对苯二酚的生产方法
1.将苯胺、二氧化锰和硫酸按摩尔比为1∶3∶4加入反应釜内,加料时应在夹套中通冷冻水控制温度在10℃以下。搅拌下反应10h,反应温度逐渐升至25℃左右,生成苯醌。然后在反应物内通入水蒸气进行水蒸气蒸馏,蒸出的苯醌与水蒸气经部分冷凝后流入还原釜,再加入与苯醌的摩尔比为1∶0.7的铁粉,加热至90~100℃,搅拌下反应3~4h,还原反应的产物为对苯二酚。还原产物经过滤除去氧化铁渣后,进行减压脱水浓缩。然后加入焦亚硫酸钠、活性炭、锌粉,加热至沸腾进行脱色。趁热过滤后,滤液缓缓降温至30℃以下,对苯二酚以针状结晶析出,经离心脱水后,加入沸腾床于80℃下进行干燥,即得成品。
化学反应式如图1。
2.苯酚羟基化法 采用过氧化氢作羟基化剂,反应在催化量的无机强酸或二价铁盐或钴盐存在下进行。 化学反应式如图2。
3.二异丙苯氧化法 利用过氧化物进行氧化反应,制得氢醌。 其反应式如图3.
实验室制法:苯胺氧化水解法:
Ph-NH2+NaNO2——(Ph-N2+),(Ph-N2+)+H3O+=Ph-OH+N2
工业制法:1.由异丙苯制备:C6H6+CH3CH=CH2——Ph-CH(CH3)2,
Ph-CH(CH3)2+O2——Ph-C(CH3)-OOH,再加水——Ph-OH+CH3COCH3
2.由芳磺酸制备:C6H6+H2SO4浓——Ph-SO3H
Ph-SO3H+NaSO3——(NaOH熔融)Ph-ONa——水解
简介:这两个化合物是极其重要的中间体,
应用领域极其广泛,国内需求量很大。邻苯二
酚是重要的医药中间体,可用来制造止咳素、
丁子香酚、黄连素和异丙肾上腺素等。另外,
还可用于抗氧剂、杀菌剂、染料、香料等制备。
对苯二酚主要用作照相的显影剂,还可用于橡
胶和汽油的抗氧剂。目前国内所采用的生产一I:
艺成本高,劳动强度大,三废大。新工艺采用
先进的邻苯二酚联产对苯二酚的生产l_[艺,即
苯酚在TS-1合成分子筛的催化作用下,与双氧
水作用发生羟基化反应,生成邻、对苯二酚。
此工艺优点在于原料易得,反应条件温和, 反
应副产物绝大部分为水,苯二酚选择性高达99
%以上,三废污染小,产品成本低,符合当今
绿色化学的发展趋势,经济效益和社会效益都
非常好。对苯二酚及邻苯二酚产品纯度均为>98
%。所需厂房面积400 m。。主要设备有:反应
器、蒸馏釜、真空系统等设备。主要原材料有:
苯酚、丙酮、双氧水等原料。这两个产品目前
市场需求量大,其中邻苯二酚每年均需要进口。
由于环境保护的需要,国内许多采用传统工艺
生产对苯二酚的企业目前均在减产或停产。
2001年每吨产品成本<2.3万元,目前市场售价
又升高。(SUP7939)
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气体抗溶剂过程(GA S) 是由Gallagher 和Krukon is 等[ 1 ] 于1989 年首先提出的, 其最初的实
验操作是一个间歇的过程。1993 年Sang2Do Yeo
等[ 2 ]将其改进为连续过程, 并成功地应用于胰岛素
超细颗粒的制备。与传统的喷雾干燥、气流粉碎、研
磨、冷冻干燥等方法相比, 连续GA S 过程制备的颗
粒具有粒径分布窄、生物成分不易失活等优点。1998
年Rererchon[ 3~ 4 ]对近几年超临界抗溶剂过程研究
作了总结与回顾, 证明这一过程在某些领域是非常
有效的。利用该方法, 人们已经得到了有用的微颗粒
和亚微颗粒产品。本文将该方法应用于对苯二酚颗
粒的制备过程, 通过改变操作参数(溶液浓度和溶液
流量等) , 研究过程变量对颗粒形貌和尺寸的影响。
1 实验部分
1. 1 实验装置
实验装置如图1 所示, 包括液体进料系统、二氧
化碳进料系统、结晶器、气液分离器及气体流量计
量、温度控制和压力控制等6 个部分。该装置的最高
操作压力为25M Pa, 最高操作温度为200°C。温度、
压力、液体流速和气体流速的测量精度分别为
±0. 1°C、± 0. 1M Pa、± 0. 01L öm in 和± 0. 02Lö
m in。
图1 超临界制细过程工艺流程图
F ig. 1 Schemat ic fo r ult ra2fine part icle p reparat ion
using SCF
1—So lution supp ly2—M etering pump3—P ressure
gauge4—Check valve5—One2way valve6—F ilter7—
Cylinder8—Reducing value9—D ryer10—Comp resso r
11—YT22 p ressure regulato r12—Nozzle13—Crystalliz2
er14—Samp ler15—Temperature contro l system16—
Co il heater17—Separato r18—Ro tameter19—W et test
meter
1. 2 实验方法
超临界CO 2 作为抗溶剂连续结晶过程中的溶
液与抗溶剂是以并流或逆流的方式连续进入结晶器
的, 溶液通过喷嘴进入有利于形成细小的液滴。超临
界CO 2 对液滴中溶剂的萃取将导致其中溶质浓度
急剧增大, 当液滴中溶质浓度大于其饱和浓度时, 溶
质将从溶液中快速结晶出来形成颗粒。
实验前, 使用丙酮配制对苯二酚溶液并用定性
滤纸过滤以防阻塞液体泵。检查喷嘴是否正常并安
装收集产品所需的载玻片。装配结晶器并检查气密
性, 启动温度、压力和流速控制装置, 并使其控制在
实验所需的温度、压力和流速要求(实验中CO 2 为
6. 00L öm in~ 10. 00L öm in )。待抗溶剂CO 2 稳定
15m in~ 20m in 后, 开启液体计量系统, 将对苯二酚2
丙酮溶液经喷嘴喷入结晶器, 同时记录操作时间与
溶液流量。观察转子流量计, 使之保持在设定值, 并
通过湿式流量计进行记录校正。在实验操作过程中,
观察与记录系统温度、压力和流量的数值及变化情
况, 并进行调节与控制。
为了确保溶剂不会再次溶解溶质, 在喷射结束
后用CO 2“吹洗”颗粒40m in~ 60m in。此时, 保持
CO 2 的流量在6. 00L öm in~ 10. 00L öm in (室温、常
压)。
在T = 310°C 和p = 8. 0M Pa 的操作条件下, 使
用生物显微镜照片观察了溶液浓度与流速对产品颗
粒形貌和尺寸的影响。
2 实验结果与分析
2. 1 装置可靠性验证
文献[ 5 ]以丙酮为溶剂, 利用连续GA S 过程
(T = 310°C, p = 8. 0M Pa, w = 0. 12 和V = 5mLö
m in) 制备了对苯二酚颗粒。在该条件下, 颗粒呈棒
状与棱柱形。本文以对苯二酚2丙酮2二氧化碳为研
究物系, 实验温度和压力分别控制在310°C 和8. 0
M Pa, 喷嘴孔径为D = 50Lm, 溶液浓度分别为C =
110göL 和5göL , 溶液流速分别为2. 00mL öm in 和
12. 00mL öm in, 抗溶剂流量为V CO 2= 6mL öm in。结
合图2 发现实验在不同溶液流量条件下制备的对苯
二酚颗粒的形貌只有两种: 棒状(小流量: 2. 00mLö
m in ) 和棱柱形(大流量: 12. 00mL öm in)。得到了与
文献[5 ]类似的实验结果, 说明自行搭建的装置具有
一定的可靠性。
2. 2 溶液流速对颗粒形貌与尺寸的影响
图2 (a) 和图2 (b) (C = 110göL ) 是在不同溶液
流量条件下实验得到的颗粒生物显微镜照片。图2
( a) 得到了平均粒径为40Lm~ 50Lm 的棱柱形结
晶图2 (b) 中的晶体颗粒呈棒状, 长度约100Lm。由
此可见, 增大溶液流量可以减小颗粒粒径在较大的
流量下生成颗粒的形貌是棱柱形, 而在较小的流量
时则是棒状颗粒。产生该现象的原因可以解释如下:
较大的流量在喷嘴出口处流速较大, 从而使其受到
的剪切力较大, 由此形成尺寸较小的液滴, 颗粒粒径
也较小反之, 流量较小导致在喷嘴出口处的流速较
小, 从而使其受到的剪切力较小, 形成的液滴尺寸较
大, 生成的颗粒粒径也较大。颗粒形貌由结晶动力学
和结晶时间所决定。对于该物系, 较小流速下, 易于
形成棒状颗粒而在大流速下则呈棱柱形。
图2 (c) 和图2 (d) (C = 5göL ) 是另一组流量条
件下得到的颗粒照片。图2 (c) 得到了5Lm~ 10Lm
的棱柱形结晶颗粒而图2 (d) 中的样品颗粒呈棒
状, 长度约为8Lm~ 12Lm。可见, 图2 (a) 与图2 (b)
和图2 (c) 与图2 (d) 具有相同的规律。
图2 苯二酚颗粒光学显微镜照片
F ig. 2 Pho tograph s fo r hydroquinone part icles
( a ) —V = 12. 00mL öm in, C = 110göL ( b ) —V = 2. 00mLöm in,
C= 110göL ( c ) —V = 12. 00mLöm in, C = 5göL ( d ) —V =
2. 00mL öm in, C= 5göL
2. 3 溶液浓度对颗粒形貌与尺寸的影响
比较图2 (a) 和图2 (c) , 得到不同浓度条件下颗
粒形貌和尺寸的变化规律。溶液浓度增大, 颗粒粒径
增大但溶液浓度对颗粒形貌几乎不产生影响。此规
律亦可由图2 (b) 和图2 (d) 比较中得出。由于溶液浓
度的减小使晶体颗粒尺寸明显减小, 结晶过程中分
子碰撞的机率下降, 可用于晶体成核与生长的物质
减少, 从而造成颗粒直径的大幅度下降。这一结论与
Th iering 等[ 6 ]对甲醇2p 2HBA 2CO 2 体系的实验结果
一致。
3 结论
本研究进行了对苯二酚物系的GA S 过程超细
颗粒制备实验, 将实验结果与文献结果相比较, 验证
了实验装置的可靠性考察了实验过程中不同溶液
浓度和气体流量对产品颗粒的粒径和形貌的影响。
结果表明, 在该研究的范围内, 溶液流量增大颗粒粒
径减小, 而溶液浓度增大颗粒粒径增加流量较大时
( 12. 00mL öm in) , 产品颗粒为棱柱形晶体, 流量较
小时(2. 00mL öm in) , 产品颗粒为棒状晶体。
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经典的方法是把苯磺化,然后用烧碱碱熔,这个最早是1923年孟山都开发的传统方法。因为浓硫酸和氢氧化钠都是非常常见而且容易获取的试剂,所以这个路线是在没有大型设备的情况下少量制备苯酚的首选。缺点也很明显,就是对混酸和烧碱的消耗量非常大,成本很高。从现在的工艺角度来看,用于大规模工业生产的话已经过时了。现在工业界最经典的方法是异丙苯氧化法。简单来说就是把苯和丙烯在磷酸诱导下发生Friedel-Crafts烷基化反应制备异丙苯,然后将异丙苯氧化为过氧化氢异丙苯,最后让过氧化氢异丙苯在酸性条件下水解-重排,生成苯酚和丙酮。异丙苯法的最大优点在于原子经济性,即反应的底物全部被用于制造产品了——苯酚和丙酮都是非常重要的基础化工原料。与此同时,异丙苯氧化法的初级原料苯和丙烯都是石油化工的基础产品,廉价而且易得。.异丙苯氧化:异丙苯用空气氧化生成过氧化物,在稀硫酸存在下,过氧化物分解,生成苯酚和丙酮C6H5-CH(CH3)2-O2-->C6H5-C(CH3)2-OOH--H+--->C6H5OH+CH3COCH3
磺化碱熔法:用浓硫酸磺化剂,将苯进行磺化生成苯磺酸。苯磺酸用氢氧化钠中和得到苯磺酸钠,后者与氢氧化钠共熔得到苯酚钠。苯酚钠经酸化得到苯酚。
异丙苯法:丙烯与苯在三氯化铝的催化下,于80-90摄氏度进行烃基化反应,得到异丙苯。异丙苯用空气在100-120摄氏度和300-400kPa压强下氧化生成过氧化氢异丙苯。过氧化氢异丙苯用硫酸在60℃下常压裂解为丙酮和苯酚。氯苯水解法:苯和氯气在铁的催化下氯代,得到氯苯。氯苯与氢氧化钠水溶液在高温高压下进行催化水解,生成苯酚钠,经酸化得到苯酚。氯苯的氯很不活泼,需要在高温高压下,并且用催化剂催化才能顺利水解。
有水会浑浊。
双酚A学名2,2-二(4-羟基苯基)丙烷,简称二酚基丙烷。白色晶体,熔点 156~158℃。主要用于制备环氧树脂(约占 65%)和聚碳酸酯(约占35%),其钾盐或钠盐是生产聚砜的原料,少量用作橡胶防老剂。
双酚A是重要的有机化工原料,苯酚和丙酮的重要衍生物,主要用于生产聚碳酸酯、环氧树脂、聚砜树脂、聚苯醚树脂、不饱和聚酯树脂等多种高分子材料。也可用于生产增塑剂、阻燃剂、抗氧剂、热稳定剂、橡胶防老剂、农药、涂料等精细化工产品。
工业上双酚A系由苯酚和丙酮在酸性介质中缩合制得:
为了使反应完全,丙酮应略过量;当以硫酸为催化剂时,酸浓度为72.5%~73%,反应温度约40℃,反应在搅拌釜中进行。可以连续或间歇生产。产物经中和,真空转鼓过滤,离心分离,即得粗双酚A。为了满足聚合要求,粗双酚A需进一步精制,一般采用二甲苯-水萃取法。用硫酸为催化剂,副反应多,粗双酚A即使经二甲苯-水萃取精制后,质量仍不能达到生产聚碳酸酯的要求,只能满足生产环氧。
将氯乙酸水溶液缓慢加人配好的氢氧化钠溶液中,使溶液呈中性,备用。在反应釜中加入苯酚和水,边搅拌边加入20%氢氧化钠溶液,全部溶解后,补足计量的水和氢氧化钠。快速搅拌,缓缓加入上述氯乙酸钠水溶液,加完后,升温至75-80℃,并在此温度下保持3h。反应结束后,分出下层水相并冷却,有白色鳞片状结晶析出。过滤,用少量乙醇洗涤,干燥即得产品。由于苯酚在水中溶解度较小,可以在反应介质中加入有机溶剂和相转移催化剂,以提高反应转化率。同样装置,用苯酚的衍生物代替苯酸可以制备一系列产品,如2,4-二氯对氧乙酸等。
苯酚丙酮是基本有机化工原料,广泛用于工程塑料、树脂、涂料、染料、医药、农药等领域,酚醛树脂、双酚A对苯酚的消费量占其总消费量的60%以上。
(1)生产液体酚醛树脂时甲醛的加入量要比正常的需要量略多一些,甲醛量多一些树脂的生产速度快,产量高,游离酚减少。通常取苯酚与甲醛的克分子比为:6 :7;催化剂氨水加入量为苯酚加入量的4%,(氨水中氢氧化铵含量按25%计时)。当混合物料加热到85℃左右时,可停止加热,物料以缩聚反应放出的热量自行升温到98℃左右,并开始沸腾,当反应过于激烈时应通水冷却。
(2)液体酚醛树脂的生产工艺流程,见图1
氨水
苯酚
甲醛
加热熔化
反应釜
加热缩聚
脱水
液体树脂
图1 液体酚醛树脂生产工艺流程
树脂合成后采用真空脱水,水分和挥发分脱除的比较干净,过多的水分和挥发分残留在树脂中在磨具硬化时易发泡。酚醛树脂生产设备示意图见图2。
图2 酚醛树脂生产装置示意图
1-反应釜; 2-反应釜夹套;3-进料口;4-电机、减速器;5-温度计;6-锚式搅拌器;7-出料口;8-冷凝器
9-放空阀;10-脱水缸;11-真空泵
(3)液体酚醛树脂的性质 液体酚醛树脂常温下是棕红色粘稠液体,有刺激性气味。比重1.15-1.2。能溶于乙醇、丙酮、糠醛等溶剂中。树脂中游离酚含量为10-18%。
液体酚醛树脂在100℃的温度下保持2个小时仍有流动性,属甲阶,称A型,A型的特点是能溶于酒精中。
在120℃保持2小时则失去流动性,变为乙阶、称B型。B型树脂的特点是不溶于酒精,但略有膨胀,成弹性体。在130℃以上保持2个小时则成坚硬的固体,属丙阶,称C型。C型树脂的特点是不溶于酒精,不变形;加热不溶化;加热到230℃以上则炭化。
(4)液体酚醛树脂的性质对磨具性能的影响
① 树脂粘度 液体树脂的粘度和温度和固体含量有关,固体含量高、温度低则粘度高,反之则粘度低。作为粉状酚醛树脂润湿剂使用时,低粘度的溶解能力较强,生产的磨具机械强度较高;树脂的粘度用落球法或杯流法测定。作为粉状润湿剂使用的液体酚醛树脂的粘度一般用杯流法测定,数值在40-400秒之间。
② 游离酚的影响 液体酚醛树脂中有一部分没有参加反应的苯酚,称为游离酚。游离酚在做为润湿剂的树脂中应控制在28%以下。虽然游离酚的这个数值较高,但因为苯酚可以溶解粉状树脂,使型料有较好的可塑性,有利于树脂对磨粒的粘结,可以提高磨具的强度。
③ 固体含量 将重量为W1(约5-10克)的树脂在150℃-180℃的温度下加热1小时的剩余量W2,按式(1),(2)计算出x称固含量,y为聚合损耗。
(1)
(2)
x ——固体含量
y ——聚合损耗
W1——加热前树脂量
W2——加热后树脂量
对于用粉状树脂生产磨具,作为润湿剂的液体酚醛树脂只占树脂总量的1/3左右,而且也可以和粉状树脂的数量互换,因液体量大时对磨料润湿好,对粉状树脂的溶解增强,所以虽然液体树脂的固体含量较低,但液体酚醛树脂用量增加并不降低磨具的强度和硬度。作为润湿剂的酚醛树脂其固体含量要求大于65%,聚合损耗小于35%。