Технология получения терефталевой кислоты из пара-ксилола

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

УДК 543.4:544.2

Г. Т. Гараева, И. А. Суворова, В. И. Анисимова ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРЕФТАЛЕВОЙ КИСЛОТЫ ИЗ ПАРА-КСИЛОЛА

Ключевые слова: терефталевая кислота, п-ксилол, окисление, уксусная кислота, термодинамический анализ.

Исследованы процессы синтеза терефталевой кислоты, определены оптимальные условия протекания процесса, разработаны функциональная, операторная и технологическая схемы, рассчитаны тепловой баланс и материальный баланс, на основе, которого определены технико-экономические показатели данной продукции.

Keywords: terephthalic acid, p-xylene oxidation, acetic acid, thermodynamic analysis.

The processes of synthesis of: terephthalic acid, determined optimal process conditions, developed functional, operator and technological scheme, calculated heat balance and material balance, on the basis that will determine the technical and economic performance of these products.

В последние годы полимерные материалы и химические волокна вошли в быт человека. До начала XX столетия применялись только химические волокна, которые являлись продуктами растительного и животного происхождения (хлопок, шерсть и т. д.). В настоящее время синтетические волокна практически вытеснили натуральные. Одиним из важнейших химических продуктов, которые используются для производства полиэфирных волокон, полиоксадиазолов, полибензимидазолов, алкидных смол и пластификаторов является терефталева кислота. Полиэфирные материалы нашли широкое применение для производства транспортерных лент, шинного корда, приводных ремней, парусов, пожарных рукавов, электроизоляционных и других материалов благодаря своей большой прочности, относительно высокой термостойкости, а также высоким диэлектрическим характеристикам [1].

Долгое время терефталевая кислота (ТФК) не имела практического применения, и поэтому существовали лишь лабораторные способы ее получения. В дальнейшем проводились множество исследований по получению терефталевой кислоты, различными методами и видами сырья. В промышленных масштабах производство терефталевой кислоты началось в 50-е годы XX столетия по методу окисления п-силола азотной кислотой [2,3]. На сегодняшний день существует множество методов получения ТФК. Однако большинство фирм, получающих ТФК, используют в качестве сырья п-ксилол, поэтому наиболее изученной реакцией является реакция жидкофазного окисления п-ксилола до ТФК [2,3]. Процесс получения ТФК заключается в окислении п-ксилола в растворе уксусной кислоты воздухом при 175-230°С и 1,5-3,0 МПа, в качестве катализатора используются ацетаты кобальта и марганца, а промотора соединения, содержащие бром, например, бромид натрия:

СбН4(СНз)2+302^СбН4(С00Н)2+ 2Н2О

Проведение окисления п-ксилола в среде уксусной кислоты позволяет получить ТФК с большим выходом, т.к. растворитель (уксусная кислота) не является инертной средой, а активно участвует в процессе окисления. В ряду алифатических одноосновных кислот уксусная кислота является наиболее стабильной в условиях реакции окисления, к тому же она оказывает двойное действие, во-первых, сокращает индукционный период вследствие активации катализатора, а во- вторых увеличивает скорость образования и разложения гидропероксидов [3-5]. Этот метод получения ТФК является самым распространенным, так как чистота получаемого продукта составляет 99,6%, степень конверсии, и выход продукта 95%.

Для проектирования технологических процессов важное место занимают термодинамические расчеты химической реакции. Термодинамический анализа, показал, что реакция экзотермическая во всем температурном интервале, оптимальная температура процесса 220°С. С увеличением температуры энтропия реакции увеличивается. Во всем температурном интервале ДО < °, следовательно, реакции идут самопроизвольно. Кр>>1, следовательно, реакции смещены в прямом направлении (в сторону образования продуктов).

Функциональная схема производства дает общее представление о процессе функционирования ХТС и создается на первом этапе синтеза системы, На рисунке 1 представлена функциональная схема производства ТФК, которая представляет собой подготовку и окисление п-ксилола, выделение терефталевой и уксусной кислот.

На втором этапе проектирования создается операторная схема, которая дает наглядное представление о физико-химических процессах происходящих в системе (рис. 2).

Технологическая схема дает наиболее полное представление о процессе, она составляется на последнем этапе проектирования ХТС на основе операторной схемы (рис. 3).

Подготовка и

дозирование

сырья

исходная

Хшкпенгае

W лреерзщение

г

Реакционная масса

отработанный газ еоздуг.

^ па рай и УК I

Выделение уксусной кислоты

Выделение и очистка ТФК

Рецикл

Рис. 1 - Функциональная схема производства ТФК

Рис. 2 - Операторная схема: 1 - оператор нагрева; 2 - оператор химического превращения; 3,5 -операторы разделения; 4 - оператор изменения агрегатного состояния

Был произведен расчет теплового баланса процесса, который показал, что данная реакция

экзотермическая (т.к. Q >0) идет с выделением

тепла. Тепловая нагрузка для реактора составляет Ор =-259437,69 кДж/ч Поверхность теплообмена Р= 7,5 м2. Также был произведен расчет материального баланса процесса, на основе, которого рассчитаны технико-экономические показатели.

В данной технологии достигается высокая степень превращения п-ксилола 95%. Практические расходные коэффициенты превышают

теоретические, это значит, один из реагентов берется в избытке (кислород) и присутствуют потери (ТФК).

Рис. 3 - Технологическая схема производства. 1 -подогреватель исходной реакционной смеси; 2-реактор окисления; 3- сепаратор; 4, 5, 7, 9, 11, 13 - холодильники; 6, 8, 10, 12шлюзовые камеры; 14, 17 - насосы; 15 - адсорбер высокого давления; 16- абсорбер низкого давления; I, II -высокотемпературный теплоноситель; III -воздух; IV - исходная реакционная смесь; V -вода; VI - водный раствор уксусной кислоты; VII - оксидат; VIII - пар; XI -конденсат

Литература

1. Овчиников В.И., Производство терефталевой кислоты и ее диметилового эфира.// Овчиников В.И., Назимок В.Ф., Симонова Т.А. - М.: Химия 2009.-232 с.

2. 01.09- 19Н.101П Способ получения терефталевой кислоты // Реферативный журнал химика.- 2010.

3. Анисимова, В.И. Квантово-химическое моделирование конформаций гидропероксидов первичного, вторичного и третичного бутилов /В.И. Анисимова, Н.Н. Батыршин, И.А.Суворова, Х.Э Харлампиди// Вестник Казан. технол. ун-та. 2014. Т.17. №14. С.25-27

4. Гайле А.А., Ароматические углеводороды: выделение, применение, рынок: Справочник.// Гайле А.А., Сомов В.Е., Варшавский О.М. -СПб.: Химиздат, 2010. - 544с.

5. Анисимова, В. И. Конформации и внутримолекулярная водородная связь в растворах гидропероксида кумола//В.И. Анисимова, Н.Н. Батыршин, И.А. Суворова, Х. Э Харлампиди // Вестник Казан. технол. ун-та. 2014. Т.17. №14. С.53-54

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках базовой части государственного задания (ПНИЛ 02.14).

© Г. Т. Гараева - магистр каф. общей химической технологии КНИТУ, oxt_a214@mail.ru; И. А. Суворова - к.х.н., доцент той же кафедры; В. И. Анисимова - к.х.н., доцент той же кафедры.

© G. T. Garaeva - the master, Department of General Chemical Technology, KNRTU, oxt_a214@mail.ru; I. A. Suvorova - Ph.D., associate professor the same Department; V. I. Anisimova - Ph.D., associate professor the same Department.