Производные циклогексан

План 

1. Циклогексан          2

2 Производные  циклогексана        5

2.1 Циклогексанкарбоновые  кислоты      5

2.1.1  Циклогексанкарбоновая кислота        5

2.2.2 Циклогексан-1,2-дикарбоновая кислота     5

2.2 Алициклические спирты        6

2.2.1 Циклогексанол         6 

Выводы           7

Список  литературы         8  
 
 
 
 
 

    1арактеристика  целевого продукта 

   Циклогексан - представитель алициклических предельных углеводородов имеет замкнутую цепь атомов углерода.

     Их  состав выражается формулой C_пН_2п,

     Их  называют циклопарафинами, циклоалканами, полиметиленовыми углеводородами, нафтенами.

     Структурные формулы циклоалканов обычно записывают в сокращенном виде, используя геометрическую форму цикла и опуская символы атомов углерода и водород.

     Циклогексан открыт В. В. Марковниковым в 1883 году.

     Молекулярная  формула С₆Н₁₂

     Структурная формула.

     По  вершинам расположены метиленовые  группы.

     Строение

     По  строению молекул циклопарафины сходны с предельными углеводородами. Каждый атом углерода находится в состоянии sp³-гибридизации и образует четыре -связи С - С и С - Н. При обычных температурах молекула циклогексана существует в виде двух кресловидных конфирмаций, быстро переходящих одна в другую. Длины связей (нм): 0,15 (С—С), 0,11 (С — Н), угол (ССС) =111,4°.

Физико-химические свойства.

     Физические  свойства.

     Молярная  масса =84.16 г/моль.

     Ткип.= 80.74 °C

     Тпл.= 6.5 °C.

     Дополнительные  сведения:

      1,4262; t_крит 281 °С, р_крит 4110 кПа, d_крит 0,2718 г/см³; 1,0217 мПа х с (20 °С); 25,3 мН/м (20 ^оС); давление пара 16,21 кПа (30 °С); уравнение температурной зависимости давления пара (мм рт. ст.): lg p= 6,840 - 2766,63/(Т-50,50); 156,48 Дж(моль * К); 31,1 кДж/кг, 358 кДж/кг (80 °С), -156,23 кДж/моль, 204,35 Дж(моль * К). Образует азеотропные смеси с водой (т. кип. 69 °С, 96,1% циклогексана по массе), бензолом (77,5 °С, 45% циклогексана).

     Химические  свойства.

     Вступает  в реакции с кислородом с образованием в зависимости от условий смеси циклогексанола и циклогексанона или двухосновной адипиновой кислоты.

     Нитрование  циклогексана  реакция с 30%-ной НNО₃ или двуокисью азота приводит к нитроцпклогексану; нитрозирование NОСl-к циклогексаноноксиму.

     Реакции замещения. Обычные циклы (С₆ и выше) устойчивы и вступают только в реакции радикального замещения подобно алканам:

                            t

     С₆Н₁₂ + Вr₂  →  С₆Н₁₁Вr + НВr.

     гексан                      бромгексан

     Действием брома можно получить и гексабромциклогексан.

     При нагревании до 30—80° над хлоридом алюминия циклогексан изомеризуется в метилциклопентан.

     Дегидрируется до бензола. 
 
 
 
 
 
 

     2 Применение целевого продукта

     -как сырье в органическом синтезе (для  капролактама, адипиновой кислоты и других соединений, используемых в производстве синтетического волокна):

     -как растворитель эфирных масел, восков, лаков, красок и др.;

     -как экстрагент в фармацевтической промышленности;

     -в  смеси с другими углеводородами  – как моторное топливо, 

     2.1  Производные циклогексана, полученные в результате органического синтеза целевого продукта 

     2.1.1 Циклогексанкарбоновая кислота (гексагидробензойная кислота)

     Молекулярная  формула.

     С₇Н₁₂О₂

     Структурная формула.

      СООН

     Мол. вес. 128,17.

     Свойства.

     Циклогексанкарбоновая кислота бесцветные прпзмьг с запахом пота;

       т. пл.=31°С, т. кпп. =233°С,

     плохо растворима в воде (0,2% при 15°). очень хорошо в спирте, эфире, СНСI₃ и бензоле; константа диссоцпации К=1,3210 (25°).

     Циклогексанкарбоновая кислота. образует обычные производные — зфирьг метиловый  этиловый; ангидрид ; хлорангидрпд; амид; нитрил 

     Получение

     Из бромциклогексана через магнийорганические соединение и другими способами. 

     2.1.2 Циклогексанол (гексалин)

     Молекулярная  формула.

     C₆H₁₁OH

     Структурная формула.

     Мол. вес=100,16

     Свойства.

     Бесцветные  кристаллы со слабым запахом камфоры,

     Тпл 25,15 °C, Ткип 161,1 °C, плотность 0,942 г/см³ (30 °C).

     Растворим в воде (4—5 % при 20 °C), смешивается  с большинством органических растворителей, растворяет многие масла, воски и  полимеры

       Циклогексанол образует все характерные для спиртов производные (алкоголяты, сложные эфиры и др.); каталитическое окисление его кислородом воздуха приводит к циклогексанону, а в более жёстких условиях — к адипиновой кислоте. Циклогексанол легко дегидратируется с образованием циклогексена C₆H₁₀.

     Получение.

     Получают  циклогексанол окислением циклогексана (в этом случае обычно в смеси  с циклогексаноном) и др. способами.

     Применение

     Применяют как полупродукт в производстве капролактама, из полимера которого изготовляют полиамидное волокно, и как растворитель. 
 
 
 
 
 
 

     3 Способы получения целевого продукта (циклогексана) 

     Циклогексан С₆Н₁₂ находится в больших количествах в кавказской и западноукраинской нефтях. Содержится в нефтях (0,9-1,5% по массе). Поэтому его получают в основном из нефти. Но существуют и синтетические методы получения.

     Синтетические способы получения.

     1. Основной (общий) способ получения циклоалканов - отщепление двух атомов галогена от дигалогеналканов:

               СН₂  - СН₂Вr

     Н₂С                                       + Zп→

                СН₂ -  СН₂-  СН₂Вr 

     2. При каталитическом гидрировании ароматических углеводородов образуются циклогексан или его производные: 

                            t°, ρ, Ni

     C₆H₆ + 3H₂      →     C₆H₁₂.

     бензол                               циклогексан

     Получают  циклогексан гидрированием бензола в жидкой фазе над Ni- при 150-250 °С и 1-2,5 МПа (выход 99%), а также выделяют ректификацией из нефтепродуктов.

     3 Сухой перегонкой кальциевых или бариевых солей двухосновных кислот. При этом сначала получается кетон, который при восстановлении переходит в углеводород.  
 

     Этим  путем могут быть получены кетоны как симметричного, так и несимметричного строения. В последнем случае подвергают сухой перегонке тщательно растертую смесь солей двух различных кислот. Однако кетоны несимметричного строения получаются с худшими выходами. При сухой перегонке солей двухосновных кислот получаются кетоны циклического строения.

     Кетоны  могут быть получены не только из солей  кислот, но также и из свободных  кислот путем пропускания паров  последних над нагретым катализатором. В качестве катализаторов применяют железо в виде стружек, цинк в виде цинковой пыли и другие металлы. Каталитическое действие этих металлов сводится, повидимому, к тому, что окись, находящаяся в виде тонкой пленки на поверхности металла, взаимодействует с кислотой, образуя соль. При температуре реакции соль разлагается с образованием кетона и карбоната. Образовавшийся же карбонат при нагревании разлагается и дает CO2 и окись металла, которая реагирует далее с новыми количествами кислоты. 

     1.4 Обоснование выбора  технологической схемы гидрирования 

     Проанализировав все возможные способы гидрирования бензола, я пришла к выводу, что  самой оптимальной схемой является гидрирование в паровой фазе на никельхромовых катализаторах с применением комбинирования двух реакторов с суспендированным и стационарным катализатором. Выбор обосновывается следующими причинами:

1. Энергетически парофазное гидрирование имеет заметные преимущества перед жидкофазным, особенно если парофазное осуществлять в трубчатых реакторах с одновременным получением энергетического пара. Кроме того, при реализации жидкофазного процесса возникают затруднения, связанные с использованием суспендированного катализатора.
2. Комбинирование реакторов позволяет достигать высокой производительности и степени превращения сырья. В основном реакция протекает в первом реакторе. Во втором реакторе происходит только небольшая доля превращений, причем охлаждения не требуется.
3. Никелевые катализаторы быстро и необратимо адсорбируют сернистые соединения. Поэтому их можно использовать в качестве эффективных форконтактов для тонкой очистки бензола.

      2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ  ЧАСТЬ 

     2.1 Химизм процесса 

     Циклогексан получают гидрированием бензола  по реакции:

     С6Н6 + ЗН2 ↔C6H12, -∆H°298=206,07 кДж/моль

     Реакция обратима и сопровождается выделением большого количества тепла. При реализации процесса промышленного состава  возникают трудности связанные  со съемом тепла, возникающим в процессе реакции. Также бензол следует очистить от соединений серы, являющихся контактными ядами. 

     2.2 Характеристика сырья 

     В качестве сырья используют нефтехимический  или коксохимический бензол. Нефтехимический  бензол выделяют из нефтяных фракций 62— 105 °С на установках платформинга. Продукты платформинга разделяют экстрактивной дистилляцией и ректификацией; получающийся при этом бензол содержит около 0,2% примесей, в том числе до 0,06% н-гептана, 0,06% толуола и метилциклогексана и 0,0001% общей серы.

     Коксохимический бензол содержит значительно больше серы, особенно тиофеновой, поэтому 'на коксохимических предприятиях предусматривают специальную гидроочистку бензола гидрированием сернистых соединений до сероводорода и последующим отпариванием H2S и щелочной промывкой. После очистки в бензоле содержится 0,0002% тиофеновой серы и 0,0001% сероуглеродной, а также 0,05—0,09% н-гептана и 0,06—0,12% метилциклогексана. Примеси углеводородов в бензоле не влияют на процесс гидрирования, но, попадая в циклогексан, они могут в конечном счете ухудшить качество капролактама.

     Очистка бензола ректификацией оказывается не эффективной связи с образованием неблагоприятных по составу азеотропных смесей (например, 99,3% бензол и 0,7% н-гептан). На практике примеси высококипящих углеводородов выделяют не из бензола, а из циклогексана на ректификационной колонне, работающей при атмосферном давлении. Кубовая жидкость колонны, так называемая, «гептановая фракция», выводится на сжигание.

     Водород, используемый для гидрирования бензола, содержит некоторое количество инертных компонентов (азот, метан и другие), причем концентрация водорода в газе зависит от качества исходного природного газа и метода очистки водорода и составляет обычно 90 и 97% (об.). В водороде регламентируется содержание окиси и двуокиси углерода — не более 0,002% (об.) каждой, аммиака — до 0,0002% (об.) и общей серы — до 2 мг/м3. 

     2.3 Влияние температуры  на процесс гидрирования 

     Была  проведена серия опытов при давлении 20 ат., объемной скорости водорода 2000 ч-1 и температурах 150, 175, 200, 250, 300 и 350 °С /6/. Зависимость степени превращения бензола от величины, обратной нагрузке, при различных температурах представлена на рис. 2.2.

     Как видно из графика, при 200 °С полнее превращение бензола достигается при нагрузках около 3,5 ч-1. С увеличением температуры активность катализатора снижается, и при 350 °С степень гидрирования бензола во всем диапазоне нагрузок не превышает 0,82.

     Зависимость степени превращения бензола  от величины, обратной нагрузке, при  различной температуре

     1 — 175 °C; 2 — 200 °С; 3 — 250 °С; 4 - 300 °С; 5 — 350 °С.

     Из  данных, приведенных на рис.2.3, следует, что кривые, описывающие зависимость степени превращения бензола от температуры при постоянной нагрузке, проходят через максимум, отвечающий ~200 °С.

     Зависимость степени превращения бензола  от температуры при различной  нагрузке по сырью (пунктирная кривая построена по данным опытов, в которых температуру гидрирования снижали с 350 °С до 150 °С)

     1 — V = 5 ч-'; 2 — V = 10 ч-' ; 3 — V = 20 ч-'

     Результаты  анализа гидрогенизата показывают, что при температурах выше 200 °С в  продуктах гидрирования появляется ряд примесей, суммарное количество которых с повышением температуры возрастает. Гидрогенизат, получаемый при 350 °С и нагрузке около 1,8 ч-', содержит 82% циклогексана и до 10% примесей.

     Количество  образующихся примесей, являющихся продуктами разложения и изомеризации циклогексана, зависит также от его концентрации в гидрогенизате. При 350°С содержание циклогексана в продуктах реакции снижается не только в результате частичного его разложения, но и вследствие уменьшения активности катализатора.

     Таким образом, можно считать, что в  случае гидрирования бензола при  температурах выше 200 °С образуются продукты разложения циклогексана, которые адсорбируются на поверхности катализатора, существенно снижая его активность. 

     2.4 Описание технологической схемы 

     По  выбранной для расчета технологической  схеме процесс ведут в паровой  фазе на никельхромовых катализаторах  под давлением до 2 МПа, при максимально  допустимой температуре 240 °С, объемной скорости по жидкому бензолу 0,8—1,0 ч-¹ и молярном отношении Н2 : N2: С6Н6= (5—6): (2—3):1. В этих условиях степень конверсии бензола составляет 90—95%. Схема потоков процесса получения циклогексана приведена на рис. 2.1. /1/

     Схема гидрирования бензола

     Рис. 2.1

     1 — насос; 2 — теплообменник; 3 — подогреватель; 4 — компрессор; 5 — колонна форконтакта; 6 — реактор трубчатый; 7 — сепаратор; 8 — колонный реактор; 9 — холодильник-конденсатор; 10, 12 — сепарационные колонны; 11, 13 — холодильники; 14 — сборник. 

     Бензол  со склада центробежным насосом 1 подается в трубное пространство теплообменника 2. Здесь он испаряется, смешивается с циркуляционным газом и свежим водородом, и смесь нагревается за счет тепла реакционной смеси, поступающей из реактора 8.

     Для создания необходимого соотношения  газ: бензол (8:1) предусматривается циркуляция газа компрессором 4. Свежий водород подается в нагнетательную линию компрессора 4 таким образом, Чтобы с помощью регулятора поддерживать автоматически постоянное давление в цикле.

     Из  теплообменника 2 исходная смесь поступает в паровой подогреватель 3, который служит для нагрева газа при пуске, а при нормальной работе лишь гарантирует поддержание бензола в парообразном состоянии. Далее смесь поступает в колонну форконтакта 5, где на медь-магниевом катализаторе сырье очищается от сернистых соединений. Очищенная смесь (содержание серы менее 00001%) поступает в реакторы гидрирования.

     В первый трубчатый реактор 6 загружается  около 40% от общего количества катализатора, что обеспечивает превращение около 90% подаваемого бензола. Тепло реакции снимается кипящей в межтрубном пространстве водой. Во второй реактор 8 колонного типа загружается остальное количество катализатора. Здесь превращение бензола достигает 99,9%. Тепло реакции в реакторе 8 снимается рабочей смесью. Принятое распределение катализатора по реакторам обусловлено кинетическими закономерностями реакции гидрирования.

     Пар, получающийся в результате испарения  конденсата в межтрубном пространстве реактора 6 (около 1 т на 1 т циклогексана), большей частью используется как теплоноситель на .самой установке (в подогревателе 3 и др.).

     Реакционная смесь из реактора 8 охлаждается  в межтрубном пространстве теплообменника 2, отдавая тепло на испарение бензола и нагрев исходной смеси. Дальнейшее охлаждение реакционной смеси, и конденсация циклогексана происходят в холодильнике-конденсаторе 9, охлаждаемом оборотной водой. Газожидкостная смесь из холодильника 9 с температурой 35 °С поступает в сепарационную колонну 10, где жидкий циклогексан отделяется от газа. Газовая фаза из колонны 10 поступает во всасывающую линию циркуляционного компрессора 4. Для предотвращения накопления инертных компонентов в системе часть циркуляционного газа выводят в атмосферу. Предварительно они охлаждаются до 15 °С захоложенной водой в холодильнике 11 и проходят сепарационную колонну 12.

     Жидкий  циклогексан из сепарационных колонн 10 и 12 поступает в сборник 14, откуда передается на склад промежуточных  продуктов или в систему очистки  от примесей, внесенных с исходным бензолом.

     При выборе типа циркуляционного компрессора 4 решающим фактором является сопротивление циркуляционной системы, так как оно определяет расходы электроэнергии. Большая часть сопротивления системы приходится на долю масляных фильтров, служащих для очистки циркуляционного газа от компрессорного масла. Использование для сжатия газа компрессоров без масляной смазки, а также поагрегатная установка компрессоров позволяет устранить систему очистки от масла и снизить перепад давления в циркуляционном компрессоре с 1,0—1,5 МПа до 0,1— 0,3 МПа, что приводит к значительному сокращению расхода электроэнергии. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Выводы 

     1 Тема работы «Производные циклогексан» -данные веществ относятся к органическим, алициклическим соединениям, т.е содержат в своей молекуле замкнутые цепи атомов углерода или циклы.

     2  В зависимости от размера цикла  и наличия функциональной группы, т.е. группы атомов определяющих химические свойства веществ их можно отнести к различным классам: циклические углеводороды (циклогексан); органические кислоты (циклогексанкарбоновые кислоты); алициклические спирты (циклогексанол); галогеноуглеводороды (броциклогексан, хлорциклогексан) и т.д.

     3 Рассмотрены представители циклоалканов, органических кислот и алифатических  спиртов. Строение, свойства, получения,  применения.

     4 По физическим и химическим свойствам данные вещества типичны, как представители того или иного класса соединений, они горючи, из-за наличия циклов являются химически не активными веществами, реакции восновном идут по заместительным боковым группам.

     5 Основное применение находят в органическом синтезе.

     ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

     В курсовом проекте рассмотрена технология производства циклогексана из бензола.

     Во  введении рассмотрены свойства циклогексана и его применение.

     В аналитическом обзоре произведен обзор  катализаторов и аппаратурное оформление процесса получения циклогексана. Анализ способов производства и выбор оптимального.

     Технологическая часть включает в себя описание химизма  процесса, характеристику сырья, подробное описание технологической схемы. Также рассмотрено влияние температуры на процесс получения циклогексана.

     Рассчитан и составлен материальный баланс получения циклогексана гидрированием бензола. В итоге выполнения технико-технологических расчетов получены следующие результаты:

     На  входе: бензол технический 7206,7 кг/ч

     азотоводородная смесь 798,1 кг/ч

     циркуляционный  газ 7149,5 кг/ч

     Всего 15154,2 кг/ч

     На  выходе: циклогексан технический 7745,0 кг/ч

     продувочные газы 206,0 кг/ч

     танковые  газы   53,8 кг/ч

     циркуляционный  газ 7149,5 кг/ч

     Всего 15154,2 кг/ч

     Получены  следующие расходные коэффициенты:

     по  техническому бензолу: 0,931 кг/кг;

     по азотоводородной смеси: 847 м³/т

      СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 

1. Производство  капролактама. Под ред. В.И.Овчинникова  и В.Р.Ручинского – М.: Химия, 1977. – 264 с.
2. Справочник нефтехимика./ С.К. Огородников. В 2-х т. – Л.: Химия, 1978.
3. Бардик Л.Д., Леффлер У.Л. Нефтехимия./ Пер. с англ. – М.:»ЗАО «Олимп - Бизнес», 2003. – 416 с.
4. Патент РФ 2196123 (1996).
5. Любарский Г.Д., Снаговский Ю.С., Хим. пром., 1964, №9, с. 643-649.
6. Проскурнин А.М. и др., Хим. пром., 1972, №9, с. 663-665.
7. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. – М.: Химия, 1975.
8. Гутник С.П., Сосонко В.Е., Гутман В.Д. Расчеты по технологии органического синтеза. – М.: Химия, 1988.