Степаненко Т.І., Рутковська Д.С., Башева Т.С.

Донбаська національна академія будівництва і архітектури, Україна

Підвищення екологічності виробництва фенолу кумольним методом

Охорона навколишнього середовища і раціональне використання природних ресурсів належить до однієї із глобальних проблем сучасності. Хімічна промисловість – комплексна галузь, що визначає рівень науково-технічного прогресу, забезпечує усі галузі народного господарства хімічними технологіями і матеріалами. Основні напрями розвитку хімічної промисловості полягають, з одного боку, в пошуку нових сполук і матеріалів, а з іншої – в підвищенні ефективності виробництва існуючої номенклатури хімічної продукції. Ефективність по суті визначається економікою, і її підвищення забезпечується зниженням витрат сировини і матеріалів, енергії, капітальних вкладень і підвищенням продуктивності праці. Безупинно зростають потреби хімічної промисловості, а також ряду інших галузей у фенолах і стають більш різноманітними [1; 2].

Метою роботи є вивчення впливу введення ініціатору процесу на підвищення рівня використання вихідної сировини, збільшення виходу кінцевого продукту, зменшення викидів шкідливих речовин.

Сучасний процес одержання фенолу і ацетону включає наступні стадії: одержання ізопропилбензолу (ІПБ); окислення його до гідропероксида кумолу (ГПК); концентрування продуктів окислення, що містять 20–40 % гідропероксида, шляхом відгону під вакуумом (1–3 стадії) непрореагувавшого кумолу; розкладання ГПК у середовищі фенолу, ацетону і кумолу в присутності сірчаної кислоти до фенолу, ацетону, α-метилстирола та побічних продуктів (так званої «фенольної смоли»); нейтралізація сірчаної кислоти і виведення із системи Na₂SO₄ і NaHSO₄; розподіл отриманих продуктів до індивідуальних речовин; гідрування α-метилстирола до кумола; очищення фенолу-сирцю від мікродомішок з використанням кислотних катіонітів; очищення ацетону від мікродомішок з використанням лугів; частковий термічний крекінг побічних продуктів виробництва. Окислення проводиться в тарільчастій реакційній колоні, що має холодильники; при їхній допомозі підтримують температуру рідини від 120 °С на верхній тарілці до 105 °С у кубі. Повітря, попередньо очищене від забруднень і механічних домішок та підігріте, подають у нижню частину колони під тиском 0,4 МПа. Свіжий і оборотний ізопропилбензол, до якого доданий ГПК, що ініціює початкову стадію окислення, подають у підігрівник, а звідти на верхню тарілку реактора [2].

Повітря рухається противотоком до рідини, барботуючи через неї на тарілках колони. При цьому він захоплює із собою пари ізопропилбензола і летучих побічних продуктів (мурашина кислота, формальдегід), які конденсуються в холодильнику. Повітря, що залишилося, виводять в атмосферу, а конденсат відмивають від мурашиної кислоти водним лугом у промивачі-сепараторі. Вуглеводний шар зливають у збірник, а водний шар рециркулюють на промивання, скидаючи в кінцевому підсумку в каналізацію [2].

Рисунок 1 – Технологічна схема кумольного методу одержання фенолу і ацетону: 1 – реакційна колона; 2 – холодильник; 3 – промивач-сепаратор; 4 – теплообмінник; 5 – збірник; 6, 8–11 – ректифікаційні колони; 7 – вузол кислотного розкладання ГПК

Оксидат з нижньої частини колони віддає своє тепло ізопропилбензолу в теплообміннику, дросселюється до залишкового тиску 4 кПа та надходить на вакуум-ректифікацію для концентрування гідропероксида. Відгін ізопропилбензола ведуть у насадочній ректифікаційній колоні безперервної дії, постаченої конденсатором-дефлегматором. Застосування вакууму обумовлене термічною нестабільністю гідропероксида. Частину конденсованого ізопропилбензола повертають із конденсатора-дефлегматора на зрошення колони, а іншу кількість виводять у сепаратор, промивають лугом і знову направляють на окислення [2].

При використанні найбільш поширеного в світі кумольного методу підсумковий вихід корисного продукту складає 86%. Таким чином, вихідна сировина використовується не повною мірою, її витрата становить 0,95 т бензолу на 1 т фенолу. Підвищити рівень ресурсозбереження вихідної сировини можна за рахунок більш повного протікання процесу на стадії окислення ізопропилбензолу до гідропероксиду і його розкладання. Встановлено, що при зміні концентрації ініціатора зменшується витрата вихідної сировини та збільшується вихід корисного продукту. Нами проведено експериментальні дослідження із встановлення найбільш прийнятних параметрів процесу виробництва фенолу з використанням ініціатора дибензо-18-краун-6-NaBr-N-гидроксифталімід. Використання даного активатора дозволяє підвищити вихід фенолу з 86 – 88% до 98 – 99% і при цьому зменшити витрату вихідної сировини – бензолу в 1,2 разу.

Технологічний процес виробництва фенола та ацетону супроводжується утворенням шкідливих речовин, що надходять в атмосферу, такі як: ацетофенон, дикуміл, α-Метилстирол, а також фенол і органічні кислоти. Із літературних джерел встановлено, що зі зниженням температури процесу окислення кумолу в гідропероксид зменшується кількість шкідливих викидів в атмосферу. Додавання реагенту – ініціатора окислення – дозволяє знизити температуру окислення до 35 °С [3]. Нами було досліджено швидкість окислення кумолу в гідропероксид (у присутності ініціатора дибензо-18-краун-6-NaBr-N-гідроксифталімід) при температурах 35–60 °С з інтервалом в 5 °С. Аналізуючи отримані експериментальним шляхом дані, зроблений висновок, що найбільша швидкість окислення кумола в присутності ініціатора спостерігалася при температурі 60 °С. При цьому ми можемо домогтися зменшення кількості шкідливих речовин, що утворюються в процесі та надходять в атмосферу: ацетофенону – в 5 разів; дикумілу – в 1,9 раз; метану – в 2,25 раз, α-Метилстиролу – в 2 рази.

Введення ініціатору дибензо-18-краун-6-NaBr-N-гидроксифталімід є економічно обґрунтованим через те, що дозволяє зменшити викиди шкідливих речовин у 2 – 5 разів; підвищити рівень використання вихідної сировини у 1,2 рази; збільшити вихід кінцевого продукту.

Література:

1. Кружалов Б.Д. Совместное получение фенола и ацетона. / Б.Д.Кружалов, Б.Н. Голованенко. – M.: Химия, 1983. – 200 с.

2. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. / Н.Н. Лебедев. – М.: Химия, 1989. – 608 с.

3. Горбатенко Н.В. Дія супрамолекулярних галоїдвмісних комплексів на розпад ацилпероксидів та ініціювання ними радикально-ланцюгового окиснення: дис. ... канд. наук: 02.00.04 / Горбатенко Наталія Валеріївна. – Донецьк, 2006. – 144 с.