RU197761U1

RU197761U1 - LABORATORY STAND FOR THE PROCESSES OF OXIDATION OF FURANIC DERIVATIVES

Info

Publication number: RU197761U1
Application number: RU2019127461U
Authority: RU
Inventors: Нина Владимировна Смирнова; Вячеслав Владимирович Горчаков; Виктор Александрович Клушин
Original assignee: Нина Владимировна Смирнова; Вячеслав Владимирович Горчаков; Виктор Александрович Клушин
Priority date: 2019-09-02
Filing date: 2019-09-02
Publication date: 2020-05-26

Abstract

Полезная модель относится к области химической технологии, в частности к конструкциям лабораторных испытательных стендов, предназначенных для экспериментального определения оптимальных условий окисления фурановых производных, и позволяет оптимизировать технологический процесс за счет объединения в одной установке оборудования, включающего полный цикл, а также повысить качество целевого продукта путем включения необходимого оборудования для дополнительного фильтрования.Лабораторный стенд для проведения процессов окисления фурановых производных содержит дозаторы ингредиентов, реактор окисления с перемешивающим устройством, снабженный рубашкой охлаждения, и панель управления, установленные на общем основании. Кроме того, содержит реактор подкисления с перемешивающим устройством, снабженный рубашкой охлаждения, а на выходе каждого из реакторов установлены вакуум-фильтры для жидкостей. Вакуум-фильтр реактора окисления посредством вакуум-линии связан с реактором подкисления, вакуум-фильтр которого снабжен на выходе емкостями для сбора фильтрата и твердой фазы.The utility model relates to the field of chemical technology, in particular, to the designs of laboratory test benches designed to experimentally determine the optimal conditions for the oxidation of furan derivatives, and allows to optimize the process by combining equipment that includes a full cycle in one installation, as well as improve the quality of the target product by including the necessary equipment for additional filtering. The laboratory bench for carrying out the oxidation of furan derivatives contains ingredient dispensers, an oxidation reactor with a mixing device, equipped with a cooling jacket, and a control panel mounted on a common base. In addition, it contains an acidification reactor with a mixing device equipped with a cooling jacket, and vacuum filters for liquids are installed at the outlet of each of the reactors. The vacuum filter of the oxidation reactor through a vacuum line is connected to the acidification reactor, the vacuum filter of which is equipped with containers at the outlet to collect the filtrate and solid phase.

Description

Полезная модель относится к области химической технологии, в частности к конструкциям лабораторных испытательных стендов, предназначенных для экспериментального определения оптимальных условий окисления фурановых производных, например, 5-гидроксиметилфурфурола (5-ГМФ) до 2,5-фурандикарбоновой кислоты (2,5-ФДКК).The utility model relates to the field of chemical technology, in particular, to designs of laboratory test benches designed to experimentally determine the optimal conditions for the oxidation of furan derivatives, for example, 5-hydroxymethylfurfural (5-GMF) to 2,5-furandicarboxylic acid (2,5-FDCA) .

Продукты переработки углеводов, являющихся основой биомассы, представляют собой перспективные химические соединения с широким спектром областей применения. Особый интерес представляют фурановые соединения. В последнее время широко исследуются процессы окисления 5-ГМФ и получения 2,5-ФДКК из него. На сегодняшний день описан ряд способов, из которых можно выделить два наиболее перспективных варианта осуществления данного процесса. В первом варианте окисление происходит при использовании в качестве окислителя непосредственно кислорода или кислорода воздуха и во втором - перманганата калия. В случае использования кислорода в качестве окислителя, возникает необходимость проведения процесса при повышенном давлении, нагреве компонентов в реакторе окисления и использовании катализаторов, содержащих драгоценные металлы. Это ведет к усложнению конструкции установки, сложностям при эксплуатации и к ее удорожанию.The products of carbohydrate processing, which are the basis of biomass, are promising chemical compounds with a wide range of applications. Of particular interest are furan compounds. Recently, the oxidation of 5-GMF and the production of 2,5-FDCA from it have been widely studied. To date, a number of methods have been described, of which two of the most promising options for implementing this process can be distinguished. In the first embodiment, oxidation occurs when oxygen or oxygen is used directly as an oxidizing agent, and in the second, potassium permanganate. In the case of using oxygen as an oxidizing agent, it becomes necessary to carry out the process at elevated pressure, to heat the components in the oxidation reactor, and to use catalysts containing precious metals. This leads to a complication of the design of the installation, difficulties in operation and to its cost.

Использование в качестве окислителя перманганата калия исключает указанные недостатки и упрощает процесс синтеза ФДКК в лабораторных условиях.The use of potassium permanganate as an oxidizing agent eliminates these drawbacks and simplifies the synthesis of FDCA in laboratory conditions.

В обоих вариантах процесс проходит в две стадии: на первой стадии происходит окисление 5-ГМФ, а на второй - подкисление соли ФДКК с последующим осаждением кислоты. После первой стадии необходима фильтрация для удаления катализатора или побочных продуктов разложения окислителя (оксида марганца), а после второй стадии необходимо отфильтровать выпавшие кристаллы ФДКК от раствора хлористого натрия, что усложняет процесс получения целевого продукта.In both cases, the process proceeds in two stages: in the first stage, 5-GMF is oxidized, and in the second, acidification of the FDCA salt occurs, followed by precipitation of the acid. After the first stage, filtration is necessary to remove the catalyst or by-products of the decomposition of the oxidizing agent (manganese oxide), and after the second stage, it is necessary to filter the precipitated FDCA crystals from the sodium chloride solution, which complicates the process of obtaining the target product.

Для реализации процесса окисления используют различные автоклавы, реакторы. Известны реакторы для проведения процессов окисления отходов и материалов, описанные в патентах US №5558783, US №5591415, US №6264844.To implement the oxidation process, various autoclaves, reactors are used. Known reactors for the oxidation of waste and materials described in US patents No. 5558783, US No. 5591415, US No. 6264844.

Так, например, в патенте US №6264844 для процессов окисления использован проточный трубчатый реактор, выполненный в виде прямой трубы. К недостаткам данного реактора можно отнести сложность поддержания изотермического состояния реакционной смеси, а также то, что ее состав неоднороден и меняется по длине реактора.So, for example, in US patent No. 6264844 for the oxidation processes used a flow tube reactor made in the form of a straight pipe. The disadvantages of this reactor include the difficulty of maintaining the isothermal state of the reaction mixture, as well as the fact that its composition is heterogeneous and varies along the length of the reactor.

В патенте US №5591415 и а.с. №636233 предложено использовать проточный реактор в виде сосуда высокого давления (реактор смешения). К недостаткам такого типа реактора, как и практически любого реактора смешения, можно отнести трудности в обеспечении длительного времени контакта компонентов реакционной смеси, что не позволяет достигнуть высокой степени превращения.In US patent No. 5591415 and and.with. No. 636233 proposed to use a flow reactor in the form of a pressure vessel (mixing reactor). The disadvantages of this type of reactor, as well as almost any mixing reactor, include difficulties in ensuring a long contact time of the components of the reaction mixture, which does not allow to achieve a high degree of conversion.

В ряде известных способов (а.с. №530881, №510477) для получения 2,5-ФДКК путем окисления 5-ГМФ используется проточная автоклавная установка высокого давления марки УОСУГ-12М, выбранная в качестве прототипа (Н.М. Эмануэль, Е.Т. Денисов, З.К. Майзус. Цепные реакции окисления углеводородов в жидкой фазе. - М.: Наука, 1965, Курганова Е.А. - Селективное аэробное окисление алкиларенов до гидропероксидов в присутствии фталимидных катализаторов: дисс. док. хим. наук: 05.17.04. Ярославль - 2017).In a number of well-known methods (AS No. 530881, No. 510477) for the production of 2,5-FDKK by oxidation of 5-GMF, a high-pressure flowing autoclave unit UOSUG-12M, selected as a prototype (N.M. Emanuel, E .T. Denisov, ZK Mayzus, Chain reactions of hydrocarbon oxidation in the liquid phase, Moscow: Nauka, 1965, EA Kurganova, Selective aerobic oxidation of alkylarenes to hydroperoxides in the presence of phthalimide catalysts: diss. Sciences: 05.17.04. Yaroslavl - 2017).

Основным элементом установки УОСУГ-12М является реактор окисления в виде полого цилиндра объемом 180 см³. В крышке реактора укреплены трубки барботера для подачи воздуха, поступающего на окисление, и карман для термопары. Реактор снабжен водяным холодильником и магнитной мешалкой, приводимой в возвратно-поступательное движение сердечником и магнитной катушкой с помощью прерывателя. Для обогрева реакционной массы реактор установлен в электрической печи. Магнитная мешалка установлена прямо на водяном холодильнике, приваренном к головке реактора, что обеспечивает хорошие условия работы катушки. Данная установка работает в периодическом режиме. В реактор загружают ингредиенты и катализатор, герметично закрывают, подают в систему через реактор сжатый воздух из баллона. Одновременно с этим осуществляют нагрев реакционной смеси печью при включенной мешалке. По окончании процесса окисления печь обогрева отключают, реактор охлаждают холодной водой, давление в системе снижают до атмосферного.The main element of the UOSUG-12M installation is an oxidation reactor in the form of a hollow cylinder with a volume of 180 cm ³ . A bubbler tube for supplying air to the oxidation and a thermocouple pocket are reinforced in the reactor lid. The reactor is equipped with a water cooler and a magnetic stirrer driven in reciprocating motion by a core and a magnetic coil using a chopper. To heat the reaction mass, the reactor is installed in an electric furnace. The magnetic stirrer is installed directly on the water cooler welded to the reactor head, which ensures good working conditions of the coil. This setting works in batch mode. The ingredients and the catalyst are loaded into the reactor, hermetically closed, and compressed air from the cylinder is supplied to the system through the reactor. At the same time, the reaction mixture is heated by the furnace with the stirrer switched on. At the end of the oxidation process, the heating furnace is turned off, the reactor is cooled with cold water, the pressure in the system is reduced to atmospheric.

К недостаткам следует отнести периодический режим работы, а также наличие элементов и узлов для подачи сжатого воздуха или кислорода, что усложняет конструкцию, обслуживание и эксплуатацию данной установки.The disadvantages include the periodic mode of operation, as well as the presence of elements and units for supplying compressed air or oxygen, which complicates the design, maintenance and operation of this unit.

Однако существующие способы представляют собой трудоемкие многооперационные процессы, а установки, используемые для их реализации, являются оборудованием периодического действия и не предусмотрены для проведения полного цикла операций. При этом надо учитывать, что оборудование должно быть рассчитано на проведение процессов в агрессивной среде при повышенном давлении и температуре (обычно при 115° - 140°С и давлении воздуха 1,0÷1,5 МПа). Поэтому разработка и поиск альтернативных, менее затратных способов и оборудования для их реализации является актуальной задачей.However, the existing methods are labor-intensive multi-operation processes, and the plants used for their implementation are batch equipment and are not intended for a full cycle of operations. It should be borne in mind that the equipment should be designed to conduct processes in an aggressive environment at elevated pressure and temperature (usually at 115 ° - 140 ° C and air pressure 1.0 ÷ 1.5 MPa). Therefore, the development and search for alternative, less costly methods and equipment for their implementation is an urgent task.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение заключается в разработке конструкции лабораторного стенда для проведения процесса окисления фурановых производных, позволяющей оптимизировать технологический процесс за счет объединения в одной установке оборудования, включающего полный цикл, и повысить качество целевого продукта путем включения дополнительной стадии фильтрования и необходимого оборудования.The problem to which the claimed technical solution is directed is to develop the design of a laboratory bench for the oxidation of furan derivatives, which allows optimizing the process by combining equipment including a full cycle in one installation and improving the quality of the target product by including an additional filtering stage and the necessary equipment.

Эта задача решается посредством предлагаемой конструкции лабораторного стенда для проведения процессов окисления фурановых производных, содержащего дозаторы ингредиентов, реактор окисления с перемешивающим устройством, снабженный рубашкой охлаждения, и панель управления, установленные на общем основании. Стенд дополнительно содержит реактор подкисления с перемешивающим устройством, снабженный рубашкой охлаждения. На выходе каждого из реакторов установлены вакуум-фильтры для жидкостей, при этом вакуум-фильтр реактора окисления посредством вакуум-линии связан с реактором подкисления, вакуум-фильтр которого снабжен на выходе емкостями для сбора фильтрата и твердой фазы.This problem is solved by the proposed design of a laboratory bench for carrying out oxidation processes of furan derivatives containing ingredient dispensers, an oxidation reactor with a mixing device equipped with a cooling jacket, and a control panel mounted on a common base. The stand further comprises an acidification reactor with a stirrer equipped with a cooling jacket. Vacuum filters for liquids are installed at the outlet of each of the reactors, while the vacuum filter of the oxidation reactor is connected via an vacuum line to an acidification reactor, the vacuum filter of which is equipped with containers at the outlet for collecting the filtrate and solid phase.

Существенным и новым в предложенной конструкции является то, что лабораторный стенд для проведения процессов окисления фурановых производных включает в одной установке весь комплекс необходимого оборудования: дозирующие устройства, реакторы окисления и подкисления, снабженные перемешивающими устройствами и рубашками охлаждения, вакуум-фильтры, емкости для жидкой и твердой фаз, связанные трубопроводами. Кроме того стенд дополнительно содержит оборудование для проведения фильтрования и удаления побочных продуктов разложения окислителя и выделения конечного продукта.Significant and new in the proposed design is that the laboratory bench for carrying out the processes of oxidation of furan derivatives includes in one installation the whole complex of necessary equipment: metering devices, oxidation and acidification reactors equipped with mixing devices and cooling jackets, vacuum filters, containers for liquid and solid phases connected by pipelines. In addition, the stand additionally contains equipment for filtering and removing by-products of the oxidant decomposition and the isolation of the final product.

Технический результат предлагаемой конструкции заключается в создании лабораторного стенда для проведения процесса окисления фурановых производных, позволяющего оптимизировать и совместить все операции технологического процесса в одной установке. Кроме того, повышается качество конечного продукта за счет наличия фильтровального оборудования после реакторов окисления и подкисления. При проведении процесса окисления 5-ГМФ до 2,5-ФДКК после первой стадии необходима фильтрация для удаления катализатора или побочных продуктов разложения окислителя (оксида марганца), а после второй стадии необходимо отфильтровать выпавшие кристаллы ФДКК от раствора хлористого натрия, что в итоге позволяет повысить качество целевого продукта.The technical result of the proposed design is to create a laboratory bench for the process of oxidation of furan derivatives, which allows to optimize and combine all the operations of the technological process in one installation. In addition, the quality of the final product is improved due to the presence of filter equipment after oxidation and acidification reactors. During the oxidation of 5-GMF to 2.5-FDCA after the first stage, filtration is necessary to remove the catalyst or by-products of the decomposition of the oxidizing agent (manganese oxide), and after the second stage, it is necessary to filter the precipitated FDCA crystals from the sodium chloride solution, which ultimately allows to increase quality of the target product.

Предложенная конструкция лабораторного стенда для проведения процесса окисления фурановых производных поясняется чертежом. На Фиг. 1 представлена принципиальная схема лабораторного стенда для проведения процессов окисления фурановых производных, где 1 - дозаторы ингредиентов; 2 - реактор окисления; 3 - перемешивающее устройство; 4 - рубашкой охлаждения; 5 - реактор подкисления; 6 - вакуум-фильтры для жидкостей; 7 - вакуум-линии; 8 - емкость для фильтрата; 9 - емкость для твердой фазы.The proposed design of the laboratory bench for the process of oxidation of furan derivatives is illustrated in the drawing. In FIG. 1 is a schematic diagram of a laboratory bench for carrying out the oxidation of furan derivatives, where 1 are the dispensers of ingredients; 2 - oxidation reactor; 3 - mixing device; 4 - cooling jacket; 5 - acidification reactor; 6 - vacuum filters for liquids; 7 - vacuum lines; 8 - capacity for filtrate; 9 - capacity for the solid phase.

Конструкция лабораторного стенда смонтирована на общем основании. На панели размещены элементы управления и регулирования технологическим процессом. Стенд включает дозаторы ингредиентов 1, расположенные над реакторами окисления 2, который снабжен перемешивающим устройством 3 и рубашкой охлаждения 4. Реактор подкисления 5, также снабжен перемешивающим устройством 3 и рубашкой охлаждения. Для разделения суспензий, образующихся в реакторах, используются барабанные вакуум-фильтры 6, расположенные на выходе реакторов. Вакуум-линии 7 связывают барабанный вакуум-фильтр, расположенный на выходе реактора окисления, с реактором подкисления, и барабанный вакуум-фильтр, расположенный под ним с емкостью для фильтрата 8. Емкости для твердой фазы 9 предназначены для сбора побочных продуктов разложения окислителя и выделения конечного продукта, и расположены на выходе фильтров соответствующих реакторов.The design of the laboratory bench is mounted on a common basis. The panel contains elements of process control and regulation. The stand includes the dispensers of ingredients 1 located above the oxidation reactors 2, which is equipped with a mixing device 3 and a cooling jacket 4. The acidification reactor 5 is also equipped with a mixing device 3 and a cooling jacket. To separate the suspensions formed in the reactors, drum vacuum filters 6 are used located at the outlet of the reactors. Vacuum lines 7 connect a drum vacuum filter located at the outlet of the oxidation reactor with an acidification reactor and a drum vacuum filter located below it with a container for filtrate 8. Tanks for solid phase 9 are designed to collect by-products of the decomposition of the oxidizing agent and isolate the final product, and are located at the outlet of the filters of the respective reactors.

Практическая эксплуатация предложенной конструкции лабораторного стенда для проведения процесса окисления фурановых производных осуществляется следующим образом. Все операции технологического процесса регулируются с помощью элементов, размещенных на панели управления. Рассмотрим работу стенда на примере процесса окисления 5-ГМФ до 2,5-ФДКК.The practical operation of the proposed design of the laboratory bench for the oxidation of furan derivatives is carried out as follows. All operations of the technological process are regulated using elements placed on the control panel. Consider the work of the stand on the example of the process of oxidation of 5-GMF to 2.5-FDKK.

Раствор, содержащий перманганат калия и гидроксид натрия, из дозатора ингредиентов 1 поступает в реактор окисления 2, туда же из другого дозатора подается раствор 5-ГМФ при включенном перемешивающем устройстве 3 реактора 2. После завершения процесса окисления суспензия оксида марганца из реактора 2 самотеком перетекает в приемную ванну барабанного вакуум-фильтра 6. В процессе фильтрации происходит разделение образовавшейся суспензии на твердую фазу (оксид марганца), которая счищается с поверхности барабана и направляется в емкость 9, предназначенную для сбора побочных продуктов разложения окислителя. А жидкая фаза (раствор натриевой соли ФДКК) с помощью вакуум-линии 7 направляется в реактор подкисления 5, также снабженный мешалкой 3 и рубашкой охлаждения 4. По окончании процесса фильтрации в реакторе 5 устанавливают давление соответствующее атмосферному и загружают концентрированную соляную кислоту из дозатора до достижения показателя pH равного 2. Образовавшаяся суспензия ФДКК из реактора 5 самотеком перетекает в приемную ванну барабанного вакуум фильтра 6, расположенную под реактором 5. Твердая фаза (ФДКК) удаляется с поверхности фильтровального барабана и направляется в емкость для сбора конечного продукта 9, а фильтрат поступает в емкость 8 для последующей утилизации.A solution containing potassium permanganate and sodium hydroxide from the ingredient dispenser 1 enters the oxidation reactor 2, and a 5-GMF solution is supplied from the other dispenser with the stirring device 3 of the reactor 2 turned on. After the oxidation process is completed, the suspension of manganese oxide from the reactor 2 flows by gravity into receiving bath of the drum vacuum filter 6. During the filtration, the suspension is separated into a solid phase (manganese oxide), which is cleaned from the surface of the drum and sent to a container 9, designed to collect by-products of the oxidant decomposition. And the liquid phase (FDCA sodium salt solution) is sent via a vacuum line 7 to the acidification reactor 5, also equipped with a stirrer 3 and a cooling jacket 4. At the end of the filtration process, the pressure corresponding to atmospheric pressure is set in reactor 5 and concentrated hydrochloric acid is charged from the dispenser until it reaches pH equal to 2. The resulting suspension of FDKK from the reactor 5 flows by gravity into the receiving tank of the drum vacuum of the filter 6, located under the reactor 5. The solid phase (FDKK) is removed from the surface of the filter drum and sent to the tank to collect the final product 9, and the filtrate enters capacity 8 for subsequent disposal.

В результате проведения процесса окисления 5-ГМФ до 2,5-ФДКК при оптимизированных условиях на предлагаемом лабораторном стенде были получены следующие результаты. При подаче в установку 50 мл раствора, содержащего 8,25 г 5-ГМФ-сырца (60%), в результате получено 4,5-5 г ФДКК чистотой 98%, что подтверждает высокое качество получаемого продукта.As a result of the process of oxidation of 5-GMF to 2,5-FDCA under optimized conditions, the following results were obtained at the proposed laboratory bench. When 50 ml of a solution containing 8.25 g of 5-GMF raw (60%) was fed into the unit, 4.5-5 g of FDCA was obtained with a purity of 98%, which confirms the high quality of the obtained product.

Claims

A laboratory stand for carrying out the oxidation processes of furan derivatives containing ingredient dispensers, an oxidation reactor with a mixing device equipped with a cooling jacket, and a control panel mounted on a common base, characterized in that it further comprises an acidification reactor with a mixing device equipped with a cooling jacket, and Vacuum filters for liquids are installed at the outlet of each of the reactors, while the vacuum filter of the oxidation reactor is connected via an vacuum line to the acidification reactor, the vacuum filter of which is equipped with containers at the outlet for collecting the filtrate and solid phase.