Тема: получение фенола и ацетона из изопропилбензола

Теоретические основы

Фенол и ацетон являются важными продуктами органического синтеза, которые широко используются в народном хозяйстве. Осо­бенно многообразны области применения фенола, а именно: про­изводство синтетических смол, пластических масс, синтетического волокна, поверхностно-активных веществ, средств защиты расте­ний, лекарственных препаратов и др.

В настоящее время основным промышленным методом получе­ния фенола является процесс окисления изопропилбензола в гидропероксид и разложение гидропероксида изолропилбензола на фе­нол и ацетон.

Процесс производства фенола и ацетона включает три основные стадии:

а) алкилирование бензола пропиленом в изопропилбензол

С₆Н₆+СН₂=СНСН₃ С₆Н₅СН(СН₃)₂

б) окисление изопропилбензола в гидропероксид

С₆Н₅-С(СН₃)₂+О₂→С₆Н₅-С(СН₃)₂

| |

Н ООН

в) разложение гидропероксида изопропилбензола в фенол и ацетон

С₆Н₅-С(СН₃)₂→С₆Н₅ОН+СН₃-С-СН₃

| ||

ООН О

Цель работы

Изучение процессов окисления изопропилбензола в гидропероксид и разложения гидропероксида изопропилбензола в фенол и ацетон.

Окисление изопропилбензола в гидропероксид

В промышленности изопропилбензол окисляют в гидроперок­сид кислородом воздуха в тарельчатых колоннах непрерывного действия. Для устранения индукционного периода к изопропилбензолу, поступающему на окисление, добавляют до 1% гидроперок­сида и ведут окисление при 105—120°С и 0,4 МПа. Повышение температуры хотя и ускоряет процесс образования гидропероксида изопропилбензола, но одновременно приводит к усилению реакции его разложения, причем при температуре выше 120 °С реакция раз­ложения может принять взрывной характер. Время реакции под­бирают таким образом, чтобы глубина конверсии изопропилбензо­ла не превышала 30—35%. В этом случае селективность процесса по гидропероксиду достигает ≈ 90%.

Основными побочными продуктами процесса окисления явля­ются ацетофенон и диметилфенилкарбинол, которые образуются в результате дальнейших превращений гидропероксида изопропилбензола и гидропероксидного радикала:

Поскольку процесс окисления протекает по радикально-цепно­му механизму, то изопропилбензол, поступающий на окисление, должен быть свободен от соединений серы, ненасыщенных углево­дородов, фенола, стирола и других соединений, которые являются ингибиторами радикальных реакций.

Внимание! На всех стадиях получения и разложения гидропероксида изопропилбензола строго соблюдать правила работы с гидропероксидными соединениями, так как они легко взрываются.

Методика выполнения работы

Реактивы

Изопропилбензол 90,2 г (105 мл)

Гидропероксид изопропилбензола 2 г

Воздух или технический кислород (из баллона)

Уксусная кислота ледяная 200 мл

Иодид калия, 50%-ный водный раствор 50 мл

Тиосульфат натрия, 0,1 н. водный раствор 700 мл

Крахмал, водный раствор 40 мл

Изопропилбензол окисляют в гидропероксид на установке, схе­ма которой приведена на рисунке 13. Установка состоит из игольчато­го вентиля 1 для регулирования подачи сжатого воздуха, трубки 2 с активированным углем, трубки 3 с безводным хлоридом кальция, реометра 4 для измерения скорости подачи воздуха, предохрани­тельной склянки 5, реактора 8, контактного термометра 9, обрат­ного холодильника 10, сепаратора 11, реле-регулятора 14 и авто­трансформатора 15. Перед началом опыта проверяют правильность сборки, герметичность всех соединений установки и надежность работы системы для поддержания в реакторе заданной темпера­туры.

Реактор изготовлен из термостойкого стекла (d=24 мм, h = 250 мм) и снабжен барботером 7 для подачи воздуха, отводной трубкой с краном 13 для отбора проб, электроспиралью 6 для на­грева реакционной массы.

В сухой чистый реактор наливают 100 мл 3%-ного изопропилбензольного раствора гидропероксида изопропилбензола (или 100 мл изопропилбензола), 0,03 г стеарата кобальта и 0,03 г гидроксида кальция. Подают воду в обратный холодильник и включают обогрев реактора. По достижении в реакторе заданной тем­пературы 115±0,5°С и стабилизации ее включают подачу возду­ха со скоростью 800 мл/мин. Момент включения подачи воздуха принимают за начало опыта.

В ходе опыта каждые 30 мин в колбы емкостью 100 мл с при­тертыми пробками, предварительно взвешенные на аналитических весах, отбирают две параллельные пробы по 1 мл для определе­ния концентрации гидропероксида изопропилбензола в реакцион­ной массе. Перед отбором проб отводную трубку с краном 13 продувают воздухом при помощи резиновой груши.

Рисунок 13 - Установка для окисления изопропилбензола в гидропероксид изопропилбензола:

1- игольчатый вентиль; 2 — трубка с активированным углем; 3 — трубка с безводным хло­ридом кальция; 4 — реометр; 5 — предохранительная склянка; 6 — электроспираль; 7 — барботер; 8 — реактор; 9 — контактный термометр; 10 — обратный холодильник; 11 — сепаратор; 12 — трехходовой кран; 13 — кран; 14 — реле-регулятор; 15 — автотрансформатор.

Окисление изопропилбензола заканчивают по достижении кон­центрации гидропероксида в реакционной массе, ≈20% (масс.). Продолжительность опыта 3—4 ч. По окончании опыта выключают подачу воздуха, обогрев реактора и сразу отсоединяют линию воздуха от реактора для предотвращения засасывания в нее реакци­онной массы.

Реакционную массу после охлаждения выливают в предвари­тельно взвешенную колбу емкостью 150 мл, определяют массу, состав и составляют материальный баланс опыта.

Массу продуктов реакции G₁ в пересчете на изопропилбензол вычисляют по формуле:

Общую массу G₂ взятых на анализ проб (g_i) в пересчете на изопропилбензол вычисляют по формуле:

Потери изопропилбензола рассчитывают по формуле:

где М₁, M₂ — молекулярные массы изопропилбензола и гидропероксида изопропил­бензола; g_i — масса i-той пробы, г; y_i — концентрация гидропероксида изопро­пилбензола в i-той пробе, % (масс.); п — число проб, взятых на анализ.

На основании полученных данных строят график зависимости: концентрация гидропероксида изопропилбензола (в % масс.) — продолжительность реакции (в мин); формулируют свои выводы о выполненной работе.

Контрольные вопросы

1. Применение фенола и ацетона в промышленности.

2. Стадии производства фенола и ацетона.

3. Формула по определению массы продуктов реакции.

4. Для чего в лабораторную установку включена трубка с безводным хло­ридом кальция?

Литература

1. Одабашян Г.В. Лабораторный практикум по химии ТООНХС. М., Химия, 1982, с. 111-119.

2. Воскресенский П.И. Техника лабораторных работ. 10-е изд. М.. Химия, 1973, 717 с.

Лабораторная работа №14

Тема: ОКИСЛЕНИЕ ЭТИЛЕНА В АЦЕТАЛЬДЕГИД В ПРИСУТСТВИИ ХЛОРИДА ПАЛЛАДИЯ

Теоретические основы процесса

Процессы окисления олефинов с палладиевым катализатором относятся к новым перспективным методам получения некоторых карбонильных и винильных соединений. Среди этих методов боль­шой интерес представляет окисление этилена в ацетальдегид, себе­стоимость которого по сравнению с другими известными методами его производства самая низкая.

Ацетальдегид является важным промежуточным продуктом, ко­торый производится в крупных масштабах и используется для по­лучения уксусной кислоты, ангидрида уксусной кислоты, пентаэритрита и др.

Окисление этилена в ацетальдегид в водном растворе хлорида палладия в кислой среде протекает в две стадии:

СН₂=СН₂ +РdСl₂+Н₂О→СН₃СНО+Рd+НСl

Рd+0,5О₂+2НСl→ РdСl₂+Н₂О

Однако скорость второй реакции невелика, поэтому процесс окисления ведут в каталитическом растворе, содержащем PdCl₂, CuCl₂, HC1 и СНзСООН. В таком растворе палладий окисляется с достаточно высокой скоростью, так как перенос электронов от палладия к кислороду осуществляется через катион меди:

Рd+2Си²⁺Сl₂→ Рd²⁺Сl₂+2Си⁺Сl

2Си⁺Сl+0,5О₂+2НСl→2Си²⁺Сl₂+Н₂О

Важна и роль уксусной кислоты — она препятствует выпаде­нию хлорида меди в осадок.

В промышленности окисление этилена в ацетальдегид проводят в катализаторных растворах, содержащих 0,3—0,5% PdCl₂, 10— 25% CuCl₂, 2—3% Cu(OCOCH₃)₂ и НС1 (концентрация кислоты за­висит от рН катализаторного раствора, который должен быть око­ло 1,5), при 100—130°С и давлении 0,3—1,1 МПа.

Цель работы

Изучение влияния объемных скоростей подачи этилена и возду­ха на выход ацетальдегида и на удельную производительность катализаторного раствора.