Карбоновые кислоты: методы производства, реакторы для кислот

Карбоновые кислоты знакомы людям с древних времён (муравьиная, уксусная, щавелевая кислоты). Первые сведения о синтезе данного класса органических соединений встречаются уже в 8 веке. В 21 веке уже не ставится под сомнение актуальность использования карбоновых кислот в различных областях промышленности: химической, пищевой, фармацевтической. В связи с широким применением возникает потребность в увеличении производства данных веществ, разработке новых более совершенных методов синтеза в промышленных масштабах.Карбоновые кислоты знакомы людям с древних времён (муравьиная, уксусная, щавелевая кислоты). Первые сведения о синтезе данного класса органических соединений встречаются уже в 8 веке. В 21 веке уже не ставится под сомнение актуальность использования карбоновых кислот в различных областях промышленности: химической, пищевой, фармацевтической. В связи с широким применением возникает потребность в увеличении производства данных веществ, разработке новых более совершенных методов синтеза в промышленных масштабах.

Уксусная кислота

Этановая (по ИЮПАК) или уксусная кислота применялась с древних времён для создания пигментов, основа которых ацетаты (соли уксусной кислоты) металлов. В настоящее время наиболее активно уксусная кислота применяется в пищевой промышленности, на каждой кухне найдётся ёмкость с этикеткой «уксус». Наиболее распространённым промышленным методом получения уксусной кислоты является карбонилирование метанола в условиях пониженного давления и гомогенного катализа. Так в 1960-ые годы был разработан процесс Monsanto: карбонилирование метанола в присутствии родиевого катализатора при давлении 30–60 атм и температуре 150–200 °C (рис.1.). Данная технология позволяет получать кислоту с выходом более 99%.

Дороговизна родиевого катализатора стимулировала поиски новых катализаторов для данной каталитической системы, так был разработан процесс Катива: каталитическая система на основе иридия с добавками осмия и рутения.

Совершенствование синтеза и разработка новых технологий приводят к усложнению технологического процесса. Основным оборудованием для реализации данной схемы является реактор с барботажем. Также в системе используют сепаратор и колонны для отделения побочных продуктов реакции.

Муравьиная кислота

Метановая (по ИЮПАК) или муравьиная кислота является бактерицидным веществом, спиртовой раствор муравьиной кислоты применяется в медицине для дезинфекции, а также кислота может быть консервирующим агентом. Муравьиная кислота может быть получена в качестве побочного продукта при производстве уксусной кислоты (окислением бутана), но основным промышленным методом получения муравьиной кислоты является синтез из неорганических реагентов: реакция гидроксида натрия и монооксида углерода. Первый этап – синтез формиата натрия, проводят его в стальном реакторе (автоклаве) : через твёрдый едкий натр пропускают окись углерода (давление 8 атм, температура отходящего газа 137 - 140°С). Полученный твёрдый формиат натрия обрабатывается концентрированной серной кислотой (олеумом; в такой концентрации и при нормальной температуре серная кислота оказывает незначительное коррозионное воздействие на сталь). Основная реакция протекает в биохимическом реакторе с водяной рубашкой и пропеллерно-лопастной мешалкой.

Реакторы для производства кислот

Карбоновые кислоты можно получать окислением спиртов и карбонильных соединений (альдегидов). В природе процесс окисления протекает под действием биологических катализаторов – ферментов. В промышленности для проведения процессов ферментации используют специально культивированные штаммы бактерий и грибов. Для производства органических кислот биосинтетическим методом с успехом могут применяться как специализированные биореакторы/ферментеры , так и стандартные стеклянные реакторы. Основное назначение реакторов для кислот, в данном случае, создание оптимальных условий для культивирования, роста, развития и функционирования микроорганизмов, участвующих в производстве кислот.

Для малотоннажного синтеза карбоновых кислот подойдут стеклянные реакторы. Боросиликатное стекло – материал, из которого изготавливаются стеклянные реакторы – обладает высокой химической стойкостью и стойкостью к высоким температурам. Негативное воздействие на стекло оказывают ионы фтора (плавиковая кислота), концентрированная фосфорная кислота; при этом сила органических кислот (константа кислотности), как правило, значительно ниже, чем у неорганических кислот, поэтому органические кислоты оказывают меньшее воздействие на стекло.

Система стеклянного реактора представляет собой ёмкость из боросиликатного стекла с рубашкой для циркуляции теплоносителя, ёмкость оснащена крышкой из боросиликатного стекла или химически инертного политетрафторэтилена (ПТФЭ) с патрубками для подключения дополнительного оборудования: стеклянных воронок, холодильников, вакуумметров, термометров, узла дистилляции и т.д. Также устанавливают перемешивающее устройство, тип мешалки зависит от характеристик перемешиваемой среды (вязкость, плотность, гомогенность среды), реактор может быть оснащён якорной, лопастной, пропеллерной, турбинной или рамной мешалкой. Для выгрузки продукта из реакционной ёмкости реактор оснащён донным клапаном. В линейке стеклянных реакторов представлены объёмы от 1 л до 100 л.

При работе с крупнотоннажной химией с увеличением объёма биохимического реактора материал изготовления реакционной ёмкости меняют на металл. Стальные реакторы не такие химически стойкие, как стеклянные реакторы, но обладают лучшей теплопроводностью, также более стойкие к физическим воздействиям. В лабораториях и на производстве находят применение не только пилотные реакторы, но и лабораторные варианты. Для синтеза неагрессивных и довольно слабых карбоновых кислот отлично подойдут реакторы, изготовленные из нержавеющей стали. Как правило, используют стали устойчивые к кислотному воздействию – 304 и 316 нержавеющие стали. Комплектация стального реактора подобна комплектации стеклянного реактора: ёмкость с рубашкой, крышка, которая может быть изготовлена из нержавеющей стали или стекла (для возможности наблюдения процесса протекания реакции), на крышке патрубки для подключения дополнительного оборудования, перемешивающее устройство, тип мешалки зависит от характеристик перемешиваемой среды (вязкость, плотность, гомогенность среды), реактор может быть оснащён якорной, лопастной, пропеллерной, турбинной или рамной мешалкой. Для выгрузки продукта из реакционной ёмкости реактор оснащён донным клапаном. Нержавеющий реактор для кислот может быть изготовлен не только промышленного объёма, но и для лабораторного использования.

Можно отметить, что в многостадийных синтезах и при использовании реагентов в разных агрегатных состояниях и разной химической активности основной этап реализуется в стеклянных и стальных реакторах. Система, базирующаяся на реакторе, может быть оснащена измерительными приборами и другим оборудованием для синтеза и очистки. Для каждой конкретной задачи следует рассматривать свой вариант реакторной системы. Верная комплектация оборудования и выбор материалов позволяют проводить синтез оптимальным способом и повышают эффективность химического превращения.

Ознакомиться с каталогом химических реакторов можно ссылке. Для получения консультации, оформления заказа или уточнения характеристики цены оборудования обращайтесь по телефонам +7 (495) 223-18-03, 8-800-600-18-03, электронной почте info@tirit.org или заполните заявку онлайн на сайте.