СИНТЕЗ ДИПЕНТАЕРИТРИТУ В РЕАКТОРІ ЗМІШЕННЯ З РЕЦИКЛОМ ПЕНТАЕРИТРИТУ

В статті розглядається синтез дипентаеритриту в реакторі змішення з рециклом пентаеритриту.

Секція: Технічні науки

ДЕМЧЕНКО ОЛЬГА ОЛЕКСАНДРІВНА

к.т.н., доцент кафедри машин та апаратів

хімічних виробництв Інституту хімічних технологій

Східноукраїнського національного університету

ім. В. Даля (м. Рубіжне)

СИНТЕЗ ДИПЕНТАЕРИТРИТУ В РЕАКТОРІ ЗМІШЕННЯ З РЕЦИКЛОМ ПЕНТАЕРИТРИТУ

Модифікація умов синтезу дипентаеритриту конденсацією формальдегіду та ацетальдегіду в лужному розчині, що забезпечують високий вихід дипентаеритриту можлива тільки в реакторі змішення безперервної дії. Знайдені оптимальні умови синтезу по критерію – високий вихід дипентаеритриту: T = 40-50 ⁰С  = 0,5-1,5 годин, C_A(0) = 1,2 моль·л^-1, М = 4,2. У цих умовах вихід дипентаеритриту 44 %, загальний вихід продуктів 97 %.[1, 2].

Для подальшого збільшення виходу дипентаеритриту в реактор необхідно вносити додатково пентаеритрит – тобто організувати його рецикл.

З використанням математичної моделі [3], досліджували залежність виходу дипентаеритриту від умов синтезу в реакторі змішення при насиченій концентрації пентаеритриту (у центральній частині плану).

Для пошуку оптимального технологічного режиму використовували метод рототабельного композиційного планування другого порядку і метод крутого сходження [4]. При дослідженні варіювалися чотири фактори, при кількості натрій гідроксиду 1,3 моля на моль ацетальдегіду: температура (Т); приведена концентрація ацетальдегіду (C_A(0)); мольне відношення формальдегіду і ацетальдегіду (М); середній час перебування реакційної суміші в реакторі () .

Залежності виходу дипентаеритриту від умовах синтезу в центральній частині плану приведені на рис. 1. 

Рис. 1. Залежність виходу дипентаеритриту від умов синтезу в реакторі змішення при насиченій концентрації пентаеритриту (у центральній частині плану)

1 - від температури; 2 – від приведеної концентрації ацетальдегіду; 3 – від мольного відношення формальдегіду і ацетальдегіду; 4 - від середнього часу перебування реакційної суміші в реакторі.

Оптимальними по критерію – високий  вихід дипентаеритриту, є умови: М = 4,1-4,3,  C_A(0) = 0,9-1,1 моль·л^-1  при змінних значеннях часу перебування  залежно від температури. 

В технологічній системі, яка включає послідовно синтез в реакторі змішення, розділення пентаеритриту і дипентаеририту, виділення пентаеритриту і його повернення в реактор, в певних умовах автоматично встановлюється стаціонарний режим – при зростанні виходу дипентаеритриту знижується кількість пентаеритриту, синтезованого і повертаємого в реактор, що приводить до зменшення виходу дипентаеритриту і підвищенню виходу синтезованого пентаеритриту. В результаті встановлюється баланс.

Стаціонарний режим - повний рецикл пентаеритриту з урахуванням його втрат при виділенні (5-10 %), досягається при мольному відношенні у вхідному потоці ацетальдегіду, формальдегіду, натрій гідроксиду і води 1:4,2:1,07:35; температурі 62-65 ⁰С і часі перебування в ракторі  =60 хв   (рис. 2).

Рис. 2. Розрахункові характеристики синтезу в реакторі змішення з рециклом пентаеритриту

1 - баланс; 2 - залежність  питомої концентрації пентаеритриту в реакторі  від питомої концентрації пентаеритриту  в  потоці, що входить у реактор;  3 – питома концентрація дипентаеритриту в реакторі; 4  – масовий вміст дипентаеритриту в суміші синтезованих продуктів.

У цих умовах вихід дипентаеритриту 89-91 %,  біспентаеритритформалю – 1,8-2,0 % в розрахунку на моль ацетальдегіду (табл. 1). Порівняння експериментальних і розрахункових результатів синтезу у прогнозованих оптимальних умовах показує їх незначну різницю, а також  негативний вплив метанолу і утворення трипентаеритриту, що  математична модель не враховує. Розрахувати зниження виходу продуктів  %(мас) у присутності метанолу можна за допомогою емпіричної залежності, виведеної на підставі експериментальних даних, приведених в  літературі   [5]

                                                       (1)

де  - масова концентрація метанолу в реакційній суміші,  %.

Для завершення процесу і подальшого видалення залишкових альдегідів у місткість, в яку поступає реакційна суміш з реактора,  вноситься додаткова кількість натрій гідроксиду, щоб мольне відношення ацетальдегіду і всього натрій гідроксиду складало 1:1,3.

Таблиця 1

Синтез в реакторі змішення при повному рециклі пентаеритриту

Вихід готового продукту при отриманні дипентаеритриту з рециклом пентаеритриту в реакторі змішення 85-87 %. Готовий дипентаеритрит містить 89-90 % основної речовини, 6-9 % трипентаеритриту і 1-5 % пентаеритриту. Кольоровість продукту за шкалою АРНА 50-100.

При стаціонарному рециклі пентаеритриту випускається тільки дипентаеритрит, відносно зменшується об'єм реакторів і іншого устаткування на стадіях випаровування і фільтрування.

Метод отримання дипентаеритриту з рециклом пентаеритриту захищено патентом України [6]

Література:

1. Демченко О.О. Вибір умов синтезу і типу реактора для синтезу дипентаеритриту // Вісник СНУ ім. В. Даля. – 2014. - № 14(203). – С. 41-41.

2. Пат. 58613 Україна, МПК C 07 C 31/24. Спосіб одержання пентаеритриту і дипентаеритриту // О.О. Демченко, Д.І. Бєлкін (Україна). - № u201012655; Заявл. 25.10.2010; Опубл. 26.04.2011. Бюл. № 8.

3. Белкин Д. И. Кинетика конденсации формальдегида и ацетальдегида // Журн. прикладной химии. - 1990. - Т. 63. – С. 2312-2320.

4. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений. – М.: Физматгиз, 1962. – С. 303-304

5. Даут В.А., Новокшонова А.М., Шуравенко А.А., Фирстова Н.И. Выбор оптимального режима стадии конденсации пентаэритрита // Пентаэритрит. Проблемы производства и потребления: Сб. науч. тр. - Черкассы: ОНТИИТЭХИМ. - 1989. – С. 59-62.

6. Пат. 69096 Україна, МПК C 07 C 31/24. Спосіб одержання дипентаеритриту // Д.І. Бєлкін, О.О. Демченко (Україна). - № u201109921; Заявл. 10.08.2011; Опубл.  25.04.2012. Бюл. № 8.