Технология производства бутилксантогената натрия
1. Литературный обзор
(способы, методы, описание).....................
2.1. Обсуждение....................
2.2. Сырье.........................
2.3. Химическая схема..............
2.4. Условия.......................
2.5. Технологическая схема.........
2.6. Выходные параметры............
2.7.Области применения
продукции.....................
3. Обсуждение, выводы........................
Список литературы.............
Ксантогенаты (дитиокарбонаты)
Ксантогенаты наиболее стабильны, когда R – остаток вторичного спирта. Увеличение молярной массы или разветвление углеводородного фрагмента повышает стабильность ксантогенатов. Твердые ксантогенаты медленно разлагаются при хранении под действием влаги, кислорода воздуха и при нагревании.
Бутиловый ксантогенат – горючее вещество. Пылевоздушная смесь его токсична и взрывоопасна и относится к третьему классу опасности. Температура воспламенения пыли 565˚С. Предельно допустимая концентрация пыли бутилового ксантогената натрия в воздухе производственных помещений – 10 мг/м3.
Бутиловый ксантогенат натрия (натриевая соль бутилксантогеновой кислоты, натрий O-бутил-дитиокарбонат) C5H9OS2Na – кристаллы от светло-серого до желтого цвета со специфическим запахом, с молекулярной массой 172,25. Массовая доля основного вещества составляет не менее 87%, свободной гидроокиси натрия – не менее 0,2%, летучих веществ – не более 5%. Хорошо растворим в воде, этиловом, метиловом и бутиловом спиртах, не растворим в эфире и бензоле.
Ксантогенат натрия разлагается в водном растворе при нагревании следующим образом:
6C2H5OC(S)SNa + 3H2O = 6C2H5OH + 2Na2CS3 + Na2CO3 + 3CS2
Ксантогенаты щелочных металлов с окислителями (KI3, Cu2+ и др.) и сульфонилхлоридами образуют ксантоиндисульфиды, с SxCl2 – полисульфиды, с хлорангидридами карбоновых кислот при температуре -35 оС в ацетоне – смешанные ангидросульфиды, с низшими алкиламинами в присутствии каталитических количеств солей Ni2+ или Pd2+ - диалкилтионокарбаматы, например:
2ROC(S)SNa + PhSO2Cl = [ROC(S)2]S2 + PhSO2Na + NaCl
2ROC(S)SNa + SxCl2 = [ROC(S)]2Sx+2 + 2NaCl (x = 1 - 4)
ROC(S)SNa + R'C(O)Cl = ROC(S)SC(O)R' + NaCl
При воздействии на него минеральных и органических кислот выделяется свободная ксантогеновая кислота в виде прозрачного масла, быстро разлагающегося уже при обыкновенной температуре на бутиловый спирт и сероуглерод.
Способы производства:
В России ксантогенаты производят смешением водного раствора щелочи (едкого натрия) с эквивалентным количеством спирта (в расчете на щелочь) и последующей добавкой сероуглерода.
2ROH + CS2 + NaOH = ROC(S)SNa + H2O
Предприятия РФ могут производить бутиловый, этиловый, амиловый и изопропиловый ксантогенаты. Основное количество всего выпускаемого ксантогената производится в виде бутилового (по оценке «Инфомайн» – 95%).
По действующей технологии выход бутилового ксантогената составляет 83-86% теоретического, причем 70-72% получается в виде кристаллического продукта, а остальное количество остается в маточном растворе.
При вакуум-упарке из маточных растворов можно дополнительно извлечь 85% бутилового и 76% этилового ксантогенатов, а также частично регенерировать спирт. Без сушки кристаллический продукт содержит до 15% влаги, которая снижает устойчивость ксантогенатов при хранении.
Возможен и другой способ получения ксантогената натрия, который заключается в обработке простых эфиров сероуглеродом и гидроксидом натрия:
(C2H5)2O + 2CS2 + 2NaOH = 2C2H5OC(S)SNa + H2O
Но такой способ не используется на российских предприятиях.
Обсуждение
Этот способ имеет следующие недостатки:
1. Процесс получения
2. Реакция ксантогенирования
является экзотермическим
3. Необходимо использование
дозирующих устройств, не
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в упрощении способа за счет осуществления производства ксантогената на существующем оборудовании, без дополнительных затрат.
Сырье для производства ксантогената натрия
Сырьем для производства бутилового ксантогената натрия являются сероуглерод CS2, бутиловый спирт и едкий натр NaOH.
Сероуглерод CS2 — соединение серы с углеродом, бесцветная жидкость с неприятным запахом Сероуглерод токсичен, огнеопасен, имеет самый широкий диапазон концентрационных пределов взрываемости
В промышленности получают по реакции метана с парами серы в присутствии силикагеля при 500—700 °C в камере из хромоникелевой стали:
Также сероуглерод можно получить взаимодействием древесного угля и паров S при 750—1000 °C.
Большая часть (80 %) производимого
сероуглерода идет в производство вискозы - сырья в производстве вискозного
волокна («искусственного шелка»). Его
применяют для получения различных химических
веществ (ксантогенатов, четыреххлорист
Сероуглерод очень ядовит. Смертельная доза при поступлении внутрь составляет 1 г. Высокотоксичная концентрация в воздухе — свыше 10 мг/л. Оказывает местное раздражающее, резорбтивное действия. Обладает психотропными, нейротоксическими свойствами, которые связаны с его наркотическим воздействием на центральную нервную систему. При отравлении возникают головная боль, головокружение, судороги, потеря сознания. Бессознательное состояние может сменяться психическим и двигательным возбуждением. Могут наблюдаться рецидивы судорог с потерей сознания, угнетение дыхания. При приеме внутрь наступают тошнота, рвота, боли в животе. При контакте с кожей наблюдаются гиперемия и химические ожоги.
Прежде всего, необходимо удалить пострадавшего из пораженной зоны. При попадании сероуглерода внутрь необходимо выполнить промывание желудка с использованием зонда, форсированный диурез, ингаляцию кислорода. Обычно проводится симптоматическую терапию. При судорогах вводят 10 мг диазепама внутривенно.
Бутиловый спирт (н-бутанол) C4H9OH
— представитель одноатомных
спиртов. Бесцветная вязковатая жидкость
с характерным запахом сивушного масла. Смешивается с органическими
растворителями. В отличие от метанола, этанола и пропано
В промышленности бутанол получают:
- оксосинтезом из пропилена с использованием никель-кобальто
вых катализаторов при 1,0-1,5 МПа(По Реппе). - Из ацетальдегида через ацеталь
доль и кротоновый альдегид, который гидрируют намедных, меднохромовых или никелевых катализаторах. - Ацетоно-бутиловым брожением пи
щевого сырья
Бутанол начал производиться
в 10-х годах XX века с использованием бактерии Clostr
В 50-х годах из-за падения цен на нефть начал производиться из нефтепродуктов.
В США ежегодно производится около 1,39 млрд литров бутанола.
.
Бутанол применяют:
- как растворитель в лакокрасочной промышленности, в производстве смол и пластификаторов
- модификаторы мочевино- и меламино-формальдегидных смол
- для получения пластификаторов: диб
утилфталата, трибутилфосфата - для получения бутилацетата и бутил
акрилата и эфиров с гликолями - в синтезе многих органических соединений.
Токсичность бутанола относительно невелика (LD50 составляет 2290–4360 мг/кг), но наивысшая среди младших спиртов. При употреблении внутрь возникает эффект, сходный с эффектом от употребления этанола. Бутанол содержится в небольших количествах в различных алкогольных напитках. Иногда бутанол, полученный из технических жидкостей, используется в качестве суррогатного алкогольного напитка.
Концентрация в 0.01% в воздухе никак не влияет на организм, в то время как 0.02% вызывает воспаление роговой оболочки глаза.
КПВ 1,7-12%.
Гидроксид натрия — самая распространённая щёлочь, химическая формула NaOH. В год в мире производится и потребляется более 57 миллионов тонн едкого натра.
Интересна история тривиальных названий как гидроксида натрия, так и других щелочей, название «едкая щёлочь» обусловлено свойством разъедать кожу, бумагу, и другие органические вещества, вызывая сильные ожоги. До XVII века щёлочью (фр. alkali) называли также карбонаты натрия и калия. В 1736 французский учёный А. Л. Дюамель дю Монсо впервые различил эти вещества: гидроксид натрия стали называть каустической содой, карбонат натрия — кальцинированной содой (по растению Salsola Soda, из золы которого её добывали), а карбонат калия — поташем. В настоящее время содой принято называть натриевые соли угольной кислоты. В английском и французском языках слово sodium означает натрий, potassium — калий.
Гидроксид натрия
может получаться в промышленности
химическими и
Известковый метод
Известковый метод
получения гидроксида натрия заключается
во взаимодействии раствора соды с
известковым молоком при
Na2CО3 + Са (ОН)2 = 2NaOH + CaCО3
В результате реакции получается раствор гидроксида натрия и осадок карбоната кальция. Карбонат кальция отделяется от раствора, который упаривается до получения расплавленного продукта, содержащего около 92 % масс. NaOH. Затем NaOH плавят и разливают в железные барабаны, где он застывает.
Электрохимические методы получения гидроксида натрия
Электрохимически
гидроксид натрия получают электролизом растворо
2NaCl + 2H2О ±2е- → H2↑ + Cl2↓ + 2NaOH
Едкая щёлочь и хлор вырабатываются тремя электрохимическими методами. Два из них — электролиз с твёрдым катодом(диафрагменный и мембранный методы), третий — электролиз с жидким ртутным катодом (ртутный метод).
В мировой производственной практике используются все три метода получения хлора и каустика с явной тенденцией к увеличению доли мембранного электролиза.
Едкий натр применяется во множестве отраслей промышленности и для бытовых нужд:
- Каустик применяется в целлюлозно-бумажной промышленности для делигнификации (сульфатный процесс) целлюлозы, в производстве бумаги, картона, искусственных волокон, древесно-волоконных плит.
- Для омыления жиров при производстве мыла, шампуня
и других моющих средств. В древности во время стирки в воду добавляли золу, и, по-видимому, хозяйки обратили внимание, что если зола содержит жир, попавший в очаг во время приготовления пищи, то посуда хорошо моется. О профессии мыловара (сапонариуса) впервые упоминает примерно в 385 г. н. э. Теодор Присцианус. Арабы варили мыло из масел и соды с VII века, сегодня мыла производятся тем же способом, что и 10 веков назад. В настоящее время продукты на основе гидроксида натрия (с добавлением гидроксида калия, нагретые до 50-60 градусов Цельсия, применяются в сферепромышленной мойки для очистки изделий из нержавеющей стали от жира и других маслянных веществ, а также остатков механической обработки. - В химических отраслях промышленности — для нейтрализации кислот и кислотных окислов, как реагент иликатализатор в химических реакциях, в химическом анализе для титрования, для травления алюминия и в производстве чистых металлов, в нефтепереработке — для производства масел.
- В гражданской обороне для дегазации и нейтрализации
отравляющих веществ, в том числе зарина, в ребризерах(изолирующих дыхательных аппаратах (ИДА), для очистки выдыхаемого воздуха от углекислого газа. - Гидроксид натрия также используется для нелегального производства метамфетаминов и других наркотических средств.
- В приготовлении пищи: для мытья и очистки фруктов и овощей от кожицы, в производстве шоколада и какао, напитков, мороженого, окрашивания карамели, для размягчения маслин и придания им чёрной окраски, при производстве хлебобулочных изделий. Зарегистрирован в качестве пищевой добавки E524.
В косметологии для удаления ороговевших участков кожи: бородавок, папиллом.
Меры предосторожности при обращении с гидроксидом натрия
Гидроксид натрия — едкое и коррозионноактивное вещество. Оно относится к веществам второго класса опасности. Поэтому при работе с ним требуется соблюдать осторожность. При попадании на кожу, слизистые оболочки и в глаза образуются серьёзные химические ожоги. Попадание в глаза вызывает необратимые изменения зрительного нерва (атрофию), и, как следствие, потерю зрения. При контакте слизистых поверхностей с едкой щёлочью необходимо промыть поражённый участок струей воды, а при попадании на кожу слабым раствором уксусной кислоты. При работе с едким натрием рекомендуется следующие защитные средства: химические брызгозащитные очки для защиты глаз, резиновые перчатки или перчатки с прорезиненной поверхностью для защиты рук, для защиты тела — химически-стойкая одежда пропитанная винилом или прорезиненные костюмы.
ПДК гидроксида натрия в воздухе 0,5 мг/м³
Химическая схема
2ROH + CS2 + NaOH = ROC(S)SNa + H2O
Условия процесса
Т = 30 – 40˚С, безкатализаторный
процесс.
Технологическая схема.
Известны следующие способы получения ксантогената натрия.
I способ, включающий пропускание через водно-спиртовой раствор щелочи насыщенных паров сероуглерода в смеси с воздухом и фильтрацию полученного маточного раствора.
II способ, включающий взаимодействие спирта, гидроксида натрия, сероуглерода и водного раствора отходов предыдущих стадий получения целевого продукта с последующим центрифугированием полученного маточного раствора.
III способ, включающий взаимодействие сероуглерода, гидроксида натрия, спирта и воды с последующим разбавлением полученной реакционной массы спиртом и водой и сушкой разбавленной массы.
Недостатками указанных
способов являются расход одного или
нескольких реагентов в количествах
выше стехиометрических и
В качестве прототипа выбран
способ получения ксантогената натрия,
включающий смешивание спирта с гидроксидом
щелочного металла при
Недостатком способа являются
расход спирта, значительно превышающий
стехиометрический, температурный
режим, дающий возможность прохождения
побочных реакций и необходимость
переработки маточного
Задачей, на решение которой
направлено заявленное изобретение, является
упрощение способа получения
ксантогената щелочного металла
и увеличение выхода целевого продукта.
Указанная задача решается тем, что в способе,
включающем взаимодействие спирта с гидроксидом
щелочного металла при охлаждении до температуры,
не превышающей 26oС, с последующей
подачей в реакционную смесь сероводорода
при мольном соотношении реагентов соответственно
0,9-1,1:1:0,9-1,1, подачу сероводорода в реакционную
смесь проводят при 30-40oС.
При температуре выше 40oС проходят побочные реакции, которые тем интенсивнее, чем больше количество реагентов выше стехиометрического, а при температуре ниже 30oС снижается скорость прохождения реакции, что приводит к загустению продуктов реакции.
Способ осуществляется следующим образом.
Получение n-бутилового ксантогената натрия. Первым в реактор ксантогенатор при работающем перемешивающем устройстве загружается 224 кг n-бутилового спирта. После набора в реактор заданного количества спирта производится загрузка в него 135 кг едкого натра, после чего перемешивание продолжается до снижения температуры получаемого при этом раствора щелочи в спирте до 20oС. Получаемый при этом "алкоголят" представляет собой густую мелкозернистую массу. После достижения заданной температуры в реактор через специальное распределительное устройство подается 336 кг сероуглерода. При этом строго контролируется температура реакционной массы, которая с помощью интенсивного охлаждения удерживается на уровне 32oС. Полученный товарный продукт имеет массовую долю основного вещества 92%, гидроксида натрия - 0,15% и вода остальное, что в соответствии с ГОСТ 7927-75 соответствует первому сорту.
Способ получения ксантогената щелочного металла, включающий взаимодействие спирта с гидроксидом щелочного металла при охлаждении до температуры, не превышающей 26oС, с последующей подачей в реакционную смесь сероводорода, при этом мольное соотношение реагентов составляет 0,9-1,1:1:0,9-1,1, отличающийся тем, что подачу сероводорода в реакционную смесь проводят при 30-40oС.
Получение ксантогената по режиму сухого ксантогени-рования осуществляют в одновальных ксантогенаторах различной конструкции. На рис. представлена принципиальная схема такого ксантогенатора. Он имеет горизонтальную лопастную мешалку 1, штуцеры 2 - 4 соответственно для создания вакуума, подачи сероуглерода и щелочи.
Аппараты всех групп полностью
удовлетворяют условиям получен
Непрерывный способ получения ксантогената до настоящего времени в промышленности не получил применения, хотя имеются многочисленные патенты и предложения по осуществлению этого метода. В основном на всех предприятиях используется принципиально одинаковая аппаратура для получения ксантогената целлюлозы, правда с некоторыми конструктивными особенностями.
Выходные параметры
Полученный товарный продукт имеет массовую долю основного вещества 92%, гидроксида натрия - 0,15% и вода – остальное.
Время пребывания реакционной массы в реакторах 0,5 - 10 мин.
Область применения
Данный продукт применяется
в качестве реагента-собирателя в
гидрометаллургической
Весьма ценными свойствами ксантогенатов являются полное отсутствие у них пенообразовательных свойств, что позволяет использовать их как селективные реагенты, и то, что ксантогенаты не являются собирателями для пустой породы: окислов, силикатов, алюмосиликатов и солеобразных минералов щелочноземельных металлов.
Ксантогенат натрия может использоваться также в резинотехнической промышленности, полиграфии, в производстве моторных масел в качестве присадок (противоизносные, противозадирные), гидро- и электрометаллургии.
Наиболее крупнотоннажным
ксантогенатом является
Обсуждение, выводы
Перечень флотореагентов, производимых в СССР, и объем их потребления на 1991 г.
Назначение |
Наименование |
Объем потребления, тыс. тонн |
Собиратели сульфидных руд |
Ксантогенаты калия, в т. ч. бутиловый, |
14,00 |
изобутиловый, |
1,50 | |
изопропиловый, |
2,60 | |
этиловый |
0,40 |
Объемы потребления
собирателей сравнительно
Как правило, реагенты-собиратели имеют специфическое строение и производятся преимущественно для целей флотации.
В то же время большая
часть флотореагентов, главным образом,
модификаторы флотации, относится к
крупнотоннажным продуктам
В советский период наибольшее развитие работы в области флотореагентов получили в 1970 - 1990 г.г.
На Волжском заводе оргсинтеза
было организовано производство новых
видов ксантогенатов: изопропилового
и изобутилового и, главное, начат
выпуск высококачественного
Был разработан состав и осуществлено внедрение жидкого гексилового ксантогената, относящегося к классу высших ксантогенатов (институт «Механобр»). Производство этого реагента было остановлено в 90-е годы в связи с прекращением выпуска гексилового спирта. В дальнейшем эта технология после усовершенствования была использована в 2001 - 2003 г.г. для создания крупнотоннажного производства жидкого бутилового ксантогената натрия непосредственно на обогатительной фабрике в г. Джезказгане (корпорация «Казахмыс»).
После 90-х г.г. к настоящему времени сложилась следующая ситуация в области производства флотореагентов.
Было прекращено производство части флотореагентов и заметно уменьшен их ассортимент. Остановлено производство селективных собирателей ИМ-50 и баритола. Из ксантогенатов выпускается только бутиловый ксантогенат калия.
В целом следует отметить,
что несмотря на отмеченные недостатки
российская химическая промышленность
производит необходимый ассортимент
реагентов, обеспечивающих переработку
сульфидных и несульфидных руд. В
качестве основного типа собирателей
при флотации сульфидных руд применяют
бутиловый ксантогенат и
Существенными недостатками производства и применения флотореагентов в Российской Федерации являются следующие.
Из основного класса собирателей для руд цветных и редких металлов ксантогенатов производится только бутиловый ксантогенат калия, в то время как ранее выпускали 4 типа ксантогенатов. Видимо, это обусловлено в первую очередь трудностями производства большого ассортимента ксантогенатов вследствие заметного увеличения производственных затрат.
До сих пор не налажено производство высшего ксантогената (амилового), а также более дешевых натриевых ксантогенатов из-за отсутствия необходимого оборудования. Используемая технология для производства ксантогенатов не обеспечивает его выпуск в современной товарной форме в виде гранул, что ухудшает условия труда и увеличивает потери.