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有机氯化物的反应精馏合成研究

张跃  
【摘要】: 反应精馏是一种通过反应精馏塔将化学反应单元过程与精馏分离单元过程耦合为一体的新的化工过程,与传统的化工生产过程相比,其具有收率高、选择性好、节省能源、工艺、步骤少、便于自动化操作等优点,因此引起化工研究领域和化工生产企业十分的重视。近年来一些新型的反应精馏工艺相继开发代替了传统的化工生产工艺。但目前已开发的反应精馏技术都是利用目的产品的沸点远低于原料的沸点的共性,这一共性有利于反应精馏技术的实施。有机氯化产物其沸点均高于未氯化反应前原料的沸点,这给反应精馏合成有机氯化产物带来困难,尽管如此,在有机氯化产物合成中应用反应精馏技术提高选择性,控制氯化深度是十分必要。本论文采用反应精馏技术氯化苄的合成、氯乙酸的合成进行了认真的研究,并且对一氯丙酮、氯苄系列产品进行了反应精馏研究,都得到了理想的结果。 氯化苄是一种重要的有机合成中间体,广泛用于医药、染料、农药、增塑剂、表面活性剂、香料、助剂、化妆品、卫生用品、洗涤剂、食品等行业中。 工业上氯化苄生产大多采用歇釜式氯化、间歇精馏的方式,少数采用连续釜式氯化、连续精馏的方式。釜式反应生产过程中,氯化苄浓度达到20%时即有副产物二氯化苄产生,使单程氯化深度较低,原料单耗和操作费用高,环境污染较重。反应精馏技术应用到该领域可解决原料转化率与产品选择性的矛盾,该合成方法的研究在美国刚刚起步。 本研究是以甲苯和氯气为原料,在光照条件下反应精馏合成氯化苄。首先从甲苯光氯化反应的动力学机理着手研究,实验考察结果表明反应主要发生液相均相拟一级反应;然后对反应精馏塔物料变化进行解析,将全塔分为两段,以产品浓度为公共主变量,分段处理反应段和提馏段;再经动力学推算知,要直接获得98.5%以上的产品,必须控制反应区原料收率在14.5%以内。在上述设计基础上制作了用于氯化苄合成的反应精馏塔,探索了塔顶回流速率、光照强度、原料和产品进出料配比、原料中的水份和铁质对连续反应精馏合成氯化苄的影响,并考察了该塔的生产能力。 氯乙酸是一种十分重要的医药、染料、农药、纤维素衍生物的中间体,在有机合成也广泛应用,其市场需求不断增大,发展和应用前景十分广阔。 目前,国内均采用间歇釜式生产,一氯乙酸生成的同时也生成了副产物二氯乙酸,反应终点二氯乙酸浓度在12-25%。大量二氯乙酸的生成不仅增加了原料消耗,提高了成本,而且由于后续分离困难,使氯乙酸产品质量较低,加之二氯乙酸的用途很少,造成资金和设备的巨大浪费。 为了控制二氯乙酸的生成,降低氯乙酸的物料消耗,本论文采用连续法合成氯乙酸。通过对醋酸催化氯化反应的反应机理和反应动力学进行了研究,得到了最佳的反应条件是:催化剂为乙酸酐,用量为8%:助催化剂为硫酸,用量为0.8%;反应温度为100-105℃;氯化深度为反应体系中氯乙酸含量不超过30%;实验装置为;反应器为D=4.5cm,H=75cm 南京工业大学博士学位论文有机氯化物的反应精馏合成研究2 的IOOmL圆筒型反应器,塔釜蒸发器为Z000mL四口瓶,塔径35mm,精馏塔为1.3m的 玻璃填料塔,进料位置距塔顶o.72m;通过一系列实验,得到较好的工艺条件:乙酸和氯 气摩尔比1:1,乙酸进料流量为8.50ml/min,回流比1.0。控制反应体系中氯乙酸含量不 超过30%,最终所得产品氯乙酸含量达98.5%,二氯乙酸含量小于0.5%,以目前实验装 置24小时可得氯乙酸2.938kg。连续法与间歇法相比,可简化操作,产品纯度高,污染少。 通过大量实验,对反应精馏技术的原理进行了理论研究,从中探索得出反应精馏法合 成氯化节、氯乙酸等有机氯化物的工艺路线,为氯化节和氯乙酸的生产提供了一条新的生 产工艺,为反应精馏技术应用的理论研究拓展了新的内容,并为工程设计提供了基本数据。


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