Способ получения водного раствора уксусной кислоты
Изобретение относится к органической химии, в частности к получению водного раствора уксусной кислоты. Способ включает следующие операции. Наполняют водой емкость с исходным сырьем в количестве, необходимом для получения полугидрата уксусной кислоты, затем в другую емкость соответственно ее объему заливают воду в таком количестве, чтобы из полученного в первой емкости полугидрата получился раствор 72-80%-ной уксусной кислоты. Скачивают полугидрат из первой емкости во вторую в таком количестве, чтобы получился 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. 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. Технический результат - снижение пожароопасности технологического процесса и уменьшение концентрации паров уксусной кислоты в воздухе рабочей зоны. 2 табл., 1 ил.
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, °С нижний верхний | Heт Нет | 64,2 84.3 | Нет-76 Нет-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.
