Aceton (propanon, dimetyloketon, propan-2-on, dwumetyloketon)- organiczny związek chemiczny z grupy ketonów, najprostszy keton alifatyczny o wzorze C₃H₆O występujący w stanie ciekłym. Ma ostry, charakterystyczny zapach. Miesza się w każdych proporcjach z wodą, etanolem, eterami i innymi ketonami o niskiej masie cząsteczkowej.

1. Właściwości fizyczne:

• Stan skupienia: bezbarwna ciecz

• Gęstość: 0,7844 g/cm3

• Zapach: ostry, charakterystyczny, przypominający fermentujące owoce

• Temp. top.: / temp. wrz. : − 94,9 ^oC / 56,2 ^oC

• Palność: skrajnie łatwopalny, opary tworzą z powietrzem mieszaninę wybuchową.

- Wodne roztwory acetonu są palne w stężeniach powyżej 5 %.

- Pary są cięższe od powietrza i gromadzą się przy powierzchni ziemi oraz w dolnych partiach pomieszczeń.

- Zbiorniki narażone na działanie ognia lub wysokiej temperatury mogą eksplodować.

- Środki gaśnicze: proszki gaśnicze, dwutlenek węgla, piany odporne na alkohol, woda – prądy rozproszone.

• Lepkość: 0,32 mP (20 ^oC)

• Moment dipolowy: 2,91 D

• Temperatura zapłonu: − 20 ^oC

• Temperatura samozapłonu: 465 ^oC

• Granice palności w powietrzu: 2,15% − 13,00 % (25 ^oC)

• Prężność par: 181,72 mmHg (233 hPa)(20 ^oC), 360 hPa (30 ^oC)

1. Zastosowanie:

• Ze względu na swe właściwości stosowany jest powszechnie jako rozpuszczalnik farb i lakierów.

• Ponieważ dobrze rozpuszcza nitrocelulozę, acetylocelulozę, żywice i tłuszcze stosuje się go do wyrobu filmów, sztucznej skóry i sztucznego jedwabiu, cementów organicznych, w przemyśle gumowym, celulozowym a także w przemyśle farmaceutycznym jako ekstraktor.

• Rozpuszcza większość miękkich tworzyw sztucznych, lakiery, tłuszcze, oleje (nawet nagar silnikowy).

• Stosuje się go przy produkcji leków, barwników, farb, lakierów i środków czyszczących.

• Niegdyś był powszechnie stosowany jako zmywacz do paznokci lub składnik zmywacza, jednak ze względu na jego szkodliwość aktualnie nie wolno w Polsce produkować zmywaczy na bazie acetonu.

• Aceton jest dobrym rozpuszczalnikiem acetylenu i z tego powodu używa się go do absorpcji acetylenu w butlach ciśnieniowych.

1. Zastosowanie w chemii:

• Jest powszechnie stosowanym rozpuszczalnikiem organicznym o dużej polarności.

• Aceton może być wykorzystywany jako prekursor do produkcji narkotyków i w związku z tym obrót nim jest w Polsce ograniczony.

• Substrat w licznych syntezach organicznych.

• Stanowi też ważny surowiec lub półprodukt w syntezie szeregu ważnych substancji takich jak chloroaceton, bromoaceton, chloroform, jodoform, sulfonal, izopren, pinakon, tlenek mezytylu, tworzywa sztuczne z estrów kwasu metakrylowego.

1. Metody otrzymywania ketonów:

1. Utlenianie alkoholi 2⁰ (KMnO₄, K₂Cr₂O₇, odczynnik Jonesa)

Ketony są związkami otrzymywanymi w wyniku reakcji utleniania lub redukcji innych związków. Ogólny schemat otrzymywania ketonów przedstawia się następująco:

1. Odwodornienie alkoholi 2⁰

1. Ozonoliza 4-podstawionych alkenów

W wyniku ozonolizy alkenów przeprowadzonej w obecności łagodnych reduktorów uzyskujemy związki karbonylowe:

1. Hydratacja alkinów

1. Acetylowanie metodą Friedla- Craftsa

Y=Cl (chlorki), OOCR₁ (bezwodniki)

1. Reakcje chlorków kwasowych ze związkami kadmoorganicznymi i miedzioorganicznymi

Bardziej reaktywny związek magnezoorganiczny (Grignarda) musi zostać przekształcony w mniej reaktywny związek kadmoorganiczny.

związek miedzioorganiczny (Gilmana)

1. Reakcje kwasów kwasowych ze związkami litoorganicznymi

1. Alkilowanie 1,3- ditianu

1. Reakcje nitryli ze związkami Grignarda lub litoorganicznymi

1. Utlenianie 1,2- dioli

utleniacz: octan ołowiu (IV) Pb(OOCCH₃)₄ kwas nadjodowy HJO₄

1. Otrzymywanie acetonu metodą kumenową

1. Koncepcje otrzymywania acetonu.

   1. Przemysłowa - produkuje się go najczęściej metodą kumenową przy okazji otrzymywania fenolu; metoda kumenowa to wieloetapowa metoda otrzymywania fenolu i acetonu z benzenu i propenu (propylenu). Nazwa tej metody pochodzi od kumenu (izopropylobenzenu), który jest produktem pośrednim. Inne sposoby to: odwodornienie izopropanolu, utlenianie izopropanolu, otrzymywanie z propylenu w procesie Hoechst-Wacker, utlenianie parafin.

1. Metoda kumenowa.

Etapy procesu:

1. Alkilowanie benzenu do izopropylobenzenu (kumenu)

Alkilacja benzenu propenem w temperaturze 250 °C pod ciśnieniem 30 atmosfer w obecności kwasu Lewisa.

1. Utlenianie kumenu

Powstały kumen jest utleniany w temperaturze 90-120 °C pod ciśnieniem 5 atmosfer, w słabo zasadowym środowisku w obecności inicjatora rodnikowego, który odłącza wodór od kumenu, tworząc w ten sposób rodnik kumylowy.

Do rodnika kumylowego przyłącza się tlen, tworząc rodnik nadtlenkowy, który następnie przyłączając wodór z innej cząsteczki kumenu przekształca się w wodoronadtlenek kumenu.

1. Rozkład wodoronadtlenku kumenu:

Kwasowa hydroliza otrzymanego wodoronadtlenku kumylu w temperaturze około 60 °C według poniższego mechanizmu:

1. Odwodornienie izopropanolu.

Przebieg reakcji:

Proces ten jest prowadzony w fazie gazowej w obecności ZnO i ZrO jako katalizatorów w temperaturze około 400⁰C i przy ciśnieniu 0,2 MPa, otrzymujemy wydajność w zakresie 90-98%. Możliwe jest także przeprowadzenie go w fazie ciekłej w temperaturze 150⁰C, ciśnieniu atmosferycznym – wtedy wydajność dochodzi do nawet 99,5%.

1. Utlenianie izopropanolu.

Przebieg reakcji:

CH₃-CH(OH)-CH₃ + 0,5O₂ ↔ CH₃-C(=O)-CH₃ + H₂O

Reakcję tę również prowadzi się w obecności ZrO i ZnO jako katalizatorów.

1. Proces Hoechst-Wacker.

Przebieg reakcji:

CH₃-CH=CH₂ + PdCl₂ + H₂O → CH₃-C(=O)-CH₃ + Pd + 2HCl

Pd + 2CuCl₂ ↔ PdCl₂ + 2CuCl

Następna reakcja to utlenienie zredukowanych jonów miedzi:

2CuCl + 2HCl + 0,5O₂ → 2CuCl₂ + H₂O

Sumaryczna reakcja:

CH₃-CH=CH₂ + O₂ → CH₃-C(=O)-CH₃

Proces jest prowadzony w temperaturze ok. 100⁰C, przy ciśnieniu 1,2 MPa i przy pH=1-2. Wydajność reakcji jest bardzo zróżnicowana i wynosi 2-94%.

1. Utlenianie parafin.

Utlenianie parafin prowadzi do otrzymania szeregu związków tlenowych, w tym acetonu, które są następnie odpowiednio rozdzielane z mieszaniny.

1. Laboratoryjna – sucha destylacja z octanu wapnia.

1. Schemat blokowy procesu otrzymywania acetonu metodą kumenową.

A – benzen

B – AlCl₃ (katalizator)

C – propen

D – kumen

E – tlen ( z powietrza)

F – wodorotlenek kumenu

G – H₃O+

H – aceton

I – woda

1. Schemat technologiczny alkilowania benzenu propylenem.

1 – pompa

2 – wymiennik ciepła

3 – kolumna do suszenia benzenu

4 – skraplacz

5 – rozdzielacz

6 – reaktor otrzymywania kompleksu katalizatora

7 – zbiornik osuszonego benzenu

8 – reaktor alkilowania

9 – skraplacz

10, 11, 15 – rozdzielacze fazowe

12 – absorber benzenu

13 – skruber

14 – chłodnica wodna

16, 17, 18 – kolumny przemywające

19 – kolumna do rektyfikacji benzenu

20 – kolumna rektyfikacyjna

21 – kolumna do rektyfikacji poliizopropylobenzenów (poli-IPB)

22 – kolumna do rektyfikacji etylo- i izopropylobenzenu (IPB)

1. Schemat technologiczny otrzymywania wodoronadtlenku kumenu i jego rozkładu do acetonu (i fenolu).

1 – reaktor utleniania kumenu

2 – podgrzewacz powietrza

3, 4 – podgrzewacz kumenu

5, 16, 21, 22, 23 – skraplacze chłodzone wodą

6 – skraplacz chłodzony solanką

7 – rozdzielacz fazy gazowej i ciekłej

8 – skruber

9, 17 – neutralizator

10 – rozdzielacz warstwy organicznej i wodnej

11 – kolumna rektyfikacyjna kumenu

12 – skraplacz

13 – chłodnica

14 – zbiornik

15 – reaktor rozkładu wodoronadtlenku

18 – kolumna rektyfikacyjna acetonu

19 – kolumna destylacyjna α-metylostyrenu

20 – kolumna rektyfikacyjna fenolu

1. Opis procesów produkcyjnych.

W kompleksie przemysłowym produkującym aceton zwykle pracują trzy wytwórnie:

-alkilowania benzenu propylenem do kumenu (izopropylobenzenu)

-utleniania kumenu do wodoronadtlenku kumenu i zatężania wodoronadtlenku kumenu

-rozkładu wodoronadtlenku kumenu do fenolu i acetonu

1. ALKILOWANIE BENZENU

Kumen otrzymuje się na skalę przemysłową przez alkilowanie benzenu gazowym propylenem w obecności AlCl₃ jako katalizatora. Zamiana propylenu na etylen umożliwia wytwarzanie etylobenzenu w tej samej instalacji, w której otrzymuje się kumen. Benzen świeży i recyrkulowany z kolumn rektyfikacyjnych wyodrębniania izopropylobenzenu kieruje się do kolumny suszącej. Osuszanie prowadzi się metodą destylacji azeotropowej. Mieszanina par azeotropu benzen- woda jest skraplana w skraplaczu i rozdzielana na dwie warstwy w rozdzielaczu. Warstwę wodną z rozpuszczonym w niej benzenem wykorzystuje się do rozkładu katalizatora i odmywania chlorowodoru z produktu poreakcyjnego lub odprowadza do ścieku. Po zmagazynowaniu benzenu w zbiorniku, jest on podawany do reaktora alkilowania benzenu. Proces alkilowania prowadzi się w sposób ciągły w temperaturze 90÷120˚C, pod ciśnieniem 0,5 MPa, przy ok. 3÷3,5 krotnym nadmiarze benzenu. Selektywność przemiany w kumen w odniesieniu do zużytego benzenu wynosi 96% mol., a w odniesieniu do zużytego propylenu 91%mol.

Propylen w postaci gazowej i benzen jako ciecz są wprowadzane do dolnej części reaktora. Z reaktora produkt odpływa przelewem do rozdzielacza fazowego, gdzie następuje oddzielenie warstwy kompleksu katalitycznego. Pary nadmiaru benzenu z reaktora przepływają do skraplacza. Pozostała ilość nie skroplonego benzenu przez rozdzielacz uchodzi z gazem poreakcyjnym do absorbera. Zawarte w absorbacie poliizopropylobenzenu w reaktorze ulegają transalkilowaniu. Gaz po usunięciu benzenu jest przemywany wodą w skruberze w celu usunięcia HCl i emitowany do atmosfery. Zawiesina kompleksu katalitycznego po oddzieleniu w rozdzielaczu jest kierowana do reaktora. Warstwę węglowodorową zgromadzoną w rozdzielaczu kieruje się do dalszego oczyszczania w celu zhydrolizowania resztek AlCl₃ i odmycia HCl. Ze szczytu pierwszej kolumny rektyfikacyjnej po przejściu przez skraplacz i rozdzielacz odbiera się zawilgocony benzen i wodę. Jako destylat odbiera się izopropylobenzen z niewielkimi ilościami etylobenzenu. Destylat ten rozdziela się pod ciśnieniem atmosferycznym w kolejnej kolumnie. Niedogon destylacyjny z dołu kolumny jest mieszaniną poliizopropylobenzenów i smół. Poliizopropylobenzen oddestylowuje się w kolumnie próżniowej i kieruje do absorbera w celu absorpcji benzenu z gazu za reaktorem alkilowania. Absorbat ten jest kierowany do reaktora alkilowania. Smoły są spalane.

Na tonę izopropylobenzenu zużywa się ok. 0,7t benzenu, ok. 0,38t propylenu i 6÷9 kg AlCl_3­. Wydajność otrzymywania izopropylobenzenu w odniesieniu do wprowadzonego reaktora propylenu wynosi ok. 94%.

W metodzie tej wykorzystuje się różnice w szybkościach alkilowania i transalkilowania benzenu propylenem. Można zastosować mniejszy nadmiar benzenu w stosunku do propylenu. W związku z tym zmniejsza się zużycie energii , zużycie AlCl₃ spada do 2-3kg izopropylobenzenu, zmniejsza się ilość produktów ubocznych, mniejsza jest również korozja aparatury. Jedną z niedoskonałości metod alkilowania jest powstawanie znacznych ilości ścieków.

1. UTLENIANIE KUMENU DO WODORONADTLENKU KUMENU

Do utleniania kumenu służy powietrze, wstępnie ogrzane w podgrzewaczu parowym i wprowadzane do reaktora utleniania. W czasie rozruchu reaktor utleniania napełnia się kumenem. Kumen ogrzewa się w podgrzewaczu. Stopniowo rozpoczyna się ciągłe zasilanie reaktora kumenem i odprowadzenie mieszaniny poreakcyjnej. Kumen wprowadzony na szczyt reaktora utleniania jest podgrzany do temperatury 120˚C. Uruchomienie przepływu powietrza oznacza początek utleniania. Ze względu na możliwość wybuchowego rozkładu wodoronadtlenku unika się magazynowania jego większych ilości. W trakcie zatężania temperatura nie może wzrosnąć powyżej 120C.

1. ROZKŁAD WODORNADOTLENKU KUMENU

Rozkładowi poddaje się około 90% roztwór wodoronadtlenku kumenu. Dodaje się stężony kwas siarkowy w takiej ilości, aby jego stężenie w mieszaninie reakcyjnej wynosiło 0,1%wag. Rozkład prowadzi się w temperaturze 60˚C. W czasie prowadzenia procesu na 30 części wagowych produktów rozkładu dozuje się 1 część 90% WNK. Umożliwia to utrzymanie niskiego stężenia wodoronadtlenku. W przypadku wyższych stężeń wodoronadtlenku istnieje niebezpieczeństwo gwałtownego rozkładu i wydzielania się ciepła w ilościach niemożliwych do odebrania przez system chłodzący reaktora. Po przekroczeniu temperatury 120˚C grozi wybuchowym rozkładem WNK.

1. Bilans masowy.

1. Alkilowanie benzenu

katalizator – AlCl₃

Ilości poszczególnych składników:

m_propylen=380 kg

m_AlCl3=8 kg

M_propylen=42 kg/kmol

M_benzen=78 kg/kmol

M_kumen=120 kg/kmol

Stopień przemiany: α=0,91

Nadmiar benzenu względem propylenu: 9:1

x kg benzenu – 380 kg propylenu

78 kg benzenu – 42 kg propylene

x=705,7 kg

m_benzenu = x • 9 = 6351, 3 kg

y kg kumenu – 380 kg propylenu

120 kg kumenu – 42 kg propylenu

y=1085,7 kg

m_kumenu = y • 0, 91 = 988, 0 kg

m_sciekow = 1085, 7 − 988 + 8 = 105, 7 kg

1. Utlenianie kumenu

m_kumen=988,0kg

M_WNK=152 kg/kmol – masa molowa wodoronadtlenku kumenu (WNK)

Nadmiar powietrza w stosunku do ilości stechiometrycznej: 2:1

Wydajność reakcji utleniania kumenu: α₁=0,83

988 kg kumenu – x kg tlenu

120 kg kumenu – 32 kg tlenu

x=263,5 kg

$$m_{\text{pow}} = \frac{x}{0,21} \bullet 2 = 2509,5\ kg$$

988 kg kumenu – y kg WNK

120 kg kumenu – 152 kg WNK

y=1251,5 kg

m_WNK = y • 0, 83 = 1038, 7 kg

m_sciekow = y − m_WNK = 212, 8 kg

1. Rozkład WNK

M_fenol= 94 kg/kmol

M_aceton= 58 kg/kmol

Rozkład WNK zachodzi w 100%

Rozkład wodoronadtlenku kumenu prowadzi się w 0,1% roztworze stężonego kwasu siarkowego. Rozpuszczalnikiem jest aceton. Zakwaszone środowisko jest potrzebne do zainicjowania rozkładu WNK.

1038,7 kg WNK – x kg acetonu

152 kg WNK – 58 kg acetonu

x=396,3 kg=m_acetonu

m_fenolu=1038,7-396,3=642,4 kg

Reagent	mdop [kg]	modp [kg]
Benzen Propylen AlCl3 Ścieki Aceton Fenol N2 O2	6351,3 380 8 0 0 0 1982,5 527	5645,6 0 0 318,5 396,3 642,4 1982,5 263,5
Suma:	9248,8	9248,8

1. Bilans cieplny procesu.