Дипломная (вкр): Модернизация системы очистки сточных вод при производстве фенола

Ниже кратко описаны промышленные процессы, которые в то или иное время использовались для получения фенола.

. Сульфонатный процесс был первым фенольным процессом, реализованным в промышленном масштабе фирмой «BASF» в 1899 г. Этот метод основан на сульфировании бензола серной кислотой с последующим щелочным плавлением сульфокислоты. Несмотря на применение агрессивных реагентов и образование большого количества отходов сульфита натрия, данный метод использовался в течение почти 80 лет. В США это производство было закрыто лишь в 1978 году.

. В 1924 г. фирмой «Dow Chemical» был разработан процесс получения фенола, включающий реакцию хлорирования бензола и последующий гидролиз монохлорбензола (процесс каталитического гидролиза галогензамещенных бензолов). Независимо аналогичная технология была разработана немецкой фирмой «I.G. Farbenindustrie Co». Впоследствии стадия получения монохлорбензола и стадия его гидролиза были усовершенствованы, и процесс получил название «процесс Рашига». Суммарный выход фенола по двум стадиям составляет 70-85%. Данный процесс был основным методом получения фенола в течение нескольких десятилетий.

. Циклогексановый процесс, разработанный фирмой «Scientific Design Co.», основан на окислении циклогексана в смесь циклогексанона и циклогексанола, которая далее дегидрируется с образованием фенола. В 60-е годы фирма «Monsanto» в течение нескольких лет использовала этот метод на одном из своих заводов в Австралии, однако в дальнейшем перевела его на кумольный способ получения фенола.

. В 1961 г. фирмой «Dow Chemical of Canada» был реализован процесс через разложение бензольной кислоты, это единственный способ синтеза фенола, основанный на использовании небензольного сырья. Обе реакции протекают в жидкой фазе. Первая реакция. окисление толуола. использовалась в Германии уже в период Второй мировой войны для получения бензойной кислоты. Реакция протекает в довольно мягких условиях с высоким выходом. Вторая стадия является более трудной вследствие дезактивации катализатора и низкой селективности по фенолу. Полагают, что проведение этой стадии в газовой фазе может сделать процесс более эффективным. В настоящее время этот метод используется на практике, хотя его доля в мировом производстве фенола составляет лишь около 5%.

Метод синтеза, по которому в наши дни получают большую часть производимого в мире фенола - кумольный процесс - открыт группой советских химиков во главе с профессором П. Г. Сергеевым в 1942 году. Метод основан на окислении ароматического углеводорода кумола (изопропилбензол) кислородом воздуха с последующим разложением получающейся гидроперекиси, разбавленной серной кислотой. В 1949 году в г. Дзержинске Горьковской области был введен в действие первый в мире кумольный завод. До этого гидроперекиси считались малостабильными промежуточными продуктами окисления углеводородов. Даже в лабораторной практике их почти не использовали. На Западе кумольный метод был разработан в конце 40-х годов и отчасти известен как процесс Хока, по имени немецкого ученого, позднее независимо открывшего кумольный путь синтеза фенола. В промышленном масштабе этот метод стал впервые использоваться в США в начале 50-х годов. С этого времени на многие десятилетия кумольный процесс становится образцом химических технологий во всем мире.

Кумольный метод

Данный метод включает в себя несколько стадий. [7]

1.      Узел окисления изопропилбензола в гидропероксид ИПБ.

На этой стадии процесса происходит образование гидропероксида изопропилбензола окислением изопропилбензола (кумола) кислородом воздуха. Образование гидропероксида ИПБ относится к числу автокаталитических процессов, протекающих по радикально-цепному механизму. Для нейтрализации образующейся в результате побочной реакции муравьиной кислоты, которая способна разлагать гидропероксид ИПБ, применяется водный раствор аммиака. Для снижения вредных выбросов в атмосферу применяется каталитический дожиг абгазов окисления. При каталитическом дожиге абгазов окисления происходит глубокое окисление изопропилбензола кислородом, находящимся в них.

Основной реакцией является реакция окисления изопропилбензола кислородом воздуха до гидропероксида ИПБ:

                       СН3                                         СН3

                        СН + О2 ¾®                          С-О-ОН

                         СН3                                      СН3

      изопропилбензол  кислород   гидропероксид

                                                        изопропилбензола

Кроме основной реакции имеет место ряд побочных реакций:

Распад гидропероксида ИПБ на диметилфенилкарбинол (ДМФК) и атомарный кислород:

                         СН3                                      СН3

                           С-О-ОН ¾®                     С-ОН + О:

                         СН3                                     СН3

  гидропероксид     диметилфенилкарбинол   кислород

  изопропилбензола                                          (атомарный)

Распад гидропероксида ИПБ на ацетофенон (АцФ) и метанол:

                         СН3                                        О

                           С-О-ОН ¾®                     С-СН3 + СН3ОН

                         СН3

Гидропероксид             ацетофенон                       метанол

изопропилбензола

Образование дикумилпероксида (ДКП) из гидропероксида ИПБ:

             СН3                                     СН3         СН3

               2 С-О-ОН ¾®                  С-О-О-С               + Н2О2

               СН3                                    СН3      СН3

Гидропероксид               дикумилпероксид                       перекись

изопропилбензола                                                               водорода

Распад перекиси водорода на воду и атомарный кислород:

Н2О2 ¾® Н2О + О:

Перекись   вода    кислород

водорода           (атомарный)

Окисление метанола атомарным кислородом до формальдегида:

                                                             О

СН3ОН + О: ¾®                        Н-С-Н +       Н2О

Метанол  кислород                    формальдегид вода

                (атомарный)

Окисление метанола атомарным кислородом до углекислого газа и воды:

СН3ОН + 3О: ¾® СО2 + 2Н2О

метанол кислород углекислый вода

              (атомарный)  газ

Нейтрализация муравьиной кислоты водным раствором аммиака с образованием формиата аммония:

                 О                                               О

Н-С-ОН + NН4ОН ¾® Н-С-NН4 + Н2О

муравьиная гидроксид формиат         вода

кислота          аммония   аммония

Основной реакцией при каталитическом дожиге абгазов является реакция окисления изопропилбензола кислородом воздуха до углекислого газа и воды:

                             СН3

СН + 12 О2           ¾® 9 СО2 + 6 Н2О

                             СН3

Изопропилбензол кислород углекислый вода

                                                  газ

. Узел разложения гидропероксида изопропилбензола

На этой стадии процесса происходит образование фенола и ацетона разложением гидропероксида ИПБ в присутствии концентрированной серной кислоты. Разложение гидропероксида ИПБ относится к числу каталитических процессов, протекающих по ионно-цепному механизму.

На стадии процесса разложения гидропероксида ИПБ в избытке ацетона происходит образование фенола, ацетона и a-метилстирола методом разложения гидропероксида ИПБ в присутствии катализатора - концентрированной серной кислоты.

Узел разложения гидропероксида ИПБ в избытке ацетона представляет собой двухстадийный процесс. На первой стадии процесса происходит реакция неполного разложения гидропероксида ИПБ на фенол и ацетон и реакция конденсации диметилфенилкарбинола (ДМФК) с гидропероксидом ИПБ с образованием дикумилпероксида (ДКП) в «мягких» технологических условиях в присутствии «разбавителя» реакционной массы разложения (ацетона). На второй стадии процесса проводится селективное разложение дикумилпероксида с образованием дополнительного количества фенола, ацетона и α-метилстирола, а также разложение диметилфенилкарбинола с образованием α-метилстирола.

Основной реакцией традиционного процесса разложения, а также процесса разложения в избытке ацетона является разложение гидропероксида ИПБ на фенол и ацетон в присутствии серной кислоты:

                        СН3 Н2SO4                       О

                         С-О-ОН ¾®ОН            + СН3-С-СН3

                          СН3

               гидропероксид фенол ацетон

               изопропилбензола

Реакция разложения гидропероксида ИПБ экзотермична: тепловой эффект составляет 380 ккал/ кг гидропероксида ИПБ.

На первой стадии процесса разложения гидропероксида ИПБ в избытке ацетона основной реакцией также является образование дикумилпероксида при взаимодействии гидропероксида ИПБ с диметилфенилкарбинолом в присутствии серной кислоты:

   СН3                          СН3                          Н2SO4 СН3 СН3

С-ОC-О  ¾®              С-О-О-                    С       + Н2О

  СН3                          СН3                           СН3      СН3

гидропероксид диметилфенилкарбинол дикумилпероксид вода

изопропилбензола

Реакция взаимодействия гидропероксида ИПБ с ДМФК экзотермична: тепловой эффект составляет 256 ккал/ кг ДМФК.

На второй стадии процесса разложения гидропероксида ИПБ в избытке ацетона основными реакциями являются:

Частичная нейтрализация серной кислоты водным раствором аммиака (гидроксидом аммония) с образованием бисульфата аммония:

Н2SО4 + NH4ОН ¾® (NH4)HSO4 + Н2О

Серная  гидроксид      бисульфат        вода

кислота  аммония          аммония

Полное разложение гидропероксида ИПБ на фенол и ацетон.

Кислотное разложение дикумилпероксида в присутствии воды с образованием фенола, ацетона и б-метилстирола:

СН3         СН3             Н2SO4                      СН3             СН3

С-О-О-С +H2O ¾® OH + C=O+ C=CH2+Н2О

СН3       СН3                                                 СН3

дикумилпероксид вода фенол ацетон α-метилстирол вода

Реакция разложения дикумилпероксида экзотермична: тепловой эффект составляет 208 ккал/ кг дикумилпероксида.

Реакция дегидратации диметилфенилкарбинола с образованием α-метилстирола:

СН3                  Н2SO4                       СН3

С-ОН ¾®            С=СН2 +               Н2О

                             СН3

диметилфенилкарбинол α-метилстирол вода

Реакция разложения диметилфенилкарбинола на a-метилстирол экзотермична: тепловой эффект составляет 223 ккал/ кг ДМФК.

. Узел ректификации ацетонового потока.

На этой стадии процесса происходит нейтрализация серной кислоты (катализатора процесса разложения гидропероксида ИПБ на фенол и ацетон), а также распад перекиси изопропилбензола, образующейся в результате побочных реакций на узлах окисления ИПБ и разложения гидропероксида ИПБ.

Основной реакцией является нейтрализация серной кислоты едким натром:

Н2SО4 + NаОН ¾® Nа2SO4 + Н2О

серная     едкий         сульфат     вода

кислота    натр            натрия

. Узел ректификации фенольного потока.

На стадии сернокислотной очистки фенола от примесей происходят реакции конденсации легкокипящих примесей (ацетон, окись мезитила, a-метилстирол, диметилфенилкарбинол) с фенолом при температуре 100¸140ОС в присутствии катализатора - фенолсульфокислоты. Процесс конденсации относится к числу каталитических процессов.

Фенолсульфокислота образуется в результате взаимодействия концентрированной серной кислоты с фенолом при температуре 100¸140ОС:

     ОН         +    Н2SО4 ¾® SО3  ОН +                  Н2О

     фенол            серная     фенолсульфокислота      вода

                 кислота

7. Экономическая часть

Расчет затрат на проектирование.

В экономическом разделе произведем расчет затрат на разработку проекта модернизации очистных сооружений на предприятии ОАО «Омский каучук». [11]

Затраты на проектирование складываются из следующих статей:

основная заработная плата;

дополнительная заработная плата;

начисление по единому социальному налогу;

расходы по эксплуатации ЭВМ;

амортизация рабочего места;

материальные затраты;

накладные расходы;

Исходные данные, используемые для расчета:

Расчет стоимости материалов, используемых при проектировании.

При проектировании были израсходованы следующие расходные материалы:

бумага для офисной техники 500 листов - 120 руб.;

заправка картриджа для принтера - 150 руб.;

канцелярские принадлежности - 45 руб.;

печать на плоттере графической части проекта - 400 руб.;

переплет - 40 руб.

Итоговая стоимость расходных материалов:

СРМ = 120 + 150 + 45 + 400+40 = 755 руб.

Расчет трудоемкости работ.

Общую трудоемкость можно определить по формуле:

Где i - номер операции;

n - количество операций;

ti - трудоемкость i-той операции.

Трудоемкость i-той операции при проектировании:

Где tP - трудоемкость разработки одного листа;

N - количество листов;

К1 - коэффициент, учитывающий масштаб чертежа, при масштабе 1:1 коэффициент К1 = 1;