Условия нуклеофильного замещения сульфогруппы гидроксид-ионом малоблагоприятны: вследствие ионизации сульфогруппы понижена электронная плотность в реакционном центре, и необходимо взаимодействие двух отрицательных ионов АгSОз - и.НО-; в итоге реакция характеризуется высокой энергией активации (140—200 кДж/моль) и протекает при высоких температурах (до 300—380o С).

В промышленности тонкого органического синтеза реализованы два вида щелочного плавления — открытая плавка и закрытая плавка, различающиеся по условиям проведения процесса и аппаратурному оформлению. Выбор вида (способа) щелочной плавки определяется реакционной способностью исходной ароматической сульфокислоты (подвижности сульфогруппы) и возможностью протекания побочных реакций.

Открытая плавка проводится для моносульфокислот в ряду бензола и нафталина при температурах 300—350°С и концентрации щелочи 80—85%. Основной аппарат (плавильный котел) имеет связь с атмосферой, что и определило название этого вида щелочного плавления. В плавильном котле могут происходить предварительное упаривание щелочного агента до достижения его регламентированной концентрации и отгонка воды при температуре выдержки. Жесткие условия открытой плавки определяют выбор материала плавильных котлов (чугун и сталь с обязательными добавками никеля для увеличения устойчивости к концентрированной щелочи и хрома — для повышения стойкости к перепадам температур) и периодическую организацию процесса. Срок службы плавильного котла при открытой плавке составляет 2—3 года.

Высокая температура реакционной массы при щелочном плавлении, достаточно большие потери тепла при отгонке воды и теплоизлучении с поверхности аппарата даже при положительных значениях теплового эффекта процесса требуют только подвода тепла, что при открытой плавке может быть достигнуто обогревом топочными газами, парами ВОТ, электрообогревом.

Одним из существенных факторов, влияющих на ход процесса и качество конечного продукта, является качество исходных солей сульфокислот и щелочей. Они должны быть по возможности свободны от примесей минеральных солей, так как последние при плавке не растворяются в расплавленной (концентрированной) щелочи, приводят к комкованию реакционной массы, что препятствует перемешиванию и способствует местным перегревам и пригоранию к стенкам плавильного котла. Полностью должно быть исключено присутствие в щелочи хлоратов, взаимодействие которых с продуктами может привести к взрыву. Этим требованиям отвечает плавленый гидроксид натрия, который поставляется на предприятия в стальных барабанах [40— 42%-й раствор едкого натра (едкий каустик) со стадии электролиза хлорида натрия может содержать минеральные примеси, и его лучше использовать при проведении закрытой щелочной плавки].

Скорость щелочного плавления чувствительна к концентрации щелочи, поэтому для каждого процесса регламентируется избыток щелочного агента (загрузка составляет 2,1—3,0 моль на 1 моль моносульфокислоты). Вторым регламентным показателем является содержание щелочи в плаве в конце процесса, что используется при аналитическом контроле. Избыток щелочи и температура выдержки при f плавке взаимосвязаны. Например, плавка натриевой соли бензолсульфокислоты дает 95%-й выход фенолята натрия при 30-минутной выдержке и температуре 320° С с применением 55%-го избытка гидрок-сида натрия. Повышение температуры до 350° С позволяет закончить плавку при выдержке в течение 15 мин и применении только 5—10%-го избытка щелочи.

Консистенция реакционной массы в плавильных котлах может изменяться от достаточно подвижной жидкости (при плавке в производстве фенола и крезолов) до густой вязкой массы (при плавке в производстве 2-нафтола) и малоподвижной тестообразной массы (при производстве И- и гамма-кислот). В первом случае для перемешивания используют пропеллерные мешалки, делающие 100—150 об/ мин. В густых плавках главной опасностью является налипание на стенки аппарата слоя реакционной массы, что предотвращается при перемешивании якорными мешалками, которые при вращении (40—60 об/мин) почти касаются стенок котла (зазор между аппаратом и мешалкой 2—3 мм).

Закрытая щелочная плавка отличается от открытой более мягкими условиями по температуре и концентрации применяемой щелочи. В ряде случаев необходимая температура превышает температуру кипения раствора исходной щелочи или реакционного раствора при атмосферном давлении, поэтому процесс проводят под давлением до 2,5 МПа в автоклавах.

При наличии избыточного давления (в производстве С-, СС-, Аш-и азуриновой кислот), щелочное плавление проводится в автоклавах, изготовленных из стали и защищенных от щелочной коррозии чугунными вкладышами (подробно конструкция автоклавов и их узлов рассмотрена в разд. 6.10). Перемешивание осуществляется лопастными или рамными мешалками; для достижения температур выдержки применяют обогрев водяным паром или паром ВОТ, подаваемыми в рубашку или в змеевик, и обогрев топочными газами.

Открытая щелочная плавка имеет следующие преимущества перед закрытой: большая производительность вследствие высокой концентрации ингредиентов; применение оборудования, работающего без избыточного давления; возможность выделения сульфита натрия после гашения плава. К недостаткам относятся: большие энергозатраты; возможность окисления продукта реакции при контакте с воздухом; пригорание малоподвижных реакционных масс вследствие высокой температуры. Для предотвращения окисления плав защищают от контакта с воздухом созданием над ним паровой подушки. При проведении закрытой плавки эти нежелательные возможные осложнения процесса практически исключаются, но производительность плавки меньше, и в ряде случаев применяют оборудование, работающее под избыточным давлением.

Интересным процессом открытой плавки является «сухая» плавка в производстве резорцина, для которой используют свободные от воды динатриевую соль бензол-1,3-дисульфокислоты и чешуированный гидроксид натрия. Процесс имеет две характерные особенности: изменение температуры (300—380°С) во времени и изменение состояния (консистенции) реакционной массы, — что определяет его аппаратурное оформление.

В начале процесса исходная смесь ингредиентов достаточно подвижна. При температуре около 300°С происходит замещение первой сульфогруппы, выделяющаяся вода благодаря гигроскопичности гидроксида натрия остается временно в реакционной смеси, которая приобретает тестообразную консистенцию. По мере увеличения температуры вода удаляется, и необходимым становится измельчение образующихся твердых кусков до порошкообразного состояния.

2.3.1 Щелочное плавление β–соли

Щелочное плавление β - соли ведут в закрытом чугунном котле 6 с якорной мешалкой. Емкость котла 2500 – 5000 л в зависимости от масштабов производства. На 2,3 моль едкого натра (в виде 87-88 %-го расплава) равномерно и непрерывно загружают I моль β - соли (в виде 81-85 %-й пасты) при 300-310 °С. По окончании загрузки быстро нагревают реакционную массу до 325-335 °С и дают кратковременную выдержку при этой температуре. В процессе плавления поверхность плава защищают от действия воздуха паровой подушкой.

После плавления в реакционной массе содержится около 3 % свободного едкого натра, около 40 % β-нафтолята (считая на 2-нафтол), около 35 % сульфита натрия и 1-2 % непрореагировавшей β - соли.

Едкий натр в процессе щелочного плавления β - соли можно применять как в твердом состоянии, так и в виде 42 или 70-73 %-го раствора. В приведенной схеме применяется 42 % - й раствор NaOH. Из сборника 1 раствор подают через мерник 2 в выпарной котел 3. После упаривания щелочи до концентрации 80-85 % плав погружным насосом перекачивают в плавильный котел 6. В случае применения 70-73 %-го раствора щелочи его можно упаривать непосредственно в плавильном котле.

После реакции готовый плав немедленно переводят в гаситель 7, куда предварительно заливают воду или первую промывную воду после промывки 2-нафтола. Плав разбавляют примерно в 3 раза, чтобы в раствор перешли и нафтолят и сульфит натрия. Этим различается "решение" нафтолятного и фенольного плава. (Приложение А).