Химия и технология производства 2–нафтола щелочным плавлением (стр. 2 из 5)

Теоретически для щелочного плавления необходимо 2 моль NaOH (на 1 моль сульфокислоты), практически используют избыток щелочи (2,1 - 2,4 моль, и отдельных случаях 3—4 моль),

Общий метод проведения щелочного плавления состоит в следующем: в хорошо подвижный, жидкий плав NaOH при 275—280 °С вносят постепенно (порциями) при размешивании соль сульфокислоты в виде сухого измельченного порошка или насыщенного водного раствора. Вода постепенно испаряется, но подвижная реакционная масса легко размешивается. К тому же количество воды в массе пополняется вследствие её образования в ходе реакции. Выделяющиеся пары воды также способствуют перемешиванию массы. После окончания загрузки соли сульфокислоты реакционную массу при размешивании нагревают, повышая температуру до необходимой (300—340 °С). Готовый плав содержит феноксид натрия, сульфит натрия, а также небольшое количество свободной щелочи. Контроль за процессом щелочного плавления осуществляют, определяя содержание в плаве свободного NaOH,

После окончания реакции плав выливают в воду — так называемое гашение плава. В полученном растворе выделяется в осадок сульфит натрия, который отфильтровывают, а из фильтрата при подкислении выделяют свободное гидроксисоединение, которое направляют на очистку.

Щелочную плавку при атмосферном давлении проводят в аппаратах, изготовленных из чугуна с присадкой никеля и хрома и снабженных мешалкой и нижним штуцером для выгрузки реакционной массы (рисунок 4). В крышке плавильного котла имеется люк для вентиляционной трубы, отверстия для загрузки сульфоната, отбора проб плава во время процесса, штуцеры для загрузки жидкого NaOH и установки термопары. Котел монтируют в кладке печи и обогревают топочными газами. Применяются также чугунные котлы, в стенках которых имеются стальные змеевики, по которым циркулирует перегретая вода. В отдельных случаях используют электрообогрев плавильных котлов ( Приложение В).

Щелочная плавка под давлением проводится в вертикальных стальных автоклавах. В этом случае используют водные растворы щелочи и соли ароматической сульфокислоты.

Щелочное плавление антрахинонсульфокислот с применением гидроксида кальция (извести) проводится в автоклавах под давлением. Условия щелочного плавления, т. е. концентрация щелочи, температура и продолжительность плавки, зависят от природы исходной соли сульфокислоты.

Относительная легкость проведения процесса сплавления со щелочами зависит в значительной степени от большей или меньшей подвижности сульфогруппы в том или ином соединении и характеризуется температурой, при которой скорость замещения сульфогруппы гидроксигруппой становится наибольшей. Так, в бензолсульфокислоте и ее гомологах сульфогруппа сравнительно мало подвижна и поэтому плавка протекает в жестких условиях (300—340 °С). В нафталин-1-сульфокислотах сульфогруппа более подвижна, и щелочное плавление в этих случаях ведут при более низких температурах (160—250 °С).

При проведении щелочного плавления аминосульфокислот необходимо учитывать возможность побочных реакций — гидролиз аминогруппы с выделением аммиака и замещение аминогруппы гидроксигруппой. К нитросульфокислотам метод щелочного плавления не применяется. В этом случае при высоких температурах возможно протекание окислительно-восстановительных процессов из-за наличия в молекуле нитрогруппы.

Как указано ранее, введение электроноакцепторной группы приводит к увеличению подвижности сульфогруппы, а введение электронодонорной группы — к уменьшению ее подвижности, поэтому в полисульфокислотах сульфогруппа более подвижна, чем в моносульфокислотах (8). Введение в молекулу нафталинсульфокислоты второй сульфогруппы, как, например, в соединении (9), значительно (в 10—20 раз) увеличивает скорость замещения сульфогруппы. Гидроксинафталинсульфокислоты (10), образующиеся в реакции щелочного плавления, реагируют значительно медленнее не только дисульфокислот, но и соответствующих моносульфокислот.

(8)

(9) d’+ >d+

(10) d’+ <d+

Так, в нафталин- 1,5-дисульфокислоте (158) за счет электроно-акцепторного действия сульфогруппы уменьшена электронная плотность у атома углерода, у которого находится вторая сульфогруппа, что облегчает взаимодействие с гидроксид-ионом. Ионизированная гидроксигруппа, наоборот, увеличивает электронную плотность в ароматическом кольце, что затрудняет присоединение гидроксид-иона к атому углерода кольца. Вследствие этого подбором условий щелочной плавки в нафталинполисуль-фокислотах можно заместить только одну гидроксигруппу. При плавлении, например, нафталин-1,5- и нафталин-2,7-дисульфокислот в качестве основных продуктов реакции можно получить соответственно 6-гидроксинафталин-1-сульфокислоту (азуриновую кислоту) и 7-гидроксинафталин-2-сульфокислоту. Таким образом, регулируя температуру проведения реакции, а также концентрацию щелочи можно управлять ходом реакции щелочного плавления.

Введение достаточного количества воды в плав позволяет поддерживать реакционную массу в жидком состоянии при относительно низких температурах. Однако добавление воды в реакционную массу хотя не меняет основного направления реакции щелочного плавления, но резко снижает ее скорость. Поэтому водные растворы щелочи более удобно применять для частичной замены сульфогруппы в полисульфокислотах. Так получают из нафтплин-1,5-дисульфокислоты 5-гидроксинафталин-1-сульфокислоту (схема 11).

Методом щелочного плавления в автоклаве с высокими выходами можно получать гидроксисоединения (например, фенол, b-нафтол) из моносульфокислот. Процесс проводят в жестких условиях (>300°С, 10 МПа). Получение фенола может быть осуществлено непрерывным способом; в этом случае водный раствор щелочи и соль бензолсульфокислоты под давлением при 350—370 °С пропускают через аппарат трубчатого типа.

Аппараты для щелочного плавления

В зависимости от метода в процессах щелочного плавления перерабатываются жидкие или твердые (сыпучие) вещества.

Консистенция реакционной массы в этих процессах различна, в зависимости от характера обрабатываемых веществ и условий процессов. В процессах щелочного плавления при атмосферном давлении реакционная масса может представлять собой жидкость или суспензию различной консистенции достаточно подвижную, вязкую или тестообразную массу в зависимости от свойств, сплавляемых веществ. Так, при плавлении бензолсульфоната натрия образуется жидкая подвижная реакционная масса, которую можно размешивать мешалкой любого типа. В процессе плавления β - нафталинсульфоната натрия получается довольно вязкая жидкая реакционная масса, размешивание которой возможно лишь мощными лопастными или якорными мешалками.

В процессе сплавления с сульфидирующими агентами (растворы сернистого натрия или полисульфидов натрия) реакционная масса имеет консистенцию достаточно подвижной жидкости или суспензии, с небольшим содержанием твердых частиц. В этих случаях для размешивания пригодны мешалки любого типа. Процессы сульфидирования, проводимые под давлением, также приводят к образованию достаточно подвижной реакционной массы. При сульфидированин методом запекания, которое проводится с участием молекулярной серы, как и в процессах щелочного плавления, проводимого методом запекания, получаются твердые продукты реакции или жидкие, но настолько вязкие, что размешивание реакционной массы иногда становится невозможным. Следует отметить, что в процессах щелочного плавления не требуется Интенсивное перемешивание; так как в данном случае оно не является фактором, способствующим взаимодействию ингредиентов. Перемешивание используется в этих процессах для некоторого улучшения условий их проведения, т. е. для очистки стенок аппарата от налипающей на них массы и суспендирования незначительного количества твердых взвешенных частиц, что позволяет предотвратить местные перегревы и пригорание реакционной массы. Поэтому реакционную аппаратуру в ряде случаев снабжают мешалками, обеспечивающими неэнергичное перемешивание массы.

Температура процессов щелочного плавления колеблется в пределах 150—450° и в реакционной массе часто присутствует значительное количество воды. Это обусловливает возможность проведения указанных процессов различными методами. В процессе, проводимом при атмосферном давлении, из реакционной массы испаряется значительное количество воды; следовательно, требуемая температура в аппарате может быть достигнута лишь после окончания испарения, т. е. в результате подвода больших количеств тепла. Если же процесс проводится под давлением, требуемая температура достигается гораздо быстрее и с меньшей затратой тепла.

Необходимо подчеркнуть, что методы щелочного плавления под давлением имеют ряд существенных достоинств. Щелочное плавление малоконцентрированных растворов под давлением протекает более гладко вследствие большей подвижности реакционной массы и с большим выходом, поскольку в закрытых аппаратах продукты плавления не окисляются на поверхности реакционной массы, соприкасающейся с воздухом. Процессы щелочного плавления протекают с выделением довольно большого количества тепла, однако если они проводятся при атмосферном давлении, необходимо не охлаждение, а нагревание реакционной массы для испарения воды, требующего большого расхода тепла.