ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ОКИСЛЕНИЯ ФУРАНОВЫХ ПРОИЗВОДНЫХ

Полезная модель относится к области химической технологии, в частности к конструкциям лабораторных испытательных стендов, предназначенных для экспериментального определения оптимальных условий окисления фурановых производных, например, 5-гидроксиметилфурфурола (5-ГМФ) до 2,5-фурандикарбоновой кислоты (2,5-ФДКК).
Продукты переработки углеводов, являющихся основой биомассы, представляют собой перспективные химические соединения с широким спектром областей применения. Особый интерес представляют фурановые соединения. В последнее время широко исследуются процессы окисления 5-ГМФ и получения 2,5-ФДКК из него. На сегодняшний день описан ряд способов, из которых можно выделить два наиболее перспективных варианта осуществления данного процесса. В первом варианте окисление происходит при использовании в качестве окислителя непосредственно кислорода или кислорода воздуха и во втором - перманганата калия. В случае использования кислорода в качестве окислителя, возникает необходимость проведения процесса при повышенном давлении, нагреве компонентов в реакторе окисления и использовании катализаторов, содержащих драгоценные металлы. Это ведет к усложнению конструкции установки, сложностям при эксплуатации и к ее удорожанию.
Использование в качестве окислителя перманганата калия исключает указанные недостатки и упрощает процесс синтеза ФДКК в лабораторных условиях.
В обоих вариантах процесс проходит в две стадии: на первой стадии происходит окисление 5-ГМФ, а на второй - подкисление соли ФДКК с последующим осаждением кислоты. После первой стадии необходима фильтрация для удаления катализатора или побочных продуктов разложения окислителя (оксида марганца), а после второй стадии необходимо отфильтровать выпавшие кристаллы ФДКК от раствора хлористого натрия, что усложняет процесс получения целевого продукта.
Для реализации процесса окисления используют различные автоклавы, реакторы. Известны реакторы для проведения процессов окисления отходов и материалов, описанные в патентах US №5558783, US №5591415, US №6264844.
Так, например, в патенте US №6264844 для процессов окисления использован проточный трубчатый реактор, выполненный в виде прямой трубы. К недостаткам данного реактора можно отнести сложность поддержания изотермического состояния реакционной смеси, а также то, что ее состав неоднороден и меняется по длине реактора.
В патенте US №5591415 и а.с. №636233 предложено использовать проточный реактор в виде сосуда высокого давления (реактор смешения). К недостаткам такого типа реактора, как и практически любого реактора смешения, можно отнести трудности в обеспечении длительного времени контакта компонентов реакционной смеси, что не позволяет достигнуть высокой степени превращения.
В ряде известных способов (а.с. №530881, №510477) для получения 2,5-ФДКК путем окисления 5-ГМФ используется проточная автоклавная установка высокого давления марки УОСУГ-12М, выбранная в качестве прототипа (Н.М. Эмануэль, Е.Т. Денисов, З.К. Майзус. Цепные реакции окисления углеводородов в жидкой фазе. - М.: Наука, 1965, Курганова Е.А. - Селективное аэробное окисление алкиларенов до гидропероксидов в присутствии фталимидных катализаторов: дисс. док. хим. наук: 05.17.04. Ярославль - 2017).
3
Основным элементом установки УОСУГ-12М является реактор окисления в виде полого цилиндра объемом 180 см. В крышке реактора укреплены трубки барботера для подачи воздуха, поступающего на окисление, и карман для термопары. Реактор снабжен водяным холодильником и магнитной мешалкой, приводимой в возвратно-поступательное движение сердечником и магнитной катушкой с помощью прерывателя. Для обогрева реакционной массы реактор установлен в электрической печи. Магнитная мешалка установлена прямо на водяном холодильнике, приваренном к головке реактора, что обеспечивает хорошие условия работы катушки. Данная установка работает в периодическом режиме. В реактор загружают ингредиенты и катализатор, герметично закрывают, подают в систему через реактор сжатый воздух из баллона. Одновременно с этим осуществляют нагрев реакционной смеси печью при включенной мешалке. По окончании процесса окисления печь обогрева отключают, реактор охлаждают холодной водой, давление в системе снижают до атмосферного.
К недостаткам следует отнести периодический режим работы, а также наличие элементов и узлов для подачи сжатого воздуха или кислорода, что усложняет конструкцию, обслуживание и эксплуатацию данной установки.
Однако существующие способы представляют собой трудоемкие многооперационные процессы, а установки, используемые для их реализации, являются оборудованием периодического действия и не предусмотрены для проведения полного цикла операций. При этом надо учитывать, что оборудование должно быть рассчитано на проведение процессов в агрессивной среде при повышенном давлении и температуре (обычно при 115° - 140°С и давлении воздуха 1,0÷1,5 МПа). Поэтому разработка и поиск альтернативных, менее затратных способов и оборудования для их реализации является актуальной задачей.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение заключается в разработке конструкции лабораторного стенда для проведения процесса окисления фурановых производных, позволяющей оптимизировать технологический процесс за счет объединения в одной установке оборудования, включающего полный цикл, и повысить качество целевого продукта путем включения дополнительной стадии фильтрования и необходимого оборудования.
Эта задача решается посредством предлагаемой конструкции лабораторного стенда для проведения процессов окисления фурановых производных, содержащего дозаторы ингредиентов, реактор окисления с перемешивающим устройством, снабженный рубашкой охлаждения, и панель управления, установленные на общем основании. Стенд дополнительно содержит реактор подкисления с перемешивающим устройством, снабженный рубашкой охлаждения. На выходе каждого из реакторов установлены вакуум-фильтры для жидкостей, при этом вакуум-фильтр реактора окисления посредством вакуум-линии связан с реактором подкисления, вакуум-фильтр которого снабжен на выходе емкостями для сбора фильтрата и твердой фазы.
Существенным и новым в предложенной конструкции является то, что лабораторный стенд для проведения процессов окисления фурановых производных включает в одной установке весь комплекс необходимого оборудования: дозирующие устройства, реакторы окисления и подкисления, снабженные перемешивающими устройствами и рубашками охлаждения, вакуум-фильтры, емкости для жидкой и твердой фаз, связанные трубопроводами. Кроме того стенд дополнительно содержит оборудование для проведения фильтрования и удаления побочных продуктов разложения окислителя и выделения конечного продукта.
Технический результат предлагаемой конструкции заключается в создании лабораторного стенда для проведения процесса окисления фурановых производных, позволяющего оптимизировать и совместить все операции технологического процесса в одной установке. Кроме того, повышается качество конечного продукта за счет наличия фильтровального оборудования после реакторов окисления и подкисления. При проведении процесса окисления 5-ГМФ до 2,5-ФДКК после первой стадии необходима фильтрация для удаления катализатора или побочных продуктов разложения окислителя (оксида марганца), а после второй стадии необходимо отфильтровать выпавшие кристаллы ФДКК от раствора хлористого натрия, что в итоге позволяет повысить качество целевого продукта.
Предложенная конструкция лабораторного стенда для проведения процесса окисления фурановых производных поясняется чертежом. На Фиг. 1 представлена принципиальная схема лабораторного стенда для проведения процессов окисления фурановых производных, где 1 - дозаторы ингредиентов; 2 - реактор окисления; 3 - перемешивающее устройство; 4 - рубашкой охлаждения; 5 - реактор подкисления; 6 - вакуум-фильтры для жидкостей; 7 - вакуум-линии; 8 - емкость для фильтрата; 9 - емкость для твердой фазы.
Конструкция лабораторного стенда смонтирована на общем основании. На панели размещены элементы управления и регулирования технологическим процессом. Стенд включает дозаторы ингредиентов 1, расположенные над реакторами окисления 2, который снабжен перемешивающим устройством 3 и рубашкой охлаждения 4. Реактор подкисления 5, также снабжен перемешивающим устройством 3 и рубашкой охлаждения. Для разделения суспензий, образующихся в реакторах, используются барабанные вакуум-фильтры 6, расположенные на выходе реакторов. Вакуум-линии 7 связывают барабанный вакуум-фильтр, расположенный на выходе реактора окисления, с реактором подкисления, и барабанный вакуум-фильтр, расположенный под ним с емкостью для фильтрата 8. Емкости для твердой фазы 9 предназначены для сбора побочных продуктов разложения окислителя и выделения конечного продукта, и расположены на выходе фильтров соответствующих реакторов.
Практическая эксплуатация предложенной конструкции лабораторного стенда для проведения процесса окисления фурановых производных осуществляется следующим образом. Все операции технологического процесса регулируются с помощью элементов, размещенных на панели управления. Рассмотрим работу стенда на примере процесса окисления 5-ГМФ до 2,5-ФДКК.
Раствор, содержащий перманганат калия и гидроксид натрия, из дозатора ингредиентов 1 поступает в реактор окисления 2, туда же из другого дозатора подается раствор 5-ГМФ при включенном перемешивающем устройстве 3 реактора 2. После завершения процесса окисления суспензия оксида марганца из реактора 2 самотеком перетекает в приемную ванну барабанного вакуум-фильтра 6. В процессе фильтрации происходит разделение образовавшейся суспензии на твердую фазу (оксид марганца), которая счищается с поверхности барабана и направляется в емкость 9, предназначенную для сбора побочных продуктов разложения окислителя. А жидкая фаза (раствор натриевой соли ФДКК) с помощью вакуум-линии 7 направляется в реактор подкисления 5, также снабженный мешалкой 3 и рубашкой охлаждения 4. По окончании процесса фильтрации в реакторе 5 устанавливают давление соответствующее атмосферному и загружают концентрированную соляную кислоту из дозатора до достижения показателя pH равного 2. Образовавшаяся суспензия ФДКК из реактора 5 самотеком перетекает в приемную ванну барабанного вакуум фильтра 6, расположенную под реактором 5. Твердая фаза (ФДКК) удаляется с поверхности фильтровального барабана и направляется в емкость для сбора конечного продукта 9, а фильтрат поступает в емкость 8 для последующей утилизации.
В результате проведения процесса окисления 5-ГМФ до 2,5-ФДКК при оптимизированных условиях на предлагаемом лабораторном стенде были получены следующие результаты. При подаче в установку 50 мл раствора, содержащего 8,25 г 5-ГМФ-сырца (60%), в результате получено 4,5-5 г ФДКК чистотой 98%, что подтверждает высокое качество получаемого продукта.