Методы получения изопрена
Методы получения изопрена
.doc
Зарегистрируйся в два клика и получи неограниченный доступ к материалам,а также
промокод
на новый заказ в Автор24. Это бесплатно.
Введение
Целью данной работы является рассмотрение методов получения изопрена.
Изопрен или 2-метил-1,3-бутадиен является обычным органическим соединением с формулой CH2=C(CH3)-CH=CH2:
В чистом виде это бесцветная летучая жидкость. Изопрен является ненасыщенным углеводородом. Он вырабатывается многими растениями и животными (включая человека), а его полимеры являются основным компонентом натурального каучука. К. Г. Уильямс дал название этому соединению в 1860 году после его получения в результате термического разложения (пиролиза) натурального каучука; он правильно вывел его эмпирическую формулу C5H8. Природный полиизопрен (С5Н8)n (n = 1000-3000) является основным компонентом природного каучука. По химическому строению природный полиизопрен является линейным стереорегулярным полимером 1,4-цис-изопрена. К стереорегулярным полимерам относят полимеры, характеризующиеся четким упорядочением заместителей в полимерном цепи.
Основным промышленным способом получения изопрена является дегидрирования соответствующих бутан-бутеновой или изопентан-пентеновой фракции нефти над катализатором (Сr2О3 или А12О3). Исходные вещества (сырье) выделяются из продуктов нефтепереработки или попутных газов. Изопрен также получают в небольших количествах из продуктов пиролиза нефти, а также дегидратацией гликолей (двухатомных спиртов). Изопрен можно получить из ацетилена и ацетона (метод А.Е.Фаворського) и некоторыми другими методами.
Промышленное производство изопрена является многотоннажным, так как он используются в производстве синтетического каучука.
1. Получение изопрена в промышленности
Синтез изопрена может быть осуществлен разнообразными методами. Промышленное применение получили методы [1, 2] дегидрирования изопентана и изопентенов, в т.ч. окислительное дегидрирования; cинтез из 2-метилпропена (изобутилена) и формальдегида; cинтез из пропилена; cинтез из ацетона и ацетилена и некоторые другие.
В России из выше перечисленных методов разработаны и применяются в промышленности синтез из формальдегида и изобутилена и двухстадийный гетерогенно-каталитический синтез дегидрированием изопентана в метилбутены (изоамилены), а затем в изопрен [3].
Исследования, направленные на разработку новых методов (и технологий) синтеза изопрена, проводились в течение последних 40 лет. Среди этих методов следует отметить окисление изопентана или изоамиленов [2,4-6], синтез изопрена с помощью изобутилена и дополнительных реагентов [2,6] и т. д. Однако по ряду причин эти методы не могут быть реализованы на практике в ближайшем будущем. Все достижения в этой области связаны с совершенствованием уже существующих методик. Однако двухстадийное дегидрирование изопентана считается устаревшим из-за высокого энергопотребления, и основные надежды возлагаются на производство изопрена из иного сырья.
1.1 Получение изопрена дегидрированием изопентана
Получение изопрена дегидрированием изопентана очень энергоемкий и многостадийный процесс, вследствие чего себестоимость изопрена, полученного по этому методу чрезвычайно высока, однако в настоящее время есть несколько производств в России, где изопрен получают именно дегидрированием изопентана. Производство по этому методу осложняется еще и тем, что изопентан дефицитный продукт, так как используется в качестве высокооктановой добавки в бензин [7].
В промышленности получение изопрена дегидрированием изопентана проводят в одну или в две стадии. Метод энергоэффективного двухстадийного дегидрирования изопентана в изопрен включает производство смеси изоамиленов на первой стадии и дальнейшее её дегидрирование на второй [8].
Процесс дегидрирования в псевдоожиженном слое с использованием микросферического хромо-глиноземного катализатора был разработан в бывшем Советском Союзе примерно в 1959 году [9]. Процессы дегидрирования изопентана в изоамилены в процессе с псевдоожиженным слоем с использованием микросферического хрома/глиноземного катализатора до сих пор используются в Российской Федерации [10]:
Полученные изоамилены затем дегидрируют до изопрена на неподвижном слое катализатора [8]:
Дегидрирование углеводородов в мономер является высокоэндотермической реакцией [11].
В настоящее время дегидрирование изоамиленов осуществляется на железо-калиевом саморегенерирующемуся катализаторе. Особенность использования этого катализатора для проведения процесса в промышленных адиабатических реакторах заключается в том, что температура процесса уменьшается с направлением потока из-за эндотермического эффекта целевой реакции. Этот факт не позволяет достичь высоких показателей процесса по сравнению с дегидрированием в изотермических условиях [8], а также увеличить межрегенерационный период и упростить технологическую схему [12].
В настоящее время проводится ряд научных исследований по получению новых катализаторов этого процесса и изучению их физико-механических характеристик и технологических свойств [12-14].
Альтернативой уже применяемым катализаторам процесса дегидрирования могут стать хромо-глиноземные катализаторы. Но несмотря на существующие способы приготовления эффективного хромо-глиноземного катализатора для дегидрирования [15, 16], проблема создания катализатора, который обладал бы высокой селективностью, остается актуальной и потому работы в этом направлении по прежнему проводятся [8, 17, 18].
Помимо совершенствования катализаторов процесса, сам процесс также постоянно модернизируется
Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы
. Актуальность отечественных исследований, направленных на снижение себестоимости изопрена, получаемого на данных технологиях, объясняется отсутствием в России других, разработанных под ключ технологий и наличия уже развернутых по данной технологии производств.
Одностадийное дегидрирование изоалканов при атмосферном давлении в присутствии биметаллических платиносодержащих катализаторов считается перспективным и экономически эффективным процессом. Данный метод является более простой, в технологическом плане, альтернативой двухстадийному процессу [19, 20].
Ряд авторов считает, что этот процесс превосходит по эффективности прочие существующие процессы, такие как рассмотренный выше двухстадийный метод получения изопрена, одностадийная процедура вакуумного дегидрирования 2-метилбутана и синтез формальдегида изопрена [21, 22]. Значительное упрощение технологической схемы благодаря выполнению процесса за один этап при атмосферном давлении (то есть без каких-либо вакуумных установок) дает значительное преимущество перед двустадийным процессом.
1.2 Синтез изопрена из изобутилена и формальдегида
Получение изопрена из изобутилена и формальдегида (ФА) с образованием 4,4-диметил-1,3-диоксана (ДМД) в присутствии кислотного катализатора (серной, щавелевой или ортофосфорной кислоты) осуществляется на двух предприятиях Российской Федерации и включает две стадии [2,6,23,24]:
Первая стадия - конденсация изобутилена с ФА с образованием 4,4- диметил-1,3-диоксана в присутствии кислотного катализатора.
Вторая стадия - гетерогенно-каталитическое разложение ДМД.
Выделившийся ФА направляют на первую стадию процесса.
Первая стадия называется реакцией Принса [25], она протекает при температуре 85-95°С и давлении 1,5-2,0 МПа в присутствии кислых катализаторов. Первоначально в качестве катализаторов применялась серная кислота H2SO4 [26], но ввиду ее высокой коррозионной активности в дальнейшем стали использовать сначала щавелевую Н2С2О4, а затем ортофосфорную кислоту - Н3РО4 [27].
Вторая стадия процесса осуществляется на гетерогенных кальций-фосфатных или кальций-бор-фосфатных катализаторах, при атмосферном давлении. Так как процесс разложения ДМД - эндотермический, то стадия осуществляется с подводом тепла в реакционную зону извне, т.о. температура реакции - 350-450 °С, применяется водяной пар или другие разбавители [28].
Разновидностью данного синтеза изопрена является методика конденсации высококонцентрированного формальдегида (ВГФА) с изобутиленом. Работы по конденсации изобутилена и ВГФА в безводной среде были проведены в лаборатории и на пилотной установке [28].
1.3 Синтеза изопрена из 1,3-диоксолана
Развитием предыдущего метода синтеза изопрена является его получение из 1,3-диоксолана и изобутилена в одну стадию в условиях гомогенного или гетерогенного катализа [6,29].
В ОАО «Нижнекамскнефтехим» были предприняты значительные усилия, и была внедрена условно «одностадийная» технология синтеза изопрена из изобутилена и формальдегида, главным принципом которой, вероятно, является отсутствие энерго- и ресурсоемкой стадии разложения 4,4-диметил-1,3-диоксана на кальций-борфосфатном катализаторе. Однако этот вариант также использует, подобно диметилдиоксановому процессу, 37-40% водный раствор формальдегида (формалина) для синтеза изопрена [29-32].
Изопрен промышленно синтезируется из изобутилена и формальдегида, причем последний используется в виде 37-40% водного раствора формалина. Это приводит к тому, что в системе появляется значительное количество воды, которая либо непосредственно участвует в образовании побочных продуктов, либо способствует реакциям их образования. Кроме того, возникает проблема рекуперации формальдегида из разбавленных водных растворов и образования большого количества загрязненных сточных вод. Кроме того, выполнение процесса в двухфазной системе требует эффективного перемешивания реакционной массы. Все эти обстоятельства приводят к значительному потреблению энергии процессом и к появлению большого количества побочных продуктов, что повышает стоимость производства изопрена [29].
В этом контексте несомненный научный интерес и практическое значение представляет поиск новых методов синтеза изопренового мономера из изобутилена и формальдегида, в том числе с использованием безводного формальдегида.
Авторы работы [29] показали, что изопрен может быть получен из 1,3-диоксолана и изобутилена следующими реакциями.
(1) Синтез 5,5-диметил-1,4-диоксепина из 1,3-диоксолана и изобутилена:
(2) Синтез изопрена разложением 5,5-диметил-1,4-диоксепина:
1,3-диоксолан, образующийся при взаимодействии этиленгликоля и формальдегида, производится в промышленном масштабе. Ранее авторами было показано [14], что реакция 1,3-диоксолана с триметилкарбинолом в присутствии серной кислоты или пара-толуолсульфоновой кислоты (пара-TSA) дает изопрен с выходом 16,5%.
Исследование [29] было посвящено фундаментальным аспектам синтеза изопрена реакцией 1,3-диоксолана с изобутиленом в присутствии гомогенных и гетерогенных кислотных катализаторов.
Результаты данного исследования продемонстрировали возможность одностадийного синтеза изопрена из 1,3-диоксолана и изобутилена в условиях гомогенности (пара-толуолсульфокислота в качестве катализатора) или гетерогенности (с катионообменной смолой) катализа.
При взаимодействии изобутилена с 1,3-диоксоланом в присутствии пара-толуолсульфокислоты при температуре 140 ° С и молярном соотношении 1,3-диоксолан: изобутилен 1: 1,5 выход изопрена у авторов составил 31 % в пересчете на 1,3-диоксолан.
Авторы указывают, что образующиеся побочные продукты, ненасыщенные изоамиленовые спирты, 4,4-диметилдиоксан-1,3, метилендигидропиран, метилтетрагидропиран и другие, являются предшественниками изопрена
50% доклада недоступно для прочтения
Закажи написание доклада по выбранной теме всего за пару кликов. Персональная работа в кратчайшее
время!
Задать вопрос
