Analiza procesu z wykorzystaniem aparatu Mettler-Toledo

POLITECHNIKA ŚLĄSKA
WYDZIAŁ CHEMICZNY
KATEDRA TECHNOLOGII CHEMICZNEJ ORGANICZNEJ
I PETROCHEMII
INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH:
Analiza procesu z wykorzystaniem aparatu Mettler-Toledo
Laboratorium z przedmiotu: Procesy przemysłowej syntezy organicznej
Kierunek: Technologia Chemiczna
Stopień: II
Semestr: II
Miejsce ćwiczeń: 322/N1
Opracował:
mgr inż. Tomasz Piotrowski
1 Wprowadzenie
Przedmiotem zajęć jest wykonanie opracowania na temat powiększania skali procesu
otrzymywania dibenzoilometanu z wykorzystaniem kalorymetru RC1e firmy Mettler-Toledo oraz
spektroskopii in-situ FTIR.
Podstawą syntezy dibenzoilometanu (DBM) jest reakcja krzyżowej kondensacji Claisena
między acetofenonem (AcPh) i benzoesanem metylu (MB). Reagentem deprotonującym (zasadą) jest
t-butanolan potasu (KTB). Jako rozpuszczalnika w reakcji używa się tetrahydrofuranu (THF). Wybór
rozpuszczalnika i zasady podyktowany jest względami edukacyjnymi. W praktyce przemysłowej
stosowane są inne substancje (np. metanolanu sodu i toluen).
Proces zachodzi wieloetapowo. W pierwszym etapie następuje reakcja ketonu (acetofenonu) z
zasadą z wytworzeniem odpowiedniego enolanu:
Jest to reakcja równowagowa, jednakże ze względu na znaczną różnicę pKa między
acetofenonem (ok. 18,5) a „wartością zasadową” tert-butanolanu potasu (ok. 20), równowaga ta jest
przesunięta istotnie w kierunku produktów. Ponadto powstający acetofenolan potasu jest słabo
rozpuszczalny w THF i wytrąca się w postaci brązowego osadu, co w efekcie powoduje prawie
całkowite przereagowanie acetofenonu.
W kolejnym etapie następuje dozowanie estru do mieszaniny i jego addycja do karboanionu:
Powstały addukt uwalnia anion metoksylowy, w wyniku czego powstaje dibenzoilometan:
Anion metoksylowy atakuje centralny atom cząsteczki DBM prowadząc do powstania słabo
rozpuszczalnej soli DBM i metanolu:
Równowaga ostatniego etapu przesuwana jest w kierunku produktów przez wydzielanie soli
DBM z mieszaniny, stała równowagi jest stosunkowo wysoka ze wzglądu na niską wartość pKa
dibenzoilometanu (9-11) w porównaniu do metanolu (ok. 15).
Oprócz opisanych wyżej reakcji w mieszaninie reakcyjnej może zachodzić szereg reakcji
równoległych, ubocznych i następczych z udziałem KTB, BM i metanolu, których konsekwencje będą
przedmiotem dyskusji w sprawozdaniu.
2 Wykonanie ćwiczenia
Do uprzednio przygotowanego reaktora wprowadza się rozpuszczalnik w ilości ok. 100 g. Po
każdej operacji należy odczekać aż do ustabilizowania się temperatury na poziomie 20°C, natężenia
strumienia cieplnego i zebrania ok. 10 stabilnych widm IR. Następnie wprowadza się do reaktora stały
tert-butanolan potasu w 20% nadmiarze w stosunku do AcPh. Po ponownej stabilizacji rozpoczyna się
wkraplanie acetofenonu w ilości 0,2 mol w czasie 30 min. Po wkropleniu acetofenonu (i stabilizacji)
rozpoczyna się dozowanie benzoesanu metylu w nadmiarze 10% w stosunku do AcPh. W trakcie
wkraplania BM obserwuje się wzrost natężenia strumienia ciepła. Po zakończeniu wkraplania wartość
ta zaczyna spadać.
W trakcie trwania procesu co 1 min. rejestrowane jest widmo IR mieszaniny. Reakcję
kondensacji prowadzi się przez 2-3 h od rozpoczęcia wkraplania BM.
3 Sprawozdanie
1. Wyznaczyć wartość ciepła rozpuszczania KTB w THF.
2. Wyznaczyć wartość ciepła reakcji AcPh + KTB uwzględniając wartość ciepła rozpuszczania
AcPh odczytaną z jednego z zapisanych pomiarów.
3. Wyznaczyć wartość ciepła reakcji kondensacji.
4. Omówić przebieg reakcji kondensacji na podstawie zarejestrowanych parametrów cieplnych i
widm IR. Wyjaśnić co jest przyczyną wzrastania i opadania natężenia strumienia ciepła,
z czego wynika taki kształt przebiegu (kinetyka) i jakie konsekwencje po przeniesieniu
procesu do większej skali może mieć to zjawisko.
5. Przedyskutować możliwość wprowadzania reagentów w innej kolejności oraz możliwość
użycia innej zasady zamiast KTB.
6. Podać założenia projektowe dla produkcji DBM w skali 100 kg z szarży.
6.1. Bilans masowy
6.2. Bilans cieplny
6.3. Zaproponować rozmiary oraz konstrukcję reaktora, metodę wymiany ciepła i podać
warunki pracy układu wymiany pomijając straty do otoczenia.
6.4. Przedyskutować możliwe scenariusze awarii układu wymiany ciepła.