Производство МАУК мощностью 2000 т/г. Модернизация стадии конденсации
Изм.
Лист
№ Документа
Подпись
Дата
Лист
1
ТГТУ.240401.009 ПЗ
Разработал
Косичкина М.В.
Руковод.
Орехов В.С.
Н.Контр.
Брянкин К.В.
Зав. каф.
Леонтьева А.И.
Производство МАУК мощностью 2000 т/г. Модернизация стадии конденсации
Пояснительная записка
Лит.
Листов
73
ХТОВ гр. СХТ-51
Изм.
Лист
№ Документа_
Подпись_
_Дата_
Лист_
ТГТУ.240401.005 ПЗ
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………… |
||||||||||||||
1. Литературно-патентный обзор способов получения мета-ксилидида………… ацетоуксусной
кислоты…………………………………………………………… |
||||||||||||||
1.1 Физико-химические свойства |
||||||||||||||
1.2 Анализ существующих способов
получения мета-ксилидида кислоты………………………………………………………. |
||||||||||||||
2. Технологическая схема кислоты…………………………………………………………… |
||||||||||||||
2.1 Химическая схема производства
мета-ксилидида ацетоуксусной … кислоты…………………………………………………………… |
||||||||||||||
2.2 Эскизная схема производства
мета-ксилидида ацетоуксусной … кислоты……………….………………………………………… |
||||||||||||||
2.3 Материальный баланс и тепловой баланс стадии
конденсации………………………………………….. |
||||||||||||||
2.3.1 Краткий материальный баланс……… |
||||||||||||||
2.3.2 Полный материальный баланс………… |
||||||||||||||
2.3.3 Тепловой баланс стадии |
||||||||||||||
2.4 Принципиальная технологическая схема производства мета-ксилидида …… ацетоуксусной кислоты …………………………………………………………….39 |
||||||||||||||
2.4.1 Стадия поступления и подготовки сырья…………………………………...39 |
||||||||||||||
2.4.2 Стадия конденсации мета-ксилидида с дикетеном……………..………….40 |
||||||||||||||
2.4.3 Стадия фильтрации и промывки пасты мета-ксилидида ацетоуксусной… кислоты……………………………………………………………
3. Аппаратурное оформление стадии конденсации метаксилидида с………….. дикетеном………………………………………………………
|
||||||||||||||
В связи с развитием текстильной, полиграфической и других отраслей промышленности как на отечественном, так и на международном рынках наблюдается увеличение спроса на продукты органического синтеза.
Предприятиям приходится работать в условиях рыночной экономики при жесткой конкуренции. На Российском и Мировых рынках упрочилось положение иностранных предприятий, выпускающих продукцию удовлетворяющую как по качеству, так и по стоимости. В связи с этим перед химическими предприятиями встала задача повышения качества готовой продукции при одновременном снижении её себестоимости. Эта задача может быть решена путем разработки новых способов производства, позволяющих снизить расходные нормы сырья, а также эксплуатационные и капитальные затраты.
ОАО «Пигмент»
− производитель мета-
В Данной работе
описывается химическая и технологическая
схемы получения мета-
1.Литературно-патентный
обзор способов получения мета-
1.1 Физико-химические свойства
Техническое наименование
Мета-ксилидид АУК –
Минеральные кислоты выделяют его из щелочных растворов в виде масла.
Температура плавления чистого вещества – 91°С .
Структурная формула мета-
NH-CO- CH2 -CO- CH3
CH-CO- CH3
CH3
CH3
CH3
Эмпирическая
формула мета-ксилидид
Молярная масса : 205,258 кг/моль.
По физико-химическим
СТП 08-370-89 с изм. 1-5, которые представлены в таблице 1.1.
Таблица 1.1
|
Наименование показателя |
Норма |
|
3 |
1.Внешний вид
2. Массовая доля диазотирующихся соединений в пересчете на молярную массу мета-ксилидида АУК,% не менее 3.Массовая доля 4. Массовая доля свободного 5.Показатель активности водородных ионов, ед. рН, не менее 6.Температура начала |
Паста от белого до светло-розового или желтоватого цвета
60
0,1 Отсутствие
5,5
88 |
Мета-ксилидид АУК применяется для получения:
- Катионных
азокрасителей, с помощью
- Дисазокрасителей, для получения на ацетатных тканях прочных черных окрасок;
- Дисперсных
азокрасителей, обеспечивающих
- Для получения пигмента желтого 2 К.
В таблице 1.2 приведены характеристики сырья, материалов и полупродуктов.
Таблица 1.2 – Характеристика исходного
сырья, материалов и
Наименова-ние сырья, материалов , полупродук-тов. |
ГОСТ,ОСТ, ТУ, методика на подготовку сырья |
Показатели, обязательные для проверки |
Регламентные пока-затели с допустимыми отклонениями |
1 |
2 |
3 |
4 |
Сырье: |
|||
Мета-ксили-дид техни-ческий
|
ТУ- 6 -14 -145 - 80 с изм. 1,2,3
|
1.Внешний вид |
Прозрачная жидкость от желтого до светло-коричневого цвета |
2. Массовая доля суммы аминов в сухом продукте ,%, не менее |
98,7 | ||
3. Массовая доля основного вещества в сухом продукте , %, не менее |
84,0 | ||
Мета-ксили-дид ФРГ |
По данным инофирмы |
1. Внешний вид |
Прозрачная жидкость от желтого до светло-коричневого цвета |
2. Массовая доля мета-ксилидида в сухом продукте, %,не менее |
99,0 | ||
3.Температура кристаллизации,° |
44,5 | ||
Дикетен |
СТП 08-636-99 |
1. Внешний вид |
Прозрачная жидкость от бесцветного до желтого цвета |
2. Массовая доля дикетена,%, не менее |
95,0 | ||
3.Плотность, кг/дм |
1,089 | ||
4. Массовая доля уксусного ангидрида ,%, не более |
2,5 | ||
5. Массовая доля уксусного ацетана , %, не более |
1,0 | ||
Уксусная кислота синтетическая сорт 1 |
ГОСТ 19814-74 с изм.1,2
|
1. Внешний вид
2. Массовая доля уксусной ангидрида ,%, не менее |
Бесцветная,прозрач-ная
99,5 |
Аммиак водный, технический, м.А |
ГОСТ 9-92 |
1. Внешний вид |
Бесцветная,прозрач-ная |
2. Массовая доля аммиака,%,не менее, |
25,0 | ||
Уксусно-кислый нат-рий,технический,сорт высший |
ГОСТ 2080-76 с изм. 1,2,3 |
1. Внешний вид |
Кристаллы белого цвета |
2. Массовая доля безводного |
59,1 |
1.2 Анализ
существующих способов
1. По данным приведенным в статье [1] м-ксилидид ацетоуксусной кислоты может быть получен из м-ксилидина и дикетена в среде хлорбензола по химической схеме (рис.1).
NH-CO- CH2 –СО-CH3
NH2
СН3
CH3
+ СН3 – СО-СН=СО CH3
CH3
Рисунок 1. Химическая схема получения метаксилидида ацетоуксусной кислоты.
Согласно этому методу
CH2–CO-CH2–СО-CH3
NH2
СН3
CH3
+ CH3– СО-СН=СО CH3
NH2
Рисунок 2. Образование изомера.
С целью повышения качества
м-ксилидида а.у.к. авторы
Согласно данным [2], получение м-ксилидида
ацетоуксусной кислоты в среде
ледяной уксусной кислоты
Полученный продукт имеет температуру
плавления 87,5° - 90°, но при этом выход
снижается до 66,5%, в пересчете на м-ксилидин.
Так же к недостаткам
Так же известен способ
Автор работы предлагает улучшить
подвижность реакционной массы
При получении м-ксилидида а.у.к. в среде 50%-ой уксусной кислоты применили м-ксилидин с содержанием основного вещества до 86% с температурой плавления 90-91°С. М-ксилидид а.у.к получается чище, реакционная масса фильтруется быстрее, увеличивается выход и качество продукта. В фильтрате не накапливается п-изомер, поэтому фильтрат можно использовать повторно.
При конденсации м-ксилидина с дикетеном в среде 50%-ой уксусной кислоты в присутствии уксусного натрия были получены следующие результаты:
Средний выход м-ксилидида а.у.к. составил 86%, считая на м-ксилидин и 72 ,77 %, считая на дикетен. Температура плавления 90°С-91°С. А так же сократилась длительность процесса в лабораторных условиях с 24-х часов до 4-х часов. В емкость заливали уксусную кислоту и уксуснокислый натрий. При температуре 18-25°С приливали м-ксилидин и дикетен. После загрузки реакционную массу размешивали и охлаждали до температуры 15-20°С. Затем фильтровали и промывали холодной водой. Пасту хорошо отжимали и взвешивали.
В производстве метаксилидида
ацетоуксусной кислоты
Конденсация это химические процессы, отличительной чертой которых является образование продуктов с новой связью между двумя атомами углерода, которые не были непосредственно связаны друг с другом в исходном (или исходных) соединении. Конденсация непременно сопровождается усложнением углеродного скелета исходного соединения или образованием гетероцикла [3,4].
Большей частью реакция конденсации происходит с отщеплением из реагирующего вещества (или веществ) элементов, образующих частицы, обычно—простые, как-то: Н2, O2, Н2O, HСl и пр.
Некоторые конденсации
протекают без участия
В некоторых случаях механизм участия этих конденсирующих средств в реакции установлен, в других характер взаимодействия конденсирующих средств с основными реагентами конденсации остается неясным. Некоторые конденсирующие средства применяются в значительных количествах и химически изменяются в процессе реакции. Другие добавляются в небольших количествах и по окончании взаимодействия химическая природа их остается неизменной—в этих случаях конденсирующие средства являются катализаторами реакции.
В конденсирующем средстве реагент, который может удалить или побудить к выделению элементы отщепляющейся молекулы (таково конденсирующее действие окислителей при удалении водорода в виде Н2O, восстановителей при удалении кислорода в виде Н2O, ZnO и пр.), или реагент, который образует с одним из ингредиентов реакции соединение, обладающее большей реакционной способностью по отношению ко второму ингредиенту, чем сам первый ингредиент. Образование такого рода промежуточных соединений может быть доказано, правда, далеко не всегда.
Конденсации имеют очень большое значение в практике получения как промежуточных продуктов, так и самих красителей. Образование новых углеродных цепей или колец характерно для многих реакций получения красителей (например, антрахиноновых кубовых).
Органические молекулы, участвующие в конденсации, могут быть либо одинаковыми, либо различными. Конденсация может происходить или внутри каждой молекулы (внутримолекулярная, интрамолекулярная конденсация) или между двумя (или несколькими) одинаковыми или различными молекулами (межмолекулярная, интермолекулярная конденсация).
Реакции конденсации могут приводить к образованию новых циклов (циклические конденсации) или протекать без образования циклов (нециклические конденсации).
Реакции конденсации,
протекающие в присутствии
Согласно вышеизложенному в качестве технологии производства метаксилидида АУК выбираем технологию основанную на конденсации мета-ксилидина с дикетеном в среде 50%-ой уксусной кислоты в присутствии ацетата натрия согласно схеме представленной в [ 3].
2. Технологическая схема производства.
2.1 Химическая схема производства.
В основу производства м-
1.Дикетен
подвергают изомеризации
CH2= С О t>80°С
H2C С=О
2. Конденсация метаксилидида с дикетеном при температуре 20°С.
NH-CO-CH2–СО-CH3
NH2
СН3
CH3
+ CH3– СО-СН=СО CH3
CH3
Протекают побочные реакции процесса:
3. Образование изомера м-ксилидида АУК.
CH2–CO-CH2–СО-CH3
NH2
СН3
CH3
+ CH3– СО-СН=СО CH3
NH2
4.Экстракция
м-ксилидида с раствором
30°С с образованием органической кислоты.
NH-C=O- CH2 –ОNa
NH2
СН3
CH3
+ CH3COONa CH3
CH3
4. Взаимодействие
уксусной кислоты и дикетена
с образованием уксусного
2CH3COOH + С4H4О2 → 2(СH3 СО2) 2О
2.2 Эскизная
технологическая схема
τ=0,5ч t=20°С р=0,3 МПа τ=4,91 ч р=0,3МПа t=50°С
Поступление и
подготовка сырья
Конденсация
метаксилидина с
дикетеном
уксусно-кислый натр.
дикетен
метаксилидид
уксусная к-та
τ=1ч р=0,3МПа t=16°С
Выделение готового
продукта
Фильтрация пасты
мета-ксилидида АУК
τ=1ч р=0,3МПа t= 16 °С
Упаковка
Удаление водорастворимых примесей.
Технология производства мета-ксилидида ацетоуксусной кислоты состоит из следующих технологических стадий:
-поступление
и подготовка сырья;
- конденсация мета-ксилидина с дикетеном ;
- выделение
пасты мета-ксилидида
- фильтрация
и промывка пасты мета-
нутч-фильтре;
- удаление
водорастворимых примесей;
- упаковка готового продукта.
2.3 Краткий материальный баланс
Расчет ведем на 1 т 100 %-ной метаксилидида АУК.
- Упаковка пасты метаксилидида АУК.
Выход по стадии η = 99,99 %.
mу.д..с/к = ,
где mв.с/к – масса 100 %-ного метаксилидида АУК после стадии удаления примесей, кг; mс/к – масса полученной 100 %-ного метаксилидида АУК, кг.
mу.д.с/к = кг.
- Стадия удаления примесей, выход по стадии η = 99 %.
mф.с/к = кг.
- Стадия фильтрации, выход по стадии η = 98 %.
mв.с/к = кг.
- Стадия выделения, выход по стадии η = 98 %.
mк.с/к = кг.
- Стадия конденсации, выход по стадии η = 86 %.
mмет. = , mк. = кг.
2.4 Полный материальный баланс.
1.Стадия конденсации мета-ксилидина с дикетеном:
NH-CO- CH2 –СО-CH3
NH2
СН3
CH3
+ СН3 – СО-СН=СО CH3
CH3
Выход по стадии - 86 %
1.1 Масса мета-ксилидина с учетом выхода реакции:
mмет. = , mмет. = кг
1.2 Масса мета-ксилидина с выходом 100%:
mη = (1051*121) / 205 =620,346 кг.
1.3 Масса технического мета-ксилидина:
mмкстех = mмкс / w ,
где w = 99% или 0,99 – массовая доля мета-ксилидина,
mмкстех =721,3/0,99 = 728,5 кг.
1.4Масса непрореагирующего мета-ксилидина:
mнепр = mмет – mмет η ,
mнепр = 721,3 – 620,346 = 100,95 кг.
Непрореагирующий мета-ксилидин идет на образование изомера в кол-ве 1/3 mнепр и на побочную реакцию 1/2 mнепр .
Примеси:
mприм. = mт - mмет. ,
mприм. = 728,5 – 721,3 = 7,2 кг.
nвст.в.р = mη / Mмкс ,
nвст.в.р = 721,3 / 121 = 5,96 моль.
2.1Масса дикетена с учетом выхода реакции 72,77% :
mдик. = кг.
2.2 Масса дикетена с выходом 100%.
mη = (1051*84)/205*1 =430,65 кг.
Масса технического дикетена:
mдиктех = mдик. / w ,
где w = 95% или 0,95 – массовая доля уксусного ангидрида,
mдиктех =591,8 / 0,95 = 622,95 кг.
Масса непрореагирующего дикетена:
mнепр = mдикч – mдик η ,
mнепр = 591,8 – 430,65 = 161,15 кг.
Часть непрореагирующего дикетена идет на побочную реакцию.
Примеси с учетом выхода реакции:
mприм = mт - mмет. ,
mприм = 622,95– 591,8 = 31,15 кг.
3.Масса метаксилидида ацетоуксусной кислоты:
mмкаук = nвст.в.р * Mмкаук ,
mмкаук = 5,96 * 205 = 1221,8 кг.
На стадию конденсации поступают 416,22 кг уксусной кислоты и 17,54кг уксусно-кислого натра.
Рассчитываем побочные реакции:
1)Взаимодействие уксусной кислоты и дикетена:
I 2CH3COOH + С4H4О2 → (СH3 СО2) 2О (1)
Масса дикетена, который идет на побочную реакцию:
m =141,25 кг.
1. Находим количество С4H4О2
n(С4H4О2 ) = mвступ / MC4H4O2 ,
n(С4H4О2 ) = 141,25/ 84 = 1,68 моль.
2.По реакции (1) находим массу (СH3 СО2) 2О
m((СH3 СО2) 2О ) = 2n(С4H4О2) * M(сн3со2)2о ,
m((СH3 СО2) 2О) = 2*1,68 * 102 = 343,04 кг.
2) Взаимодействие
уксуснокислого натрия с мета-
NH-C=O- CH2 –ОNa
NH2
СН3
CH3
+ CH3COONa CH3
CH3
(2)
Масса мета-ксилидина, который идет на побочную реакцию:
m=67,3 кг.
n(метаксил.) = mвступ / Mмет. ,
n(метаксил.) = 67,3/ 121 = 0,56 моль.
m (орган.к-ы)= n(метаксил.)* Mорг.к-ты
m (орган.к-ы) =0,56*201= 112,56 кг.
Полученные данные сведем в таблицу 1:
Таблица 1 - Материальный баланс на стадии конденсации.
Наименование сырья |
На 1 тонну |
На 1 операцию | ||
масса, кг |
масса, кг | |||
100 % |
техн. |
100 % |
техн. | |
Загружено: | ||||
1.мета-ксилидин, в том числе: - мета-ксилидин; - примеси |
721,3 7,28 |
728,58 |
1053,098 10,6288 |
1063,7268 |
|
2. Дикетен, в том числе: - дикетен - примеси |
591,7 31,54 |
622,84 |
909,3464 863,882 46,0484 |
|
3. Уксуная кислота, в том числе:
-уксусная кислота -примеси -вода |
401,22 2,091 1065 |
1468,311 |
2143,7341
585,7812 3,0528 1554,9 |
|
4. Уксусно-кислый натр, в том числе: -примеси |
17,54 12,2 |
29,74 |
43,4204
25,6084 17,812 |
|
Итого: |
2849,47 |
2849,47 |
4160,2262 |
4160,2262 |
Получено: | ||||
Суспензия МАУК |
2849,47 |
4160,2262 | ||
1. метаксилидид АУК |
1221,8 |
1783,828 |
||
2. изомер МАУК |
33,64 |
49,1144 |
||
3. дикетен (непр.) |
19,9 |
29,054 |
||
4. примеси |
53,11 |
77,5406 |
||
5. уксусный ангидрид |
343,04 |
500,8384 |
||
6. органическая кислота |
112,56 |
164,3376 |
||
7. вода |
1065 |
1554,97 |
||
Итого: |
2849,47 |
2849,47 |
4160,2262 |
4160,2262 |