CN105541668B - 一种管道式连续化生产clt酸氯化物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种管道式连续化生产CLT酸氯化物的方法，包括：步骤(1)：甲苯和硫酸在磺化管道反应器内进行磺化反应；步骤(2)：步骤(1)得到的磺化反应液连续通入氯化管道反应器内与氯气反应，制得CLT酸氯化物。本发明中，反应过程无需对中间体进行纯化处理，操作简单，反应效率高，目的产物选择性高。

Description

一种管道式连续化生产CLT酸氯化物的方法
技术领域
本发明涉及有机颜料中间体的合成领域，尤其涉及一种管道式连续化生产CLT酸氯化物的方法。
背景技术
CLT酸(CLT acid)又称C酸，化学名称为6-氯-3-氨基甲苯-4-磺酸，相对分子量为221。CLT酸为白色或微红色固体粉末，基本无毒，略溶于水，易溶于氨水及碱液，是合成红色有机颜料的重要中间体。由CLT酸合成的金光红C和橡胶大红LC主要用于油墨、橡胶以及文教用品的着色，是世界上经久不衰、不可缺少的高档红色有机颜料。
目前，国内外的CLT酸合成方法基本上是甲苯磺化法，合成路线见方程式1：
方程式1
如方程式1所示，甲苯经磺化得到CLT酸磺化物、CLT酸磺化物氯化得到CLT酸氯化物、CLT酸氯化物硝化得到CLT酸硝化物，CLT酸硝化物经还原得到CLT酸成品。该方法原料来源广、操作简单、生产成本低。
目前常用的磺化反应器有釜式、罐组式、膜式、喷射式等。其中，间歇式釜式及罐组式磺化反应器相间接触面积小，传质传热效果差，生产效率低；膜式磺化反应器结构复杂，设备的加工、制造及安装精度要求都较高，投资费用大，操作弹性小，开停车不方便，且换热面积有限，对于三氧化硫磺化甲苯的反应容易产生局部过热，会降低产品的选择性，不利于磺化反应的进行。
公开号为CN1566083A的中国专利文献一种萘磺酸的制造方法，将萘连续定量泵入膜式或列管式反应器中，同时按比例送入含SO3气体的磺化剂，萘沿反应器壁呈膜状流下，与SO3气体接触，瞬间发生反应，得到以α-萘磺酸为主的反应产物，将反应产物连续输送至老化器进行异构化，最终得到以β-萘磺酸为主要成分的萘磺酸产品。该方法采用三氧化硫作为磺化剂，反应剧烈，热量不易散发，易导致过磺化、色泽恶化、炭化及爆炸性氧化等缺点。
现有技术中，多通过间歇釜式方式制备CLT酸及其中间体，操作繁琐，目的产物的选择性差，生产效率低。
发明内容
为解决现有CLT酸合成方法的诸多缺陷，本发明提供了一种管道式连续化生产CLT酸及其中间体的方法，同传统的间歇式反应釜相比较，反应设备体积较小、反应稳定性好、产品选择性高。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种管道式连续化生产CLT酸氯化物的方法，包括以下步骤：
步骤(1)：甲苯和硫酸在磺化管道反应器内进行磺化反应；
步骤(2)：步骤(1)得到的磺化反应液连续通入氯化管道反应器内与氯气反应，制得CLT酸氯化物。
和现有间歇釜式反应方法相比，本发明的反应过程可控性好，目的产物选择性高；反应过程无需对中间体进行纯化，有效提高生产效率；此外，还可降低甲苯挥发对环境的污染。
所述的磺化管道反应器优选管道式液液静态混合器。进一步优选为SK型管道式液液静态混合器和/或SV型管道式液液静态混合器。
步骤(1)中，先用蒸汽将磺化管道反应器预热至90℃-100℃；随后分别泵入硫酸和甲苯。进料在所述磺化反应管道内进行磺化反应，由磺化反应管道出口及时采出磺化反应液，所述的磺化反应液为CLT酸磺化物的硫酸溶液。
步骤(1)的反应方程式见方程式2：
方程式2
所述的硫酸的质量百分比浓度大于98％，在进入磺化管道反应器前，先预热至90-100℃。
步骤(1)中，甲苯与硫酸的投料重量比为1:2～3。所述投料重量比可保证甲苯的完全反应，避免未反应的甲苯参与后续的氯化、硝化等反应。
作为优选，甲苯与硫酸的投料重量比为1:2.5。
硫酸的进料流量优选为200-300kg/h。
步骤(1)中，磺化反应的温度为100～130℃。采用自动控温设备调控磺化管道反应器内的温度。
反应过程中，通过HPLC监控连续化反应状态，每1-2h为一个取样周期，所采取的样品为磺化管道反应器出口处的反应液。若所取样品中甲苯的含量大于1％时，暂停进样，通过拼接方式延长磺化管道反应器，从而延长反应时间(在反应器内的停留时间)，直至甲苯含量低于1％。
作为优选，所述的磺化管道反应器的管道长度为80-150m。进一步优选为100m。
采用管式连续化生产方式增加了甲苯和硫酸的接触机会，提高了相间接触面积，从而提高了磺化反应效率；反应产物可及时转移出反应器，有助于降低生产过程产生的水对磺化反应的影响，降低副产物含量。通过HPLC分析可知，磺化反应液中，对甲苯磺酸(CLT酸磺化物)的含量≥98％(面积归一法)，其他副产如邻位和间位取代物的含量均≤1.0％。
磺化反应液中，硫酸溶液的含量大于60wt％。无需对磺化反应液进行纯化处理，直接应用至步骤(2)的氯化反应中。
步骤(2)的反应方程式见方程式3。
方程式3
磺化反应液的温度较高，氯化反应前，先将磺化反应液温度降至70-80℃。
为提高能量的利用率，将冷却磺化反应液的介质循环至步骤(2)的氯化管道反应器的夹套内，用于将氯化管道反应器预热升温至70-80℃。
作为优选，所述的氯化管道反应器为管道式气液静态混合器。
步骤(2)中，物料借助各自的计量泵泵至氯化管道反应器内进行氯化反应，作为优选，氯气的投加摩尔量为CLT酸磺化物的1-1.3倍。也即是，步骤(2)中，氯气的投加摩尔量相当于步骤(1)投加的甲苯摩尔量的1-1.3倍。
氯化反应温度为70-80℃。通过自动控温设备调控温度。在生产过程中，HPLC分析氯化管道反应器尾端的反应液，监控反应情况。若所取样品中，对甲苯磺酸的色谱含量大于1％，暂停进样，通过拼接方式延长氯化管道反应器，从而延长反应时间，直至中控样品中对甲苯磺酸含量小于1％。
作为优选，所述的氯化管道反应器的管道长度为80-150m。
对氯化反应液进行HPLC分析获知，3-氯-4-甲基苯磺酸(CLT酸氯化物)的含量≥95％、其他副产氯化物色谱总含量≤5％；3-氯-4-甲基苯磺酸的选择性明显高于现有技术水平。
作为优选，本发明中，还包括步骤(3)：步骤(2)得到的氯化反应液连续通入硝化管道反应器内与硝酸进行硝化反应，制得CLT酸硝化物。
步骤(2)得到的氯化反应液中的CLT酸氯化物的含量很高，且还具有对硝化反应具有催化作用的硫酸(由步骤(1)引入)，可无需纯化，直接应用于CLT酸硝化物的合成。
硝化反应的方程式见方程式4：
方程式4
步骤(3)采用的硝化管道反应器的型号和步骤(1)一样，优选管道式液液静态混合器，也可根据硝化反应的反应液中原料(主要为3-氯-4-甲基苯磺酸)的中控结果而调整管道长度，如此操作可提高硝化反应效率，降低副产物。
作为优选，步骤(3)中，所述的硝化管道反应器的管道长度为80-150m。
硝化反应前，将硝化管道反应器预热至65-75℃。实际生产过程中，可采用步骤(2)的氯化反应器夹套内的介质预热所述硝化管道反应器。
硝化反应过程中，不会因硝酸投料量的增加而增加多硝基取代副产物的含量，但过量的硝酸会产生浪费，作为优选，硝酸的投加摩尔量为CLT酸氯化物摩尔量的1-1.3倍。也即是，步骤(3)的硝酸的投加摩尔量为步骤(1)甲苯投加摩尔量的1-1.3倍。
硝化反应温度为70-80℃。优选70-75℃。通过自动控温设备进行温度调控。中控反应时，每1-2h为一个取样周期，采取管道反应器出口处的反应液进行HPLC分析，样品中3-氯-4-甲基苯磺酸的含量小于1％为合格；若未达标，暂停进样，通过拼接方式延长硝化管道反应器，从而延长反应时间，直至中控检测合格。
步骤(3)连续化生产结束，硝化反应液中的2-硝基-4-甲基-5-氯苯磺酸含量≥90％、其他副产≤10％。
所制得的CLT硝化物中含有硫酸和硝酸，无需纯化处理，直接在铁的催化下进行硝基还原反应，制得CLT酸。
本发明还提供了一种CLT酸氯化物的管道连续化生产系统：包括依次串联的磺化管道反应器和氯化管道反应器；
还包括串联在磺化管道反应器和氯化管道反应器之间的CLT酸磺化物储罐；氯化管道反应器的尾部出口与CLT酸氯化物储罐入口连接；
所述磺化管道反应器设有甲苯入口和硫酸入口；甲苯储罐出口和硫酸储罐出口分别通过计量泵与各自的入口连接。
CLT酸磺化物储罐与氯化管道反应器的连接管路之间设置有计量泵；所述氯化管道反应器还设置有氯气入口。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
采用管道式反应器进行管道式连续化CLT酸磺化物、CLT酸氯化物、CLT酸硝化物的生产，反应过程无需对中间体进行纯化处理，操作简单，反应效率高，目的产物选择性高。
具体实施方式
一种CLT酸氯化物的管道连续化生产系统：包括依次串联的磺化管道式液液静态混合器(SK型)和氯化管道式气液静态混合器；
还包括串联在磺化管道式液液静态混合器和氯化管道式气液静态混合器之间的CLT酸磺化物储罐；氯化管道式气液静态混合器的尾部出口与CLT酸氯化物储罐入口连接；
所述磺化管道式液液静态混合器设有甲苯入口和硫酸入口；甲苯储罐出口和硫酸储罐出口分别通过计量泵与各自的入口连接。
CLT酸磺化物储罐与氯化管道式气液静态混合器的连接管路之间设置有计量泵；所述氯化管道式气液静态混合器还设置有氯气入口。
实施例1
步骤1：CLT酸磺化物的合成：
向管径DN10的磺化管道反应器(磺化管道式液液静态混合器，SK型，长度为100m)的夹套内通入蒸汽，将磺化管道反应器预热至100℃，预热完成后关闭蒸汽。开启98％硫酸进料阀门，将已预热至100℃的98％硫酸通过计量泵打入反应器内，控制98％硫酸流量为250kg/小时；同时开启甲苯进料阀门，通过计量泵将常温甲苯打入反应器内，控制甲苯流量为100kg/小时。连续进样物料在反应器内保温反应，温度为120-125℃。
在连续磺化反应过程中，通过HPLC监控连续化反应状态，每1-2h为一个取样周期，所采取的样品为磺化管道反应器出口处的反应液。具体实验数据见表1：
表1
反应完成的磺化反应液由反应器出口进入CLT酸磺化物储罐内贮存，准备进入下一个工序。HPLC分析CLT酸磺化物储罐内的磺化反应液，其中，对甲苯磺酸(CLT酸磺化物)的色谱含量为99.3％，最大单个杂质含量小于0.4％。
步骤(2)：CLT酸氯化物的合成：
向CLT酸磺化物储罐的夹套内通入冷凝介质，将物料降温至70℃，然后将该介质引导至氯化管道反应器的夹套内，将该反应器预热至70℃。氯化管道反应器(管道式气液静态混合器，100m)的管径DN25，长度为100m。
氯化管道反应器预热完成后，将磺化反应液打入氯化管道反应器内，磺化反应液流量为1000kg/小时；同时开启氯气进料阀门，以流量为320kg/小时的速度通入反应器内，通过温度自控系统控制氯化管道反应器内温度在75-80℃。进料进行连续化氯化反应，反应过程中，通过HPLC监控连续化反应状态，每1-2h为一个取样周期，所采取的样品为磺化管道反应器出口处的反应液。具体实验数据见表2：
表2
反应完成的氯化反应液由氯化管道反应器出口进入CLT酸氯化物储罐内贮存，对储罐内的CLT酸氯化物成分进行HPLC分析，其中，3-氯-4-甲基苯磺酸的色谱含量为95.2％。无需纯化处理，直接进入下一个工序，应用于CLT酸硝化物及CLT酸的合成。
对比例1：
向50L的反应釜中投加25kg 98％硫酸和10kg甲苯；在120-125℃下反应。HPLC中控反应，每2小时取样一次，具体实验数据见表3：
表3
实施例1和对比例1相比，实施例1的甲苯转化率及对甲苯磺酸的含量全面优于对比例1。
对比例2
和实施例1相比，区别在于，采用反应釜进行步骤(2)的反应，物料的投料比例及反应温度和时间不变。
HPLC中控实验数据见表4：
表4
应用例1
采用实施例1步骤(2)得带的氯化反应液来连续化合成CLT酸硝化物：
向管径为DN40的硝化管道反应器(磺化管道式液液静态混合器，SK型，长度为100m)的夹套内通入蒸汽或步骤(2)的反应器夹套的介质，将硝化管道反应器预热升温至65℃。开启氯化反应液进料阀门，通过计量泵将CLT酸氯化物泵至管道式液液静态混合器内，控制氯化反应液的流量为1500kg/小时；同时开启98％硝酸进料阀门，泵入硝酸，控制硝酸流量在300kg/小时；通过温度自控系统控制管道式液液静态混合器内温度在70-75℃，进料进行连续化硝化反应。在硝化反应过程中，通过HPLC中控反应进程，通过HPLC监控连续化反应状态，每1-2h为一个取样周期，所采取的样品为磺化管道反应器出口处的反应液。HPLC中控结果如表5所示：
表5
反应完成的CLT酸硝化物混合物的硫酸溶液由管道式液液静态混合器出口进入CLT酸硝化物储罐内贮存，准备进入下一个工序。
向制得的CLT酸硝化物中投加铁，还原制得CLT酸，制备方法参照现有常规方法。

Claims (1)

1.一种管道式连续化生产CLT酸氯化物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：向磺化管道反应器的夹套内通入蒸汽，将磺化管道反应器预热至100℃，预热完成后关闭蒸汽；
开启98％硫酸进料阀门，将已预热至100℃的98％硫酸通过计量泵打入反应器内，控制98％硫酸流量为250kg/小时；同时开启甲苯进料阀门，通过计量泵将常温甲苯打入反应器内，控制甲苯流量为100kg/小时；
连续进样物料在反应器内保温反应，温度为120-125℃；
反应完成的磺化反应液由反应器出口进入CLT酸磺化物储罐内贮存，准备进入下一个工序；
在连续磺化反应过程中，通过HPLC监控连续化反应状态，反应完成的磺化反应液中对甲苯磺酸的含量为99.3％；
所述的磺化管道反应器为管径DN10、长度100m的SK型磺化管道式液液静态混合器；
步骤(2)：向CLT酸磺化物储罐的夹套内通入冷凝介质，将物料降温至70℃，然后将该介质引导至氯化管道反应器的夹套内，将该反应器预热至70℃；
氯化管道反应器预热完成后，将磺化反应液打入氯化管道反应器内，磺化反应液流量为1000kg/小时；同时开启氯气进料阀门，以流量为320kg/小时的速度通入反应器内，通过温度自控系统控制氯化管道反应器内温度在75-80℃；
进料进行连续化氯化反应，制得CLT酸氯化物，反应过程中，通过HPLC监控连续化反应状态，反应完成的氯化反应液中的3-氯-4-甲基苯磺酸的含量为95.2％；
所述的氯化管道反应器为管径DN25、长度为100m的管道式气液静态混合器。
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