Способ получения фенола и ацетона
Владельцы патента RU 2291852:
Общество с ограниченной ответственностью "Еврохим-Спб-Трейдинг" (RU)
Изобретение относится к промышленному процессу получения фенола и ацетона кумольным методом. Способ осуществляют путем разложения технического гидропероксида кумола в последовательно соединенных реакторах в две ступени с образованием на первой ступени дикумилпероксида при температуре 40-65°С в присутствии в качестве катализатора 0,003-0,015 мас.% серной кислоты с последующим его разложением на второй ступени в реакционной среде при температуре 90-140°С. Процесс проводят в избытке фенола в реакционной смеси при мольном отношении фенол:ацетон больше 1, предпочтительно от 1,01 до 5. Избыток фенола создают либо отгонкой (отдувкой) ацетона, либо добавлением фенола в реакционную среду. Технический результат - снижение образования гидроксиацетона, который ухудшает качество товарного фенола. 4 з.п. ф-лы, 8 табл.
Настоящее изобретение относится к области промышленного органического синтеза, точнее к получению фенола и ацетона кумольным способом.
Широко известный способ получения фенола и ацетона путем окисления кумола кислородом воздуха с последующим кислотно-каталитическим разложением гидропероксида кумола позволяет получить оба целевых продукта с высоким выходом (Кружалов Б.Д., Голованенко Б.Н. Совместное получение фенола и ацетона. М., Госхимиздат, 1964). Однако выход тяжелых побочных продуктов этого производства, так называемой фенольной смолы, остается значительным.
Известны способы получения фенола и ацетона, в которых для снижения выхода фенольной смолы продукты окисления кумола, содержащие гидропероксид кумола (ГПК), кумол, диметилфенилкарбинол (ДМФК), расщепляют в две стадии в присутствии серной кислоты. На первой стадии при температуре 55-80°С проводят разложение большей части (97-99%) ГПК и синтез дикумилпероксида (ДКП) из ДМФК и ГПК, а второй при температуре 80-120°С в полученную реакционную смесь, содержащую фенол, ацетон, диметилфенолкарбинол (ДМФК) и дикумилпероксид (ДКП), добавляют ацетон в количестве, в 1,5-1,8 раз превышающем его первоначальную концентрацию. При этом происходит расщепление ДКП, образовавшегося на первой стадии, разложение оставшегося ГПК и дегидратация оставшегося ДМФК (Российские патенты №2068404, №2121477).
Указанные способы позволяют существенно снизить количество образующихся побочных продуктов по сравнению с разложением в одну стадию (выход смолы 25 кг/т фенола), в то же время количество образующегося побочного продукта - гидроксиацетона остается на высоком уровне (а иногда и повышается).
Гидроксиацетон является источником образования 2-метилбензофурана, который трудно отделить от фенола и который ухудшает показатели цветности товарного фенола. Удаление гидроксиацетона из фенола щелочной обработкой усложняет технологию процесса. (Васильева И.И., Закошанский В.М. сб. "Процессы нефтепереработки и нефтехимии", СПб, Гиорд, 2005, с.344).
Наиболее близким к предлагаемому способу разложения ГПК является способ разложения, осуществляемый в две стадии (Российский патент №2142932 - прототип).
Процесс проводят в трех последовательно установленных реакторах смешения на первой стадии и в реакторе вытеснения на второй стадии. На первой стадии разложение ГПК проводят в условиях, близких к изотрмическим при температуре 47-50°С, концентрации катализатора - серной кислоты, равной 0,018-0,20 мас.% и дополнительном разбавлении реакционной массы ацетоном в количестве, равном 5-8 мас.% относительно количества подаваемого ГПК. При этом реагирует почти весь ГПК, а из части ГПК и ДМФК образуется ДКП.
На второй стадии процесс поводят с частичной нейтрализацией серной кислоты аммиаком с образованием гидросульфата аммония при температуре 120-146°С и с добавлением некоторого количества воды. Концентрация серной кислоты 0,09-0,10 мас.%. Разложение ГПК и ДКП происходит в реакционной среде, содержащей фенол и ацетон, образовавшиеся из ГПК и дополнительно вводимого ацетона.
Недостатком способа-прототипа также является наличие гидроксиацетона в получаемом феноле, что значительно снижает его качество.
С целью снижения выхода гидроксиацетона при разложении ГПК предложено разложение технического ГПК осуществлять в среде продуктов реакции при избыточном содержании в ней фенола по сравнению со стехиометрическим, то есть при мольном соотношении фенол:ацетон больше 1 и концентрации серной кислоты, равной 0,003-0,015 мас.%.
Процесс проводят в две стадии не менее чем в двух последовательно соединенных реакторах. На первой стадии в первых реакторах при циркуляции реакционной массы проводят разложение технического ГПК при температуре 40-65°С в присутствии катализатора - серной кислоты с концентрацией в реакционной массе 0,003-0,015 мас.% (в зависимости от температуры в реакторах и соотношения фенол:ацетон). Объем вводимого сырья не должен превышать 10% от объема циркуляции реакционной массы (лучше менее 5%), кратность циркуляции (отношение скорости потока циркулирующей массы к скорости потока подаваемого сырья - технического ГПК) при этом составляет от 8 до 50. В указанных условиях, при конверсии ГПК, равной 95-99,8%, происходит его разложение с образованием фенола и ацетона, а также синтез ДКП из ГПК и ДМФК.
На второй стадии в последнем реакторе при температуре 90-140°С проводят разложение синтезированного ДКП и оставшегося ГПК. Поскольку концентрация серной кислоты на этой стадии оказывается избыточной для оптимального проведения процесса, ее частично нейтрализуют, например, аммиаком.
В указанных условиях проведения процесса при использовании технического ГПК аналогичного состава выход гидроксиацетона снижается с 0,12 до 0,04 мас.%, что существенным образом сказывается на качестве товарного фенола. Кроме того, уменьшение количества используемой серной кислоты приводит к уменьшению расхода щелочи, используемой для нейтрализации кислоты, что в итоге снижает количество минеральных отходов производства, в частности сульфата натрия.
Увеличение мольного соотношения фенол:ацетон больше 1 может быть достигнуто либо добавлением в реакционную массу фенола или фенолсодержащей фракции, либо удалением из нее ацетона путем отгонки или отдувки с потоком газа.
Для поддержания в реакторах заданной температуры выделяющееся при разложении ГПК тепло отводят с помощью теплообменников, предпочтительно встроенных в реакторы.
Промышленная применимость данного изобретения иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
Разложение гидропероксида кумола проводят на пилотной установке, состоящей из двух реакторов: реактора первой ступени объемом 12 мл и реактора вытеснения второй ступени объемом 7 мл. Реакционную массу из реактора первой ступени частично подают на второй реактор, а частично возвращают на вход первого реактора, осуществляя, таким образом, ее циркуляцию. В поток реакционной массы на входе в реактор первой ступени подают катализатор и сырье, состав которого приведен в табл.1. Указанное сырье приготовили путем добавления чистого фенола к техническому гидропероксиду кумола. При проведении реакции с участием сырья другого состава результаты будет отличаться от приведенных в примерах к данному изобретению, однако положительный эффект от применения данного изобретения при этом сохранится.
| Таблица 1. Сырье, использованное для разложения ГПК | ||
| Компонент | Содерждание, мас.% | |
| 1 | Гидропероксид кумола (ГПК) | 79,91 |
| 2 | Кумол | 12,13 |
| 3 | Диметилфенилкарбинол (ДМФК) | 3,29 |
| 4 | Ацетофенон | 0,23 |
| 5 | Вода | 0,1 |
| 6 | Дикумилпероксид (ДКП) | 0,25 |
| 7 | Фенол | 3,96 |
| 8 | Неидентифицированные | 0,13 |
Скорость подачи сырья составляет 26 мл/ч. В реактор подают также серную кислоту в качестве катализатора со скоростью 1 мкл/ч, что соответствует ее концентрации в реакционной среде 0,007 мас.%. Скорость циркуляции реакционной массы составляет 500 мл/ч. Температуру в реакторе поддерживают на уровне 48-50°С путем подачи теплоносителя соответствующей температуры в рубашку реактора.
Выходящий из реактора первой ступени поток подают в реактор второй ступени, нагретый до температуры 140°С. Выходящий из реактора второй ступени поток охлаждают до комнатной температуры, нейтрализуют гидрокарбонатом натрия и анализируют методом ГЖХ. Состав реакционной массы разложения ГПК приведен в табл.2.
| Таблица 2. Состав реакционной массы разложения ГПК. | |
| Компонент | Концентрация, мас.% |
| Фенол | 52,97 |
| Ацетон | 30,29 |
| Дикумилпероксид (ДКП) | 0,01 |
| Диметилфенилкарбинол (ДМФК) | 0,03 |
| Кумилфенолы | 0,43 |
| Сумма димеров α-метилстирола | 0,19 |
| Ацетофенон | 0,37 |
| α-Метилстирол (АМС) | 2,18 |
| Кумол | 12,69 |
| Гидроксиацетон | 0,04 |
| Оксид мезитила | 0,01 |
| Неидентифицированные | 0,34 |
| Вода | 0,45 |
Мольное отношение фенол:ацетон составляет 1,08.
Для анализа выхода тяжелых компонентов, которые не анализируются методом ГЖХ, порция реакционной смеси была перегнана в вакууме при остаточном давлении 15 кПа и температуре в кубе до 215°С. Остаток от перегонки взвешен. Общее количество побочных продуктов, образовавшееся при этом, составляет 48 кг в расчете на 1000 кг полученного фенола, включая эти тяжелые компоненты.
Пример 2.
Разложение ГПК производят на том же оборудовании, что и в примере 1, но в качестве сырья используют смесь состава, приведенного в таблице 3.
Сырье подают в реактор со скоростью 25 мл/ч, серную кислоту подают со скоростью 2 мкл/ч, что соответствует ее концентрации 0,015 мас.%. Скорость циркуляции реакционной смеси 500 мл/ч. Температура в реакторе первой ступени 40°С, в реакторе второй ступени 90°С.
| Таблица 3. Сырье, использованное для разложения ГПК | ||
| Компонент | Содерждание, мас.% | |
| 1 | Гидропероксид кумола (ГПК) | 80,46 |
| 2 | Кумол | 12,31 |
| 3 | Диметилфенилкарбинол (ДМФК) | 5,31 |
| 4 | Ацетофенон | 0,54 |
| 5 | Вода | 0,1 |
| 6 | Дикумилпероксид (ДКП) | 0,61 |
| 7 | Фенол | 0,46 |
| 8 | Неидентифицированные | 0,21 |
Состав полученной реакционной массы представлен в таблице 4.
| Таблица 4. Состав реакционной массы разложения ГПК. | |
| Компонент | Концентрация, мас.% |
| Фенол | 51,62 |
| Ацетон | 31,48 |
| Дикумилпероксид (ДКП) | 0,17 |
| Диметилфенилкарбинол (ДМФК) | 0,26 |
| Кумилфенолы | 0,38 |
| Сумма димеров α-метилстирола | 0,19 |
| Ацетофенон | 0,57 |
| α-Метилстирол (АМС) | 1,84 |
| Кумол | 12,48 |
| Гидроксиацетон | 0,09 |
| Оксид мезитила | 0,01 |
| Неидентифицированные | 0,32 |
| Вода | 0,59 |
Мольное отношение фенол:ацетон составляет 1,01.
Анализ выхода тяжелых продуктов разложения ГПК произвели аналогично примеру 1. Общее количество побочных продуктов, образовавшееся при этом, составляет 75 кг в расчете на 1000 кг полученного фенола.
Пример 3.
Разложение ГПК производят на том же оборудовании, что и в примере 1, но в качестве сырья используют смесь состава, приведенного в таблице 5.
Сырье подают в реактор со скоростью 25 мл/ч, серную кислоту подают со скоростью 3 мкл/ч, что соответствует ее концентрации 0.003 мас.%. Скорость циркуляции реакционной смеси 500 мл/ч. Температура в реакторе первой ступени 65°С, в реакторе второй ступени 135°С. Через циркуляционную петлю реактора первой ступени пропускают азот со скоростью 4,5 л/ч, что позволяет выводить из реактора часть ацетона.
| Таблица 5. Сырье, использованное для разложения ГПК | ||
| Компонент | Содерждание, мас.% | |
| 1 | Гидропероксид кумола (ГПК) | 81,38 |
| 2 | Кумол | 12,90 |
| 3 | Диметилфенилкарбинол (ДМФК) | 4,36 |
| 4 | Ацетофенон | 0,49 |
| 5 | Вода | 0,1 |
| 6 | Дикумилпероксид (ДКП) | 0,45 |
| 7 | Фенол | 0,11 |
| 8 | Неидентифицированные | 0,21 |
Состав полученной реакционной массы представлен в таблице 6.
| Таблица 6. Состав реакционной массы разложения ГПК. | |
| Компонент | Концентрация, мас.% |
| Фенол | 68,41 |
| Ацетон | 8,39 |
| Дикумилпероксид (ДКП) | 0,94 |
| Диметилфенилкарбинол (ДМФК) | 0,04 |
| Кумилфенолы | 0,46 |
| Сумма димеров α-метилстирола | 0,10 |
| Ацетофенон | 0,75 |
| α-Метилстирол (АМС) | 3,23 |
| Кумол | 16,43 |
| Гидроксиацетон | 0,05 |
| Оксид мезитила | 0,01 |
| Неидентифицированные | 0,61 |
| Вода | 0,58 |
Мольное отношение фенол:ацетон составляет 5,0.
Анализ выхода тяжелых продуктов разложения ГПК произвели аналогично примеру 1. Общее количество побочных продуктов, образовавшееся при этом, составляет 65 кг в расчете на 1000 кг полученного фенола.
Пример 4 (для сравнения).
Разложение ГПК производят на том же оборудовании, что и в примере 1, но в качестве сырья используют смесь состава, приведенного в таблице 7.
Сырье подают в реактор со скоростью 26 мл/ч, серную кислоту подают со скоростью 4 мкл/ч. Скорость циркуляции реакционной смеси и температурный режим установки такие же, как в примере 1.
| Таблица 7. Сырье, использованное для разложения ГПК | ||
| Компонент | Содерждание, мас.% | |
| 1 | Гидропероксид кумола (ГПК) | 77,81 |
| 2 | Кумол | 11,86 |
| 3 | Диметилфенилкарбинол (ДМФК) | 4,16 |
| 4 | Ацетофенон | 0,51 |
| 5 | Вода | 0,1 |
| 6 | Дикумилпероксид (ДКП) | 0,43 |
| 7 | Ацетон | 4,97 |
| 8 | Неидентифицированные | 0,16 |
Одновременно с продуктами реакции, выходящими из реактора первой ступени, в реактор второй ступени подают 5% водный раствор аммиака со скоростью 8 мкл/ч.
Состав полученной реакционной массы представлен в таблице 8.
| Таблица 8. Состав реакционной массы разложения ГПК. | |
| Компонент | Концентрация, мас.% |
| Фенол | 45,92 |
| Ацетон | 36,99 |
| Дикумилпероксид (ДКП) | 0,01 |
| Диметилфенилкарбинол (ДМФК) | 0,06 |
| Кумилфенолы | 0,58 |
| Сумма димеров α-метилстирола | 0,29 |
| Ацетофенон | 0,70 |
| α-Метилстирол (АМС) | 2,85 |
| Кумол | 11,48 |
| Гидроксиацетон | 0,12 |
| Оксид мезитила | 0,01 |
| Неидентифицированные | 0,33 |
| Вода | 0,66 |
Мольное отношение фенол:ацетон составляет 0,77.
Анализ выхода тяжелых продуктов разложения ГПК произвели аналогично примеру 1. Общее количество побочных продуктов, образовавшееся при этом, составляет 57 кг в расчете на 1000 кг полученного фенола, включая эти тяжелые компоненты.
1. Способ получения фенола и ацетона путем кислотно-катализируемого разложения гидропероксида кумола в последовательно соединенных реакторах в две стадии при повышенной температуре в присутствии катализатора - серной кислоты с одновременным образованием на первой стадии дикумилпероксида и последующим его разложением в реакционной среде на второй стадии, отличающийся тем, что процесс ведут при мольном соотношении фенол: ацетон больше 1 и концентрации серной кислоты на обеих стадиях, равной 0,003-0,015 мас.%.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс ведут при температуре 40-65°С в первых реакторах и 90-140°С в последнем реакторе.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношение мольное фенол: ацетон в реакционной массе разложения гидропероксида кумола поддерживают в интервале от 1,01 до 5.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что требуемое соотношение фенол: ацетон поддерживают добавлением в реакционную массу фенола.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что требуемое соотношение фенол: ацетон поддерживают путем отгонки или отдувки из реакционной массы ацетона.
