида составляет 87% масс.