Способ получения водного раствора уксусной кислоты

Способ получения водного раствора уксусной кислоты

Реферат

Изобретение относится к области органической химии, в частности к получению водного раствора уксусной кислоты.

Известен способ получения водного раствора уксусной кислоты, описанный в «Технологической инструкции по производству столового уксуса» ТИ 10-0334585-3-94 с изменением №1 (1996 г), разработанной ВНИИ пищевой биотехнологии, г. Москва. Способ включает разогрев концентрированной уксусной кислоты вместе с емкостью в случае наличия твердой фазы до 45-50°С способом, исключающим непосредственный контакт с теплоносителем, например, с помощью парогенератора (пар подается в полурубашку цистерны). Далее перекачивают уксусную кислоту в рабочие емкости, а затем в реактор, заполненный водой, добавляют из рабочих емкостей концентрированную уксусную кислоту до получения раствора нужной концентрации (с.5 изменения №1).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ получения водного раствора уксусной кислоты, описанный в «Инструкции по технике безопасности, пожарной безопасности, промсанитарии при обслуживании узла приема уксусной кислоты» ТБ-УФК-10-02, разработанной ООО «СибПромХим», Новосибирск, 2002 г. (с.2). Способ включает заполнение цистерны с концентрированной уксусной кислотой расчетным количеством воды и перекачивание полученного раствора в рабочие емкости.

Недостатками описанных выше способов являются следующие:

- высокая пожароопасность (температура вспышки паров составляет 38°С, давление насыщенного пара при 45-50°С составляет 42-56 мм рт. ст.);

- высокая токсичность процесса (ПДК=5 мг/м³);

- возможность кристаллизации кислоты в трубопроводах и насосах, если температура окружающей среды ниже температуры кристаллизации кислоты (+16,7°С);

- десублимация уксусной кислоты на стенках емкости при температуре ниже температуры кристаллизации;

- длительность процесса, связанная с длительностью подачи большого количества воды.

Задачей изобретения является снижение пожароопасности технологического процесса и снижение концентрации паров уксусной кислоты в воздухе рабочей зоны.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения водного раствора уксусной кислоты, включающем наполнение водой емкости с исходным сырьем - концентрированной уксусной кислотой, согласно изобретению, воду для заполнения берут в количестве, требуемом для получения полугидрата уксусной кислоты, затем в другую емкость заливают воду в таком количестве, чтобы из полученного в первой емкости полугидрата получить 72-80%-ный раствор уксусной кислоты, скачивают полугидрат из первой емкости во вторую в таком количестве, чтобы получить 17-50%-ный раствор уксусной кислоты, перемешивают полученный раствор в течение 5-7 минут, отбирают пробу на соответствие массовой доли уксусной кислоты диапазону 17-50%, снова скачивают полугидрат из первой емкости во вторую под слой жидкости до ее заполнения и перемешивают нижний слой раствора в течение 1-5 минут, отбирают пробу с верхнего слоя на соответствие массовой доли уксусной кислоты диапазону 17-50% и с нижнего слоя на соответствие диапазону 72-80%, далее скачивают нижний слой в количестве, равном количеству полугидрата, загруженного на второй стадии.

Такой способ позволяет проводить процесс получения целевого продукта - раствора уксусной кислоты с концентрацией 72-80% под слоем «водяной подушки», в которой уксусная кислота находится в мономерной форме, что обуславливает отсутствие пожароопасности и низкое парциальное давление уксусной кислоты в насыщенных парах.

На чертеже изображена зависимость отношения парциального давления уксусной кислоты над ее водными растворами к давлению над 100%-ной уксусной кислотой.

Уксусная кислота в водном растворе димеризована во всем диапазоне концентраций. Раствор уксусной кислоты с концентрацией основного вещества 17-50% после перемешивания насосом производительностью 5 м³/ч представляет собой мономерные молекулы уксусной кислоты, с гидратной оболочкой, содержащей от 6 до 30 молекул воды на молекулу димера. Раствор полугидрата уксусной кислоты представляет собой полимерные цепи [2СН₃СООН·Н₂О]_n, причем роль растворителя играет свободная уксусная кислота. Конечный продукт с концентрацией 72-80% представляет собой полимерные цепи [2СН₃СООН·Н₂O]_n, растворителем для которых служит или вода (С<78%), или уксусная кислота (78%>С>80%).

Эти три раствора имеют различные физико-химические свойства - плотность, вязкость, диэлектрическую проницаемость, электропроводность, температуру замерзания, константу диссоциации, температуру вспышки, давление насыщенного пара.

Раствор с концентрацией 17-50% резко отличается по физико-химическим свойствам как от полугидрата, так и от готового продукта и образует так называемую «водяную подушку», создающую безопасные условия проведения технологического процесса с точки зрения пожароопасности и токсичности.

В таблице 1 приведены физико-химические свойства «водяной подушки», полугидрата уксусной кислоты и готового продукта.

«Водяная подушка» имеет концентрацию 17-50%, именно в этом диапазоне максимальна концентрация димеров уксусной кислоты, наиболее прочно связанных с молекулами воды. Ниже 17% концентрация этих прочных образований резко падает. Выше 50% количество прочно связанных молекул Н₂О резко уменьшается. Кроме того, при концентрации выше 50% происходит резкое нарастание парциального давления паров уксусной кислоты над ее водными растворами.

Суть предлагаемого изобретения проиллюстрирована примерами.

Пример 1.

В исходную емкость, содержащую 51,6 т уксусной кислоты, Т=20°С, вводят 7,68 т воды и получают полугидрат. Во вторую емкость, представляющую собой прямоугольный параллелепипед с основанием площадью 2,85 м² и высотой 1,8 м подают 501,4 кг воды и скачивают из первой емкости 182,2 кг полугидрата с концентрацией уксусной кислоты 83,3%, перемешивают путем циркуляции в течение 5 минут. Это гарантированное время для получения мономерной уксусной кислоты. Отбирают пробу на соответствие массовой доли уксусной кислоты диапазону 17-50%. Получают 683,3 кг раствора уксусной кислоты с массовой долей 22,2% - «водяную подушку». Под слой жидкости во вторую емкость скачивают 4191,0 кг полугидрата, перемешивают с помощью насоса нижний слой в течение 1 минуты. Это минимальное время, необходимое для гомогенизации нижнего слоя. Отбирают пробы с верхнего и нижнего слоев. Концентрация уксусной кислоты составляет 42,5% и 79,6%, соответственно. Через кран в нижней части емкости сливают нижний слой в количестве 4191 кг, контролируя его количество по уровнемеру.

Остальные примеры даны на различную концентрацию уксусной кислоты в «водяной подушке» и соответственно ей концентрацию полученного готового продукта. Данные примеров сведены в таблицу 2.

В полугидрате, полученном в первой емкости, в связи с отсутствием перемешивания и наличием твердой фазы концентрация уксусной кислоты может колебаться от 82% до 86,5%.

В примере 2 полугидрат имеет концентрацию уксусной кислоты 83%. Концентрация уксусной кислоты, полученной в «водяной подушке» 36,8%. После введения второй порции полугидрата и перемешивания раствора концентрация уксусной кислоты в верхнем и нижнем слое составляет 47,5% и 78,2%, соответственно. Сливают на хранение 4085,5 кг раствора. В примере 3 полугидрат имеет концентрацию СН₃СООН 85,7%. Концентрация уксусной кислоты в полученной «водяной подушке» равна 17,5%. После введения второй порции полугидрата и перемешивания нижнего слоя раствора концентрация уксусной кислоты в верхнем и нижнем слоях составляет 17,6% и 80,1%, соответственно. Сливают на хранение 4446,1 кг нижнего слоя.

В примере 4 полугидрат имеет концентрацию СН₃СООН 86,95%. Концентрация уксусной кислоты в «водяной подушке» равна 61,4%. После подачи второй порции полугидрата и перемешивания нижнего слоя раствора концентрация уксусной кислоты в верхнем и нижнем слое составляет 75,9% и 77,7%, соответственно. То есть, раствор уксусной кислоты, полученный на первой стадии, не выполняет роли «водяной подушки».

Преимуществами предлагаемого изобретения по сравнению с известными являются следующие:

- низкая пожароопасность благодаря созданию «водяной подушки» во время проведения технологического процесса, что приводит к понижению давления насыщенных паров;

- низкая токсичность, связанная с низким парциальным давлением паров уксусной кислоты;

- улучшение условий труда из-за низкой токсичности и пожароопасности технологического процесса;

- упрощение технологической схемы в связи с отсутствием системы улавливания паров;

- сокращение длительности технологического процесса за счет подачи воды в две емкости.

Таблица 1
№№ п/п	Физико-химические свойства	Значения для растворов уксусной кислоты в
«водяной подушке»	полугидрате	готовом продукте
1	Массовая доля уксусной кислоты, %	17-50	87	72-80
2	Относительная плотность, ρ20 4	1,0223-1,0575	1,0680	1,069-1,070
3	Вязкость, мПа·с, Т=20°С	1,36-2,40	2,54	2,69-2,74
4	Температура замерзания, °С	(-5,5)-(-20,5)	-0,4	(-15,5)-(-8)
5	Давление насыщенного пара, Т=42°С, мм рт. ст.
5.1	общее	60-57	51,0	54-52,5
5.2	парциальное для уксусной кислоты	2-5,5	22	13,7-17
6	Диэлектрическая проницаемость	80-56	20	33-27
7	Константа диссоциации (pKа)	4,70-5,18	8,10	6,10-6,65
8	Плотность паров кипящих водных растворов по воздуху (Р=760 мм рт.ст.)	0,564-0.830	1,701	1,195-1,41
9	Удельная электропроводность χ, Ом-1·см-1 (Т=18°С)	16,1-7,4·10-4	2,4·10-6	2·10-4-4·10-5
10	Температура вспышки, °С	нет	55,8	60-62,4
11	Температура самовоспламенения, °С	538	477	498-490
12	Температурные пределы распространения пламени, °Снижнийверхний	HeтНет	64,284.3	Нет-76Нет-85

Таблица 2
№№ примеров	№№ стадий заполнения	Количество и состав сырья, загружаемого в емкость № 2	Время циркуляции, мин	Количество раствора после указанной стадии, кг	Анализы проб	Получено конечного продукта
Вода m, кг	Полугидрат	слой	С, % мас.
m, кг	С,%
1	1	501,4	182,2	83,3	5	683,6	-	22,2	4191,0
2		4191,0	83,3	1	4874,6	верх	42,5
низ	79,6
2	1	398,6	316,8	83,0	5	715,4	-	36,8	4085,5
2		4085,5	83,0	1	4800,9	верх	47,5
низ	78,2
3	1	775,7	199,4	85,7	5	975,1	-	17,5	4114,6
2		4114,6	85,7	1	5089,7	верх	17,6
низ	80,1
4	1	211,8	655,3	87,0	5	867,1	-	61,4
2		4084,9	87,0	1	4952,0	верх	75,9
низ	77,7

Способ получения водного раствора уксусной кислоты, включающий заполнение водой емкости с исходным сырьем - концентрированной уксусной кислотой, отличающийся тем, что воду для заполнения берут в количестве, требуемом для получения полугидрата уксусной кислоты, затем в другую емкость соответственно ее объему заливают воду в таком количестве, чтобы из полученного в первой емкости полугидрата получить 72-80%-ный раствор уксусной кислоты, скачивают из первой емкости во вторую такое количество полугидрата, чтобы получить 17-50%-ный раствор уксусной кислоты, перемешивают полученный раствор в течение 5-7 мин, отбирают пробу на соответствие массовой доли уксусной кислоты указанному диапазону, снова скачивают полугидрат из первой емкости во вторую под слой жидкости до заполнения второй емкости, перемешивают нижний слой раствора в течение 1-5 мин, отбирают пробу с верхнего слоя на соответствие массовой доли уксусной кислоты диапазону 17-50% и с нижнего слоя на соответствие диапазону 72-80%, далее скачивают нижний слой в количестве, равном количеству полугидрата, загруженного на второй стадии.