Введение к работе
Актуальность работы. Процессы нитрования ароматических соединений относятся к наиболее крупнотоннажным производствам промышленного органического синтеза. Так, мировой выпуск только нитробензола достигает 2.5 млн. тонн в год и постоянно возрастает. Обладая рядом ценных свойств, ароматические нитросоединения находят широкое применение в различных областях промышленности. Нитросоединения применяются для производства взрывчатых веществ, ароматических аминов, в производстве красителей, полимеров, фармацевтических препаратов, в тонкой химической технологии и во многих других отраслях.
Несмотря на сто пятидесятилетнюю историю, основным промышленным способом получения ароматических нитросоединений является нитрование ароматических соединений смесью азотной и серной кислот. Однако способы нитрования ароматических соединений, основанные на использовании смеси серной и азотной кислот характеризуются существенными недостатками, главными из которых являются
образование больших объемов сточных вод, содержащих разбавленную серную кислоту, а также растворенные оксиды азота и органические примеси;
наличие стадии регенерации отработанной серной кислоты, загрязненной примесями азотной кислоты и ароматических соединений, характеризующейся большими энергозатратами и использованием сложной специальной аппаратуры;
низкая селективность образования мононитропроизводных;
высокая коррозионная активность реакционной массы;
сложная система промывки и выделения продуктов.
Поэтому до настоящего времени ведутся интенсивные исследования по разработке технологии, которая позволила бы резко сократить или даже полностью исключить использование серной кислоты в процессах нитрования бензола и толуола и одновременно увеличить селективность образования и выход представляющих наибольший экономический интерес мононитробензола и паранитротолуола.
Из литературных источников известно, что концентрированная азотная кислота является достаточно активным нитрующим агентом, однако разбавление азотной кислоты реакционной водой приводит к быстрому снижению скорости нитрования. Таким образом, для увеличения выхода целевых продуктов с одной стороны необходимо удалять избыточную воду из зоны реакции для поддержания высокой скорости нитрования, а с другой - непрерывно удалять продукты нитрования для повышения селективности.
Анализ литературных данных по температурам кипения и равновесиям жидкость-пар в системах продуктов нитрования бензола и толуола показал, что одним из возможных путей решения данной задачи является осуществление процесса нитрования в совмещенном реакционно-ректификационном режиме. При этом образующиеся вода и мононитропроизводные должны непрерывно удаляться из реакционной зоны за счет ректификации, в результате чего можно ожидать значительного повышения скорости процесса и селективности образования ароматических мононитропроизводных.
Кроме того, на наш взгляд, особый интерес представляет использование гетерогенных кислотных катализаторов для процессов нитрования ароматических соединений. Наиболее перспективными, по нашему мнению, являются оксидные катализаторы, модифицированные серной кислотой. Такие катализаторы обладают высокой кислотностью, химической и термической стабильностью, обеспечивают высокие выход и селективность образования мононитропроизводных в течение длительного срока службы.
Именно поэтому, разрабатываемый нами способ бессернокислотного нитрования ароматических соединений в реакционно-ректификационном режиме в присутствии гетерогенного катализатора на основе твердых суперкислот, является актуальным.
Цель работы состояла в разработке новых технологий нитрования ароматических соединений на примере бензола и толуола в совмещенном реакционно-ректификационном режиме, исключающих необходимость использования серной кислоты. При этом были решены следующие задачи: разработан катализатор нитрования, являющийся одновременно эффективной массообменной насадкой ректификационной колонны, изучены физико-химические закономерности процесса, найдены оптимальные условия проведения процессов нитрования бензола и толуола в совмещенном реакционно-ректификационном режиме, разработана эффективная технология нитрования бензола и толуола в совмещенном реакционно-ректификационном режиме.
Научная новизна. Разработан катализатор нитрования бензола и толуола на основе сульфатированного диоксида циркония, установлен оптимальный состав и методика приготовления катализатора.
Получены данные по кинетике гомогенного нитрования бензола азотной кислотой.
Получены неизвестные ранее данные по равновесию жидкость-жидкость в системе бензол-азотная кислота-вода.
Впервые проведены систематические исследования влияния различных факторов на процессы нитрования бензола и толуола в совмещенном реакционно-ректификационном режиме.
Практическая значимость. Разработан эффективный катализатор нитрования бензола и толуола на основе сульфатированного диоксида циркония, являющийся одновременно эффективной массообменной насадкой.
На основе проведенных исследований разработана технология нитрования ароматических соединений в совмещенном реакционно-ректификационном режиме на примере бензола и толуола, защищенная патентом РФ.
Предложены принципиальные технологические схемы получения нитробензола и нитротолуолов.
Выданы исходные данные на проектирование опытно-промышленных установок получения мононитробензола и мононитротолуолов.
Апробация работы. Основные материалы, представленные в диссертационной работе докладывались и обсуждались на конференциях: «Будущее технической науки 2009» (Н.Новгород, 2009 г.), «Будущее технической науки 2010» (Н.Новгород, 2010 г.), «Наукоемкие химические технологии - 2010» (Иваново-Суздаль, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 2 статьи, 4 тезиса докладов научно-технических конференций. Получен патент РФ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, списка литературы и приложений. Работа представлена на 168 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков, 21 таблицу и 32 приложения. Библиография включает 185 наименований.
