Образование гидроксиацетона и методы снижения его количества в процессе производства фенола
На правах рукописи
Гребенщиков Илья Николаевич
образование гидроксиацетона и методы снижения его количества в процессе производства фенола
05.17.04 - технология органических веществ
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук
Санкт-Петербург
2008
Работа выполнена в ОАО «Всероссийский научно-исследовательский
институт нефтехимических процессов» (ОАО «ВНИИНефтехим»)
| Научный руководитель: | Доктор технических наук Дыкман Аркадий Самуилович |
| Официальные оппоненты: | Академик РАН, доктор химических наук, профессор Терещенко Геннадий Фёдорович |
| Доктор химических наук, профессор Сыроежко Александр Михайлович | |
| Ведущая организация: | Казанский государственный технологический университет |
Защита состоится 30 октября 2008 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета ДС 405.001.01 при ФГУП «Российский научный центр «Прикладная химия» по адресу: 197198 г. Санкт-Петербург, пр. Добролюбова, 14.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГУП «Российский научный центр «Прикладная химия».
Автореферат разослан 25 сентября 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат химических наук В.И. Мануйлова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Промышленный процесс совместного производства фенола и ацетона кумольным способом, известный с 1949 года, заключается в окислении кумола кислородом воздуха с образованием гидропероксида кумола (ГПК) и разложении полученного ГПК на фенол и ацетон в присутствии серной кислоты. В настоящее время он является наиболее распространенным промышленным способом. По этой технологии в мире производится более 8 миллионов тонн фенола в год. Прогнозируется увеличение производства фенола на 6 % в год. Основным потребителем фенола является производство поликарбонатов на основе бисфенола – А, продукта конденсации фенола с ацетоном. Указанные поликарбонаты находят все большее применение в электронной промышленности. Не менее важным потребителем фенола и его производных является фармацевтическая промышленность. В связи с этим постоянно растут требования к повышению качества (чистоты) фенола, определяющего в последующем физико-химические и эксплуатационные свойства продуктов, применяемых в электронике, фармацевтике и других областях их использования.
В соответствии с требованиями, предъявляемыми к фенолу (ГОСТ 23519-93) товарный продукт не должен содержать более 0,01 % мас. примесей. Основными примесями, влияющими на качество фенола, а в последующем на эксплуатационные характеристики поликарбонатов (в частности, оптические свойства) являются гидроксиацетон и 2–метилбензофуран, образующийся при взаимодействии фенола с гидроксиацетоном. В реакционной массе разложения ГПК содержится около 0,1- 0,2 % мас. гидроксиацетона. Задача разработки эффективных, конкурентоспособных промышленных способов получения фенола, свободного от этих примесей, на настоящий момент не решена, несмотря на большое количество исследований, посвященных этому вопросу. Решение этой задачи требует знаний о путях образования гидроксиацетона и факторах, влияющих на эти процессы.
Анализом литературных сведений о путях образования гидроксиацетона в процессе синтеза фенола и ацетона через разложение ГПК показано, что данный вопрос изучен недостаточно, результаты исследований не могут быть использованы в технологических целях. Поэтому требовалось провести углубленные исследования по изучению путей образования гидроксиацетона для разработки методов снижения его содержания в технологическом процессе, и в конечном итоге снизить количество примесей в целевом товарном продукте.
Данная работа выполнена в соответствии с планами научно-технических работ ОАО «ВНИИНефтехим» на 2005 –2007 гг. и договором с фирмой ООО «Еврохим СПб» № 10/05 – ЕСП – 118/05 на 2005г.
Основная цель работы – исследование условий образования гидроксиацетона и разработка методов снижения его содержания в продуктах синтеза фенола и ацетона кумольным способом для повышения выхода и качества фенола.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
- Анализ литературных сведений о химических свойствах гидропероксидов, которые могут являться причиной образования гидроксиацетона и синтез различных промежуточных соединений, являющихся потенциальными источниками гидроксиацетона.
- Экспериментальная проверка принципиальной возможности образования гидроксиацетона из промежуточных соединений с использованием модельного трет-бутилгидропероксида.
- Установление путей образования гидроксиацетона в условиях промышленной двухстадийной технологии разложения ГПК.
- Разработка методов снижения содержания гидроксиацетона в продуктах разложения ГПК применительно к двухстадийной технологии.
Научная новизна.
Впервые установлено, что при кислотно-катализируемом взаимодействии ацетона с трет-алкилгидропероксидами наряду с известными 2,2- бис(трет-алкилперокси)пропанами образуются трет-алкоксиацетоны. Показано влияние природы растворителя на соотношение этих продуктов.
Трет-алкоксиацетоны в присутствии серной кислоты разлагаются с образованием гидроксиацетона и соответствующих олефинов, причем присутствие фенола значительно ускоряет разложение.
Установлено, что гидроксиацетон образуется при кислотно - катализируемом разложении 4-кумилперокси-4-метилпентанона-2.
Показано, что в промышленных условиях разложения гидропероксида кумола по двухстадийной технологии на первой стадии процесса гидроксиацетон образуется из промежуточного кумилоксиацетона. Причиной образования гидроксиацетона на второй стадии процесса является пероксид водорода, образующийся на первой стадии процесса.
Практическая ценность работы.
Разработан способ снижения содержания гидроксиацетона в продуктах разложения ГПК, основанный на замене кумола, который содержится в техническом ГПК (13-14 % мас.), на фенол. При этом содержание гидроксиацетона может быть уменьшено в 6 раз.
Разработан способ уменьшения содержания гидроксиацетона в продуктах разложения, основанный на замене традиционного катализатора разложения (серной кислоты) на продукт взаимодействия серной кислоты с фенолом, при этом содержание гидроксиацетона может быть уменьшено в 1,7 раз.
Предложенные в работе способы снижения содержания гидроксиацетона в продуктах разложения ГПК могут быть реализованы в промышленном масштабе без существенных капитальных затрат. Одновременное применение двух предлагаемых способов разложения ГПК по двухстадийной технологии приводит к уменьшению содержания гидроксиацетона в 8 раз, сокращению в 4,5 раза расхода серной кислоты, значительному сокращению затрат на последующую очистку фенола и утилизацию отходов производства.
При существующей двухстадийной технологии получения фенола из гидропероксида кумола из-за образования гидроксиацетона на каждые 100000 тонн фенола происходит потеря около 500 тонн фенола вследствие расхода части гидропероксида кумола на образование гидроксиацетона и при дальнейшей очистке товарного продукта, при которой часть фенола необратимо связывается с гидроксиацетоном. Применение методов снижения образования гидроксиацетона позволит сократить потери фенола до 65 тонн на каждые 100000 тонн фенола. Улучшение качества выпускаемого фенола, в свою очередь, приводит к снижению затрат на очистку продуктов, получаемых на его основе, и повышению их качества.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на VII Российской конференции (с международным участием) «Механизмы каталитических реакций» (Санкт – Петербург, июль 2006 г.).
Публикации по теме диссертации: Опубликовано 5 научных работ, в том числе 1 патент РФ, 1 заявка на патент РФ с положительным решением, 2 статьи и материалы доклада.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и приложения. Диссертация изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 2 рисунка, 17 таблиц. Список литературы включает 131 источник. Во введении представлена общая характеристика работы, включающая обоснование выбранной темы, ее актуальность, определены цели и задачи проведенного исследования.
Первая глава – литературный обзор, в котором рассмотрены химические аспекты основных технологических стадий процесса получения фенола и ацетона, проанализированы существующие литературные сведения о путях образования гидроксиацетона. Рассмотрены химические свойства гидропероксидов с точки зрения возможности образования -оксикетонов. Приведены гипотезы образования гидроксиацетона в условиях реального процесса и определены пути решения поставленных задач.
Во второй главе описаны методы синтеза используемых химических соединений, а также методы эксперимента и анализа. Строение соединений было установлено на основании данных спектроскопии ЯМР 1Н и 13С, качественный и количественный анализ осуществлялся методом ГЖХ.
Третья глава состоит из трех частей. В первой части представлены результаты экспериментов по образованию гидроксиацетона на примере взаимодействия трет-бутилгидропероксида с ацетоном и его производными. Во второй части приведены результаты экспериментов по образованию гидроксиацетона в процессе разложения ГПК. В третьей части приведены способы уменьшения содержания гидроксиацетона при разложении ГПК.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. Пути образования гидроксиацетона
Экспериментальная проверка гипотез образования гидроксиацетона, предложенных на основании литературных сведений, проведена в несколько этапов. Сначала изучена принципиальная возможность его образования по тому или иному пути. Для этого вместо ГПК использовано модельное соединение – трет-бутилгидропероксид, который значительно более устойчив к действию кислот, с последующей проверкой возможности реализации данного пути с участием самого ГПК, и оценка вклада данного пути образования гидроксиацетона в условиях реальной двухстадийной технологии разложения ГПК на фенол и ацетон.
1.1. Взаимодействие ацетона и его производных с трет-бутилгидропероксидом.
Первая гипотеза об образовании гидроксиацетона при прямом взаимодействии гидропероксидов с ацетоном описана следующей схемой (применительно к трет-бутилгидропероксиду). Для удобства в автореферате нумерация соединений аналогична таковой в диссертации.
Данная гипотеза основывается на предположении, что наряду с продуктом замещения - 2,2-бис(трет-бутилперокси)пропаном (5) может образовываться продукт отщепления протона от промежуточного катиона (19) - трет-бутилизопропенилпероксид (16). Известно, что такой пероксид неустойчив и перегруппировывается в трет-бутоксиацетон. Такая конкуренция продуктов замещения и отщепления хорошо изучена на примере взаимодействия спиртов с кетонами, протекающего с образованием кеталей и виниловых эфиров.
При проведении реакции трет-бутилгидропероксида с ацетоном в присутствии серной кислоты, наряду с продуктом (5), действительно, был выделен трет-бутоксиацетон (17), причем его содержание в реакционной массе возрастало с повышением температуры реакции.
Было исследовано влияние некоторых растворителей на соотношение продуктов (17) и (5). Для этого проведено взаимодействие трет-бутилгидропероксида с ацетоном в различных растворителях, которые могут оказывать влияние на ход реакции при фиксированной температуре и времени реакции (табл. 1). Выбор растворителя был обусловлен следующими причинами: гексан – инертный неполярный растворитель, диоксан - растворитель, имеющий низкую диэлектрическую проницаемость, но обладающий основными свойствами. Кумол был выбран как компонент, присутствующий в реальном процессе разложения ГПК, кроме того, известно, что кумол в некоторых условиях может быть донором гидрид иона, способствующего реакциям отщепления, ацетофенон – растворитель со средней полярностью, который является побочным продуктом при разложении ГПК.
Таблица 1. Влияние растворителя на соотношение продуктов реакции взаимодействия трет-бутилгидропероксида с ацетоном.
| Растворитель | Т, С | Конверсия t-BuOOH, % | [17]/[5], моль/моль | |
| Гексан | 1,89 | 50 | 82 | 1,53 |
| Кумол | 2,38 | 50 | 82 | 75 |
| 1,4-Диоксан | 2,20 | 50 | 73 | 60 |
| Ацетофенон | 17,39 | 50 | 87 | 40 |
Из результатов, приведенных в таблице, следует, что наибольшее количество трет-бутоксиацетона образуется в кумоле. Специфический эффект действия кумола можно объяснить следующей схемой:
Подтверждением данной схемы является зафиксированное методом ГЖХ образование -метилстирола (5-8 % мас. от введенного трет-бутилгидропероксида). Высокий выход трет-бутоксиацетона (17) в диоксане и ацетофеноне объясняется высокой основностью первого и высокой полярностью второго растворителя. Оба фактора оказывают благоприятное влияние на отщепление протона от промежуточного катиона (19).
Далее было исследовано кислотно-катализируемое разложение трет-бутоксиацетона в среде ацетона и в эквимолярной смеси фенола с ацетоном, которое протекает по следующей схеме:
При разложении трет-бутоксиацетона в среде ацетона в присутствии каталитического количества серной кислоты при 50 С его конверсия составляла 10 % за 60 минут. В присутствии фенола разложение резко ускорялось, и трет-бутоксиацетон количественно разлагался за 30 минут при той же температуре. В обоих случаях образовывался гидроксиацетон с выходом 70 и 60 %, соответственно. Для выяснения влияния фенола, было проведено исследование взаимодействия трет-бутоксиацетона с фенолом в избытке последнего в отсутствии кислоты. В результате этой реакции наряду с гидроксиацетоном был выделен трет-бутилфениловый эфир, который образуется при сольволизе трет-бутоксиацетона фенолом. Образование этого соединения объясняет ускоряющую роль фенола. В присутствии кислоты трет-бутилфениловый эфир быстро разлагается на фенол и изобутилен.
Таким образом, показано, что гидроксиацетон образуется при прямом взаимодействии трет-бутилгидропероксида с ацетоном через промежуточное образование трет-бутоксиацетона.
Следующая гипотеза образования гидроксиацетона при прямом взаимодействии гидропероксидов с ацетоном проиллюстрирована следующей схемой:
Для проверки этой гипотезы было проведено исследование взаимодействия трет-бутилгидропероксида с метилизопропениловым эфиром (26), который был взят в качестве модельного соединения вместо енольной формы ацетона, в присутствии серной кислоты. В результате этой реакции образуются три продукта: 2-метокси-2-трет-бутилпероксипропан (27) – продукт присоединения гидропероксида по двойной связи метилизопропенилового эфира и продукты его дальнейшего взаимодействия с трет-бутилгидропероксидом (трет-бутоксиацетон (17) и 2,2-бис(трет-бутилперокси)пропан (5). Таким образом, протекающие превращения могут быть описаны следующей схемой:
При этом образование продуктов возможного эпоксидирования метилизопропенилового эфира не наблюдалось. Данная схема дополнительно подтверждает образование трет-бутоксиацетона при прямом взаимодействии трет-бутилгидропероксида с ацетоном, так как в обоих случаях реакция протекает через один катион (19).
Следующий путь образования гидроксиацетона, выдвинутый на основании изучения литературных сведений, состоял в разложении 4-кумилперокси-4-метилпентанона-2 (22), продукта присоединения ГПК к оксиду мезитила. В связи с этим, используя модельный трет-бутилгидропероксид, синтезировали 4-трет-бутилперокси-4-метилпентанон-2 (23). В зависимости от места разрыва связи разложение соединения(23) может происходить по двум направлениям (путь А и путь Б):
В результате разложения соединения (23) в присутствии серной кислоты установлено, что реакция протекает только по пути А, и образования гидроксиацетона не происходит.
1.2. Взаимодействие ацетона и его производных с гидропероксидом кумола.
На следующем этапе были изучены пути образования гидроксиацетона непосредственно при разложении ГПК, применительно к двухстадийному процессу, при котором разложение ГПК проводят последовательно при двух температурах (50 и 135 С). Известно, что гидроксиацетон образуется на обеих стадиях процесса примерно в одинаковых количествах.
Так как гидроксиацетон образуется при взаимодействии трет-бутилгидропероксида с ацетоном через промежуточное образование трет-бутоксиацетона, можно предположить, что в условиях реального процесса разложения ГПК, гидроксиацетон образуется из кумилоксиацетона (28). Кумилоксиацетон был получен взаимодействием ГПК с изопропенилацетатом в присутствии стехиометрического количества ацетата ртути (II).
Для подтверждения факта образования кумилоксиацетона в результате прямого взаимодействия ГПК с ацетоном, было проведено изучение их взаимодействия в диоксане в присутствии сухого HCl, который не вызывает разложения ГПК. В результате данной реакции образовывались два продукта: 2,2-бис(кумилпероксипропан) (3) и кумилоксиацетон (28).
Разложение кумилоксиацетона проводили на специальной установке непрерывного действия, имитирующей промышленное двухстадийное производство в среде продуктов разложения технического ГПК (фенол, ацетон и кумол). Установлено, что кумилоксиацетон полностью разлагается на первой стадии (50 С) с образованием гидроксиацетона и -метилстирола с выходами близкими к теоретическим. При снижении температуры первой стадии на 20 С, был получен аналогичный результат.
Потенциальным источником гидроксиацетона на второй стадии процесса может быть пероксид (3), который способен образовывать кумилоксиацетон в условиях повышенных температур, поэтому было изучено разложение соединения (3) в тех же условиях, что и в случае кумилоксиацетона. В результате исследований установлено, что на первой стадии образовалось около 2 % гидроксиацетона, в расчете на введенный пероксид (3). На второй стадии образования дополнительного количества гидроксиацетона не происходило.
Следовательно, можно сделать вывод о том, что образование гидроксиацетона на первой стадии процесса происходит через промежуточный кумилоксиацетон.
Для проверки возможности образования гидроксиацетона из оксида мезитила и ГПК в условиях реального процесса был синтезирован 4-кумилперокси-4-метилпентанон-2 (22) по следующей схеме:
Разложение соединения (22) в присутствии серной кислоты в ацетонитриле при 50 C на 90 % шло по пути образования гидроксиацетона, -метилстирола и ацетона (схема на стр. 9).
При разложении этого соединения в условиях, соответствующих двухстадийной технологии, его конверсия на первой стадии составляла 70 %, при этом выход гидроксиацетона и -метилстирола в расчете на разложившийся пероксид (22) составлял 72 % и 69 %, соответственно. Суммарный выход гидроксиацетона и -метилстирола после двух стадий составил 63 %.
Полученными результатами показано, что 4-кумилперокси-4-метилпентанон-2 способен разлагаться с образованием гидроксиацетона на обеих стадиях процесса. Сравнительным разложением технического ГПК с добавкой оксида мезитила с целью выяснения его влияния на образование гидроксиацетона через пероксид (22) показано, что добавление оксида мезитила не приводит к увеличению содержания гидроксиацетона по сравнению с экспериментами, выполненными без его добавки. Следовательно, в условиях реального двухстадийного процесса пероксид (22) не образуется в количестве, достаточном, чтобы быть источником гидроксиацетона.
1.3. Влияние пероксида водорода на образование гидроксиацетона в процессе разложения гидропероксида кумола
Из литературных сведений известно, что пероксид водорода может образовываться из ГПК:
Анализом реакционных масс разложения технического ГПК показано, что пероксид водорода присутствует в продуктах первой стадии с содержанием 0,03 % – 0,05 %. Поэтому были проведены сравнительные опыты разложения ГПК с добавками различных количеств пероксида водорода, для выяснения его влияния на образование гидроксиацетона. Данные этих экспериментов приведены в таблице 2:
Таблица 2. Влияние пероксида водорода на образование гидроксиацетона в условиях двухстадийной технологии получения фенола и ацетона.
| Содержание пероксида водорода в сырье, мас. % | Содержание компонента, мас. % | |||
| Гидроксиацетон | Пероксид водорода | |||
| I-стадия | II-стадия | I-стадия | II-стадия | |
| Опыт без Н2О2 | 0,08 | 0,12 | 0,035 | --- |
| 0,6 | 0,08 | 0,32 | 0,15 | --- |
| 1,2 | 0,09 | 0,56 | 0,25 | --- |
Из данных таблицы следует, что содержание гидроксиацетона возрастает с повышением концентрации пероксида водорода именно на второй стадии процесса.
Единственный путь образования пероксида водорода, на который можно влиять – это гидролиз ГПК. В связи с этим были проведены сравнительные опыты по разложению ГПК с различным содержанием воды в сырье. В данных опытах использовали специально очищенный ГПК с минимальным содержанием 2-фенилпропанола-2, который является дополнительным источником реакционной воды. Результаты опытов представлены в таблице 3.
Таблица 3. Влияние воды на образование гидроксиацетона в условиях двухстадийной технологии получения фенола и ацетона.
| Содержание воды в сырье, мас. % | Содержание гидроксиацетона, мас. % | |
| I-стадия | II-стадия | |
| 0,4 | 0,06 | 0,07 |
| 1,0 | 0,08 | 0,12 |
| 2,0 | 0,09 | 0,17 |
| 3,0 | 0,10 | 0,30 |
Полученные результаты свидетельствуют, что при увеличении содержания воды в сырье действительно образуется большее количество гидроксиацетона, причем в основном на второй стадии процесса.
1.4. Возможность образования гидроксиацетона из продуктов эпоксидирования -метилстирола.
Известно, что -метилстирол при взаимодействии с гидропероксидами образует 2-метил-2-фенилоксиран. Этот продукт может образоваться как на стадии окисления кумола, так и на стадии разложения ГПК. В присутствии воды и кислотно-основных катализаторов данное соединение превращается в 2-фенилпропандиол -1,2. Оба приведенных соединения способны реагировать с гидропероксидом (пероксид водорода и ГПК) с образованием 2-кумилперокси-2-фенил-1-ола и 2-гидроперокси-2-фенил-1-ола, соответственно, которые, в свою очередь, могут разлагаться с образованием гидроксиацетона.
Указанные реакции могут протекать как с участием пероксида водорода, так и с участием ГПК. В последнем случае наряду с указанными продуктами разложения образуется -метилстирол. Для проверки вклада данного пути был синтезирован 2-фенилпропандиол-1,2 и проведено исследование его взаимодействия с пероксидом водорода в присутствии кислоты. В результате выяснилось, что реакция идет практически количественно (95 %) с образованием ацетофенона и формальдегида (путь Г). Таким образом показано, что образование гидроксиацетона из продуктов эпоксидирования -метилстирола в условиях промышленного процесса не происходит.
2. Пути снижения содержания гидроксиацетона при разложении гидропероксида кумола.
В условиях двухстадийной технологии на первую стадию разложения одновременно с техническим 82 %-ым ГПК, содержащим около 5 % 2-фенил-2 пропанолом, дополнительно подается 95 %-ый водный ацетон. С учетом воды, образующейся из 2-фенил-2-пропанола, суммарное ее содержание в реакционной массе разложения на первой стадии составляет около 0,9 %. Количество дополнительно подаваемого ацетона на первую стадию составляет около 8 % от количества подаваемого технического ГПК. К реакционному потоку, выходящему с первой стадии, добавляется еще 15 % ацетона.
С целью снижения количества гидроксиацетона было изучено разложение технического ГПК по двум вариантам. В первом варианте исключили дополнительную подачу воды на первую стадию. В результате содержание гидроксиацетона в конечном продукте снизилось с 0,12 % до 0,10 %. Во втором варианте исключили подачу ацетона на первую стадию и увеличили на ту же величину его количество, подаваемое на вторую стадию. Общее количество гидроксиацетона снизилось, (аналогично первому варианту), то есть незначительно.
Экспериментами по взаимодействию трет-бутилгидропероксида с ацетоном в различных растворителях показано, что кумол способствует образованию трет-бутоксиацетона. Следовательно, такой же эффект может наблюдаться и при реакции ГПК с ацетоном. В сырье, поступающем на разложение, содержится около 14 % кумола. Было решено заменить этот избыточный кумол другим компонентом. Таким компонентом выбран фенол, так как, во-первых, он является «родным» веществом данного процесса и, во-вторых, температура кипения фенола выше температуры кипения кумола, что облегчает удаление последнего. Результаты опытов по разложению ГПК по двухстадийной технологии с различным содержанием кумола в сырье представлены в таблице 4.
Таблица 4. Влияние кумола на образование гидроксиацетона в условиях двухстадийной технологии получения фенола и ацетона.
| Содержание компонента в сырье, мас. % | Содержание гидроксиацетона, мас. % | ||
| Кумол | Фенол | I-стадия | II-стадия |
| 13,5 | --- | 0,08 | 0,12 |
| 6,5 | 7,0 | 0,01 | 0,05 |
| 1,5 | 12,0 | 0,005 | 0,02 |
Из данных, приведенных в таблице 4, следует, что даже замена половины кумола на фенол приводит к снижению общего выхода гидроксиацетона в 2,5 раза. Замена практически всего кумола приводит к снижению количества гидроксиацетона в 6 раз.
Согласно технологии двухстадийного разложения концентрация ГПК на выходе из реактора первой стадии должна быть на уровне 1 %, для того чтобы 2-фенил-2-пропанол, который содержится в техническом ГПК (4-5 %), прореагировал с ГПК с образованием дикумилпероксида. Опытами по разложению ГПК, в котором кумол был заменен фенолом, показано, что для поддержания такой конверсии требуется меньшее количество серной кислоты. Было сделано предположение, что при разложении сырья с большим содержанием фенола происходит образование нового более активного катализатора. Например, образование фенолсульфокислот в результате сульфирования фенола.
Действующая лабораторная установка двухстадийного разложения ГПК была дополнена смесителем, в который одновременно подавали серную кислоту и жидкий фенол в массовом соотношении 1:1,5. Из смесителя продукт сульфирования фенола (ПСФ) подавался в реактор разложения (первая стадия). Сравнительные данные по образованию гидроксиацетона при применении двух катализаторов (H2SO4 и ПСФ) в процессе разложения ГПК представлены в таблице 5. Там же представлены результаты экспериментов с использованием сырья, в котором фенол был заменен кумолом.
Таблица 5. Влияние катализатора на образование гидроксиацетона в условиях двухстадийной технологии получения фенола и ацетона.
| Сырье | Катализатор, мас. % | Расход H2SO4 на 100 г сырья, г | Содержание гидроксиацетона, мас. % | |
| I-стадия | II-стадия | |||
| 82 %-ый ГПК (13,5 % кумола) | H2SO4 | 0,018 | 0,08 | 0,12 |
| 82 %-ый ГПК (13,5 % кумола) | ПСФ | 0,009 | 0,05 | 0,07 |
| 82 %-ый ГПК (1,5 % кумола, 12 % фенола) | H2SO4 | 0,009 | 0,01 | 0,02 |
| 82 %-ый ГПК (1,5 % кумола, 12 % фенола) | ПСФ | 0,004 | 0,005 | 0,015 |
Как следует из приведенных результатов, замена серной кислоты на ее смесь с фенолом (ПСФ) во всех случаях приводит к заметному снижению содержания гидроксиацетона на обеих стадиях процесса.
ВЫВОДЫ
- Впервые установлено, что при взаимодействии ацетона с трет-бутилгидропероксидом и гидропероксидом кумола в присутствии кислот Бренстеда наряду с 2,2-бис(алкилперокси)пропанами образуются соответствующие алкоксиацетоны. Оба типа этих продуктов образуются из промежуточного 2-алкилпероксипропанола-2 в результате протекания конкурентных реакций замещения и отщепления. Доля алкоксикетонов возрастает с повышением температуры реакции в диапазоне 0 – 50 C.
- При исследовании разложения трет-бутоксиацетона и кумилоксиацетона в присутствии серной кислоты, приводящего к образованию гидроксиацетона и соответствующего олефина (изобутилен и -метилстирол), впервые установлено, что реакция резко ускоряется в присутствии фенола. Роль фенола связана с сольволизом указанных субстратов с образованием трет-бутилфенилового и кумилфенилового эфиров, и гидроксиацетона. Трет-бутилфениловый и кумилфениловый эфиры далее под действием кислот превращаются в фенол и олефин.
- Впервые экспериментально установлено, что гидроксиацетон может образовываться из 4-кумилперокси-4-метилпентанона-2 при его разложении в присутствии серной кислоты, при этом также образуются -метилстирол и ацетон.
- На основании исследований, проведенных на лабораторной установке непрерывного действия, моделирующей двухстадийную технологию разложения ГПК, впервые установлено, что основное количество гидроксиацетона на первой стадии процесса образуется вследствие прямого взаимодействия ацетона с гидропероксидом кумола через промежуточное образование кумилоксиацетона. Образования 4-кумилперокси-4-метилпентанона-2 из гидропероксида кумола и оксида мезитила в этих условиях не наблюдается.
- Впервые показано, что наличие дополнительного количества гидроксиацетона на второй стадии процесса разложения ГПК связано с образованием пероксида водорода на первой стадии процесса, преимущественно из-за гидролиза ГПК. Образование гидроксиацетона в результате взаимодействия пероксида водорода с ацетоном имеет место только в условиях повышенных температур, реализуемых на второй стадии.
- На основании лабораторных исследований разложения ГПК установлено, что снизить образование гидроксиацетона можно, снизив содержание кумола в сырье, путем его замены на фенол. Замена 90 % кумола на фенол приводит к уменьшению содержания гидроксиацетона в 6 раз, при этом для достижения аналогичной конверсии ГПК на первой стадии процесса его разложения требуется в 2 раза меньшее количество серной кислоты.
- Впервые показано, что более эффективным катализатором для разложения ГПК, по сравнению с традиционной серной кислотой, является продукт ее взаимодействия с фенолом. Использование такого катализатора приводит к снижению содержания гидроксиацетона в 1,7 раза. При этом для сохранения технологических параметров процесса расход серной кислоты сокращается в 2 раза.
- Одновременное применение двух предлагаемых способов разложения ГПК по двухстадийной технологии получения фенола и ацетона приводит к уменьшению содержания гидроксиацетона в 8 раз, сокращению в 4,5 раза расхода серной кислоты, значительному сокращению затрат на последующую очистку фенола и утилизацию отходов производства.
Публикации по теме диссертации:
1. Гребенщиков И.Н., Дыкман А. С., Пинсон В. В. 1-Трет-бутоксипропан-2-он продукт прямого взаимодействия ацетона и гидропероксида изобутана // Журн. орг. химии. 2008, Т. 44, выпуск 4. - С. 621 – 622.
2. Гребенщиков И.Н., Дыкман А.С., Зиненков А.В., Пинсон В.В. Образование гидроксиацетона в процессе разложения гидропероксида кумола // Химическая промышленность. 2008, № 4.- С. 181 – 184.
3. Гребенщиков И.Н., Дыкман А. С., Пинсон В. В. Образование гидроксиацетона из гидроперекисей и ацетона. // Материалы VII Российской конференции (с международным участием) «Механизмы каталитических реакций», 3 – 5 июля 2006 г. Санкт – Петербург, т. 2, - С. 236 – 237.
4. Пат. РФ 2330011 C1, МКИ С 07 С 37/08 39/04 49/08 45/53 27/00. Способ получения фенола и ацетона / А.С. Дыкман, А.В. Зиненков, В.В. Пинсон, И.Н. Гребенщиков (РФ) и др. №2007108707/04; Заявл. 01.03.2007; Опубл. 27.07.2008, Бюл. №21. 6 с.
5. Положительное решение о выдаче патента. Заявка 2007108708/04 РФ, МПК С07С 37/08, 45/53, 39/04, 49/08, 45/53, 27/00. Способ получения фенола и ацетона / А.С. Дыкман, А.В. Зиненков, В.В. Пинсон, И.Н. Гребенщиков (РФ) и др. Заявл. 01. 03. 2007.
