Тема: получение фенола и ацетона из изопропилбензола

 

Теоретические основы

  Фенол и ацетон являются важными продуктами органического синтеза, которые широко используются в народном хозяйстве. Осо­бенно многообразны области применения фенола, а именно: про­изводство синтетических смол, пластических масс, синтетического волокна, поверхностно-активных веществ, средств защиты расте­ний, лекарственных препаратов и др.

  В настоящее время основным промышленным методом получе­ния фенола является процесс окисления изопропилбензола в гидропероксид и разложение гидропероксида изолропилбензола на фе­нол и ацетон.

  Процесс производства фенола и ацетона включает три основные стадии:

а) алкилирование бензола пропиленом в изопропилбензол

 

С₆Н₆+СН₂=СНСН₃ С₆Н₅СН(СН₃)₂

 

б) окисление изопропилбензола в гидропероксид

 

С₆Н₅-С(СН₃)₂+О₂→С₆Н₅-С(СН₃)₂

     |                            |

    Н                          ООН    

  

в) разложение гидропероксида изопропилбензола в фенол и ацетон

 

С₆Н₅-С(СН₃)₂→С₆Н₅ОН+СН₃-С-СН₃

     |                                          ||

    ООН                                   О    

 

Цель работы

Изучение процессов окисления изопропилбензола в гидропероксид и разложения гидропероксида изопропилбензола в фенол и ацетон.

 

Окисление изопропилбензола в гидропероксид

 

В промышленности изопропилбензол окисляют в гидроперок­сид кислородом воздуха в тарельчатых колоннах непрерывного действия. Для устранения индукционного периода к изопропилбензолу, поступающему на окисление, добавляют до 1% гидроперок­сида и ведут окисление при 105—120°С и 0,4 МПа. Повышение температуры хотя и ускоряет процесс образования гидропероксида изопропилбензола, но одновременно приводит к усилению реакции его разложения, причем при температуре выше 120 °С реакция раз­ложения может принять взрывной характер. Время реакции под­бирают таким образом, чтобы глубина конверсии изопропилбензо­ла не превышала 30—35%. В этом случае селективность процесса по гидропероксиду достигает ≈ 90%.

Основными побочными продуктами процесса окисления явля­ются ацетофенон и диметилфенилкарбинол, которые образуются в результате дальнейших превращений гидропероксида изопропилбензола и гидропероксидного радикала:

Поскольку процесс окисления протекает по радикально-цепно­му механизму, то изопропилбензол, поступающий на окисление, должен быть свободен от соединений серы, ненасыщенных углево­дородов, фенола, стирола и других соединений, которые являются ингибиторами радикальных реакций.

Внимание! На всех стадиях получения и разложения гидропероксида изопропилбензола строго соблюдать правила работы с гидропероксидными соединениями, так как они легко взрываются.

 

Методика выполнения работы

 

Реактивы

Изопропилбензол 90,2 г (105 мл)

Гидропероксид изопропилбензола 2 г

Воздух или технический кислород (из баллона)

Уксусная кислота ледяная 200 мл

Иодид калия, 50%-ный водный раствор 50 мл

Тиосульфат натрия, 0,1 н. водный раствор 700 мл

Крахмал, водный раствор 40 мл

Изопропилбензол окисляют в гидропероксид на установке, схе­ма которой приведена на рисунке 13. Установка состоит из игольчато­го вентиля 1 для регулирования подачи сжатого воздуха, трубки 2 с активированным углем, трубки 3 сбезводным хлоридом кальция, реометра 4 для измерения скорости подачи воздуха, предохрани­тельной склянки 5, реактора 8, контактного термометра 9, обрат­ного холодильника 10, сепаратора 11, реле-регулятора 14 и авто­трансформатора 15. Перед началом опыта проверяют правильность сборки, герметичность всех соединений установки и надежность работы системы для поддержания в реакторе заданной темпера­туры.

Реактор изготовлен из термостойкого стекла (d =24 мм, h = 250 мм) и снабжен барботером 7 для подачи воздуха, отводной трубкой с краном 13 для отбора проб, электроспиралью 6 для на­грева реакционной массы.

В сухой чистый реактор наливают 100 мл 3%-ного изопропилбензольного раствора гидропероксида изопропилбензола (или 100 мл изопропилбензола), 0,03 г стеарата кобальта и 0,03 г гидроксида кальция. Подают воду в обратный холодильник и включают обогрев реактора. По достижении в реакторе заданной тем­пературы 115±0,5°С и стабилизации ее включают подачу возду­ха со скоростью 800 мл/мин. Момент включения подачи воздуха принимают за начало опыта.

В ходе опыта каждые 30 мин в колбы емкостью 100 мл с при­тертыми пробками, предварительно взвешенные на аналитических весах, отбирают две параллельные пробы по 1 мл для определе­ния концентрации гидропероксида изопропилбензола в реакцион­ной массе. Перед отбором проб отводную трубку с краном 13 продувают воздухом при помощи резиновой груши.

 

Рисунок 13 - Установка для окисления изопропилбензола в гидропероксид изопропилбензола:

1 - игольчатый вентиль; 2 — трубка с активированным углем; 3 — трубка с безводным хло­ридом кальция; 4 — реометр; 5 — предохранительная склянка; 6 — электроспираль; 7 — барботер; 8 — реактор; 9 — контактный термометр; 10 — обратный холодильник; 11 — сепаратор; 12 — трехходовой кран; 13 — кран; 14 — реле-регулятор; 15 — автотрансформатор.

 

Окисление изопропилбензола заканчивают по достижении кон­центрации гидропероксида в реакционной массе, ≈20% (масс.). Продолжительность опыта 3—4 ч. По окончании опыта выключают подачу воздуха, обогрев реактора и сразу отсоединяют линию воздуха от реактора для предотвращения засасывания в нее реакци­онной массы.

Реакционную массу после охлаждения выливают в предвари­тельно взвешенную колбу емкостью 150 мл, определяют массу, состав и составляют материальный баланс опыта.

Массу продуктов реакции G ₁  в пересчете на изопропилбензол вычисляют по формуле:

 

 

Общую массу G ₂ взятых на анализ проб (g _i) в пересчете на изопропилбензол вычисляют по формуле:

 

 

Потери изопропилбензола рассчитывают по формуле:

 

 

где М₁, M ₂ — молекулярные массы изопропилбензола и гидропероксида изопропил­бензола; g_i — масса i -той пробы, г; y_i — концентрация гидропероксида изопро­пилбензола в i -той пробе, % (масс.); п — число проб, взятых на анализ.

На основании полученных данных строят график зависимости: концентрация гидропероксида изопропилбензола (в % масс.) — продолжительность реакции (в мин); формулируют свои выводы о выполненной работе.

 

Контрольные вопросы

1. Применение фенола и ацетона в промышленности.

2. Стадии производства фенола и ацетона.

3. Формула по определению массы продуктов реакции.

4. Для чего в лабораторную установку включена трубка с безводным хло­ридом кальция?

 

Литература

1. Одабашян Г.В. Лабораторный практикум по химии ТООНХС. М., Химия, 1982, с. 111-119.

2. Воскресенский П.И. Техника лабораторных работ. 10-е изд. М.. Химия, 1973, 717 с.

 

 

Лабораторная работа №14