由混硝基邻苯二甲酸制备3-硝基邻苯二甲酸与4-硝基邻苯二
甲酸的方法
技术领域
本发明涉及化工原料技术领域,尤其涉及一种由混硝基邻苯二甲酸制备3-硝基邻苯二甲酸与4-硝基邻苯二甲酸的方法。
背景技术
3-硝基邻苯二甲酸(3-Nitrophthalic acid,3-NPA)和4-硝基邻苯二甲酸(4-Nitrophthalic acid,4-NPA)是重要的有机合成中间体,可用于合成医药、染料、感光材料、农作物保护剂等,它们的制备通常先由邻苯二甲酸(O-phthalic acid,O-PA)通过硝化反应生成两种硝基衍生物的混合物,再经分离得到。
3-硝基邻苯二甲酸、4-硝基邻苯二甲酸和邻苯二甲酸均为疏水性较强的酸性物质,且在中性流动相中易解离,文献报道三者的分离主要采用离子抑制色谱法,即在流动相中加入酸作为离子抑制剂,使溶质以分子形式与固定相作用从而实现分离,该方法操作条件苛刻、运行时间长、生产成本高,不利于大规模生产。因此通过简单工业法实现对三者的有效分离具有非常重要的意义。
发明内容
为解决现有技术存在的不足,本发明提供了一种由混硝基邻苯二甲酸制备3-硝基邻苯二甲酸与4-硝基邻苯二甲酸的方法,该方法通过对混硝基邻苯二甲酸在水中进行分离和提纯,不需使用有机溶剂,不需进行条件苛刻的操作,便能够得到高纯品质的3-硝基邻苯二甲酸产品与4-硝基邻苯二甲酸产品,完成对3-硝基邻苯二甲酸与4-硝基邻苯二甲酸的工业法高效分离,具有显著的经济价值和环保意义。
为实现上述目的,本发明提供的由混硝基邻苯二甲酸制备3-硝基邻苯二甲酸与4-硝基邻苯二甲酸的方法,是将原料混硝基邻苯二甲酸,在水相中进行分离、提纯处理,获得3-硝基邻苯二甲酸产品和4-硝基邻苯二甲酸产品;该方法包括以下步骤:
a、取水1900~2000L,开启搅拌后,投入混硝基邻苯二甲酸1050±5kg,然后将水温控制在27~30℃下搅拌至物料充分溶解,分离、洗涤,得到3-硝基邻苯二甲酸粗品与母液;
b、将步骤a得到的3-硝基邻苯二甲酸粗品330±10kg,投入到1570~1650L搅拌的水中,然后使水温升至60~70℃,充分搅拌待3-硝基邻苯二甲酸粗品完全溶解后,再过滤、降温至28~32℃析晶,最后分离、洗涤、干燥,得到3-硝基邻苯二甲酸产品;
c、向步骤a得到的母液加水3050~3200L,然后升温到20~25℃,并调节pH至2.9~3.1,分离、洗涤,得到4-硝基邻苯二甲酸粗品;
d、取质量浓度为4.1%~4.3%的盐酸溶液1440~1560L,在搅拌状态下,加入步骤c得到的4-硝基邻苯二甲酸粗品600~650kg,升温至30~35℃,待4-硝基邻苯二甲酸粗品完全溶解后,加入31%~36%盐酸溶液520~563L,析晶、养晶,最后分离、洗涤、干燥,得到4-硝基邻苯二甲酸产品。
本发明的分离、提纯方法,首先利用特定温度下水对3-NPA、4-NPA的溶解性差异,将混硝基邻苯二甲酸进行初步分离,得到3-NPA粗品与主要含4-NPA的母液,然后分别对3-NPA粗品、4-NPA母液进行提纯处理。对于3-NPA粗品的提纯,以水作为重结晶溶剂,操作过程重结晶溶解阶段的水温控制及析晶温度控制是获得高收率、高纯度产品的关键;对于4-NPA母液的提纯,先用水对母液稀释后通过特定温度下的pH调控得到4-NPA粗品,再以盐酸溶液作为重结晶溶剂,在限定的温度条件下利用盐酸调控析出晶体,操作过程粗品制备温度与pH控制,重结晶溶解阶段的盐酸用量与水温控制,重结晶析晶阶段盐酸调控等是获得高收率、高纯度产品的关键。通过上述各分离、提纯步骤中关键因素的综合调配,实现经由简单的工业法完成对混硝基邻苯二甲酸的有效分离,该方法不需采用操作复杂、条件苛刻的色谱分离法或树脂分离法,也不需使用有机溶剂,便能既获得高纯度含量的3-硝基邻苯二甲酸产品,又能获得高纯度含量的4-硝基邻苯二甲酸产品,且两产品收率均较高,具有显著的经济效益和环保意义。
作为对上述技术方案的限定,步骤a所述搅拌时间不少于30min。
作为对上述技术方案的限定,步骤a所述分离、洗涤操作包括以下步骤:
将经27~30℃恒温搅拌后的料液,放料到离心机内先进行650~750r/min离心放料处理,然后1350~1450r/min离心30~50min,再调至650~750r/min用水洗涤,最后1350~1450r/min离心60~80min,出料。
作为对上述技术方案的限定,步骤b所述过滤操作包括将完全溶解后的料液,依次通过隔膜泵、膜过滤器进行过滤。
作为对上述技术方案的限定,步骤b所述分离、洗涤、干燥操作包括以下步骤:
将析晶后的料液放料到离心机内,先进行650~750r/min放料处理,再1350~1450r/min甩干30~50分钟,之后在650~750r/min条件下水洗滤饼,再1350~1450r/min甩干60~80分钟,最后从离心机内出粉,得到的湿粉在双锥真空干燥器内干燥,控制干燥条件为温度50~65℃、真空度≤-0.096MPa。
作为对上述技术方案的限定,步骤c所述分离、洗涤操作包括以下步骤:
将调节pH后的料液放料到离心机内,先进行650~750r/min放料处理,再1350~1450r/min甩干30~50分钟,之后在650~750r/min条件下水洗滤饼,再1350~1450r/min甩干60~80分钟,最后从离心机内出粉,得到湿粉。
作为对上述技术方案的限定,步骤d所述养晶时间为30~50min。
作为对上述技术方案的限定,步骤d所述分离、洗涤、干燥操作包括以下步骤:
将养晶后的料液放料到离心机内,先进行650~750r/min放料处理,再1350~1450r/min甩干30~50分钟,之后在650~750r/min条件下用质量浓度10~12%的盐酸溶液洗涤滤饼,再1350~1450r/min甩干60~80分钟,最后从离心机内出粉,得到的湿粉在双锥真空干燥器内干燥,控制干燥条件为温度50~65℃、真空度≤-0.096MPa。
进一步限定方法中各步骤的分离、洗涤及干燥操作,并细化离心分离转速,以更好的降低产品杂质含量,提高产品纯度及质量;同时,进一步限定过滤、析晶、及养晶操作,完善本发明分离、提纯方法的同时,优化产品质量。
作为对上述技术方案的限定,获得的3-硝基邻苯二甲酸产品,3-硝基邻苯二甲酸含量达到99.5%以上,水分含量在0.1%以下,杂质4-硝基邻苯二甲酸含量在0.1%以下,产品收率达到34%以上;获得的4-硝基邻苯二甲酸产品,4-硝基邻苯二甲酸含量达到99.5%以上,水分含量在0.4%以下,杂质3-硝基邻苯二甲酸含量在0.1%以下,产品收率达到55%以上。
由本发明方法制备的3-硝基邻苯二甲酸产品与4-硝基邻苯二甲酸产品,收率高,且有效物含量、杂质含量均达到如上所述的高标准要求,具有工业化应用意义。
综上所述,采用本发明的技术方案,不需采用操作复杂、条件苛刻的色谱分离法或树脂分离法,不需使用有机溶剂,便可实现对混硝基邻苯二甲酸的有效分离,既可获得高纯品质的3-硝基邻苯二甲酸产品,又可获得高纯品质的4-硝基邻苯二甲酸产品。本发明的分离、提纯方法,首先利用特定温度下水对3-NPA、4-NPA的溶解性差异,将混硝基邻苯二甲酸进行初步分离,得到3-NPA粗品与主要含4-NPA的母液,再分别对3-NPA粗品、4-NPA母液进行提纯处理,利用重结晶过程的温度控制、pH及酸碱控制等关键因素的综合调配,得到收率高、产品品质高的工业分离、提纯混硝基邻苯二甲酸的方法,具有显著的工业化应用意义。
具体实施方式
下面将结合实施例,对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例一
本实施例涉及对混硝基邻苯二甲酸进行分离、提纯以同时制备3-硝基邻苯二甲酸与4-硝基邻苯二甲酸的方法。
混硝基邻苯二甲酸,市场采购得到,由苯酐硝化工艺制备,含3-硝基邻苯二甲酸40%左右,含4-硝基邻苯二甲酸60%左右,几乎没有其它杂质。
实施例1.1
对混硝基邻苯二甲酸,进行分离、提纯处理,包括以下步骤:
a、反应罐内抽入水1990L,开启搅拌后,投入混硝基邻苯二甲酸1050kg,用10L水冲洗罐壁;然后将水温控制在27~30℃搅拌30min,放料到离心机内先进行中速离心(具体离心转速可为650~750r/min)放料处理,然后高速离心(具体离心转速可为1350~1450r/min)30min,再调至中速(具体离心转速可为650~750r/min)用水(水量约400L)洗涤,最后高速离心(具体离心转速可为1350~1450r/min)60min,出料得到3-硝基邻苯二甲酸粗品与母液;
b、反应罐内加入水1640L,开启搅拌后,投入3-硝基邻苯二甲酸粗品330kg,用10L水洗涤罐壁;然后使水温升至60~70℃,充分搅拌待3-硝基邻苯二甲酸粗品完全溶解后,依次通过隔膜泵、膜过滤器过滤,并在过滤完毕时采用60℃热水通过隔膜泵、膜过滤器过滤并吹净;滤液用冷盐水降温至30℃析晶,由于该降温过程中3-硝基邻苯二甲酸的析晶过程属于物理过程,与化学析晶不同,能充分析出,故不需养晶;然后放料到离心机内,先进行中速650~750r/min放料处理,再高速1350~1450r/min甩干40分钟,之后调至中速650~750r/min用300~400L水洗涤滤饼,再高速1350~1450r/min甩干60分钟,停止离心机取样,检测3-NPA含量为99.8%,4-NPA含量为0.08%;最后从离心机内出粉,得到的湿粉在双锥真空干燥器内干燥,控制干燥条件为水温50℃、真空度≤-0.096MPa,干燥至水分0.08%,得到3-硝基邻苯二甲酸产品,包装;
经检测,3-硝基邻苯二甲酸收率为35.03%,产品熔点211.6~212.2℃,杂质4-硝基邻苯二甲酸含量为0.09%,3-硝基邻苯二甲酸含量为99.7%;
c、将步骤a得到的母液加入到反应罐内,加水3200L,然后升温到20~25℃,使用质量浓度为10%的氨水调节pH至3.0,5分钟后复测pH,待pH稳定后放料到离心机内,先进行中速650~750r/min放料处理,再高速1350~1450r/min甩干45分钟,之后调至中速650~750r/min用400L水洗滤饼,再高速1350~1450r/min甩干60分钟,停止离心机,取样检测4-NPA含量为99.3%,最后从离心机内出粉,得到4-硝基邻苯二甲酸粗品的湿粉;
d、反应罐加入质量浓度为4.1%的盐酸溶液1540L,在搅拌状态下,加入步骤c得到的4-硝基邻苯二甲酸粗品630kg,用10L水洗涤罐壁;升温至30~35℃,待4-硝基邻苯二甲酸粗品完全溶解后,使用质量浓度为36%的浓盐酸530L搅拌至析晶,养晶30min,放料到离心机内,先进行中速650~750r/min放料处理,再高速1350~1450r/min甩干35分钟,之后调节至中速650~750r/min用质量浓度10~12%的盐酸溶液洗涤滤饼,再高速1350~1450r/min甩干60分钟,停止离心机,取样检测4-NPA含量为99.5%,3-NPA含量为0.03%;最后从离心机内出粉,得到的湿粉在双锥真空干燥器内干燥,控制干燥条件为水温50℃、真空度≤-0.096MPa,干燥至水分0.37%,得到4-硝基邻苯二甲酸产品,包装;
经检测,4-硝基邻苯二甲酸收率为55.75%,产品熔点159.5~160.8℃,杂质3-硝基邻苯二甲酸含量为0.03%,4-硝基邻苯二甲酸含量为99.7%。
上述各步骤的过滤、析晶操作,分离、洗涤及干燥操作均为优化方式,更利于提高分离及收率,降低产品杂质含量。
实施例1.2
对混硝基邻苯二甲酸,进行分离、提纯处理,包括以下步骤:
a、反应罐内抽入水1950L,开启搅拌后,投入混硝基邻苯二甲酸1052kg,用10L水冲洗罐壁;然后将水温控制在27~30℃搅拌35min,放料到离心机内先进行中速650~750r/min离心放料处理,然后高速1350~1450r/min离心45min,再调至中速650~750r/min用水(水量约400L)洗涤,最后高速1350~1450r/min离心65min,出料得到3-硝基邻苯二甲酸粗品与母液;
b、反应罐内加入水1610L,开启搅拌后,投入3-硝基邻苯二甲酸粗品340kg,用10L水洗涤罐壁;然后使水温升至60~70℃,充分搅拌待3-硝基邻苯二甲酸粗品完全溶解后,依次通过隔膜泵、膜过滤器过滤,并在过滤完毕时采用65℃热水通过隔膜泵、膜过滤器过滤并吹净;滤液用冷盐水降温至28℃析晶,然后放料到离心机内,先进行中速650~750r/min放料处理,再高速1350~1450r/min甩干50分钟,之后调至中速650~750r/min用300~400L水洗涤滤饼,再高速1350~1450r/min甩干70分钟,停止离心机,取样检测3-NPA含量为99.8%,4-NPA含量为0.08%;最后从离心机内出粉,得到的湿粉在双锥真空干燥器内干燥,控制干燥条件为水温58℃、真空度≤-0.096MPa,干燥至水分0.07%,得到3-硝基邻苯二甲酸产品,包装;
经检测,3-硝基邻苯二甲酸收率为34.82%,产品熔点211.8~212.3℃,杂质4-硝基邻苯二甲酸含量为0.07%,3-硝基邻苯二甲酸含量为99.8%;
c、将步骤a得到的母液加入到反应罐内,加水3100L,然后升温到20~25℃,使用浓度为10%的氨水调节pH至3.05,5分钟后复测pH,待pH稳定后放料到离心机内,先进行中速650~750r/min放料处理,再高速1350~1450r/min甩干46分钟,之后调至中速650~750r/min用400L水洗滤饼,再高速1350~1450r/min甩干75分钟,停止离心机取样,检测4-NPA含量为99.3%,最后从离心机内出粉,得到4-硝基邻苯二甲酸粗品的湿粉;
d、反应罐加入质量浓度为4.2%的盐酸溶液1500L,在搅拌状态下,加入步骤c得到的4-硝基邻苯二甲酸粗品640kg,用10L水洗涤罐壁;升温至30~35℃,待4-硝基邻苯二甲酸粗品完全溶解后,使用质量浓度为31%的浓盐酸550L搅拌至析晶,养晶40min,放料到离心机内,先进行中速650~750r/min放料处理,再高速1350~1450r/min甩干30分钟,之后调节至中速650~750r/min用质量浓度10~12%的盐酸溶液洗涤滤饼,再高速1350~1450r/min甩干70分钟,停止离心机,取样检测4-NPA含量为99.6%,3-NPA含量为0.04%;最后从离心机内出粉,得到的湿粉在双锥真空干燥器内干燥,控制干燥条件为水温63℃、真空度≤-0.096MPa,干燥至水分0.39%,得到4-硝基邻苯二甲酸产品,包装;
经检测,4-硝基邻苯二甲酸收率为55.83%,产品熔点159.7~160.5℃,杂质3-硝基邻苯二甲酸含量为0.05%,4-硝基邻苯二甲酸含量为99.8%。
实施例1.3
对混硝基邻苯二甲酸,进行分离、提纯处理,包括以下步骤:
a、反应罐内抽入水1930L,开启搅拌后,投入混硝基邻苯二甲酸1048kg,用10L水冲洗罐壁;然后将水温控制在27~30℃搅拌40min,放料到离心机内先进行中速650~750r/min离心放料处理,然后高速1350~1450r/min离心42min,再调至中速650~750r/min用水(水量约400L)洗涤,最后高速1350~1450r/min离心68min,出料得到3-硝基邻苯二甲酸粗品与母液;
b、反应罐内加入水1590L,开启搅拌后,投入3-硝基邻苯二甲酸粗品335kg,用10L水洗涤罐壁;然后使水温升至60~70℃,充分搅拌待3-硝基邻苯二甲酸粗品完全溶解后,依次通过隔膜泵、膜过滤器过滤,并在过滤完毕时采用62℃热水通过隔膜泵、膜过滤器过滤并吹净;滤液用冷盐水降温至31℃析晶,然后放料到离心机内,先进行中速650~750r/min放料处理,再高速1350~1450r/min甩干48分钟,之后调至中速650~750r/min用300~400L水洗涤滤饼,再高速1350~1450r/min甩干70分钟,停止离心机取样,检测3-NPA含量为99.6%,4-NPA含量为0.07%;最后从离心机内出粉,得到的湿粉在双锥真空干燥器内干燥,控制干燥条件为水温60℃、真空度≤-0.096MPa,干燥至水分0.09%,得到3-硝基邻苯二甲酸产品,包装;
经检测,3-硝基邻苯二甲酸收率为34.57%,产品熔点211.3~211.9℃,杂质4-硝基邻苯二甲酸含量为0.09%,3-硝基邻苯二甲酸含量为99.7%;
c、将步骤a得到的母液加入到反应罐内,加水3080L,然后升温到20~25℃,使用质量浓度为10%的氨水调节pH至2.98,5分钟后复测pH,待pH稳定后放料到离心机内,先进行中速650~750r/min放料处理,再高速1350~1450r/min甩干32分钟,之后调至中速650~750r/min用400L水洗滤饼,再高速1350~1450r/min甩干78分钟,停止离心机,取样检测4-NPA含量为99.3%,最后从离心机内出粉,得到4-硝基邻苯二甲酸粗品的湿粉;
d、反应罐加入质量浓度为4.3%的盐酸溶液1450L,在搅拌状态下,加入步骤c得到的4-硝基邻苯二甲酸粗品610kg,用10L水洗涤罐壁;升温至30~35℃,待4-硝基邻苯二甲酸粗品完全溶解后,使用质量浓度为35%的浓盐酸525L搅拌至析晶,养晶50min,放料到离心机内,先进行中速650~750r/min放料处理,再高速1350~1450r/min甩干38分钟,之后调节至中速650~750r/min用质量浓度10~12%的盐酸溶液洗涤滤饼,再高速1350~1450r/min甩干65分钟,停止离心机,取样检测4-NPA含量为99.6%,3-NPA含量为0.04%;最后从离心机内出粉,得到的湿粉在双锥真空干燥器内干燥,控制干燥条件为水温55℃、真空度≤-0.096MPa,干燥至水分0.39%,得到4-硝基邻苯二甲酸产品,包装;
经检测,4-硝基邻苯二甲酸收率为56.05%,产品熔点159.4~160.5℃,杂质3-硝基邻苯二甲酸含量为0.02%,4-硝基邻苯二甲酸含量为99.8%。
实施例二
本实施例涉及对实施例一产物物质的验证及产品品质鉴定。
实施例2.1
对实施例一各制备反应收率及产品品质检测结果总结如下表所示:
由上表结果可见,经由本发明方法对混硝基邻苯二甲酸进行分离、提出处理,获得的3-硝基邻苯二甲酸产品平均收率为34.81%,4-硝基邻苯二甲酸产品的平均收率为55.88%,并且两个产品的水分、熔点、杂质含量、有效物含量都远高于标准。
实施例3
本实施例涉及本发明分离提纯方法中温度、酸碱环境等条件因素对分离及产品的影响,均采用单因素实验法进行验证。
实施例3.1
本实施例涉及对制备方法中步骤a的溶解温度进行调整,其它条件不变,测定温度调整后的产品分离结果。
实施例3.2.1
本实施例涉及对制备方法中步骤b的溶解温度进行调整,其它条件不变,测定温度调整后的产品分离结果。
实施例3.2.2
本实施例涉及对制备方法中步骤b的析晶温度进行调整,其它条件不变,测定温度调整后的产品分离结果。
实施例3.3
本实施例涉及对制备方法中步骤c的pH值进行调整,其它条件不变,测定pH调整后的产品分离结果。
实施例3.4
本实施例涉及对制备方法中步骤d的加酸量进行调整,其它条件不变,测定加酸量调整后的产品分离结果。
实施例3.1~3.4调整后不同于本发明方法的各条件参数及对应的分离结果见下表所示:
对比实施例三与实施例二的分离结果可见,本发明由混硝基邻苯二甲酸分离制备3-硝基邻苯二甲酸和4-硝基邻苯二甲酸的方法,通过对分离及提纯条件的综合考虑,在两产品的产品品质及产品收率方面均达到高水平,不会出现因提高一种产品的品质及收率而影响降低另一产品品质、收率的问题,实现了两产品的综合高效分离、提纯。
对比例
现有工艺采用在加热条件下,将混硝基邻苯二甲酸溶解在溶剂中,然后降温结晶,分离出结晶为3-硝基邻苯二甲酸粗品;将冷却过滤去除3-硝基邻苯二甲酸的反应母液在搅拌下加到1.5~3.5倍体积的冷水中,冷却过夜,过滤出4-硝基邻苯二甲酸粗产品;将得到的4-硝基邻苯二甲酸粗产品加2.5~3.5倍质量的水在常温下搅拌至完全溶解。在得到的溶液中加入该溶液体积的0.08~0.12体积的硝酸后,用乙醚提取4-硝基邻苯二甲酸,得乙醚提取液;将乙醚提取液蒸去乙醚,趁热倒出残留液,冷却结晶,即得4-硝基邻苯二甲酸。
现有工艺不仅操作复杂,生产成本高,而且需使用较多溶剂,对生产环境存在污染,此外分离得到的3-硝基邻苯二甲酸和4-硝基邻苯二甲酸产品较本发明产品的含量低,杂质高。
综上所述,本发明的由混硝基邻苯二甲酸制备3-硝基邻苯二甲酸与4-硝基邻苯二甲酸的方法,是对混硝基邻苯二甲酸在水相中经过分离、提纯处理,利用特定温度下水对3-NPA、4-NPA的溶解性差异,将混硝基邻苯二甲酸进行初步分离,再利用重结晶过程的温度控制、pH及酸碱控制等关键因素的综合调配,分别对3-NPA、4-NPA提纯,从而同时获得均具有高纯度、高品质的3-硝基邻苯二甲酸产品和4-硝基邻苯二甲酸产品,且两产品的收率均得到提高。