CC BY
16РАЗРАБОТКА АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОФОРМЛЕНИЯ ПРОЦЕССА ОКСИЭТИЛИРОВАНИЯ ЖИРНЫХ КИСЛОТ ГОССИПОЛОВОЙ СМОЛЫ
Надиров Казим Садыкович
докт. х. наук, профессор Южно-Казахстанского государственного университета, Республика Казахстан,
г.Шымкент Жантасов Манап Курманбекович Бимбетова Гульмира Жанкабыловна
канд. т. наук, доценты Южно-Казахстанского государственного университета, Республика Казахстан,
г.Шымкент
Орынбасаров Арсланбек Калдыкулович
канд. х. наук, доцент Южно-Казахстанского государственного университета, Республика Казахстан,
г.Шымкент
DEVELOPMENT HARDWARE-TECHNOLOGICAL DECOR OF PROCESS OF SORBITAN FATTY ACIDS GOSSYPOL RESIN Nadirov ^zim, Doctor of Chemistry, professor of South Kazakhstan State University, Republic of Kazakhstan, Shymkent Zhantasov Мanap, Candidate of tech. Sciences, associate professor of South Kazakhstan State University, Republic of Kazakhstan, Shymkent
Bimbetova Gulmira, Candidate of tech. Sciences, associate professor of South Kazakhstan State University, Republic of Kazakhstan, Shymkent
Orynbasarov Arslanbek, Candidate of Chem. Sciences, associate professor of South Kazakhstan State University Republic of Kazakhstan, Shymkent АННОТАЦИЯ
Целью данного исследования является разработка аппаратурно-технологического оформления процесса ок-сиэтилирования жирных кислот госсиполовой смолы. Переход от модельных лабораторных условий к промышленным вызывает достаточно сложные технологические проблемы. Предлагаемый способ технологичен и может быть использован при организации промышленного производства продуктов оксиэтилирования как мало- так и крупнотоннажного производства, энергоемкость такого производства будет значительно меньше, чем при производствах в обычном режиме. ABSTRACT
The purpose of this study is to develop hardware-technological design process sorbitan fatty acid gossypol resin. The transition from the laboratory to the model industry is a fairly complex technological problems. The inventive method is technologically and can be used in the organization of the industrial production of sorbitan as a low-and large-scale production, the production of the energy consumption will be considerably smaller than in a normal production mode.
Ключевые слова: аппаратурно-технологическое оформление, процесс оксиэтилирования, жирные кислоты, госсиполовая смола, реактор.
Keywords: hardware-technological design process, sorbitan, fatty acid, gossypol resin, reactor.
Синтез неионогенных поверхностно-активных веществ (НПАВ) с оптимальными потребительскими свойствами требует разработки и оптимизации аппаратурно-технологического оформления процесса оксиэтилирования. В настоящее время существуют альтернативные варианты реализации этого процесса. Они базируются на двух принципиальных способах: в гетерофазных (газ -жидкость) и гомофазных (жидкость - жидкость) условиях [1-3], процесс можно проводить в периодических и непрерывных условиях. При периодическом производстве используют аппараты из нержавеющей стали, часто они снабжены рубашкой для нагрева или охлаждения, реакционную смесь перемешивают или рециркулируют, пропуская через теплообменник, находящийся вне реактора (рисунок 1). Недостатком данного способа является проведение в одном аппарате нескольких стадий процесса получения НПАВ: загрузка исходного вещества и катализатора, их обезвоживание, оксиэтилирование и выгрузка готового продукта. Это существенно снижает производительность реактора, который к тому же не может обеспечить для каждой отдельной операции оптимальный режим. При периодическом производстве с циркуляцией
вещество, подлежащее оксиэтилированию, насосом подают в реактор, жидкий этиленоксид вводят в реакционную зону с такой скоростью, чтобы поддерживать желаемое давление. Периодический способ с циркуляцией лежит также в основе оксиэтилирования с коротким временем реагирования [2-5]. Другим периодическим способом оксиэтилирования является метод фирмы Рrгеss — lndustгiа: циркулирующую жидкость вбрызгивают в газовое пространство реактора, куда вводят этиленоксид (рисунок 2).
При непрерывном производстве применяют трубчатые аппараты под давлением. Непрерывные методы дают возможность добиться высокой производительности, однако надо следить за тем, чтобы выделяющееся тепло не приводило к повышению температуры и к любым побочным реакциям. В 2012 году на ООО "Завод син-танолов" (г. Дзержинск, Нижегородская область) состоялся пуск новой инновационной установки оксиэтилирования. Новая установка оксиэтилирования создана на базе двух реакторов оксиэтилирования, один из которых
является инновационным высокократным реактором нового поколения, аналогов которого нет в России и в Западной Европе.
Благодаря данному инновационному проекту предприятие увеличит ассортимент выпускаемой продук-
ции и снизит затраты на их производство. Универсальность технологических схем оксиэтилирования позволяет быстро переходить на выработку практически любых видов этоксилированных продуктов [6].
Рисунок 1. Схема процесса оксиэтилирования в реакторе с перемешиванием
Царкуляцм™ГЫЙ |[гсос Разгрузочный 1г!1£<-,с
Рисунок 2. Схема процесса оксиэтилирования в циркулирующем распыленном объёме
Целью данного исследования является разработка аппаратурно-технологического оформления процесса оксиэтилирования жирных кислот (ЖК) госсиполовой смолы на основе анализа литературных данных, моделирования технологических процессов и собственных лабораторных и полупромышленных исследований. Госсиполовая смола (ОСТ 1-114-73) - это отход производства хлопкового масла из семян хлопчатника (гудрон дистилляции ЖК), поэтому она является дешевым сырьем для извлечения ЖК для их последующего оксиэтилирования. В лабораторных экспериментах мы проводили процесс взаимодействия ЖК с оксидом этилена периодическим гомофазным окси-этилированием при температуре около 190°С и давлении около 0,7 МПа в присутствии катализаторов - третичных
аминов - соединений типа R3N (или едких щелочей). В полупромышленных условиях был исследован процесс оксиэтилирования ЖК госсиполовой смолы в периодических и непрерывных условиях в реакторах разной конструкции.
В таблице 1 приведены сравнительные показатели процесса и достигнутые результаты, которые свидетельствуют о том, что проведение процесса оксиэтилирования в непрерывном режиме позволило добиться более высокой производительности, однако возросло число побочных реакций, что снизило выход основных продуктов. Кроме того в этом случае возникли сложности при техническом обслуживании процесса и при выделении готового продукта из реакционной смеси.
Таблица 1
Сравнительные характеристики процессов периодического и непрерывного оксиэтилирования жирных
кислот в трубчатом реакторе
Метод оксиэтили-рова-ния Давление, МПа Температура, оС Выход основного продукта, % Выход побочных продуктов,% Производитель-ность, кг/м3*час Возникающие проблемы, % от лабор. экспер.
Периодический 2,5-3,5 150-160 95 5 90-110 7-12
Непрерывный 8-9 1 секция-до 240, 2 секция - до 350 89 11 340-360 21-25
Поэтому в дальнейшем исследования были направлены на усовершенствование технологии и аппаратурного оформления процесса периодического оксиэтилирования жирных кислот. Было изучено в модельных условиях 3 варианта проведения процесса (таблица 2):
1. Оксиэтилирование с коротким временем реагирования. При этом жидкий этиленоксид в определенном соотношении к циркулирующему потоку непрерывно вводился в циркулирующую реакционную смесь. При соблюдении оптимального соотношения между давлением пара и гидродинамическим давлением в месте ввода этиленоксида эти-леноксид реагирует спонтанно, так что его парциальное давление над поверхностью жидкости составляет очень малую величину, которой можно пренебречь. Вследствие короткого времени превращения этиленоксида в реакторе не повышается давление (повышенное давление обусловлено только избытком азота).
2. Оксиэтилирование с циркулирующей жидкостью, которую вбрызгивали в газовое пространство реактора, объем которого был заполнен парами оксида этилена. Благодаря большой поверхности контакта фаз достигалась высокая интенсивность процесса и сокращалась длительность операции до 3 ч.
3. Оксиэтилирование с предварительным введением
катализатора в поток ЖК.
При выборе типа реактора критериями выбора являлся сравнительный анализ его основных показателей работы: производительности и интенсивности работы, выхода этиленоксидного производного и наибольшей селективности процесса, энергетических затрат на перемешивание и транспортировку материалов через реактор, использование тепла, стоимости изготовления реактора и его ремонта с учетом взаимосвязи и противоречивости перечисленных показателей. Повышение требований к качеству работы реакторов - устойчивости, надежности, расширение их функциональных возможностей обусловливают актуальность и необходимость поиска путей совершенствования процессов управления химическими реакторами [7,8]. Нами были опробованы следующие варианты: из реакторов для гомогенных процессов: 1. камерный реактор с центробежным перемешиванием; из реакторов для гетерогенных процессов в системе газ-жидкость: 2. с распылением жидкости, 3. трубчатый реактор. Как следует из данных рисунка 3, наиболее оптимальным является вариант с использованием распыления жидкости, однако при этом возникают другие технологические проблемы.
Таблица 2
Сравнительные характеристики процессов периодического оксиэтилирования ЖК в различных вариантах _аппаратурно-технологического оформления процесса_
Вариант аппаратурно-техно-логического оформления процесса Конструкция реактора Выход основного продукта, % Выход побочных продуктов, % Производи - тельность, кг/м3*час Частота нарушений технологи-че-ского режима, сут -1
Оксиэтилирование с коротким временем реагирования Вертикальный вытес-нительный аппарат колонного типа 90 10 85-105 5
Оксиэтилирование с циркулирующей жидкостью Реактор с распылением жидкости 91 9 90-110 4
Горизонтальный секционный реактор 96 4 100-120 3
Оксиэтилирование с предварительным введением катализатора камерный реактор с центробежным перемешиванием 94 6 80-90 2
трубчатый реактор 95 5 90-110 2
Обычно при периодическом производстве используют аппараты из нержавеющей стали обычно объемом 25 м3, а иногда и значительно больше. Часто они снабжены рубашкой для нагрева или охлаждения. Реакционную смесь перемешивают или рециркулируют, пропуская че-
рез теплообменник, находящийся вне реактора. При периодическом производстве с циркуляцией вещество, подлежащее оксиэтилированию, насосом подают в реактор, жидкий этиленоксид вводят в реакционную зону с такой скоростью, чтобы поддерживать желаемое давление.
0 1
2 3 4 5
6
7
8 9 10 11 12
S уд, м2/г
Тип реактора: 1 - реактор с распылением жидкости, 2 - камерный реактор с центробежным перемешиванием,
3 - трубчатый реактор Рисунок 3. Влияние S уд на концентрацию полимергомолога
Испаряющийся этиленоксид реагирует с исходным веществом, причем для отвода выделяющегося тепла (и соответственно для поддержания желаемой температуры) реакционная смесь постоянно циркулирует через теплообменник, расположенный вне реакционного аппарата [1,3,7]. Преимущества этого способа следующие: а) интенсивное перемешивание и хороший контакт реагентов, что ускоряет реакцию и повышает производительность установки; б) лучшая возможность управлять процессом и соответственно поддерживать нужную температуру. Периодический способ с циркуляцией лежит также в основе оксиэтилирования с коротким временем реагирования. Благодаря организации потоков заметно подавляются нежелательные побочные реакции в газовой фазе. Выделяющееся тепло непрерывно отводится в теплообменнике [9,10].
Полученные нами результаты и анализ литературных данных свидетельствуют, что любой исследованный вариант проведения процесса оксиэтилирования позволяют получить удовлетворительные и сопоставимые результаты как по выходу основного продукта и его чистоте, так и по производительности. Однако переход от модельных и лабораторных условий к промышленным вызывает достаточно сложные технологические проблемы, поэтому в дальнейшем отрабатывался только третий вариант ап-паратурно-технологического оформления процесса (окси-этилирование с предварительным введением катализатора в поток ЖК), который в лабораторных условиях обеспечил наилучшие показатели, и использовали новый разработанный нами горизонтальный секционный реактор. В новом варианте горизонтального реактора оксид этилена подается в поток исходного вещества, содержащего катализатор гидроксид натрия, дробными частями, причем каждая часть поступает в определенный сектор реакционной трубы. Точки ввода оксида этилена удалены друг от друга таким образом, чтобы концентрация оксида этилена была одинаковой. Такая организация процесса позволяет поддерживать оптимальный температурный режим по всей длине реактора, избегая резкого подъема температуры в зоне ввода оксида этилена, а, значит, избежать протекания побочных реакций, влияющих на качество продукта оксиэтилирования. Температурный режим в реакторе поддерживается оптимальным для полного
присоединения оксида этилена к исходному веществу, давление зависит от температуры и подаваемого количества оксида этилена и поддерживается на уровне 2,5-3,5 МПа.
В полупромышленных испытаниях установлено, что предлагаемый способ технологичен и может быть использован при организации промышленного производства продуктов оксиэтилирования как мало- так и крупнотоннажного производства, энергоемкость такого производства будет значительно меньше, чем при производствах в обычном режиме.
Литература
1. Левченко Д.Н. Эмульсии нефти с водой и методы из разрушения. - М.: Химия, - 1967. - 200 с.
2. Шенфельд Н. Поверхностно-активные вещества на основе окисиэтилена / Н. Шенфельд. - Пер. с нем./ Под ред. Лебедева Н.Н. Изд. 2- е. - М.: Химия. -1982. - 752 с.
3. Козловский Р.А. Теоретические основы управления селективностью в промышленных каталитических
процессах оксиэтилирования. Автореферат .....
докт. хим. наук. - Москва. - 2011.
4. Волгина Т.Н., Сорока Л.С. Промышленная органическая химия: учебное пособие. - Томск: Изд-во ТПУ. - 2008. - 154 с.
5. Джейкок М., Парфит Дж. Химия поверхностей раздела фаз. Пер. с англ./Под ред. А.П.Карнаухова. -М.: Мир. - 1984. - С. 463.
6. http://www.norchem.ru/news/145; http://www.pcar.ru/about/54_0.htm.
7. Химическая технология органических веществ: учебное пособие / Т.П. Дьячкова, В.С. Орехов, К.В. Брянкин, М.Ю. Субочева. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та. - 2008. - Ч. 2. - 100 с.
8. Теддер Дж., Нехватал А., Джубб А. Промышленная органическая химия. - М.: Мир. - 1977. - 702 с.
9. Новые процессы органического синтеза.//Р.Б. Серебряков, Р.М. Масагутов, В. Г. Правдин и др./ Под ред. С.П. Черных. - М. Химия. - 1989. - 400 с.
10. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. - М.: Химия. - 1988. - 592с.
