Технологические и экономические аспекты производства диметилового эфира терефталевой кислоты

Технологические и экономические аспекты производства диметилового эфира терефталевой кислоты

Министерство Общего и профессионального образования Российской федерации

Ярославский Государственный Технический Университет

КАФЕДРА "ХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ"

Реферат

защищена с оценкой

___________________

Руководитель

к.х.н., доцент:

Григоричев А. К.

__________________

Курсовая работа по дисциплине "ХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ".

Технологические и экономические аспекты получения диметилового эфира

терефталевой кислоты.

Работу выполнила

студентка группы

ЭХМ-40

Тарасова

Ю.В._________

12.01.98.

ЯРОСЛАВЛЬ 1998 г.

Реферат.

27 с., 9 табл., 4 рис., 10 библ.

ДИМЕТИЛОВЫЙ ЭФИР ТЕРЕФТАЛЕВОЙ КИСЛОТЫ, ДИМЕТИЛТЕРЕФТАЛАТ, ТЕРЕФТАЛЕВАЯ

КИСЛОТА, СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА, ПАРАКСИЛОЛ, РЕКТИФИКАЦИЯ, ЦЕЛЕВОЙ ПРОДУКТ,

ПОБОЧНЫЕ ПРОДУКТЫ, СЕБЕСТОИМОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА, ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА.

В работе производится анализ литературных данных о различных способах

производства диметилового эфира терефталевой кислоты различными способами в

России и зарубежом. Диметилтерефталат используется как мономер для

производства полиэфирных волокон, пленок, формующихся пластмасс и других

полиэфирных материалов. Наиболее часто в промышленности используют

различные методы получения терефталевой кислоты и ее этерификации в

диметилтерефталат. В реферате приводятся технологические схемы производства

диметилового эфира терефталевой кислоты и себестоимость производства одной

тонны целевого продукта различными способами. Перспективы развития

промышленного производства диметилтерефталата приведены в работе также.

Содержание.

Список сокращений. 4

Ведение 5

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТОДАХ ПРОИЗВОДСТВА ДИМЕТИЛОВОГО ЭФИРА ТЕРЕФТАЛЕВОЙ

КИСЛОТЫ. 7

2. Сравнительные характеристики промышленных методов производства

диметилтерефталата. 9

3. Способы производства диметалтерефталата. 10

3.1 СПОСОБ ФИРМЫ «DUNAMIT NOBEL» (Германия) 10

3.2 СПОСОБ ФИРМЫ «MITSUI PETROCHEMICAL» (ЯПОНИЯ) 12

3.3. СПОСОБ ФИРМЫ «EASTMAN KODAK» (США). 12

3.4. СПОСОБ ФИРМЫ «WITTEN» (Германия) 13

3.5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА ДИМЕТИЛОВОГО ЭФИРА ТЕРЕФТАЛЕВОЙ

КИСЛОТЫ В РОССИИ ПО СПОСОБУ ФИРМЫ «WITTEN». 14

4. Экономика производства. 15

5. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЗАТРАТ В ПРОИЗВОДСТВЕ. 15

5.1. Анализ промышленных методов производства диметилового эфира

терефталевой кислоты. 20

6. Методы утилизации побочных продуктов. 22

7. Технические требования к готовому продукту. 22

8. Области применения продукта. 22

9. Развитие производства сырья. 22

10. Структура капитальных вложений. 23

11. Технико-экономические показатели производства диметилтерефталата в

России. 23

12. Оптовые цены. 23

13. Экологическая перспектива. 23

14. Возможности замены продукта другими материалами. 24

15. Экспертный прогноз 24

Заключение. 27

Список использованной литературы. 29

Список сокращений.

1.ДМТ - диметиловый эфир терефталевой кислоты.

2. ТФК - терефталевая кислота.

3. ДМИ - диметиловый эфир изофталевой кислоты.

4. п-ТК - паратолуиловая кислота.

Ведение

Название продукта: диметилтерефталат.

Синонимы названия: диметиловый эфир терефталевой кислоты.

Молекулярный вес:194.19 г/моль;

Формула: C6H4(COOCH3)2

[pic]

Физико-химические свойства

Внешний вид: бесцветные кристаллы призматической формы

tпл=140-1410С, d(200C)=163, хорошо растворяется в горячей воде,

растворяется в спирте, эфире, бензоле, ацетоне.[1]

Диметиловый эфир терефталевой кислоты является одним из важнейших

химических продуктов, используемых для производства полиэфирных волокон,

полиоксадиазолов, полибензимидазолов, алкидных смол и пластификаторов.

Полиэфирные волокна находят все большее применение в технике и в быту.

Сравнительно высокий модуль наряду с большой прочностью, относительно

высокой термостойкостью, а также высокие диэлектрические характеристики

позволяют применять полиэфирные материалы для производства шинного корда,

транспортерных лент, приводных ремней, парусов, пожарных рукавов,

электроизоляционных и других материалов.

Благодаря высокой устойчивости к сминанию и способности сохранять

форму, хорошему внешнему виду и достаточно низкой стоимости полиэфирные

волокна в чистом виде или в смеси с другими волокнами используют для

изготовления широкого ассортимента товаров народного потребления: платяной

и костюмной тканей, верхнего трикотажа, занавесей, постельного белья,

изделий из искусственной замши и искусственного меха.

Приведенные выше свойства полиэфирных волокон обусловили наиболее

крупнотоннажное производство по сравнению с производством волокон других

видов.

Важнейшими мономерами для производства полиэфирных волокон являются

ТФК и ДМТ. Одновременно они являются конкурентами за право считаться

основным исходным мономером.

До середины восьмидесятых годов производство диметилтерефталата было

намного больше, чем производство терефталевой кислоты. Но в последнее

десятилетие были разработаны способы получения ТФК высокой частоты, поэтому

сейчас производство обоих материалов находится на довольно высоком уровне.

Промышленные методы производства ДМТ, их экономические и

технологические аспекты, их преимущества и недостатки рассматриваются в

данной курсовой работе.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТОДАХ ПРОИЗВОДСТВА ДИМЕТИЛОВОГО ЭФИРА ТЕРЕФТАЛЕВОЙ

КИСЛОТЫ.

Первые заводы по производству ДМТ появились в 1954 г., и вплоть до

1963 г. диметилтерефталат являлся практически единственным мономером,

используемым для получения полиэфирных волокон. Это было обусловлено тем,

что процессы производства, разработанные до 1963 г., не позволяли получать

ТФК мономерной степени чистоты. Поэтому из нее вырабатывали ДМТ, который

благодаря своей сравнительно низкой температуре кипения легко подвергается

очистке методом дистилляции и кристаллизации. В дальнейшем ДМТ путем

переэтерификации превращали в полиэтилентерефталат и использовали для

получения полиэфирных материалов.

В настоящее время разработаны процессы, позволяющие получать ТФК

высокой степени чистоты; однако наряду с увеличением производства ТФК

возрастает и производство ДМТ. Тенденция к развитию производства ДМТ

наблюдается, несмотря на то что оно усложнено стадиями этерификации кислот

и регенерации метанола, а также несмотря на то, что на производство 1 т

полиэтилентерефталата требуется 0,87 т ТФК или 1,01 т ДМТ. Это объясняется

следующим. Получение ТФК мономерной степени чистоты осложнено

использованием в технологии ее производства сильноагрессивных веществ -

уксусной кислоты и брома, для которых требуется специальное аппаратурное

оформление - применение титана и специальных сталей, а также необходимостью

использования дорогостоящих методов очистки.

Кроме того, полиэтилентерефталат, полученный на основе ТФК, не всегда

может быть использован для производства высококачественных полиэфирных

волокон, а полученный методом переэтерификации ДМТ легко перерабатывается в

волокно, пленки, формующиеся пластмассы и другие материалы. В то же время

для производства ДМТ не требуются специальные коррозионно-стойкие

конструкционные материалы и сложное аппаратурное оформление. Поэтому многие

фирмы предпочитают получать волокно на основе ДМТ [2, 3].

Существует несколько видов технологических схем получения ДМТ. В

основном они различаются по способам получения ТФК, которые целиком

определяются сырьевыми возможностями той или иной страны. Многие из этих

способов используют в промышленности для получения собственно ТФК и для

перевода ее этерификацией в диметиловый эфир. Качество ТФК как исходного

продукта для синтеза ДМТ во многом определяет и качество сырого

диметилтерефталата, наличие в нем различных примесей и побочных продуктов.

Так, ДМТ на основе ТФК, полученной при окислении п-ксилола или

диизопропилбензола азотной кислотой, содержит значительное количество

нитросоединений; ДМТ на основе п-цимола - большое количество побочных

продуктов [3, 4] и т.д.

Существует способ производства ДМТ из п-толуиловой кислоты, которую

получают окислением п-ксилола воздухом [5]. Процесс осуществляют по схеме:

[pic]

В связи с развитием нефтехимической промышленности и значительным

увеличением производства п-ксилола в известной степени утратили свое

практическое значение способы получения ДМТ из толуола и п-цимола. Все

большее значение приобретают процессы, позволяющие получать ТФК методом

жидкофазного каталитического окисления п-ксилола с последующей ее

этерификацией метанолом до ДМТ.

В настоящее время довольно много крупных фирм в мире работают над

проблемой получения ДМТ в основном двумя путями: 1) этерификация метанолом

«сырой» ТФК (американские фирмы «Eastman Kodak», «Du Pont», японские «Toray

Industries», «Kararay Vuka» и др. [6]); 2) окисление п-ксилола до п-ТК, ее

этерификация метанолом, последующее окисление метильной группы до кислотной

и превращение в ДМТ или совместное окисление п-ксилола, метилового эфира п-

ТК и монометилового эфира ТФК и последующая их этерификация.

Процесс получения ДМТ постоянно развивается, усовершенствуется,

модернизируется [6]. Ниже приводятся некоторые способы получения ДМТ.

1) Каталитическое окисление п-ксилола до образования п-толуиловой

кислоты и монометилтерефталата с последующей этерификацией образовавшихся

продуктов метанолом происходит по схеме:

2С6H4(CH3)2 +О2-----> C6H4(CH3)COOH-1,4 + C6H4(COOH)COOCH3-1,4

п-ксилол кат n-толуиловая кислота монометилтерефталат

CH3OH

C6H4(CH3)COOH + C6H4(COOH)COOCH3-1,4 ------> C6H4(COOCH3)2-1,4

n-толуиловая монометалтерефталат диметилтерефталат

кислота

2) Каталитическое окисление п-ксилола до образования терефталевой

кислоты с последующей этерификацией метанолом происходит по схеме:

+О2,кат

С6H4(CH3)2 --------> C6H4(COOH)2-1,4

n-ксилол терефталевая

кислота

t,Р

C6H4(COOH)2-1,4 + 2CH3OH -----> C6H4(COOCH3)2-1,4 + 2H2O

терефталевая диметилтерефталат

кислота

2. Сравнительные характеристики промышленных методов производства

диметилтерефталата.

Сырьем для получения ДМТ служит п-ксилол. В основе всех процессов,

используемых для синтеза ДМТ, лежит метод Виттен, предложенный в

первоначальном варианте фирмой Chemische Werke Witlen GmbH (Германия). В

дальнейшем процесс был модифицирован различными фирмами с целью улучшения

его экономических показателей. Самый распространенный процесс разработан

фирмой Dynamit Nobel AG (Германия). Применение данной фирмой нового

катализатора (кобальто-марганцевый) окисления п-ксилола позволило проводить

реакции окисления и этерификации без растворителей. При этом удалось

снизить издержки производства и получить более высокий выход продукта.

Согласно процессу фирмы Dynamit Nobel смесь п-ксилола и возвратного п-

метилтолуилата окисляют воздухом при температуре 140-1700С и давлении 0.4-

0.8 МПа в присутствии катализатора на основе тяжелого металла с

образованием п-толуиловой кислоты и монометилтерефталата. Продукты

окисления подвергают этерификации метанолом при температуре 250-2800С и

давлении 2.0-2.5 МПа. Сырой ДМТ, отбираемый снизу ректификационной колонны

очищают перекристаллизацией из метанола, центрифугируют и перегоняют с

получением ДМТ сорта "для волокна" .Представляет интерес технология,

разработанная японской фирмой "Мицуи сэкию кагаку", по которой получают ДМТ

через промежуточную стадию синтеза ТФК. Реакцию этерификации терефталевой

кислоты в ДМТ проводят в три стадии. Hа первой - реакция протекает при

высоких температурах и давлении. При этерификации в одну стадию для

достижения высокой степени конверсии необходимо использовать большой

избыток метанола, что экономически нецелесообразно. В процессе "Мицуи" на

первой стадии этерификации степень конверсии поддерживается низкой при

минимальном избытке метанола. Hа второй и третьей стадии достигают высоких

степеней конверсии за счет удаления из реакционной системы ДМТ и

образующейся в ходе реакции воды. Значительным усовершенствованием процесса

"Мицуи" является применение новой технологии очистки сырого ДМТ, включающей

реакцию окисления и фракционирования, вместо кристаллизации, что позволяет

значительно увеличить выход продукта и сократить примеси[6,7].

Таблица 1

.Расход основного сырья производства 1 т диметилтерефталата.

______________________________________________________________________

Процесс Процесс

Ф.Dynamit Ф."Мицуи сэкию

Nobel кагаку"

______________________________________________________________________

Сырье и материалы

п-ксилол,т 0.61 0.566

метанол,т 0.05 0.360

уксусная кислота,т - 0.04

Энергозатраты

электроэнергия,кВт.ч 500 380

топливо,ГДж 420 490

______________________________________________________________________

3. Способы производства диметалтерефталата.

3.1 СПОСОБ ФИРМЫ «DUNAMIT NOBEL» (Германия)

Фирма «Dunamit Nobel» получает ДМТ, пригодный для производства

синтетических полиэфирных волокон, из п-ксилола и метанола по схеме,

изображенной на рис.1.

[pic]

Рис.1. Технологическая схема процесса синтеза ДМТ из п-ксилола и метанола:

1 — реактор окисления; 2 — отстойник; 3 — реактор этерификации: 4, 5,6—

колонны ректификации; 7—аппарат для растворения; 8— кристаллизатор;

9—центрифуга; 10, 11—колонны; 12.— плавильник ДМТ; 1З—емкость.

I—катализатор; II—п-ксилол; III—воздух; IV— метанол; V—п-метилтолуилат; VI-

стоки; VII—чистый ДМТ;

VIII— кубовый остаток.

В реактор окисления 1 подают п-ксилол, п-метилтолуилат, катализатор.

Туда же подводят воздух. Окисление проводят без добавления растворителя при

140—170 °С и 4-8(105Па. Образующаяся по реакциям (4) смесь п-толуиловой

кислоты и монометилтерефталата (оксидат) поступает на этерификацию в

реактор 3, куда подают метанол. Процесс идет по схеме:

[pic] (4)

Этерификация протекает в избытке метанола при 250—280 °С и20—25-

105Па:

[pic] (5)

Избыток метилового спирта удаляют из зоны реакции через верх реактора

этерификации 3, подвергают ректификации в колонне 4 и возвращают в цикл.

Кубовый остаток из ректификационной колонны 4 и конденсат легкокипящих

компонентов, которые отводят через верх реактора окисления 1, направляют в

отстойник 2. Здесь происходит смешение и разделение двух фаз на

органическую и водную. Органический слой возвращается на окисление, а

водный направляется в стоки.

Оксидат после его этерификации в реакторе 3 подают в ректификационные

колонны 5 и 6, в колонне 5 отгоняется п-метилтолуилат, который направляется

в реактор окисления 1, а в ректификационной колонне 6 «сырой» диметиловый

эфир отделяется от высококипящих соединений. ДМТ-сырец выводят через верх

колонны 6 и направляют на дальнейшую очистку. В аппарате 7 растворяют ДМТ-

сырец в метаноле, после чего подвергают его кристаллизации в аппарате 8.

Выпавшие кристаллы ДМТ отделяют от маточного раствора на центрифугах 9 и

направляют в плавильный аппарат 12. Расплавленный ДМТ подвергают дальнейшей

очистке в ректификационной колонне 11, чистый ДМТ выводят через верх

колонны 11, а в кубе концентрируются высококипящие соединения.

Маточный раствор после центрифуги 9 поступает в колонну 10, а остаток

объединяют с кубовой жидкостью колонны 11 и возвращают в реактор окисления

1; выделенный метанол возвращают в процесс.

3.2 СПОСОБ ФИРМЫ «MITSUI PETROCHEMICAL» (ЯПОНИЯ)

Фирма «Mitsui Petrochemical» усовершенствовала процесс получения

высокочистого ДМТ из ТФК. и метанола. Технологическая схема этого процесса

показана на рис.2.

[pic]

Рис. 2. Схема процесса производства ДМТ по технологии фирмы «Mitsui

Petrochemical»:

1-подогреватель; 2, 5-ректификационные колонны; 3-реактор этерификации;

4-подогреватель-испаритель; 6-колонна термолиза;7, 8-вакуумные

ректификационные колонны; 9-сборник;I-метанол; II-смесь метанола и

технической ТФК; III-вода;

IV-легколетучие компоненты; V-тяжелая фракция; VI- чистый ДМТ.

Смесь технической ТФК и метанола из подогревателя 1 направляют в

реактор этерификации 3 специальной конструкции, где при повышенных

температуре и давлении происходит реакция этерификации. Продукты реакции

поступают в подогреватель-испаритель 4, где снижают давление, реакционную

смесь нагревают и направляют в колонну 5 для отгонки избытка метанола и

реакционной воды, которые непрерывно отводят в ректификационную колонну 2.

В этой колонне отделяют воду, а метанол возвращают в процесс. ДМТ-сырец из

куба колонны 5, содержащий различные примеси, которые трудно отделимы при

простой ректификации, специально обрабатывают в колонне термолиза 6, в

результате чего указанные примеси превращаются в соединения, легко

отделяемые при ректификации,

Далее ДМТ-сырец направляют в вакуумные ректификационные колонны 7 и

8. В колонне 7 отделяются легколетучие, а в колонне 8—тяжелые компоненты.

Очищенный ДМТ через верх колонны 8 выводится в сборник 9. Выход

диметилтерефталата из технической ТФК составляет более 98,0 %. По описанной

технологии действуют установки мощностью 30 и 120 тыс.т в год.

3.3. СПОСОБ ФИРМЫ «EASTMAN KODAK» (США).

Фирма «Eastman Kodak» разработала технологический процесс

производства ДМТ, аналогичный предыдущему технологическая схема показана на

рис. 3

[pic]

Рис.3. Схема процесса производства ДМТ по технологии фирмы «Eastman Kodak»:

1-реактор этерификации; 2-подогреватель; З-отпарная колонна; 4-колонна

ректификации метанола; 5,6,7-ректификационные колонны; I-метанол; II-ТФК;

III-пульпа; IV-ДМТ-сырец; V-вода; VI-рецикл метанола; VII-легкокипящие

примеси; VIII-тяжелый остаток в рецикл; IX-чистый ДМТ.

Этерификацию технической ТФК метанолом осуществляют в отсутствии

катализатора. Конструкция реактора в системе ректификации ДМТ обеспечивает

экономичность процесса и способствует образованию небольшого количества

побочных продуктов (отходов). Метанол и техническую ТФК направляют в

подогреватель 2, откуда пульпа поступает в реактор этерификации 1. ДМТ-

сырец в отпарной колонне 3 отделяется от метанола, который после

ректификационной колонны 4 возвращают в рецикл, а воду из куба колонны 4

сбрасывают в канализацию.

ДМТ-сырец из отпарной колонны 3 поступает в ректификационные колонны

5 - 7, в которых отгоняют легкокипящие примеси и тяжелые остатки. Чистый

ДМТ, выходящий с верха ректификационной колонны 7, направляется на

затаривание.

3.4. СПОСОБ ФИРМЫ «WITTEN» (Германия)

Из всех перечисленных выше способов доминирующим в производстве

диметилтерефталата стал способ, разработанный фирмой «Chemische Werke

Witten» и осуществленный в промышленном масштабе фирмой «lrnhausen

International» (Германия). По этому способу в настоящее время выпускают в

мире более 40,0% от общего производства ДМТ.

Описываемый способ вначале осуществляли в две стадии. На первой

стадии п-ксилол окисляли кислородом воздуха при 130-140°С до п-толуиловой

кислоты, которую этерифицировали метанолом. Оставшуюся неокисленной

метильную группу в молекуле метилового эфира п-толуиловой кислоты

подвергали дальнейшему окислению при 200°С в присутствии кобальтовой соли

легких погонов жирных кислот в качестве катализатора и получали

монометиловый эфир ТФК. При этом эфирная группа в п-метилтолуилате не

разрушалась. В дальнейшем монометиловый эфир ТФК этерифицировали и очищали.

Процесс получения ДМТ постоянно изменяется и усовершенствуется. В

результате синтез ДМТ стали проводить путем совместного окисления п-ксилола

и метилового эфира п-толуиловой кислоты кислородом воздуха в одну стадию до

п-ТК, терефталевой кислот и монометилового эфира ТФК с последующей их

этерификацией; недоокисленные продукты возвращали на стадию окисления (ДМИ-

диметиловый эфир изофталевой кислоты) (рис. 4).

[pic]

Рис. 4. Технологическая схема производства ДМТ способом фирмы «Witten»

Страницы: 1, 2