Физико-химические основы процессов извлечения неопентилгликоля из водно-органических смесей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат химических наук Котельникова, Марина Валерьевна

• Котельникова, Марина Валерьевна
• кандидат химических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат химических наук Котельникова, Марина Валерьевна

Список сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. Многоатомные спирты неостроения: получение, свойства и применение.

1.1 Физико-химические свойства неопентилгликоля.

1.2 Применение многоатомных спиртов.

1.3 Синтез многоатомных спиртов.

1.3.1 Синтез неопентилгликоля.

1.4 Способы извлечения многоатомных спиртов из реакционной смеси.

1.4.1 Способы извлечения пентаэритрита и дипентаэритрита.

1.4.2 Способы извлечения неопентилгликоля.

1.4.2.1 Удаление формиата натрия на ионообменных смолах.

1.4.2.2 Возгонка неопентилгликоля.

1.4.2.3 Азеотропная отгонка воды растворителями.

1.4.2.4 Экстракция неопентилгликоля растворителями.

1.4.2.5 Кристаллизация неопентилгликоля.

2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 Объекты исследования.

2.2 Методы исследования.

2.2.1 Изучение растворимости.

2.2.2 Метод определения зольности.

3 ИЗУЧЕНИЕ РАСТВОРИМОСТИ В СИСТЕМАХ СОДЕРЖАЩИХ НЕОПЕНТИЛГЛИКОЛЬ.

3.1 Система неопентилгликоль - этилацетат - вода.

3.2 Поликомпонентные системы, содержащие неопентилгликоль и формиат натрия.

3.2.1 Система неопентилгликоль - формиат натрия - вода.

3.2.2 Система неопентилгликоль - формиат натрия - реакционная смесь.

3.2.3 Сравнение систем неопентилгликоль - формиат натрия - вода и неопентилгликоль - формиат натрия - реакционная смесь.

3.2.4 Четырехкомпонентные системы.

3.2.4.1 Система неопентилгликоль - формиат натрия - метанол -вода.

3.2.4.2 Система неопентилгликоль - формиат натрия - метанол -реакционная смесь.

3.3 Анализ полученных результатов. Сравнение четырехкомпонентных систем неопентилгликоль - формиат натрия — метанол - вода и неопентилгликоль - формиат натрия - метанол - реакционная смесь.

4 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИАГРАММ РАСТВОРИМОСТИ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ ИЗВЛЕЧЕНИЯ НЕОПЕНТИЛГЛИКОЛЯ ИЗ ВОДНО-ОРГАНИЧЕСКИХ СМЕСЕЙ.

4.1 Одноступенчатая экстракция неопентилгликоля этилацетатом.

4.2 Процесс кристаллизации неопентилгликоля.

4.2.1 Кристаллизация неопентилгликоля в системе неопентилгликоль

- формиат натрия - вода.

4.2.2 Кристаллизация неопентилгликоля в системе неопентилгликоль

- формиат натрия - вода - метанол.

4.2.3 Кристаллизация неопентилгликоля в системе неопентилгликоль

- формиат натрия — реакционная смесь - метанол.

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗВЛЕЧЕНИЯ НЕОПЕНТИЛГЛИКОЛЯ ИЗ ВОДНО-ОРГАНИЧЕСКИХ СМЕСЕЙ.

5.1 Экстракция неопентилгликоля.

5.2 Кристаллизация неопентилгликоля.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физико-химические основы процессов извлечения неопентилгликоля из водно-органических смесей»

Физико-химический анализ, устанавливающий зависимость свойств химических равновесных систем от состава и условий равновесия (в том числе от концентрации компонентов, составляющих систему, температуры и давления), приобрел большое значение во многих областях теоретических и прикладных знаний. Зависимость между составом, свойствами и состоянием системы наглядно выражается графически, путем построения диаграмм состав - свойство. Графические методы физико-химического анализа широко используются в технологии минеральных веществ, в частности при разработке процессов разделения фаз. Кристаллизация из растворов является важнейшей операцией многих технологических процессов. Поскольку извлечение твердых фаз из раствора часто связано с циклическим процессом, т.е. с возвратом маточных и промежуточных растворов в производственный цикл, то возникает необходимость количественного исследования процессов смешения растворов, растворения веществ, всаливания и высаливания.

Многоатомные спирты: 1,1,1-триметилолэтан (метриол), 1,1,1-триметилолпропан (этриол), 2,2-диметилолпропандиол (пентаэритрит), 2,2-диметилолпропан (неопентилгликоль) и другие - находят широкое промышленное использование в производстве высококачественных синтетических масел, алкидных и эпоксидных смол, лаков, поверхностно-активных веществ и пластификаторов. Уникальные свойства спиртов неостроения объясняются наличием в структуре их молекул четвертичного атома углерода. Благодаря чему их используют для синтеза высококачественных органических полимерных материалов нового поколения, обладающих высокой термостабильностью, влаго-устойчивостью, прочностью, химической стойкостью. Одним из таких спиртов является неопентилгликоль.

Неопентилгликоль и его производные в России и ближнем зарубежье не производятся. Потребность в неопентилгликоле на внутреннем российском рынке составляет 5000-10000 т/год.

Актуальность работы.

Синтез неопентилгликоля протекает по реакции альдольной конденсации изомасляного альдегида с формальдегидом. Процесс идет достаточно быстро и не требует сложного технологического оформления. Основной проблемой при синтезе является выделение неопентилгликоля из реакционной смеси. Известно несколько способов извлечения неопентилгликоля из продуктов синтеза. Каждый из способов имеет свои преимущества и недостатки. Чаще всего применяют экстракцию органическими растворителями и их смесями. К недостаткам этого метода можно отнести использование достаточно больших объемов растворителя и необходимость его регенерации. Кристаллизация является наиболее предпочтительным способом извлечения продуктов синтеза, так как она предполагает более простое аппаратурное оформление и исключает использование токсичных экстрагентов. Данные о растворимости в водно-органических системах позволят определить температурно-концентрационный режим, установить последовательность отдельных стадий, т.е. теоретически обосновать технологическую схему процесса, и провести укрупненный лабораторный эксперимент.

Таким образом, актуальность диссертационной работы связана с разработкой физико-химических основ процессов извлечения неопентилгликоля из водно-органической смеси. Сведений о технологии, предусматривающей кристаллизацию неопентилгликоля из реакционной смеси в литературе не найдено.

Цель работы - разработка физико-химических основ процессов извлечения неопентилгликоля с минимальным содержанием примесей, в частности формиата натрия, из водно-органических смесей.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Изучить растворимость в поликомпонентных водно-органических системах, содержащих неопентилгликоль, формиат натрия и органические

2. Изучить возможность использования расслаивающейся системы неопентилгликоль - этилацетат - вода для экстракции неопентилгликоля.

3. Установить температурно-концентрационные параметры процесса кристаллизации неопентилгликоля из водно-органических смесей.

Научная новизна.

1. Впервые получены данные по растворимости: в девяти двухкомпонентных системах: при 0, 10, 20 и 30°С - неопентилгликоль - этилацетат, этилацетат - вода; при 0, 20, 30 и 50°С - формиат натрия - вода; при 0, 10, 20, 30, 40 и 50°С - неопентилгликоль - вода; при 30 и 50°С - неопентилгликоль — реакционная смесь, формиат натрия -реакционная смесь; при 30°С - неопентилгликоль - метанол, формиат натрия - метанол, метанол - реакционная смесь; в восьми трехкомпонентных системах: при 10, 20 и 30°С - неопентилгликоль - этилацетат - вода; при 0, 10, 20, 30, 40 и 50°С - неопентилгликоль - формиат натрия - вода; при 30 и 50°С - неопентилгликоль - формиат натрия - реакционная смесь; при 30°С - неопентилгликоль - метанол - вода; формиат натрия - метанол - вода; неопентилгликоль - формиат натрия - метанол; неопентилгликоль -метанол - реакционная смесь; формиат натрия - метанол - реакционная смесь; в двух четырехкомпонентных системах при 30°С - неопентилгликоль -формиат натрия — метанол - вода; неопентилгликоль - формиат натрия - метанол - реакционная смесь.

2. Впервые разработаны физико-химические основы процессов извлечения неопентилгликоля из водно-органических смесей: проведены теоретические расчеты и определены температурно-концентрационные параметры процессов экстракции и кристаллизации.

Практическая значимость работы.

Результаты научных исследований являются исходными данными для разработки технологии извлечения неопентилгликоля основанной на кристаллизации целевого продукта из реакционной смеси, что приведет к снижению экологической опасности производства и упростит технологическую схему.

Предложена принципиально новая технологическая схема получения НПГ, осуществлен укрупненный лабораторный эксперимент. Оценен ряд технологических параметров процесса кристаллизации НПГ. Установлено, что потери маточного раствора с твердой фазой на стадии фильтрации и при разделении двух жидких фаз составляют не более 1,4%, что вполне приемлемо с точки зрения дальнейшего осуществления процесса на опытной установке. Содержание формиат натрия в неопентилгликоле не превышает 0,3 мас.%. Разработанный метод защищен патентом РФ 2340590.

Полученные впервые данные по растворимости в поликомпонентных водно-органических системах являются справочным материалом.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты изучения растворимости в поликомпонентных водно-органических системах, содержащих неопентилгликоль, формиат натрия и органические растворители.

2. Температурно-концентрационные параметры процесса экстракции НПГ в системе неопентилгликоль - этилацетат - вода.

3. Температурно-концентрационные параметры процесса кристаллизации неопентилгликоля из водно-органических смесей.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на областных конференциях студентов и молодых ученых «Химия и экология» (Пермь, 2003, 2004, 2005); Всероссийской научной конференции молодых ученных и студентов «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах» (Краснодар, 2004, 2005); XLIII международной научной студенческой конференции

Студент и научно технический прогресс» (Новосибирск, 2005); Международная научная конференция «Эколого-экономические проблемы освоения минерально-сырьевых ресурсов (Пермь, 2005); XV международная конференция по химической термодинамике в России (Москва, 2005); Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы химической науки, практики и образования» (Курск, 2009).

Публикации.

По материалам диссертации автором опубликовано 15 научных трудов, включая 4 статьи, 10 тезисов докладов и патент.