Способы производства жирных кислот

2. Способы производства жирных кислот

Синтетические жирные кислоты (далее по тексту – СЖК), получаемые в промышленности из нефтехимического сырья, представляют собой, как правило, смеси насыщенных, преимущественно монокарбоновых кислот нормального и изостроения с четным и нечетным числом атомов углерода в молекуле, содержащие примеси дикарбоновых, гидрокси- и кетокарбоновых кислот и других соединений.

2.1 Окисление парафинов кислородом воздуха

До недавнего времени основным способом синтеза СЖК в России было окисление парафинов кислородом воздуха (см.рис.1) при 105-120°С и атмосферном давлении (катализаторы – соединения марганца, например MnSO₄, MnO₂, КМnО₄).

СН₃-…СН₂…-СН₃ + 3О₂ -> СН₃-…СН₂…-СООН +Н₂О

Степень превращения парафина составляла 30-35%. Продукты окисления нейтрализовали при 90-95ºС 20%-ным раствором Na₂CO₃ и омыляли 30%-ным раствором NaOH; из полученных мыл кислоты выделяли обработкой H₂SO₄ и фракционировали. Предусмотренные к выпуску фракции указаны в табл. 2.

Неомыляемые продукты удаляли термической обработкой в автоклаве при 160-180°С и 2,0 МПа, а затем в термической печи при 320-340°С.

В СССР производство СЖК осуществлялось на ряде предприятий: Омском НПК, Надворнянском и Волгоградском НПЗ, Волгодонском и Шебекинском химкомбинатах и Уфимском НПЗ им. ХХII съезда КПСС. Начиная с 90-х годов, эти производства были постепенно ликвидированы в связи с нерентабельностью существующих технологий: невысокий выход целевой фракции С₁₀-С₂₀ (около 50% на сырье), низкое качество кислот, обусловленное присутствием до 3% побочных продуктов (дикарбоновых, кето- и гидроксикарбоновых кислот и др.), большой объем сточных вод (до 8 м³ на 1 т кислот), загрязненных Na₂SO₄ и низкомолекулярными кислотами. Кроме того, сырьевая база парафинов является достаточно дефицитной. Последним было закрыто в начале 2001 года производство СЖК на Уфимском НПЗ.

2.2 Окисление альдегидов оксосинтеза кислородом

2-Этилгексановую кислоту и фракцию кислот С₈-С₁₀ получают окислением соответствующих альдегидов оксосинтеза кислородом или кислородсодержащим газом при 40-90°С и 0,1-1,0 МПа (катализаторы – металлы I, II или VIII группы). СЖК фракций С₁₂-С₁₅, С₁₆-С₁₈ синтезируют окислением оксоспиртов, например в водных щелочных растворах при 70-120 °С в присутствии металлов платиновой группы или расплавленной щелочью при 170-280°С и давлении, необходимом для поддержания продуктов в жидкой фазе. Получаемые кислоты содержат меньше побочных продуктов, чем кислоты, синтезируемые из парафинов.

Гидрокарбоксилирование олефинов в присутствии Со₂(СО)₈

Практическую значимость приобретают методы синтеза СЖК из олефинов в присутствии Со₂(СО)₈:

·  гидрокарбоксилирование при 145-165 °С и 5-30 МПа:

RCH=СН₂ + СО + Н₂О → RCH₂CH₂COOH;

·  гидрокарбоалкоксилирование при 165-175 °С и 5-15 МПа с последующим гидролизом образующегося эфира:

Преимущества процессов: малостадийность, высокие выходы кислот; недостатки: довольно жесткие условия (сложность технологического оформления), образование большого количества (до 50%) кислот изостроения, в следствие чего – высокая стоимость получающихся кислот.

2.3 Гидрокарбоксилирование олефинов в присутствии кислот

СЖК синтезируют также гидрокарбоксилированием олефинов в присутствии кислот, например H₂SO₄, HF, BF₃, при температуре 50-100°С, давлении 5-15 МПа (процесс Коха). При использовании сокатализаторов (карбонилов меди и серебра) реакцию можно вести при 0-30°С и 0,1 МПа. Получают в основном смеси кислот изостроения. Они отличаются низкими температурами плавления и кипения, высокой вязкостью, хорошей растворимостью. Недостаток метода – высокоагрессивная среда.

  2.4 Жидкофазное окисление α-олефинов

Метод жидкофазного окисления технической фракции α-олефинов на однотарельчатой сетчатой колонне 40×900мм в присутствии стеарата кобальта. Условия процесса: температура 1300ºС, время – 2,5ч , количество катализатора – 0,07%, скорость воздуха – 2,5 л/мин. В результате образуется смесь кислородсодержащих соединений со средним молекулярным весом 536, содержащая карбонильные, гидроксильные и карбоксильные группы. Высокие йодные числа полученного оксидата указывают на наличие непредельных веществ. Для выделения кислот из оксидата предлагается экстракция водным раствором карбоната натрия с последующим подкислением щелочной фазы. Другой описанный метод получения карбоновых кислот окислением олефинов кислородом воздуха включает использование в качестве инициирующей добавки органических перекисей. Смесь высших α-олефинов окисляют кислородом воздуха при 75-1100ºС в присутствии 1% перекиси третбутила до 20%-ной конверсии, затем добавляют 1% стеарата марганца и продолжают окисление. Длительность процесса - 8-12 часов. Кислоты экстрагируют раствором карбоната натрия. Конверсия – 75%. Карбоновые кислоты получали также при окислении α-олефинов С₄-С₂₀ кислородом воздуха при 100-1600ºС в присутствии Ce(NO₃)₃ и азотной кислоты. В качестве растворителя использовали низкомолекулярные жирные кислоты. Выход кислот составил не более 75%.

2.5 Окисление кислородом и озонирование альфа-олефинов

Перспективным альтернативным сырьем для получения СЖК могли бы стать дешёвые фракции α-олефинов – С₂₀-₂₆ и С₂₈ и выше. Линейные α-олефины являются крупнотоннажным продуктом.

Задачей исследования [6] являлась разработка технологии производства синтетических жирных кислот из олефинов, которые могли бы использоваться для получения пластичных смазок и эмульсолов, не требующих применения чистых кислот (целью являлось получение достаточно простой, малозатратной технологии, которая бы не требовала крупных капиталовложений и основывалась на дешевом сырье).

Были проведены лабораторные исследования жидкофазного окисления α-олефинов фракций С₂₀-₂₆ и С₂₈ и выше кислородом воздуха. Условия окисления были подобраны по аналогии с известным процессом окисления парафинов, применявшимся для получения жирных кислот. Реакцию осуществляли в лабораторном реакторе колонного типа, барботируя через фракцию олефинов воздух со скоростью 3-4 л/мин при нормальном давлении в интервале температур 80-1300ºС в присутствии катализаторов (0,03-0,3%).В качестве катализаторов использовали стеарат кобальта, а также смесь калиевых, натриевых и марганцевых мыл, полученных из СЖК С₇-₉, натуральных жирных кислот, олеина технического и оксидата – продукта окисления олефинов. Окисление исследовали, меняя температуру, время реакции, количество и порядок добавления (вместе с олефином или порционно в процессе окисления) катализатора. Было установлено, что ниже температуры 1100ºС окисление практически не идет. Окисление при использовании в качестве катализатора смеси калиевых и марганцевых мыл идет лучше, чем при использовании только марганцевых соединений. Каталитическая активность стеарата кобальта сопоставима с соединениями марганца. Строение органического радикала солей марганца не оказывает существенно влияния на выход кислот. Максимальное кислотное число 69 было достигнуто при проведении процесса с использованием калий-марганцевых мыл (0,2% в пересчете на марганец) при температуре 1150ºС в течение 36 часов. Большое значение числа омыления (124,3) свидетельствует о присутствии значительного количества побочных продуктов (эфиров, окисей, перекисей и др.). Увеличение времени реакции не является целесообразным, т.к. идет значительное замедление скорости процесса, кислотное число увеличивается незначительно, но увеличивается количество побочных продуктов и продуктов разложения.

Также были исследованы окисление олефинов воздухом в присутствии фталоцианинов меди и кобальта, промышленно доступных соединений. На фталоцианине кобальта (содержание в реакционной смеси 0,01%) при пропускании воздуха через олефины в течение 32 часов при 115-1200ºС был получен оксидат с кислотным числом 32 и числом омыления 81. Фталоцианин меди оказался менее эффективным, был получен оксидат с кислотным числом 14 через 25 часов окисления.

Процесс окисления олефинов кислородом воздуха требует дальнейших исследований в плане интенсификации, увеличения селективности, поиска новых катализаторов при соблюдении условия технологичности с одной стороны и низкой себестоимости получаемых СЖК – с другой.

Альтернативным окислению кислородом воздуха в присутствии катализаторов является метод озонирования высших α-олефинов озонно-кислородной смесью. Применение озона в химической технологии в последние годы увеличивается быстрыми темпами. К числу действующих относятся производства азелаиновой кислоты из олеиновой кислоты или соевого масла, гормональных препаратов и стероидов и др. Озон, необходимый для процесса, получают при действии на кислород или воздух тихого электрического разряда в специальных генераторах. Озоновые генераторы различной производительности выпускаются отечественной промышленностью, например, озонатор П-850-200 1МК производства ТД «Курганхиммаш-Озон», стоимостью порядка 14 млн. руб., с производительностью по озону 25,8 кг/ч. Озонаторы обеспечивают образование газовой смеси с содержанием озона до 10% вес. Эти смеси и используются для озонирования олефинов и других непредельных соединений.

При гидролизе или термолизе озонидов конечными продуктами в основном являются альдегиды и кислоты. Поскольку альдегиды легко окисляются, их нетрудно количественно превратить в кислоты.

В качестве сырья для озонирования могут быть использованы индивидуальные олефины и технические фракции с определенными пределами выкипания (например, 140-1800ºС, 180-2400ºС, 200-2400ºС), содержащие олефины С₆-С₈, С₈-С₁₀, С₁₀-С₁₄, С₁₀-С₁₆ и т.п. Изомерный состав олефинового сырья желательно иметь максимально однородный. Концентрация олефинов в сырье может колебаться от 10 до 100%, ароматических углеводородов и циклоолефинов не должно быть, а присутствие парафинов не влияет существенно на процесс, ибо в условиях озонирования они являются инертными до тех пор, пока олефин не превратится полностью. Озонирование олефинов осуществляется при атмосферном давлении и умеренных температурах путем барботажа озонсодержащего газа через жидкие олефины или смеси олефинов с парафинами, при температурах от -40 до +1300ºС. Поскольку реакция высокоэкзотермична, возникает вопрос об отводе реакционного тепла и выборе хладагента. При использовании водяного охлаждения наиболее предпочтительны температуры 10-350ºС. Озонирование можно проводить как периодический или непрерывный процесс.

Имеется ряд зарубежных патентов по озонированию олефинов с получением карбоновых кислот. Однако предлагаемые технологии достаточно сложны и дорогостоящи. Так, карбоновые кислоты и кетоны получают озонированием и окислением олефинов в присутствии ОН-содержащего растворителя (вода, уксусная кислота или третичный спирт) при -78÷560ºС, окисляя озониды раствором хромовой кислоты в водной серной кислоте.

В итоге, авторами исследования [6] был сделан вывод, что технологии, основанные на озонировании α-олефинов либо на их окислении кислородом воздуха, несомненно могут стать достаточно перспективными способами получения недорогих высших синтетических жирных кислот, которые найдут прежде всего широкое применение в производстве пластичных смазок и смазочно-охлаждающих жидкостей. Однако эти процессы требуют серьезного изучения и поиска методов их интенсификации (например, применение роторно-пульсационных аппаратов, УФ-облучения, ультразвука и т.п.).

2.6 Окисление альдегидов кислородом воздуха

В исследовании [8] изучалась возможность получения насыщенных кислот С₄-С₈ окислением соответствующих альдегидов кислородом воздуха в присутствии незначительных количеств изопропанола. Окисление проводили при 55-70ºС в течение 11-14 часов при скорости подачи воздуха 15 л/час. Выход карбоновых кислот составлял 92-94%. Синтез кислот осуществлялся в одну стадию без применения дорогостоящих катализаторов

Применение

СЖК (см. табл. 2) применяют в производстве: пластичных смазок (фракции С₅-С₆, С₇-С₉, С₂₀ и выше); синтетических спиртов (С₇-С₉, С₉-С₁₀, С₁₀-С₁₆); лакокрасочных материалов – для улучшения смачиваемости и диспергирования пигментов, предотвращения их оседания, изменения вязкости красок (С₈-С₁₈); латексов и каучуков - как эмульгаторы при полимеризации бутадиенсодержащих мономеров (С₁₀-С₁₃, С₁₂-C₁₆); неионогенных ПАВ – моно- и диэтаноламидов (С₁₀-С₁₆ и С₁₀-С₁₃ соответственно); текстильно-вспомогательных веществ (С₁₄-С₁₆, С₁₄-С₁₈); свечном производстве (С₁₄-С₂₀); алифатических аминов и амидов; мягчителей и диспергаторов ингредиентов для резинотехнических изделий; добавок к ракетному топливу, увеличивающих противоизносные свойства (С₁₇-С₂₀); искусственные кожи; депрессорных присадок к дизельным топливам (С₂₁-С₂₅).

Таблица 2 – Характеристика фракций СЖК

Показатель	С5-С6	С7-С9	С9-С10	С10-С13	С10-С16	С12-С16	С17-С20
1)  Внешний вид и цвет при 20±5ºС	Прозрачные маслянистые жидкости, бесцветные или слегка желтоватые				Мазеобразные продукты от белого до светло-жёлтого цвета		Твёрдый продукт от белого до светло-жёлтого цвета
2)  Цветность по йодной шкале, мг I2/100 см2, не более	4,0-6,0	6,0-9,0	5,5-7,0	7,0-10,0	6,0-8,0	7,0-8,0		7,0-11,5
3)  Кислотное число, мг КОН/г, не более	430-500	370-410	330-370	275-300	240-260	235-265	195-210
4)  Эфирное число, мг КОН/г, не более	-	-	-	5,0	4,5	5,0	6,5
5)  Карбонильное число, мг КОН/г, не более	-	-	-	12	12	12	14,5
6)  Содержание неомыляемых веществ, 7)  % по массе, не более	-	1,0	1,2	1,5	2,1	2,0	4,5
8)  Температура плавления, ºС	-	-	-	-	25-35	25-35	45-53
9)  Температура вспышки, ºС	82-97	204	104	125	137	140	173
10) Температура воспламенения, ºС	93-109	118	118	168	176	185	197
11) Температура самовоспламенения, ºС	315-400	260	260	240	330	345	343
Примечание: Температуры застывания: 25-35ºС (фракция С10-С16), 45-51°С (С17-С20).

Мощности по производству СЖК оценивались в 0,25 млн. т/год (1984) при загрузке мощностей 50-80%. Возросший интерес к кислотам до С₁₂ и выше С₂₀ стимулирует развитие производства СЖК из нефтехимического сырья.

Перечень литературы

 

1.  Брунштейн Б.А., Клименко В.Л., Цыркин Е.Б., Производство синтетических кислот из нефтяного и газового сырья. Л.: 1970.

2.  Болотин И.М., Милосердое П.Н., Суржа Е.И.. Синтетические жирные кислоты и продукты на их основе, М.: 1970.

3.  Kirk-Othmer encyclopedia, 3 ed., v. 4, N. Y.-[a. о.], 1978, p. 814-71.

4.  Hofmann P., Muller W., «Hydrocarbon Processing», 1981, v. 60, № 10, Sect. 1, p. 151-57.

5.  ГОСТ 23239-89 «Кислоты жирные синтетические фракций С₅-С₆, С₇-С₉, С₅-С₉, С₁₀-С₁₃, С₁₀-С₁₆, С₁₇-С₂₀. Технические условия». ИПК Издательство стандартов, М.: переиздание 1998 г. с изменением №1 (ИУС 5-95).

6.  «Исследование окисления высших альфа-олефинов с целью получения синтетических жирных кислот», Лакеев С.Н., Карчевский С.Г., Майданова И.О., Алексашев В.И., Материал межрегиональной научно-практической конференции «Инновационные процессы в области образования, науки и производства», апрель 2004 г. Россия, Республика Татарстан, г. Нижнекамск.

7.  Н.К. Маньковская, Синтетические жирные кислоты. Получение, свойства, применение. М.: Химия. 1965. 168 с.

8.  «Синтез индивидуальных высших карбоновых кислот», Аминева Г.Г., Саяпова Е.В., Лисицкий В.В., Зимин Ю.С. По материалам конференции «Ломоносов-2009»