Реакция кислотного, или так называемого гетеролитического распада гидроперекисей, в отличие от гемолитического распада, до сравнительно недавнего времени не привлекала внимания исследователей. Толчком к изучению этой весьма интересной реакции послужило открытие и широкое распространение но­вого способа совместного получения фенола и ацетона через гидроперекись изопропилбензола.

П. Г. Сергеев, Р. Ю. Удрис и Б. Д. Кружалов, изучая в 1943 г. свойства впервые полученной ими гидроперекиси изо­пропилбензола, обнаружили, что данная гидроперекись в при­сутствии незначительных количеств серной кислоты практиче­ски количественно и с большой скоростью распадается на фенол и ацетон, выделяя при этом значительное количество тепла. Через год эта реакция была описана в литературе Хоком и Лан-гом [1]. В 1943—1946 гг. П. Г. Сергеев с сотрудниками детально изучил описанную реакцию, и несколько .позднее этот процесс был реализован в промышленном масштабе[2].

Первые сведения о возможности такого расщепления гидро­перекисей относятся к более раннему периоду (1931 г.), когда была опубликована работа Виланда и Мейера [3], посвященная изучению свойств гидроперекиси трифенилметана. Эти авторы впервые синтезировали гидроперекись трифенилметана и пы­тались получить ее бензоильное производное. Однако при взаи­модействии гидроперекиси с хлористым бензоилом неожиданно были получены фенол и бензофенон в эквимолекулярном соот­ношении:

(С₆Н₅)₃–COOH → (С₆Н₆)₃С=О + С₆Н₅ОН

Спустя 20 лет, в 1950 г., когда в СССР процесс получения фенола и ацетона через гидроперекись изопропилбензола уже был осуществлен в промышленности, появилась работа Караша с сотрудниками по изучению механизма реакции кислотного разложения гидроперекиси изопропилбензола.

Авторы отмечают, что реак­ция разложения чрезвычайно экзотермична и протекает с за­метной скоростью даже при –80 ^СС. Для того чтобы свести к минимуму нежелательные побочные процессы, разложение про­водилось в среде уксусной кислоты (в которой гидроперекись стабильна при комнатной температуре) в присутствии 0,1 мол. % хлорной кислоты. В этих условиях гидроперекись изопропилбензола количественно разлагалась на фенол и аце­тон.

Для объяснения этой реакции Караш предложил цепной механизм:

С₆Н₅(СН₃)₂СООН → [С₆Н₅(СН₃)₂СО]⁺ + (АОН)^—   (а)

[С₆Н₆(СН₃)₂СО]⁺   →  [С_вН₆-О-(СН₃)₂С]⁺                       (б)

С₆Н₅(СН₃)₂СООН + [С₆Н₅–О– (СН₃)₂С]⁺ →

→ [С_вН₆(СН₃)₂СО]⁺ + С₆Н₅ОН + (СН₃)₂СО               (в)

В описанной схеме «А» — сильная кислота по теории Льюи­са. В результате бимолекулярной реакции гидроперекиси с кислотой образуется осколок молекулы, несущий положитель­ный заряд на кислородном атоме, который перегруппировы­вается затем в катион, несущий положительный заряд на угле­родном атоме (ион карбония). Этот ион, взаимодействуя с молекулой гидроперекиси, превращается в фенол и ацетон, ре­генерируя кислородный катион, который в свою очередь пере­группировывается в ион карбония и т. д.

Тот факт, что только сильные кислоты могут быть причиной гетеролитического распада гидроперекиси изопропилбензола, авторы доказывают следующим образом. Хлористый водород, растворенный в уксусной кислоте, не является сильной кислотой и в этом случае не пригоден для разложения гидроперекиси, тогда как в других условиях следы хлористого водорода вызы­вают бурный ее распад на фенол и ацетон. С другой стороны, хлорное железо, которое в спиртовом растворе представляет собой слабую кислоту, в данных условиях не разлагает гидро­перекись. В то же время раствор хлорного железа в бензоле является сильной кислотой и быстро превращает гидроперекись изопропилбензола в фенол и ацетон. Аналогичные результаты были получены с другими растворителями (диоксан, бензол) и кислотами (растворы фтористого бора, хлористого алюминия, серная кислота). Это указывает на отсутствие специфического влияния растворителя или аниона.

Караш с сотрудниками наблюдали также, что присутствие в гидро­перекиси диметилфенилкарбинола вызывает в условиях кислот­ного разложения образование димера α-метилстирола наряду с заметно уменьшающимися количествами фенола и ацетона. Если в реакцию вступали относительно большие количества этого карбинола (2 – 3 моль на 1 моль гидроперекиси), обра­зование фенола и ацетона полностью прекращалось; основными продуктами при этом были димер а-метилстирола и перекись водорода.

На основании описанного эксперимента Караш. сделал вы­вод о том, что разложение гидроперекиси изопропилбензола может по существу измениться в присутствии вещества, способ­ного конкурировать с гидроперекисью по отношению к кисло­те «А». В данном случае, очевидно, диметилфенилкарбинол является более сильным основанием, чем гидроперекись изо­пропилбензола; следовательно, реакция (а) не может проте­кать.

Сравнительно недавно Хоку с сотрудниками удалось синтезировать бензоильное производное гидроперекиси изопропилбензола, ко­торое безуспешно пытались получить Виланд и Мейер для гид­роперекиси трифенилметана. Детально изучив механизм пре­вращений гидроперекиси изопропилбензола, Хок предложил схему распада, в основе которой лежит перегруппировка иона оксония в ион карбония.

При рассмотрении реакции кислотного разложения гидро­перекиси изопропилбензола с точки зрения, механизма, пред­ложенного Карашем, становится очевидной аналогия с бекмановской перегруппировкой:

Несмотря на то, что схема, предложенная Карашем, наибо­лее полно объясняет процесс кислотного разложения гидропере­кисей, следует отметить, что точный механизм первичного гетеролитического распада гидроперекисей в деталях не из­вестен и трудно сказать что-либо определенное относительно продолжительности существования предполагаемого кислород­ного катиона и того, является ли он в действительности «сво­бодным».

Таким образом можно сделать вывод о том, что процесс кислотного разложения гидроперекиси изопропилбензола является оптимальным процессом получения ацетона.

Рассмотрим технические решения по созданию данного производства.

4.2 Определение технологической топологии ХТС

Вследствие того, что реакция кислотного разложения гидро­перекиси изопропилбензола нашла большое практическое при­менение в производстве фенола и ацетона, в научно-технической литературе с каждым годом появляются новые сообщения отно­сительно различных способов осуществления данного процесса. В основном вся литература по этому вопросу представлена в виде патентов или коротких сообщений рекламного характера. В то же время опубликовано очень мало сведений о конкретном аппаратурно-технологическом оформлении процесса кислотного разложения гидроперекиси на действующих или проектируемых промышленных установках.

В большинстве случаев в качестве катализатора рекомен­дуют серную кислоту, концентрированную или разбавлен­ную. При этом, как правило, концентрированная кислота применяется в каталитических количествах (0,1—2% от веса гидроперекиси), а разбавленная кислота берется в большом избытке. В ряде патентов предлагают вместо серной кислоты использовать хлорную и фосфорную кислоты, органические сульфокислоты, сульфированную феноло-формальдегидную смо­лу. Рекомендуют проводить разложение гидроперекиси изо­пропилбензола сернистым ангидридом в аппарате пленочного типа. Сообщают о возможности разложения гидроперекиси сульфидами щелочных или щелочноземельных металлов и их смесей, а также в присутствии таких катализаторов, как фос­фор, сера, селен и мышьяк при 108—110 °С в вакууме. В качестве катализаторов для разложения концентрированной или разбавленной гидроперекиси предлагают безводные сульфаты меди, кальция, бериллия, магния, стронция и бария. Разло­жение гидроперекиси можно также осуществить на пористом материале, пропитанном серной кислотой, с помощью катали­заторов алкилирования (А1С1₃, FеС1₃, активные глины) или на ионообменных смолах. Несмотря на множество предложен­ных катализаторов, в промышленности России и за рубежом применяют только серную кислоту, и нет никаких сведений о использовании других катализаторов.

Вследствие большого теплового эффекта реакции разложения гидроперекиси на фенол и ацетон (2×10³ кДж/кг =  486 ккал/кг) необходимо отводить выделяющееся тепло в качестве среды, воспринимающей тепло, применяют изопропилбензол, фенол, ацетон или серную кислоту.

В значительной части патентов указывается на возможность кислотного разложения неконцентрированной гидроперекиси изопропилбензола в том виде, в каком она получается сразу после окисления, т. е. состоящей примерно из 25% гидропере­киси и 70—75% изопропилбензола. Разложение такой гидро­перекиси обычно осуществляют с помощью относительно боль­шого количества разбавленной серной кислоты — в гетерогенной среде. Конструкция реактора не описывается, однако указано, что смесь в реакторе должна интенсивно перемеши­ваться для обеспечения необходимой скорости реакции. Эмуль­сия, образовавшаяся в реакторе, поступает в сепаратор, где происходит разделение фаз. Верхний, органический слой на­правляют сначала на нейтрализацию, затем на ректификацию для выделения индивидуальных продуктов, а слой отработанной серной кислоты вновь возвращают в реактор.

Для такого гетерогенного процесса рекомендуют применять 10—75%-ную серную кислоту. Выбор необходимой концентра­ции серной кислоты зависит от температуры реакции. Так, для того чтобы обеспечить достаточную скорость реакции при 50—60 °С, необходима 60—70%-ная серная кислота. В одном из патентов предлагают проводить процесс с использованием 44%-ной серной кислоты.

В первоначальном варианте гетерогенного метода разло­жения разбавленная (10%-ная) серная кислота и гидропере­кись энергично смешивались в реакторе. Затем после отстаи­вания и разделения органический и водный слои подвергали раздельной обработке для выделения целевых продуктов. Не­достатки этого метода: влияние эффективности перемешивания на скорость реакции, корродирующее действие разбавленной серной кислоты, сложность системы выделения целевых продук­тов, вызванная тем, что фенол и ацетон растворимы в органи­ческих и неорганических фазах. Серьезным недостатком являет­ся также необходимость удаления большого количества сточных вод, содержащих фенол. Гетерогенный процесс кислотного раз­ложения гидроперекиси изопропилбензола, по имеющимся сведениям, был реализован в промышленности только на первом зарубежном заводе по производству фенола и ацетона, введенном в действие в Монреале (Канада) в 1953 г.

В дальнейшем все большее применение стал находить гомо­генный процесс кислотного разложения, заключающийся в том, что кислота применяется в таких небольших количествах, кото­рые полностью растворимы в реакционной смеси и не образуют второго слоя.

Так, в кратком описании завода по производству фенола и ацетона в Пон-де-Кле (Франция) указывается, что гидропере­кись выделяется в концентрированном виде путем вакуум-рек­тификации продуктов, полученных в результате окисления изо-протшлбензола. Здесь же сообщается, что при современном состоянии техники такой метод концентрирования гидропере­киси не вызывает затруднений. Разложению на фенол и ацетон подвергается уже концентрированная гидроперекись. В сообщении о пуске в начале 1960 г. завода по получению фенола и ацетона в Гренжмаутсе (Англия) говорится, что концентрированная гидропере­кись разлагается на фенол и ацетон в присутствии серной кис­лоты. Процесс разложения протекает настолько быстро, что в любой момент количество гидроперекиси в реакторе незначи­тельно.

Для осуществления реакции разложения в гомогенной среде было разработано несколько методов, согласно которым один из основных продуктов реакции возвращают в аппарат на раз­ложение в количестве, достаточном для гомогенизации реак­ционной массы.

Применение фенола в качестве гомогенизатора было осу­ществлено рядом французских производителей. В данных процессах в реакторе создается пленка из фенола. Для этого гидроперекись изопропилбензола, серную кислоту, а также дополнительное количество фенола подают в реактор непрерывно.

Концентрация кислоты составляет 30—75%, а количество ее — около 1—5% от веса гидроперекиси. Реакцию можно про­водить при 50 °С и скорость подачи сырья регулировать таким образом, чтобы содержание гидроперекиси изопропилбензола в смеси не превышало 0,5%.

Реакционная смесь непрерывно поступает во второй реак­тор, в котором также поддерживается температура 50 °С и где реакция заканчивается. Смесь, выходящая из этого реактора, содержит менее 0,1% гидроперекиси и подается в третий реак­тор, в котором кислоту нейтрализуют каустиком до щелочной реакции по метилроту. Нейтрализованная смесь отстаивается от небольшого водного слоя, содержащего главным образом сульфат натрия. Органический слой перегоняют в трех колон­нах. В первой из них, работающей при атмосферном давлении, в виде дистиллята отгоняется ацетон, во второй — α-метилстирол и в третьей — фенол путем перегонки в вакууме. Выход фенола составляет 94—96%, ацетона — 95% в пересчете на гид­роперекись изопропилбензола.

Метод использования ацетона в качестве гомогенизатора был разработан фирмами «Hercules Powder Company» (США) и «Distillers Company Limited» (Англия). Этот метод приме­няется в промышленности. Разложение гидроперекиси проводят в гомогенной среде, состоящей из ацетона и концентрированной (95—96%-ной) серной кислоты, которая вводится в виде 1%-ного раствора в ацетон. Реакционная среда не должна со­держать больших количеств воды, так как при этом происхо­дит расслаивание. Желательно, чтобы воды было менее 2%, а для достижения оптимальных результатов вода должна пол­ностью отсутствовать.

Гидроперекись изопропилбензола может быть применена как концентрированная, так и в виде сырой реакционной смеси, полученной окислением изопропилбензола. Преимущественно используют концентрированную (75—88%-ную) гидроперекись. Хотя количество серной кислоты можно изменять в широких пределах, оптимальной является добавка 0,8 вес. % Н₂PО₄ (считая на серный ангидрид).

Регулирование температуры осуществляется путем дефлег­мации ацетона. Гидроперекись изопропилбензола и дополни­тельное количество ацетона вводят в реактор, в котором на­ходится смесь, гомогенизированная ацетоном. В патенте при­водится пример непрерывного разложения гидроперекиси изо­пропилбензола в ацетоне. Реакционный сосуд, в котором осу­ществлялось разложение, был снабжен термометром, механи­ческой мешалкой, холодильником и штуцерами для ввода гидро­перекиси, раствора серной кислоты в ацетоне и для вывода разложенной реакционной смеси. Штуцер для вывода смеси находился сбоку, на высоте, равной одной трети общей высоты реактора. До начала опыта реактор заполняли раствором, со­стоявшим из ацетона и 1 вес. % -(в пересчете на ацетон) кон­центрированной серной кислоты. Затем вводили до уровня сли­ва из реактора гидроперекись изопропилбензола. С этого момента из сосуда вытекала реакционная смесь, а из холодиль­ника возвращался -ацетон, который смешивался с добавляемой в количестве 1 % (из расчета на вводимую гидроперекись) сер­ной кислотой и поступал обратно в реактор. Полученная смесь отбиралась в том же объеме, в каком вводилась гидроперекись. Таким образом было разложено 3516 вес. частей 80,5%-ной гидроперекиси изопропилбензола. В минуту подавалось 17,2 вес. части гидроперекиси. Температура смеси в реакторе составляла 90 °С, а время контактирования — 29 мин. Вытекающий из реак­тора продукт содержал 0,5% гидроперекиси. При разгонке реакционной смеси было получено 1510 вес. частей твердого фенола, что соответствовало выходу 86% от теоретического.

Фирма «Bergwerkgeselschaft Hibernia AG» рекомендует проводить процесс разложения гидроперекиси изопропилбензола в центробежном насосе с использованием в качестве тепло­носителя серной кислоты при температуре около 30°С, причем отношение объема раствора гидроперекиси к кислоте составляет 1 : 14—20. Благодаря высокой степени перемешивания реакцион­ной смеси в насосе гидроперекись полностью разлагается, хотя смесь остается в насосе только короткое время. Размешивание можно интенсифицировать применением ультразвука, благодаря которому повышается также скорость реакции. В патенте ука­зывается, что при таком способе разложения не образуется по­бочных продуктов. Серная кислота, используемая в процессе, одновременно служит для поддержания температуры реакции в пределах 28—38°С. Продукты разложения гидроперекиси отличаются высокой степенью чистоты, что является важным условием для их выделения в чистом виде. Ниже приводится описание схемы предлагаемого патентом процесса (рис. 3).

Сборник 9 заполняют смесью, состоящей из 50% серной кис­лоты и 50% ацетона; смесь готовят прибавлением ацетона к серной кислоте до тех пор, пока плотность смеси не станет рав­ной 1,325 г/см³ при 15°С. Температура смеси, прокачиваемой через систему, поддерживается в пределах 20 °С при помощи холодильной установки 1. Гидроперекись изопропилбензола из сборника 3 подают через холодильник 2 в реактор, представ­ляющий собой центробежный насос 5, в котором смесь допол­нительно может быть перемешана путем применения ультра­звука. Насос имеет емкость около 5 л и вращается со скоростью 1400 об/мин. За 1 ч через насос проходит 30 м³ реакционной жидкости. Рекомендуемое объемное соотношение серной кисло­ты и гидроперекиси 14: 1. Смесь из насоса 5 поступает в холо­дильник 4, где отводится тепло реакции. Охлажденная смесь поступает в сосуд 6, снабженный мешалкой и охлаждающим устройством. После дополнительного перемешивания и охлаж­дения в сосуде 6 смесь направляют в первый разделитель 7, откуда отделившаяся серная кислота стекает через холодиль­ник 8 в сборник 9. Углеводородный слой из сосуда 7 поступает во второй разделитель 10 для окончательного отделения остат­ков серной кислоты. Свободный от кислоты углеводородный слой подают из сосуда 10 в нейтрализатор 11, а оттуда — на ректификацию для выделения целевых продуктов. Указывают, что по этому методу получают с высокими выходами очень чистые фенолы и кетоны. В качестве иллюстрации приводится следующий пример. Был взят продукт окисления, содержащий 41% гидроперекиси изопропилбензола. При количественном разложении в реакционной смесидолжно было бы содержаться 23,8% фенола и 15,7 % ацетона. Фактически смесь состояла из 23,8 % фенола и 15,2 %, т. е. выход фенола составил 94% и ацетона 97% от теоретического (считая на гидроперекись бензоила).

Рис. 3. Принципиальная схема процесса кислотного разложения гидроперекиси изопропилбензола с центробежным насосом в ка­честве реактора:

1—холодильная установка; 2, 4, 8—холодильники; 3—сборник концентрированной гидроперекиси; 5— центробежный насос-реактор; 6—аппарат с мешалкой; 7, 10— разделительные сосуды; 9—сборник смеси серной кислоты и ацетона; 11—ней­трализатор.

С целью уменьшения количества побочных продуктов, об­разующихся при совместном получении фенола и ацетона, по­явились предложения о проведении кислотного разложения гидроперекиси изопропилбензола в присутствии перекиси водо­рода. Сущность этих предложений заключается в том, что присутствующий в качестве примеси в технической гидропере­киси диметилфенилкарбинол образует с перекисью водорода гидроперекись, которая вместе с основным количеством гидро­перекиси разлагается на фенол и ацетон. Возможность такого превращения диметилфенилкарбинола в фенол и ацетон впер­вые была показана Карашем с сотр. в 1950 г.

Росс и Хуттель показали, что диметилфенилкарбинол, со­держащийся в технической гидроперекиси изопропилбензола, путем обработки последней перекисью водорода в присутствии серной кислоты при низкой температуре (5—10 °С) можно превратить в гидроперекись. Однако при таком способе разложе­ния технической гидроперекиси изопропилбензола возможно образование димерной перекиси ацетона, являющейся сильным взрывчатым веществом. Кроме того, вследствие сравнительно больших расходов относительно дорогой (по сравнению с де­шевым фенолом, получаемым по кумольному методу) перекиси водорода указанный способ вряд ли может представлять про­мышленный интерес.

4.3 Установление технологических и конструкционных параметров ХТС, технологических параметров режима и потоков

Реакция кислотного разложения гидроперекиси изопропил­бензола на фенол и ацетон очень экзотермична: средний теп­ловой эффект процесса составляет ~ 308×10³ кДж/кмоль ( ~ 74 ккал/моль) или 2080 кДж/кг гидроперекиси ( ~ 486 ккал/кг гидроперекиси). Энергия активации, найденная для технической гидроперекиси, E = 75420 кДж/моль (18 000 кал/моль).

Скорость реакции разложения сильно меняется в зависи­мости от количества и концентрации кислоты. В случае при­менения 10%-ного раствора серной кислоты для полного раз­ложения гидроперекиси требуется около 1 ч, тогда как в присутствии 1%-ного раствора кислоты — 5 ч, а при примене­нии 94—96%-ной серной кислоты в количестве 0,1% от веса гидроперекиси — менее одной минуты.

Сообщают, что при подаче газообразного сернистого анги­дрида в сосуд, содержащий несколько граммов чистой гидро­перекиси изопропилбензола, происходил взрыв. Даже при очень низких температурах сернистый ангидрид все еще сохраняет свою активность. При добавлении гидроперекиси по каплям к жидкому SО₃ при —55 °С через некоторое время происходил сильный взрыв вследствие недостаточного отвода тепла из реакционной массы.

Кинетика реакции кислотного разложения гидроперекиси изопропилбензола была исследована П. Г. Сергеевым, М. С. Немцовым и Б. Д. Кружаловым, которые установили, что скорость реакции находится в сложной зависимости от концен­трации кислоты три ее значениях меньше 0,01%. При Концен­трациях кислоты выше 0,01% константа скорости пропорцио­нальна содержанию кислоты. Скорость реакции разложения увеличивается также с ростом температуры.

При кислотном разложении гидроперекиси изопропилбензо­ла очень важно поддерживать определенный температурный режим, так как при увеличении температуры выше определен­ного предела выход фенола и ацетона снижается. Существенным является также протекание вторичных реакций при кислотном разложении гидроперекиси. Очевидно, что для понижения вы­хода побочных продуктов необходимо снижать концентрации фенола и диметилфенилкарбинола в смеси, а также уменьшать время их пребывания в присутствии серной кислоты в реак­ционной зоне.

Перечисленные особенности кислотного разложения гидро­перекиси и определяют технологическое оформление этого процесса.

Разложение проводят при низких начальных концентрациях гидроперекиси в реакционной смеси таким образом, чтобы обе­спечивался полный распад гидроперекиси за один проход. При высоких концентрациях гидроперекиси незначительное колеба­ние режима может вызвать неконтролируемое спонтанное раз­ложение ее с выделением такого количества тепла, которое нельзя отвести в системе охлаждения реактора; это может при­вести к взрыву вследствие мгновенного испарения реакционной смеси. При неполном разложении за один проход гидропере­кись будет распадаться на следующих стадиях процесса, что вызывает ее потери за счет термического распада и нежела­тельно по соображениям техники безопасности. Высокая экзотермичность реакции обусловливает необходимость создания эффективной системы отвода тепла.

Практически процесс можно осуществлять как в адиабати­ческих, так и изотермических условиях. Оформление процесса в адиабатическом реакторе сводится к следующему. По реак­ционной системе, состоящей из реактора и холодильника, цир­кулирует какой-либо разбавитель, к которому перед входом в аппарат добавляют серную кислоту и гидроперекись изопропил­бензола. За счет тепла реакции смесь нагревается от начальной температуры t₁ до заданной предельной температуры t₂. Оче­видно, что степень тепловыделения и нагрева реакционной смеси определяется количеством гидроперекиси, вводимой на единицу веса жидкости, циркулирующей в системе.

Смесь из реактора поступает в холодильник, где охлаж­дается до начальной температуры t₂ после чего часть ее, соот­ветствующая количеству гидроперекиси, поданной на разложе­ние, выводится из системы, а оставшаяся часть возвращается на циркуляцию. Как уже говорилось, в качестве реакционной среды может быть использована либо разбавленная серная кислота, легко отстаивающаяся от продуктов разложения гид­роперекиси и возвращаемая в производственный цикл, либо собственно смесь продуктов разложения гидроперекиси.

4.4 Модели рассматриваемой ХТС

Химическая схема

Кислотное разложение гидроперекиси изопропилбензола протекает по следующей схеме:

4.5 Функциональная модель ХТС

* - Гидроперекись и серная кислота в соотношении 1 : 14.

** - Фенол и ацетон.

4.6 Структурная модель ХТС

1. Холодильник

2. Центробежный насос

3. Холодильник

4. Аппарат с мешалкой

5. Разделитель

6. Холодильник

7. Разделитель

8. Нейтрализатор.

4.8 Технологическая модель ХТС

1, 3, 7 — холодильники; 2 — сборник концентрированной гидроперекиси; 4 — центробежный насос-реактор; 5 — аппарат с мешалкой; 6, 9 — разделительные сосуды; 8 — сборник смеси серной кислоты и ацетона; 10 — ней­трализатор.