Дипломная работа. Получение 2-метилпропена дегидратацией ,2-диметилэтанола-1 (стр. 1 )

Дипломная работа

ПОЛУЧЕНИЕ 2-МЕТИЛПРОПЕНА ДЕГИДРАТАЦИЕЙ

,2-ДИМЕТИЛЭТАНОЛА-1

Аннотация

В работе рассмотрен метод получения 2-метилпропена (дальше изобутилена) дегидратацией 2,2-диметилэтанола-1 (дальше третбутилового спирта). Представлен обзор возможных методов получения изобутилена. Проведен анализ основной реакции (рассмотрены физические и химические свойства реагентов, их электронная структура). В работе разобрана кинетика и механизм реакции.

Особое внимание уделено термодинамическому расчету и выбору типа реактора. Приведены расчеты материального и теплового баланса. Представлена операторная модель химико-технологической системы.

Работа содержит ХХ страниц, 8 рисунков, 5 таблиц, 48 литературных ссылок.

Содержание

Введение

. Литературный обзор

.1 Методы получения целевого продукта

.1.1 Получение изобутилена дегидрированием изобутана

.1.2 Получение изобутилена дегидрированием бутановой фракции с последующей изомеризации

.1.3 Методы извлечения изобутилена из углеводородной фракции С4

1.1.4 Получение изобутилена из втор-бутил хлорида

.1.5 Получение изобутилена из трет-бутил хлорида

.1.6 Получение изобутилена из трет-бутилмеркаптана

.1.7 Получение изобутилена из диизобутилена

.1.8 Получение изобутилена из триизобутилена

.1.9 Получение изобутилена из втор-и-н-бутанолов

.1.10 Получение изобутилена из изобутанола

.1.11 Получение изобутилена из трет-бутилового спирта

.1.12 Другие методы получение изобутилена

.2 Анализ основной реакции

.2.1 Физические свойства реагентов и продуктов реакции

.2.2 Электронная структура реагентов и продуктов реакции

.2.3 Химические свойства реагентов и продуктов реакции

. Термодинамический анализ основной реакции

.1 Подготовка исходной информации

.2 Расчет термодинамических функций

. Кинетика и механизм реакции получения изобутилена

.1 Механизм реакции и его обоснование

.2 Анализ факторов, влияющих на основную реакцию

.2.1 Влияние строения субстрата

.2.2 Влияние строения атакующей частицы

.2.3 Влияние строения уходящей группы

.2.4 Влияние растворителя

.3 Катализ основной реакции

.4 Кинетическая модель реакции

. Выбор типа реактора

.Расчет реактора

.1 Материальный баланс

.2 Тепловой баланс

.3 Расчет объема реактора

. Операторная модель химико-технологической системы

Вывод

Список литературы

Введение

Изобутилен является важнейшим и достаточно многотонажным мономером алифатического ряда.

Впервые он был выделен из продуктов высокотемпературного разложения животных жиров и описан Фарадеем в 1825 году.

Чистый изобутилен получен Бутлеровым в 1868 году по реакции дегидратации трет-бутилового спирта разбавленной серной кислотой

При вдыхании изобутилен оказывает наркотическое действие [1]. Интенсивность токсикологического действия зависит от концентрации мономера и индивидуальных особенностей организма. Признаки отравления: расстройство желудка, головная боль и тошнота. На более поздней стадии наблюдается расстройство зрения и потеря сознания. Длительное пребывание в загазованном помещении может привести к смертельному исходу.

При хранении и работе с изобутиленом необходимо соблюдать правила техники безопасности, общие для всех горючих веществ.

На сегодняшний день на основе изобутилена получают синтетические каучуки: изопреновый, полиизобутеленовый, пластмассы, топливо, смазки, присадки к маслам, поверхностноактивные вещества, разнообразные добавки и другие продукты, которые используются практически во всех отраслях народного хозяйства. На волжском заводе ОАО ”КАУЧУК” используют изобутилен для производства метил третбутилового эфира - высокооктановой добавки к бензину, а также изделий из пластмассы.

Исходя из вышесказанного, следует, что потребность в изобутилене постоянно растет.

Многие аспекты химии и технологии изобутилена и продуктов на его основе не ясны и, в лучшем случае, дискуссионные. Поэтому глубокий интерес к фундаментальным и перспективным исследования изобутилена поддерживается уже много десятилетий и постоянно стимулируется новыми экспериментальными данными.

Таким образом, проблема получения изобутилена актуальна и на сегодняшний день, при этом, достаточно хорошо разработана в научной литературе.

Целью данной работы является формирование химической концепции процесса дегидратации трет-бутилового спирта, как метода получения изобутилена.

Для реализации вышеуказанной цели необходимо решить следующие задачи:

. Выполнить теоретический анализ предложенного метода, рассмотреть особенности химической реакции, термодинамики, кинетики и механизма изучаемой реакции.

. Сделать выбор типа реактора, осуществить расчеты теплового и материального балансов, объема реактора и поверхности теплообмена.

. Предложить операторную схему получения изобутилена.

1. Литературный обзор

.1 Методы получения целевого продукта

Процессы получения изобутилена можно разделить на две большие группы: специализированные процессы с максимальным выходом изобутилена или фракции углеводородов С4 и процессы, в которых они являются побочными продуктами.

Первая группа включает: 1) высокотемпературный пиролиз жидкого и газообразного сырья - сухие газы переработки нефти, попутные газы нефтедобычи, этан, пропан, бутаны, прямогонные и газовые бензины, в отдельных случаях рафинаты каталитического риформинга (после извлечения ароматических углеводородов), газойлевые фракции, нефть и нефтяные остатки; 2) термический крекинг высокомолекулярных парафинов, полученных при переработке нефти; Эти два метода сопровождаются побочными нежелательными реакциями деструкции образовавшихся олефинов, их гидрирование и дегидрирование. 3) селективную полимеризацию или деполимеризацию полимеров олефинов; 4) каталитическое дегидрирование парафинов (бутаны, пентаны, нормальные парафины); 5) дегидратацию спиртов; 6) реакции изомеризации и т. д.[1].

Рассмотрим более подробно некоторые из этих методов.

1.1.1 Получение изобутилена дегидрированием изобутана (И)

Данный процесс протекает по реакции:

(CH3 )3 ─CH (CH3 )2C=СH2 + H2

Для протекания реакции дегидрирования оптимальна температура 550- 600 °С [2]. Повышение температуры вызывает нежелательные реакции крекинга. С повышением давления глубина дегидрирования изобутана в изобутилен заметно уменьшается. Наиболее подходящими катализаторами являются алюмохромовые соединения. В промышленности выход изобутилена в реакторах секционного типа с псевдоожиженным слоем катализатора составляют не менее 42 масс.% на пропущенный и 82 масс.% на разложенный изобутан [1]. Запатентован метод дегидратации изобутана в присутствии азота [3].

1.1.2 Дегидрирование бутановой фракции с последующей изомеризацией в изобутилен

Процесс протекает по следующей схеме

CH3─ CH2 ─CH=CH2 бутилен

н CH3─ CH2 ─CH2─CH3 CH3─ CH=CH─CH3 транс-бутилен

CH3─ CH=CH─CH3 цис-бутиле

Примерный состав продуктов реакции дегидрирования н-бутилена следующий: 34 масс.% н-бутилена, 38 масс% транс-изомера и 28 масс.% цис-изомера [2].

В качестве катализатора используют оксид хрома на оксиде алюминия. Температура процесса 497-502 0С [2]. Изомеризация a, b-бутиленов в изобутилен проходит при 302-542 0С. В качестве катализатора применяют Н3РО4 на силикагеле, кремнеземе или шамоте; А12О3 и другие [4].

Изучением этой реакции занимались Херд, Голберт, Тропш, Перриш и Этлор [4]. Тропш пришел к выводу, что изомеризация требует затраты энергии в количестве 58102 кДж. Это подтвердилось работами Форста, Ридковского и Серябряковского [4].

Токиямо Йосихиро [5] изучил процесс дегидрирования бутана и последующей изомеризацию a-бутена в изобутилен при 5000С; в качестве катализатора применялась платина нанесенная на силикаты железа. Бекхет [6] изучил изомеризацию н-бутена в изобутилен на кремнийалюминиевых катализаторах.

Чен Хонг-во [7] установил, что селективность изомеризации возрастает при введении ZSM-23, в качестве катализатора к ферритному углеводороду на микропористой структуре. Для увеличения селективности Пеллет Ригис [8] использовал в качестве катализатора цеолиты при температуре 360-650 0С.

В промышленности Хорев и Морозов [9] запатентовали метод изомеризации н-бутана при температуре 160-200 0С на катализаторах состава: Cu2O3 40-50 масс%, Ni2O3 25-40 масс.%, Fe2O3 0.2 масс.%, остальное SiO2.

По данным Саматкина и Киямовой [10] в декабре 1995 года в России в введено в эксплуатацию производство изобутилена изомеризацией н-бутиленов. В качестве катализатора используется А12О3 при температуре не выше 5400С. Производительность установки 8-16 т/ч.

При изомеризации углеводородов фракции С4 с последующим дегидрированием в изобутилен, изомеризация бутановой фракции проводится на катализаторах А1Сl3, А1Вг3, ВР3, НС1 и т. п. Дегидрирование изобутана на хромалюминийоксидных катализаторах проводится по непрерывной схеме при температуре 537-6020С [2].

Выход изобутилена при 50% конверсии достигает 42% при селективности 82% (в пересчете на изобутилен) [1].

Мирзабекова и Мамедов [11] заявили метод конверсии изобутилена при 610-6800С в присутствии СО2 на катализаторах, содержащих: 2-6 масс.% Сr, 2-6 масс.% Mn закрепленных на А12О3.

В результате реакции дегидратации получают бутан-изобутиленовую фракцию углеводородов из которой сначала извлекают бутадиен, а потом изобутилен.

1.1.3 Метод извлечения изобутилена из фракции С4.

Гютенборг [12] выделял два основных метода извлечения: а) физический, включающий в себя абсорбцию, экстракционную и азеотропную дистилляцию, а также ректификацию; б) химический основанный на взаимодействии изобутилена с различными органическими веществами. В качестве физических методов большинство фирм используют метод жидкой абсорбции. Абсорбентом может быть керосиновая фракция. При этом исходный газ может содержать: 21,2% СН4, 12,1% С3Н8, 47,5% н-С4Н10 и 19,1% изобутилена. Абсорбент движется частично противотоком, частично прямотоком по отношению к газу. Изобутилен абсорбируется практически нацело [4].

Поскольку компоненты фракции С4. имеют весьма близкие температуры кипения, то добавление соответствующих агентов, уменьшает упругость паров различных углеводородов и увеличивает их летучесть, улучшает фракционную разгонку смеси. Если добавленный агент находится в остатке, то такой процесс называется экстрактивной дистилляцией. Если же агент уходит с дистиллятным паром, то это азеотропная дистилляция. Ректификация обычно служит для предварительной очистки изобутилен-изобутановой фракции.