ДВУХСТАДИЙНЫЙ СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ 40-60% ВОДНОГО РАСТВОРА ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА
TWO-STEP METHOD OF SEPARATING 40-60% OF HYDROGEN PEROXIDE WATER SOLUTION

Изобретение относится к химической технологии неорганических веществ, конкретно к процессу выделения водного 40-60% пероксида водорода из оксидата, полученного окислением изопропанола кислородсодержащим газом.
Данный жидкий продукт используют в качестве отбеливателя в целлюлозно-бумажной и текстильной промышленности, а твердые продукты дальнейшей его переработки в виде перкарбоната и пербората натрия входят в составы моющих, отбеливающих и дезинфицирующих средств бытового, промышленного и медицинского назначения.
6
Оксидат получают окислением изопропанола в присутствии до 25 мас.% воды газом, содержащим до 70 об.% кислорода, при давлении выше 1,0 МПа и температуре 120-160°С (патент 2109679 RU «Способ получения пероксида водорода», МПК С01В 15/023, опубл. 1998.04.27).
Из охлажденного оксидата, содержащего ацетон, изопропанол, воду, пероксид водорода, стабилизатор и органические примеси, товарный пероксид водорода в промышленности выделяют вакуумной ректификацией при температуре куба колонны 90-95°С (Химия и технология перекиси водорода. / Под ред. Г.А.Серышева. - Л.:Химия, 1985. С.101-103).
5
С целью повышения выхода пероксида водорода горячий оксидат из реактора окисления предложено дросселировать непосредственно в вакуумную ректификационную колонну, в куб которой непрерывно подают воду, а водный раствор пероксида водорода отбирают с глухой по жидкости тарелки, расположенной над кубом (авт. свид. №1685865 SU «Способ получения водного раствора пероксида водорода», МПК С01В 15/026, опубл. 23.10.1991). Однако данным способом реально можно получить только 20-30 мас.% водный раствор пероксида водорода.
7
С целью повышения выхода пероксида водорода и снижения энергетических затрат оксидат перед вакуумной ректификацией предложено подвергать испарению при давлении 0,1-0,2 МПа и температуре 85-95°С за счет внутреннего тепла, выделяющегося при охлаждении оксидата со 125-130°С до 85-95°С (патент №2216505 «Способ выделения водных растворов пероксида водорода», МПК С01В 15/026, опубл. 2003.11.20). На первой стадии путем самоиспарения из оксидата в паровую фазу отделяют 0,10-0,15 мас. ч. от количества исходного оксидата и снижают концентрацию ацетона в жидкой фазе с 18,7 до 16,35 мас.%. На второй стадии вакуумной ректификацией из жидкой фазы при остаточном давлении 25-65 кПа получают 35-40 мас.% пероксида водорода.
Недостатком известного двухстадийного способа (прототипа) является рост потерь пероксида водорода при производстве 40-60 мас.% продукта, так как на стадии вакуумной ректификации из жидкой фазы необходимо отогнать в дистиллят более 0,7 мас. ч. от исходного количества оксидата при температуре куба колонны выше 90°С. При такой температуре в производственных условиях из-за термической деструкции теряется 2-3% исходного пероксида водорода.
Задачей данного изобретения является снижение потерь при выделении из оксидата 40-60% пероксида водорода.
Для решения поставленной задачи на первой стадии перед вакуумной ректификацией из оксидата в отпарной колонне при абсолютном давлении 65-110 кПа отгоняют легкую фракцию в количестве 0,2-0,6 мас. ч. от потока исходного оксидата.
На фиг.1 представлена принципиальная блок-схема материальных потоков установки двухстадийного выделения из оксидата 40-60% пероксида водорода. На фиг.2 показаны область детонации смесей и составы жидкости на ступенях колонны вакуумной ректификации (пример 3).
Установка включает, фиг.1, узел дросселирования и испарения 1, отпарную колонну 2, колонну вакуумной ректификации 3 и колонну концентрирования ацетона 4.
Исходный оксидат, содержащий ацетон, изопропанол, воду, пероксид водорода, стабилизатор и органические примеси (поток 5), с начальной температурой 120-140°С и давлением 1,0-1,5 МПа из реактора окисления изопропанола пропускают через узел дросселирования и испарения 1, в котором давление снижают до 65-110 кПа и при необходимости дополнительно испаряют жидкую фазу подводом тепла от внешнего источника. Полученную парожидкостную смесь (поток 6) подают в отпарную колонну 2 с разделяющей способностью 3-6 теоретических тарелок. В нижнюю часть отпарной колонны вводят водяной пар или смесь паров ацетона, изопропанола и воды (поток 7), полученную путем испарения воды из абсорбера газоочистки. Отогнанный первичный дистиллят (поток 8) в количестве 0,2-0,6 мас. ч. от количества исходного оксидата направляют в колонну концентрирования ацетона 4, а отпаренный оксидат (поток 9) подают в колонну вакуумной ректификации 3.
Отогнанный в колонне 3 вторичный дистиллят (поток 10) также направляют в колонну концентрирования ацетона 4. Кубовым продуктом выделяют целевой 40-60% пероксид водорода (поток 11).
В колонне 4 кубовым остатком получают смесь изопропанола и воды (поток 12), которую возвращают в реактор окисления. Дистиллят (поток 13) используют как товарный ацетон или перерабатывают в изопропанол методом гидрогенизации.
Рабочие параметры процесса выделения 40-60% пероксида водорода на описанной установке рассчитаны по программе ChemCAD. Материальные и тепловые потоки даны в расчете на 1 т исходного оксидата.
1
2
2
3
3
Пример 1. Оксидат с температурой 127°С и давлением 1,1 МПа дросселируют до давления 105 кПа с подводом Q=166 МДж/т тепла и подают в нижнюю часть колонны 2, работающей при флегмовом числе R=0,2. В нижнюю часть этой колонны подают 0,062 т/т водяного пара с подводом Q=962 МДж/т тепла и отбирают дистиллятом отгон легкой фракции в количестве 0,338 т/т. Отпаренный оксидат подают в среднюю часть колонны вакуумной ректификации 3, работающей при флегмовом числе R=0,25 и остаточном давлении внизу колонны 50 кПа. В испаритель колонны 3 подводят Q=673 МДж/т тепла при температуре 93°С. Из колонны отбирают вторичный дистиллят и товарный пероксид водорода.
Данные о количестве и составах материальных потоков представлены в таблице 1. Из оксидата типового состава (поток 4) получают товарный 50% пероксид водорода (поток 11). При доле отгона легкой фракции на первой стадии 0,338 т/т потери пероксида водорода с первичным дистиллятом (поток 8) от исходного количества составляют всего 0,08%. Общий расход тепла составляет 1801 МДж/т, из которого на испаритель вакуумной колонны 3, работающий в наиболее жестких условиях, приходится 37%.
Пример 2. Процесс выделения осуществляют по аналогии с примером 1 из оксидата идентичного состава. На первой стадии при давлении 110 кПа и подаче 0,108 т/т водяного пара отгоняют 0,181 т/т легкой фракции. Потери перекиси водорода с легкой фракцией от его количества в исходном оксидате составляют 0,04%. На второй стадии при давлении внизу колонны 60 кПа получают 40% пероксид водорода. Общий расход тепла составляет 2526 МДж/т, из которого на испаритель вакуумной колонны приходится 33%.
Пример 3. Процесс выделения осуществляют по аналогии с примером 1 из оксидата идентичного состава. На первой стадии при давлении 70 кПа и подаче 0,054 т/т водяного пара отгоняют 0,474 т/т легкой фракции. Потери пероксида водорода с легкой фракцией от исходного количества составляют 0,10%. На второй стадии при давлении внизу колонны 40 кПа получают 60% пероксид водорода. Общий расход тепла составляет 1700 МДж/т, из которого на испаритель вакуумной колонны приходится 34%.
Пример 4 (сравнительный). Исходный оксидат с температурой 127°С и давлением 1,1 МПа, состав которого идентичен составу оксидата из примера 1, дросселируют без подвода тепла. Из полученной смеси без подачи водяного пара отделяют легкую фракцию. Жидкий остаток подают в колонну вакуумной ректификации. При давлении на выходе из дросселирующего узла 105 кПа количество легкой фракции составляет 0,20 т/т, с которой уносится 1,3% исходного пероксида водорода.
Использование нового двухстадийного способа выделения пероксида водорода по сравнению с известным способом позволяет уменьшить потери пероксида водорода:
- на первой стадии с потоком легкой фракции с 1,3% до 0,1%;
- на второй стадии вследствие снижения тепловой нагрузки на испаритель колонны вакуумной ректификации с 2-3 до 1-2%.
Неожиданно также оказалось, что при увеличении концентрации пероксида водорода в продукте с 40 до 60% общий удельный расход тепловой энергии на двух стадиях можно снизить с 2526 до 1700 МДж/т (для исходного оксидата, содержащего 8,6 мас.% пероксида водорода).
В процессе выделении пероксида водорода с концентрацией выше 30% необходимо исключить работу в области, в которой перерабатываемая смесь способна детонировать (У.Шамб, Ч.Сеттерфильд, Р.Вентворс. Перекись водорода. М.: И.Л., 1958. - С.156). При концентрации пероксида водорода 40% содержание кетона и спирта должно быть меньше 10%, соответственно при 50% - меньше 8% и при 60% - меньше 6%, фиг.2. Расчеты показывают, таблица 2, что при вводе необходимого количества водяного пара (поток 7) и правильным выбором тарелки питания попадание в опасную зону концентраций веществ исключается.
Таким образом, данный двухстадийный способ выделения 40-60% водного раствора пероксида водорода с отгонкой на перовой стадии в отпарной колонне при абсолютном давлении 65-110 кПа легкой фракции в количестве 0,2-0,6 массовых частей от потока исходного оксидата является безопасным, позволяет уменьшить потери целевого вещества, а также снизить удельный расход тепла на процесс концентрирования.
Таблица 1Показатели процесса по примеру 1
Наименование показателя
Величина показателя для потока
5
7
8
9
10
11
1
Температура, °С
127
102
66
84
54
93
2
Количество, т/т
1,000
0,062
0,338
0,724
0,559
0,165
3
Содержание, мас.%
ацетон
18,7
-
40,5
6,9
9,0
0,00
изопропанол
56,0
-
48,2
54,9
71,1
0,00
вода
16,7
100
11,3
26,3
19,9
48,1
пероксид водорода
8,6
-
0,02
11,9
0,02
51,9
Таблица 2Составы паровой и жидкой фаз в колонне вакуумной ректификации 3 вблизи тарелки питания при выделении 50% пероксида водорода (пример 1) и 60% пероксида водорода (пример 3)
Наименование компонента
Содержание компонента на ступени, масс.%
выше
ступень питания
ниже
пар
жидк.
пар
жидк.
пар
жидк.
Пример 1
1
Ацетон
8,1
0,7
8,1
0,9
1,3
0,0
2
Изопропанол
65,1
13,1
64,8
20,3
29,5
1,7
3
Вода
26,5
78,1
26,2
60,8
66,7
77,4
4
Пероксид водорода
0,3
8,1
0,9
18,0
2,5
20,9
Пример 3
1
Ацетон
3,3
0,2
3,3
0,3
0,4
0,0
2
Изопропанол
65,4
10,5
65,4
15,7
23,3
1,2
3
Вода
30,7
76,9
30,0
61,7
73,0
73,9
4
Пероксид водорода
0,6
12,4
1,3
22,3
3,3
24,9