CN108503519A - 一种催化氧化制备2,3,5-三甲基对苯醌的工艺 - Google Patents

一种催化氧化制备2,3,5-三甲基对苯醌的工艺 Download PDF

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Abstract

一种催化氧化制备2,3,5‑三甲基对苯醌的工艺，属于2,3,5‑三甲基对苯醌制备技术领域。将超重力反应器与传统的搅拌釜反应器结合，形成一种制备2,3,5‑三甲基对苯醌的新工艺。该工艺采用纯氧或富氧气体作为氧化剂，金属卤化物的水溶液作为催化剂，反应物2,3,6‑三甲基苯酚溶于有机溶剂，整个反应过程在超重力反应器和搅拌釜反应器中进行。由于超重力反应器具有强化液液混合和气液传质的能力，该工艺可以增强催化剂的催化效果，提高反应速率，缩短生产时间；另外，超重力反应器的引入提高了氧气的利用率，促进了2,3,6‑三甲基苯酚的氧化反应，提高了单位时间内产物的收率。

Description

一种催化氧化制备2,3,5-三甲基对苯醌的工艺
技术领域
本发明涉及一种制备2，3，5-三甲基对苯醌的方法，属于2,3,5-三甲基对苯醌制备技术领域。
背景技术
2，3，5-三甲基对苯醌是合成维生素E的重要中间体。目前由2,3,6-三甲基苯酚氧化制备2，3，5-三甲基对苯醌的方法有很多。传统的方法是将2,3,6-三甲基苯酚用硫酸磺化，再用锰矿粉为氧化剂进行氧化。这种传统的制备方法收率较低，并且产生大量工业废水、废渣，造成环境污染，正逐渐被淘汰。目前，通过采用氧气或双氧水等绿色氧化剂催化2,3,6-三甲基苯酚氧化制备2，3，5-三甲基对苯醌的方法受到了广泛的重视，所得的产率远高于传统方法而且大大降低了有害废弃物的排放。
在催化剂方面，以CuCl2为主的均相催化剂目前成为工业制备2，3，5-三甲基对苯醌的主要选择。例如：巴斯夫公司以多碳无环醇或脂肪醇作为有机溶剂，将2,3,6-三甲基苯酚在至少包含CuCl2的催化剂体系下用氧气或含氧气体氧化以得到包含2,3,5-三甲基对苯醌的混合物；德古萨股份公司以8～11个碳原子的新羧酸作为有机溶剂，在含CuCl2催化剂体系下高温氧化2,3,6-三甲基苯酚制备2,3,5-三甲基对苯醌；上海迪赛诺医药发展有限公司在CuCl2和LiCl作为催化剂条件下，加入相转移剂，以水作为反应介质，用纯氧或富养气体氧化2,3,6-三甲基苯酚生成2,3,5-三甲基对苯醌，该方法未加有机溶剂，保证了生产的安全性；浙江大学以及浙江工业大学发表了以离子液体作为反应介质，CuCl2作为催化剂催化氧化制备2,3,5-三甲基对苯醌的相关专利，虽然避免了挥发性溶剂的使用，但是离子液体不挥发，难以用干燥的方法将其从产品中除去。
除了均相催化剂的研究，目前人们对固态催化剂的研究也较为广泛，如南京工业大学发表了以金属钒为催化剂的相关专利；安徽丰原发酵技术工程研究有限公司在有机复合催化体系中，以有机酮为反应介质，利用有机过氧化物将2,3,6-三甲基苯酚氧化成成2,3,5-三甲基对苯醌。固态催化剂虽然在产品分离、质量控制以及催化剂回收和循环使用方面表现出了独特优势，但是该方向大部分还处于实验室探究阶段，尚未成熟，工业实际应用不多。
通过对该领域进行相关的技术调研，发现目前关于2,3,6-三甲基苯酚催化氧化制备2,3,5-三甲基对苯醌方法有以下几个共同点：首先大部分为气-液或气-液-液反应过程，所以对液-液混合和气-液传质具有较高要求；第二点是整个反应过程在传统的搅拌釜反应器中进行，通过搅拌促进液-液混合和氧气吸收；第三点是由于氧化反应较慢，大部分氧气没有充分反应就离开了体系，氧气利用率不高；最后一点就是虽然最终可以达到较高的收率，但是反应时间普遍较长，生产效率不高。
总体而言，目前2,3,5-三甲基对苯醌的制备工艺在生产效率、氧气利用方面存在着改进的必要，以便提高该工艺的经济性和竞争力。
超重力技术是一种新型的过程强化技术，它以超重力设备为基础，通过旋转所产生的离心力形成一种模拟的超重力环境，气-液两相在比地球重力场大数百倍乃至千倍的超重力环境下的多孔介质或孔道中流动接触，巨大的剪切力将液体撕裂成微米至纳米级的膜、丝和液滴，产生巨大的气-液相界面。液体在高分散、高湍动、强混合以及界面急速更新的情况下与气体逆流接触，使相间传质速率比传统塔器中的提高1～3个数量级，微观混合和传质过程得到极大强化，是一种高效的过程强化技术。目前超重力技术已成功应用于纳米材料制备、化工反应和分离等领域。
发明内容
本发明的目的在于提供一种催化氧化制备2,3,5-三甲基对苯醌的新工艺。创新性地将超重力技术与搅拌釜技术相结合，用于2,3,5-三甲基对苯醌的制备。在传统的利用搅拌釜反应器进行催化氧化反应的基础上，加上超重力反应器进一步强化该反应的液-液混合和气-液吸收过程，从而加快反应速率，提高氧气利用率，单位时间内获得更高的产物收率。
一种催化氧化制备2,3,5-三甲基对苯醌的工艺，其特征在于，采用纯氧或富氧气体作为气相氧化剂，金属卤化物的水溶液作为水相催化剂，反应物2,3,6-三甲基苯酚溶于有机溶剂作为油相反应液，为气-液-液三相反应体系；整个反应过程在超重力反应器和搅拌釜反应器中进行；其中超重力反应器的进液口通过进液泵和管路与搅拌釜反应器的出液口相连，超重力反应器的出液口通过管路与搅拌釜反应器的进液口相连，反应混合液体包括水相催化剂和油相反应液通过进液泵在超重力反应器和搅拌釜反应器之间循环反应，气相氧化剂连续通过超重力反应器和搅拌釜反应器，并在上述两种反应器中与反应物接触反应形成2,3,5-三甲基对苯醌。
搅拌釜反应器的出液口与超重力反应器进液口之间设有进液泵和液体流量控制器；反应混合液体通过进液泵从搅拌釜反应器输入超重力反应器，并且反应混合液体通过自身势能即通过物理位置高度或者进液泵从超重力反应设备回到所述搅拌釜反应器，反应混合液体在超重力器和和搅拌釜反应器之间循环；气相氧化剂与超重力反应器之间设有进气阀和气体流量控制器首先进入超重力反应器，气相氧化剂先通过所超重力反应器再通过搅拌釜反应器，超重力反应器的气体出口与搅拌釜反应器连接。
本发明的一种催化氧化制备2,3,5-三甲基对苯醌的工艺，反应体系涉及到气-液-液三相体系，其中气相为纯氧或者富氧气体，所述富氧气体指的是含氧量体积大于等于40％以上的气体；水相催化剂为至少含有CuCl2的金属卤化物水溶液，为提高催化活性可在CuCl2为主催化剂基础上添加碱金属或过渡金属的卤化物，如氯化锂、氯化镁、氯化铁等。
反应物和产物存在于油相反应液的有机溶剂当中，有机溶剂为高沸点的有机溶剂，即沸点高于反应温度，如6个碳原子以上的无环醇、8个碳原子以上的羧酸类等。油相中反应物2,3,6-三甲基苯酚的浓度和水相中催化剂CuCl2的浓度范围较宽，均可以是1wt.％～80wt.％。水和有机溶剂的体积比例范围可以是1:10～10:1。超重力反应器内输入的气-液体积流量比为0.1～100:1，超重力水平为5～1000g。体系反应温度为20～120℃。
本工艺将超重力反应器与搅拌釜反应器结合。在所述超重力反应器中，气体为连续相，液体为分散相，进入所述超重力反应器的油水混合液体被分散为液膜、液滴和液丝，产生巨大的气-液相界面。液体在高分散、高湍动、强混合以及界面急速更新的情况下与气体逆流接触，实现油水两相的混合和氧气的吸收反应。气相和液相随后进入所述的搅拌釜反应器中，反应物在搅拌作用下继续进行混合、吸收和反应。
本工艺涉及到的超重力反应器、搅拌釜反应器以及液体管路都设有温控系统以调控温度。
本工艺涉及到的操作条件有两种反应器的转速、气相和液相的流量、油水两相的比例、反应物的含量、催化剂的含量、反应温度等。通过优化操作条件可以实现单位时间内较高的转化率和收率。
附图说明
图1为本发明的催化氧化制备2,3,5-三甲基对苯醌的工艺流程图。
氧气源1、搅拌釜反应器2、氧气检测装置3、泵4、温度控制装置5、气体流量控制器6、超重力反应器7、液体流量控制器8、冷凝装置9。
图2为本发明的催化氧化制备2,3,5-三甲基对苯醌的工艺步骤。
具体实施方式
以下将参照附图详细地描述本发明的各种实施例。在附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记表示。为清楚起见，附图中各个部分没有按照比例绘制。通过参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
参照图1，本发明提供了一种2,3,5-三甲基对苯醌的制备工艺，包括氧气源1、气体流量控制器6、超重力反应器7、搅拌釜反应器2、冷凝装置9、氧气检测装置3。氧气源1先与气体流量控制器6的接口n相连后再与超重力反应器的气体进口a相连；气体出口g与搅拌釜反应器气体进口f相连；冷凝装置9的气体出口与氧气检测装置3的气体进口l相连，氧气检测装置3的气体出口m与下一级工艺相连。其中，超重力反应器7为现有技术中能实现超重力环境的设备，包括但不限于定-转子反应器、旋转填充床、折流旋转床等，在优选的实施例中为定-转子反应器。
参照图1，该2,3,5-三甲基对苯醌的制备工艺还包括泵4、液体流量控制器8、温度控制装置5。搅拌釜反应器2的液体出口k经过泵4与液体流量控制器8的接口o相连，之后与超重力反应器7的液体进口b相连；超重力反应器7的液体出口d与搅拌釜反应器2的液体入口h相连，相连线路上出口e为取样出口，搅拌釜反应器上j为卸料阀；温度控制装置5与搅拌釜反应器2接口i和超重力反应器7接口c相连，所有设备及管路的加热方式可采用伴热带或夹套油浴等方式。
根据以上的叙述，本发明提出了与本发明的2,3,5-三甲基对苯醌的制备工艺相匹配的一套2,3,5-三甲基对苯醌的制备方法，现结合上述2,3,5-三甲基对苯醌的制备工艺来理解2,3,5-三甲基对苯醌的制备方法的思想，见图2。本2,3,5-三甲基对苯醌的制备工艺包括以下步骤：
S1：打开温度控制装置，将所有反应器和管路升至指定温度。
S2：开启超重力反应器7和搅拌釜反应器2，调整到所需转速。
S3：打开气体管路和液体管路，气体经过超重力反应器7后进入搅拌釜反应器2，最终从冷凝装置9排出；液体在超重力反应器7和搅拌釜反应器2之间循环。
S4：氧气检测装置3检测参与反应之后氧气的浓度；从取样口e取液体样品进行检测，随时监控反应情况。
根据本发明的2,3,5-三甲基对苯醌的制备工艺，反应温度为20℃～120℃，优选60℃～80℃。
根据本发明的2,3,5-三甲基对苯醌的制备工艺，气体和液体体积流量的比的范围为0.1～100，优选1～4。
根据本发明的2,3,5-三甲基对苯醌的制备工艺，所选用的催化剂是金属卤化物，优选氯化铜。
根据本发明的2,3,5-三甲基对苯醌的制备工艺，在一些优选的实施方案中，采用的有机溶剂为正己醇。
根据本发明的2,3,5-三甲基对苯醌的制备工艺，超重力反应器的超重力水平为5～1000g，优选30～750g。
根据本发明的2,3,5-三甲基对苯醌的制备工艺，在一些优选的实施方案中，采用含量99.5％以上的纯氧作为氧化剂。
为了显示本发明的2,3,5-三甲基对苯醌的制备工艺的效果，现将一些具有代表性的实验数据展示出来，实施例中比较了本发明工艺与单独使用搅拌釜反应器在相同条件下制备2,3,5-三甲基对苯醌的结果。
实施例1：超重力水平影响实验
反应温度为73℃，液相中水相体积分数为0.83，搅拌釜反应器转速为600rpm，油相中2,3,6-三甲基苯酚浓度与水相中CuCl2浓度比为1:2，上述指的是摩尔浓度比，CuCl2水溶液的浓度为1mol/L，气液体积流量比为2.6，反应10min的结果如下：
超重力水平(g) 醌的收率(％)
30 14.14
120 15.34
270 15.62
480 16.9
750 15.06
相同条件下单独使用搅拌釜反应器 5.64
上述结果表明，与单独使用搅拌釜反应器相比，加上超重力反应器后2,3,5-三甲基对苯醌的收率可以提高大约10％。
实施例2：气量影响实验
反应温度为75℃，液相中水相体积分数为0.83，搅拌釜反应器转速为600rpm，超重力反应器超重力水平270g，液体流量20L/h，油相中2,3,6-三甲基苯酚浓度与水相中CuCl2浓度比为1:2，上述指的是摩尔浓度比，CuCl2水溶液的浓度为1mol/L，反应10min的结果如下：
上述结果表明，与单独使用搅拌釜反应器相比，加上超重力反应器后2,3,5-三甲基对苯醌的收率可以提高大约9-13％。
实施例3：温度影响实验
液相中水相体积分数为0.83，搅拌釜反应器转速为600rpm，超重力反应器超重力水平为270g，气液体积流量比为2.6，油相中2,3,6-三甲基苯酚浓度与水相中CuCl2浓度比为1:2，上述指的是摩尔浓度比，CuCl2水溶液的浓度为1mol/L，反应10min的结果如下：
反应温度(℃) 单独使用搅拌釜反应器收率(％) 本发明工艺醌的收率(％)
60 0.44 2.46
65 0.74 6.74
70 3.85 11.04
75 6.64 19.96
80 12.12 26.24
上述结果表明，与单独使用搅拌釜反应器相比，加上超重力反应器后2,3,5-三甲基对苯醌的收率可以提高大约2-14％。
综合以上论述的工艺和方法的特点，可将本发明的的2,3,5-三甲基对苯醌的制备工艺的全部有益效果概括为：(1)提高生产效率：相同时间内本发明相比单独使用搅拌釜反应器可以得到更高的产物收率，缩短生产时间；(2)氧气利用率提高：利用超重力反应器强化气-液传质的特点，将氧气有效地利用，节约成本；(3)本发明的工艺所使用超重力反应器的设备体积小、简便灵活。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种催化氧化制备2,3,5-三甲基对苯醌的工艺，其特征在于，采用纯氧或富氧气体作为气相氧化剂，金属卤化物的水溶液作为水相催化剂，反应物2,3,6-三甲基苯酚溶于有机溶剂作为油相反应液，为气-液-液三相反应体系；整个反应过程在超重力反应器和搅拌釜反应器中进行；其中超重力反应器的进液口通过进液泵和管路与搅拌釜反应器的出液口相连，超重力反应器的出液口通过管路与搅拌釜反应器的进液口相连，反应混合液体包括水相催化剂和油相反应液通过进液泵在超重力反应器和搅拌釜反应器之间循环反应，气相氧化剂连续通过超重力反应器和搅拌釜反应器，并在上述两种反应器中与反应物接触反应形成2,3,5-三甲基对苯醌。
2.按照权利要求1所述的一种催化氧化制备2,3,5-三甲基对苯醌的工艺，其特征在于，搅拌釜反应器的出液口与超重力反应器进液口之间设有进液泵和液体流量控制器；反应混合液体通过进液泵从搅拌釜反应器输入超重力反应器，并且反应混合液体通过自身势能即通过物理位置高度或者进液泵从超重力反应设备回到所述搅拌釜反应器，反应混合液体在超重力器和和搅拌釜反应器之间循环；气相氧化剂与超重力反应器之间设有进气阀和气体流量控制器首先进入超重力反应器，气相氧化剂先通过所超重力反应器再通过搅拌釜反应器，超重力反应器的气体出口与搅拌釜反应器连接。
3.按照权利要求1所述的一种催化氧化制备2,3,5-三甲基对苯醌的工艺，其特征在于，反应体系涉及到气-液-液三相体系，其中气相为纯氧或者富氧气体，所述富氧气体指的是含氧量体积大于等于40％以上的气体。
4.按照权利要求1所述的一种催化氧化制备2,3,5-三甲基对苯醌的工艺，其特征在于，水相催化剂为至少含有CuCl2的金属卤化物水溶液。
5.按照权利要求4所述的一种催化氧化制备2,3,5-三甲基对苯醌的工艺，其特征在于，在CuCl2为主催化剂基础上添加碱金属或过渡金属的卤化物。
6.按照权利要求1所述的一种催化氧化制备2,3,5-三甲基对苯醌的工艺，其特征在于，反应物和产物存在于油相反应液的有机溶剂当中，有机溶剂为高沸点的有机溶剂，即沸点高于反应温度。
7.按照权利要求1所述的一种催化氧化制备2,3,5-三甲基对苯醌的工艺，其特征在于，油相中反应物2,3,6-三甲基苯酚的浓度和水相中催化剂CuCl2的浓度范围较宽，均是1wt.％～80wt.％；水和有机溶剂的体积比例范围是1:10～10:1。
8.按照权利要求1所述的一种催化氧化制备2,3,5-三甲基对苯醌的工艺，其特征在于，超重力反应器内输入的气-液体积流量比为0.1～100：1；体系反应温度为20～120℃。
9.按照权利要求1所述的一种催化氧化制备2,3,5-三甲基对苯醌的工艺，其特征在于，超重力水平为5～1000g。
10.按照权利要求1所述的一种催化氧化制备2,3,5-三甲基对苯醌的工艺，其特征在于，在所述超重力反应器中，气体为连续相，液体为分散相，进入所述超重力反应器的油水混合液体被分散为液膜、液滴和液丝，产生巨大的气-液相界面；液体在高分散、高湍动、强混合以及界面急速更新的情况下与气体逆流接触，实现油水两相的混合和氧气的吸收反应；气相和液相随后进入所述的搅拌釜反应器中，反应物在搅拌作用下继续进行混合、吸收和反应。
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