Технология синтеза мономеров / Основы химии и технологии мономеров Елигбаева

На второй стадии проводят доокисление полученной смеси азотной кислотой (60 %-ной) при температуре до 120ºС. При этом спирт (анол) сначала окисляется в циклический кетон (циклогексанон), а затем при его дальнейшем окислении образуется адипиновая кислота:

Побочными продуктами окислительного процесса являются щавелевая,

янтарная, глутаровая и валериановая кислоты:

+НNO3

=О HOOC – COOH + HOOC–(CH2)4–COOH +

+HCOO–(CH2)3–COOH + CH3–CH2–CH2–COOH + CO2

Часто на вторую стадию синтеза направляют только циклогексанол, а

циклический кетон (циклогексанон) используют как полупродукт для синтеза другого мономера – капролактама. Технологическая схема второй стадии вышеописанного синтеза – доокисления циклогексанола (анола) азотной кислотой приведена на рисунке 59.

Анол и 60%-ная HNO3 (в соотношении 1:2) с добавкой катализатора

(смесь оксида меди и метаванадата аммония) подают через насос 1 (где смесь разбавляется большим количеством циркулирующего оксидата) в трубчатый реактор 2, охлаждаемый водой. Здесь при 60-80ºС и при 0,3-0,5 МПа происходит первая стадия окисления анола в кетон.

Оксидат первой стадии выходит с верха колонны 2 в сепаратор 3, где его освобождают от окислов азота, после чего большую его часть направляют на рециркуляцию, а меньшую – в реактор 4 второй ступени окисления. Продукт реакции с верха колонны 4 через сепаратор 5 (отделение оксидов азота)

поступает в скруббер 6 для дополнительной отдувки воздухом от оксидов азота.

101

отдельной технологической линии, представляет собой фактически трех-

стадийный и достаточно сложный процесс. Поэтому сравнительно недавно была предложена другая схема промышленного производства, включающая одностадийное окисление циклогексана в адипиновую кислоту. Процесс включает окисление циклогексана воздухом, которое осуществляют в барботажной колонне в растворе уксусной кислоты при 80-100ºС в присутствии катализатора (ацетата кобальта) и промотора (ацетальдегида). При этом степень превращения циклогексана составляет 80-90%, а селективность по адипиновой кислоте 70-75%.

4.1.2 Фталевые кислоты

Среди ароматических дикарбоновых кислот наибольшее распространение в качестве мономеров получили терефталевая (п-фталевая) и изофталевая (м-

фталевая) кислоты. Терефталевая кислота и ее диметиловый эфир

(диметилтерефталат) используются для поликонденсации с гликолем при получении полиэтилентерефталата (ПЭТ). Этот крупнотоннажный полиэфир идет на производство волокна «лавсан», прозрачной бутылочной тары и пленки. Изофталевая кислота применяется в производстве ненасыщенных полиэфирных и алкидных смол для лако-красочной продукции. Третий изомер фталевых кислот – о-фталевая кислота чаще используется в реакциях полимерообразования в виде ангидрида.

При синтезе фталевых кислот применяется традиционный мтеод каталитического окисления ксилолов в жидкой фазе в избытке исходного сырья в присутствии растворимых солей кобальта в качестве катализаторов.

Окисление проводят воздухом под давлением, необходимым для поддержания смеси в жидком состоянии.

Особенностью окисления ксилолов, как и других полиметилбензолов, в

этих условиях является то, что реакция завершается образованием

103

монокарбоновой кислоты. Так, из п- и м-ксилолов получаются соответственно лишь п- или м-толуиловые кислоты. Это связано с тем, что образовавшаяся карбоксильная группа сильно дезактивирует вторую метильную, препятствуя ее окислению. В более жестких условиях (260-280ºС) можно окислить и вторую метильную группу, но выход дикарбоновой кислоты составит всего 40-60%.

Решение проблемы было найдено в том, что, как оказалось, этерификация карбоксильной группы снимает ее дезактивирующее действие.

На этой основе разработан четырехстадийный метод получения диметилтерефталата, который наряду со свободной терефталевой кислотой может использоваться как мономер для синтеза ПЭТ в реакции поликонденсации с этиленгликолем. Метод включает следующие стадии:

Синтез п-толуиловой кислоты путем окиления п-ксилола воздухом:

-H2O

H3C–C6H4–CH3 + O2 CH3–C6H4–COOH

Этерификацию метанолом п-толуиловой кислоты с получением метил-п-

толуилата:

-H2O

CH3–C6H4–COOH + CH3OH CH3–C6H4–COOCH3

Окисление эфира п-толуиловой кислоты (метил-п-толуилата):

-H2O

CH3–C6H4–COOCH3 + O2 HOOC–C6H4–COOCH3

Этерификацию монометилового эфира с получением диметилтерефталата:

-H2O

HOOC–C6H4–COOCH3 + CH3OH CH3OOC–C6H4–COOCH3

При разработке промышленного способа синтеза диметилтерефталата оказалось выгодным совмещать в одном реакционном аппарате стадии 1 и 3

окисления метил-п-толуилата и п-ксилола, а также стадии этерификации 2 и 4

104

п-толуиловой кислоты и монометилтерефталата. Технологическая схема производства диметилтерефталата по этому способу приведена на рисунке 60.

Эфиры, выходящие из эфиризатора 7, подвергают вакуум-перегонке

последовательно в аппаратах 8, 10 и 12, где разделяют продукты основных,

побочных реакций и непревращенный м-п-толуилат.

Рисунок 60. Технологическая схема производства диметилтерефталата:

1 – окислительная колонна; 2 – холодильник» 3, 13, 15 – сборники; 4 – насосы; 5 – редукционный вентиль; 6 – испаритель-перегреватель; 7 – эфиризатор; 8 – испаритель; 9 – конденсатор; 10, 12 – ректификационные колонны; 11, 14 – конденсаторы-дефлегматоры; 16, 18 – автоклавы; 17, 19 – центрифуги; 20 – сепараторы; 21 – кипятильники.

Полученный сырой диметилтерефталат отправляют для очистки на двухступеньчатую кристаллизацию с предварительным растворением в автоклавах 16 и 18, последующим охлаждением и фильтрацией на центрифугах

17 и 19. Суммарный выход диметилтерефталата с учетом всех потерь составляет 85-90%.

105

Если необходимо получить в качестве товарной продукции свободную терефталевую кислоту, то диметилтерефталат подвергают щелочному гидролизу водой с выделением и регенерацией метанола и дикарбоновой кислоты.

Синтез диметилизофталата и его перевод в свободную изофталевую кислоту, осуществляется так же, как и терефталевой.

В связи со сложностью и многостадийностью вышеописанного окислительного процесса многие годы продолжались разработки вариантов одностадийного окисления п- и м-ксилолов. В настоящее время такие методы реализованы в промышленности и даже вытесняют прежний многостадийный синтез изо- и терефталевых кислот через их диметиловые эфиры.

Общей характерной чертой одностадийных процессов окисления ксилолов является использование уксусной кислоты в качестве растворителя,

кобальтовых или кобальтмарганцевых катализаторов и промоторов окисления

(альдегиды или NaBr). Окисление проводят воздухом при 125-150ºС и давлении

4 МПа. Реактором служит барботажная колонна или аппарат с мешалкой. Тепло реакции отводят за счет испарения углеводородного сырья, воды и уксусной кислоты. Уксусную кислоту и катализатор после отделения продуктов окисления снова подают в реактор, но образующаяся вода замедляет реакцию.

Поэтому ее необходимо удалять из системы циркулирующей уксусной кислоты.

Технологическая схема одностадийного процесса получения терефталевой

(или изофталевой) кислоты путем окисления ксилола приведена на рисунке 61.

В реакторе 1, куда подают п-ксилол, воздух, катализатор и рециркулирующую уксусную кислоту, протекает реакция окисления.

Конденсат отделяют от воздуха в сепараторе 3 и возвращают в реактор.

Реакционную массу (суспензию терефталевой кислоты в растворителе)

фильтруют на центрифуге или фильтре 4, промывают свежей уксусной кислотой и отправляют на очистку. Ректификационые колонны 5 и 6 служат

106

для очистки уксусной кислоты от воды и примесей, после чего ее отправляют

на рециркуляцию.

Рисунок 61. Технологическая схема одностадийного синтеза терефталевой кислоты:

1 – реактор; 2 – холодильник; 3 – сепаратор; 4 – центрифуга; 5 – ректификационная колонна; 6 – колонна регенерации уксусной кислоты; 7 – дефлегматоры; 8 – кипятильники; 9 – насос.

4.1.3 Ангидриды карбоновых кислот

В этой группе мономеров наиболее важными являются малеиновый и

фталевый ангидриды. Они производятся в больших объемах и используются

как полупродукты в промышленности органического синтеза и в качестве

мономеров. В настоящее время большое значение приобрели также ангидриды

ароматических три- и тетракарбоновых кислот: тримеллитовой,

пиромеллитовой, дифенилоксидтетракарбоновой и др. Хотя они относятся к числу малотоннажных продуктов, но их роль в создании современных

полимерных термостойких материалов очень велика.

107

Химическая структура указанных ангидридов соответствует формулам:

где А = связь, О, SO2, CH2, C(CH3)2

Промышленный синтез этих мономеров базируется в основном на реакции газофазного гетерогенного-каталитического окисления углеводородного сырья.

Как уже упоминалось все процессы окисления характеризуются сильной экзотермичностью, что вызывает необходимость отвода большого количества тепла, которое утилизируется обычно для выработки водяного пара.

Малеиновый ангидрид широко используют в производстве ненасыщенных полиэфиров – основы современных отверждающихся лако-

красочных покрытий. В основе технологии производства малеинового ангидрида лежат процессы газофазного окисления бензола. Его получают также как побочный продукт при производстве фталевого ангидрида.

Процесс окисления бензола описывается следующими уравнениями:

O

CH – C

C6H6 + 4O2 → || O + CO2 + CO + 2H2O ΔH298 = -1470 кДж/моль CH – C

O

108

Нежелательной побочной реакцией является полное окисление (горение)

сырья:

В процессе окисления концентрация бензола в исходной воздушной смеси не должна находиться в зоне концентраций, лежащих в области пределов взрываемости, т.е. в интервале 1,4-7,1 % (об.) при 25ºС. Процесс осуществляют в интервале 1,2-1,3 %, т.е. ниже этого предела.

Лучшим катализатором окисления бензола оказалась смесь оксидов ванадия и молибдена, которую обычно наносят на широкопористый Al2O3.

Катализатор часто модифицируют оксидами фосфора, титана, бора.

Оптимальная область температур 350-400ºС, причем выход малеинового ангидрида, как правило, составляет 70-75%.

Реакцию проводят при 80-180ºС и давлении 0,1-0,2 МПа в паровой фазе на стационарном слое катализатора при соотношении бензол: воздух, равном

1:30, что соответствует объемной концентрации бензола 1,2%. Принципиальная технологическая схема процесса приведена на рисунке 62.

Бензоловоздушная смесь подогревается в теплообменнике 1 до 120-150ºС

и подается в реактор 4, представляющий собой трубчатый теплообменник.

Продукты реакции проходят котел-утилизатор 3, теплообменник 1, который используется для подогрева бензоловоздушной смеси, и холодильник 2. Далее они попадают в конденсатор-сепаратор 5, в котором происходит конденсация большей части малеинового ангидрида. Газы подвергают мокрой очистке в водном скруббере 6. Раствор малеиновой кислоты доводится в скруббере до концентрации 40% (масс.), затем подается на испарение, дегидратацию и выделение ангидрида-сырца.

109