научная статья по теме КИНЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ ИЗ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА ИЗОПРЕНА Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «КИНЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ ИЗ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА ИЗОПРЕНА»

НЕФТЕХИМИЯ, 2010, том 50, № 5, с. 405-411

УДК 544.42+547-326

КИНЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ ИЗ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА ИЗОПРЕНА

© 2010 г. И. Л. Глазко, О. П. Гурьянова, С. В. Леванова, А. Б. Соколов

Самарский государственный технический университет E-mail: kinterm@samgtu.ru Поступила в редакцию 13.07.2009 г.

Определены порядки по компонентам, наблюдаемая константа скорости, энергия активации реакции переэтерификации дибутиладипината смесью изомерных диоксановых спиртов, отхода производства изопренового каучука. Рекомендованы условия проведения процесса переэтерификации с целью получения смесевого пластификатора для поливинилхлорида. Приведены данные по хрома-то-масс-спектрометрическому анализу фракции диоксановых спиртов и смеси их сложных эфиров.

В последние годы заметно возрос интерес к 1,3-диоксанам. Значительные сырьевые ресурсы, возможность перехода к широкому спектру органических соединений самых различных классов с другой, обуславливает неослабевающий интерес исследователей к химии и технологии циклических ацеталей. Несмотря на это, массовое промышленное производство большинства 1,3-ди-оксанов не налажено.

При производстве изопрена диоксановым методом в виде побочного продукта образуется фракция диоксановых спиртов в количестве 100— 110 кг на т изопрена [1]. На сегодняшний день производство изопрена в России составляет 0.6 млн. т/г, из них около 50% приходится на ди-оксановый метод [2]; во всем мире наблюдается тенденция роста производства изопрена, в том числе диоксановым методом и, как следствие, увеличение количества отхода — фракции диоксановых спиртов (ДС), которая используется не квалифицированно: при бурении нефтяных скважин, в качестве флотореагента, смазочно-охлаждающей жидкости для механической обработки металлов, в составе лакокрасочных материалов [3—7]. Большие объемы образующейся в качестве отхода фракции ДС заставляют искать новые пути ее использования. Наиболее перспективным представляется получение сложных эфиров дикарбоновых кислот — пластификаторов для поливинилхлорида (ПВХ), производство и потребление которого постоянно увеличивается на 5—7% в год, что ведет к неизбежному увеличению спроса и уровня цен на пластификаторы [8—9].

Нами был разработан способ [10—12] получения смеси сложных эфиров ДС и адипиновой кислоты методом переэтерификации дибутиладипината (ДБА) фракцией диоксановых спиртов (ДС) — отходов производства изопрена в присутствии катализатора — стеарата цинка (0.014—0.043 моль/л).

Катализатор доступен в промышленных масштабах; использование его позволяет проводить процесс гораздо более селективно, чем на традиционных кислотных катализаторах, исключив побочные реакции раскрытия диоксанового кольца. Преимуществом является и тот факт, что остаточное содержание стеарата цинка в пластификаторе допустимо, так как он является водоотталкивающей и смазывающей добавкой, поэтому нет необходимости удалять его из реакционной массы.

Для моделирования процесса в промышленных условиях необходимо было оценить некоторые кинетические характеристики. Сложность поставленной задачи состояла в том, что мы имели дело не с индивидуальными веществами, а с многокомпонентными смесями как исходных, так и образующихся продуктов; некоторые из них до проведенных нами исследований не были идентифицированы.

Используя известные приемы неформальной кинетики [13], делая ударение на практические аспекты, мы на основании экспериментальных данных предложили математическую модель процесса и условия синтеза.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для идентификации и количественного определения ДС, побочных продуктов и полученных эфи-ров использовали химические и инструментальные методы анализа. Химическим методом определяли содержание диоксановых спиртов, ацилированием уксусным ангидридом с последующим титрованием выделяющейся уксусной кислоты раствором KOH в присутствии фенолфталеина. ИК-спектры сняты на ИК-спектрофотометре "Shimadzu FTIR-8400S" на стеклах KBr в интервале 4000—400 см-1. Хромато-масс-спектрометрический анализ проводили на приборе Finnigan Trace DSQ методом химической ионизации изобутаном при энергии ионизирую-

щих электронов 130 эВ. Использовали капиллярные колонки: для анализа исходных фракции ДС—ZB 5М8 ( длина 30 м, внутренний диаметр 0.32 мм, толщина фазы 1 мкм); для анализа сложных эфиров диоксановых спиртов ЯТХ 5М8 (длина 15 м, внутренний диаметр 0.25 мм, толщина фазы 0.25 мкм). Газохроматографический анализ проводили на хроматографе "Кристалл-2000 М" с пламенно-ионизационным детектором; на капиллярных колонках 0У-101, длиной 50 м для анализа эфиров и 100 м — для анализа диоксановых спиртов. Количественное содержание дибутиладипината и эфиров определяли, применяя метод внутреннего стандарта с использованием дипентиладипината. Установлены калибровочные коэффициенты диал-киладипатов относительно стандарта, для чего специально были получены модельные смеси чистых веществ [14].

где: Я—С4П9, а Я'—С7П13О2 (остаток соответствующего диоксанового спирта).

Для простоты дальнейшего изложения вещества № 1, 2 будем называть монозамещенными эфирами, а вещества № 3, 4, 5 — дизамещенными эфирами.

Реакцию переэтерификации изучали в термостатированном реакторе, представляющем собой четы-рехгорлую колбу, снабженную мешалкой, ловушкой Дина—Старка, обратным холодильником, насадкой для термометра и непрерывного подвода азота. В реакционную колбу загружали ДС, по достижении заданной температуры при включенной мешалке добавляли катализатор. После растворения катализатора и установления постоянной температуры (через 1—2 мин) вводили взвешенный и нагретый до температуры реакции ДБА и начинали отбор проб в охлажденные до 10°С пробирки (для прекращения реакции). Чтобы исключить протекание обратной реакции, бутанол из зоны реакции удаляли, подавая в колбу азот. Для доказательства того, что реакция переэтерификации протекает в кинетической области и скорость отвода бутанола не влияет на ее скорость, были проведены эксперименты с различным расходом азота ( 0.1—12) х 10-6 м3/с. Показано, что при скорости подачи газа >6.7 х 10-6 м3/с скорость реакции не меняется; все последующие эксперименты проводили при постоянной подаче азота 8 х 10-6 м3/с, обеспечивающей кинетический режим.

В качестве исходных продуктов использовали ДБА марки ХЧ и промышленную фракцию ДС, выкипающую в интервале 225—250°С, р20 = 1.098 г/см3. Содержание ДС 62—64 мас. %; остальное — побочные продукты конденсации формальдегида с изобутиленом, которые были нами идентифицированы (табл. 1). Диоксановые спирты, содержащиеся во фракции, представлены тремя изомерами: 4-ме-тил-4-(2-гидроксиэтил)-1,3-диоксан (48 мас. %), 4,4-диметил-5-гидроксиметил-1,3-диоксан (10 мас. %), 5-(2-гидрокси-2-пропил)-1,3-диоксан (4 мас. %).

Было установлено экспериментально, что побочные продукты (№ 4—8, табл. 1), а также третичный диоксановый спирт (№ 1, табл. 1) не участвуют в реакции и выполняют роль инертных растворителей. Переэтерификация ДБА диоксановыми спиртами протекает по реакциям (1, 2) с образованием смеси эфиров (табл. 2).

(1)

(2)

Выбор условий эксперимента. Исследования проводили в широком диапазоне температур: от температуры кипения бутанола (118°С), который после реакции переэтерификации отгоняли из реакционной массы, до 250°С — температуры термической устойчивости получающихся эфиров. При 117—119°С, мольном соотношении реагентов ДБА : ДС, равном 1: 1, концентрации катализатора 0.043 моль/л, реакция протекает медленно: за 4 ч конверсия ДБА составила 8—9%. В результате образуются в основном монозамещенные эфиры, селективность по их сумме составляет 99%. При температуре выше 200°С, соотношении реагентов 1 : 2.5 и концентрации катализатора 0.014 моль/л, за 30 мин была достигнута конверсия по ДБА 96—98% с селективностью по ди-замещенным эфирам 96%.

Для определения порядков реакции по ДБА и катализатору концентрации реагентов изменяли в следующих пределах: по ДБА от 0.29 до 0.88 моль/л; по катализатору от 0.014 до 0.043 моль/л. ДС были взяты в 4-15-кратном мольном избытке; при конверсии ДБА 10—50% соответственно, изменение концентрации избыточного реагента было незначительным. Исследования проводили при температуре 20°С; суммарную наблюдаемую скорость реакции оценивали по изменению концентрации ДБА во времени.

Оч °ч ,о

)С-(СИ2)4-< + 1ШП ^С-(СН2)4-< + я0П,

Р о О О

Я Я Я Я1

°>-(СИ2)-<О + я-он Катализатор °>-(си2)-<О + яон,

о о о

Я Я' Я' Я'

Таблица 1. Диоксановые спирты и побочные продукты конденсации, содержащиеся во фракции диоксановых спиртов

№ Время выхода пика, мин m/z [Mr + H]+ М„ г/моль Структурная формула Название

Диоксановые спирты

1 8.38 147 146 СНз О^^—C-CH3 k xUH О 5-(2-гидрокси-2-пропил)-1,3-ди- оксан

2 9.23 147 146 CH, СНз O^S— СН2ОН V 4,4-диметил-5-гидроксиметил-1,3-диоксан

3 9.37 147 146 СНз СН2СН2ОН 0 4-метил-4-(2-гидроксиэтил)-1,3-диоксан

Побочные продукты, содержащиеся во фракции диоксановых спиртов

4 10.17 175 174 О /-( О ^—О W 4,4'-би(1,3-диоксан)

5 11.07 203 202 СНз^СНз СН3 o^S—СН2-О-С-СН3 к J Сн3 О Эфир третбутанола и 4,4-диме- тил-5-гидроксиметил-1,3-диок- сана

6 11.22 191 190 СНз,СН2СН2-О-СН2-О-СН3 0 СН, СН3 O^^^i—СН2_ О_СН2—О_СН3 4,4-диметил-5-гидроксиметил-1,3-диоксана 4-метил-4-(2-гидроксиэтил)-1,3-диоксан

7 13.07 189 188 —О О—' 4-метил-4,4'-би(1,3-диоксан)

8 13.67 203 202 СН3 1 СН, СН2СН2—О~С~СН3 О^ Сн3 V Эфир третбутанола и 4-метил-4-(2-гидроксиэтил)-1,3-диоксана

Таблица 2. Основные продукты переэтерификации дибутиладипината фракцией диоксановых спиртов

№ Время выхода пика, мин ш/г [Мг+Н]+ М„ г/моль Структурная формула Название

Монозамещенные дибутиладипинаты

1 13.29 331 330 ^С-(СН2)4-С СНз СН2СН2—О О-С4Н9 0 Бутил-2-(4-ме- тил-1,3-диоксан- 4-ил)этиладипат

2 13.64 331 330 СНкСНз /С-(СН2)^С/ — СН2—О О-С4Н9 к X О Бутил(4,4-диме-тил-1,3-диоксан-5-ил)метилади-пат

Дизамещенные дибутиладипинаты

3 16.25 403 402 СН, СНз ОС_(СН2)4-СО СНз .СНз СН2-О О_ СН2 [^О V 2 V Бис((4,4-диметил-1,3-диоксан-5-ил) метил)адипат

4 16.55 403 402 О* <О ^-(СН2)^Сч СН. СН2СН2-О ^СН2СН^СН3 О^ г^О V V Бис(2-(4-ме

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком