CN109761793A

CN109761793A - 一种溶液-熔融结晶耦合分离提纯混合二元酸的方法

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Publication number: CN109761793A
Application number: CN201910178119.0A
Authority: CN
Inventors: 苏伟怡; 马梦琪; 周易维; 柳江曼; 张颖; 刘星; 王洪海; 李春利
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2019-03-08
Filing date: 2019-03-08
Publication date: 2019-05-17
Anticipated expiration: 2039-03-08
Also published as: CN109761793B

Abstract

本发明为一种溶液‑熔融结晶耦合分离提纯混合二元酸的方法。该方法通过溶液‑熔融结晶耦合分离提纯三元物系的方法，先通过溶液结晶获得较高纯度的粗品，再通过熔融结晶进行进一步提纯，经过多次发汗获得高纯甚至超纯的产品。所述的三元物系优选为丁二酸、戊二酸和己二酸，其质量百分组成为丁二酸含量为15％～25％，戊二酸含量为45％～55％，己二酸含量为20％～30％。本发明结合了溶液结晶操作简便、单级提浓效率高与熔融结晶产品纯度高的优点，具有不需要引进除水外的其他溶剂，且绿色无污染的优点。

Description

一种溶液-熔融结晶耦合分离提纯混合二元酸的方法

技术领域

本发明涉及一种溶液-熔融结晶耦合分离三元物系的方法，具体涉及一种混合二元酸的结晶分离方法。

背景技术

结晶技术由于具有能耗低、效率高、产品纯度高、操作条件温和等优势，在医药、化工、材料和生命科学等领域有着广泛应用。其中，溶液结晶是最古老也是最常采用的一种结晶工艺。而一次溶液结晶法通常无法达到高纯要求，多次溶液结晶溶剂损失量大且后处理困难,因此需要结合其他分离技术来获得高纯甚至超纯的目标产物。熔融结晶技术是上世纪六十年代开发、七十年代发展起来的一种高效低能耗的分离技术，是目前工业上应用最广泛的结晶技术之一。这主要有两方面的原因：一是社会环保型生产技术的要求，熔融结晶不需要溶剂，因而除去了溶剂回收工序，减少了污染,同时也降低了整体工艺的能耗；二是工业生产对有机物纯度的要求越来越高，比如在医药工业中，药物的应用达不到应有的效果常常是由提炼不纯、微量毒副作用物质的存在引起的，而熔融结晶分离出的产品的纯度能达到高纯的要求。所以，将温和的溶液结晶技术与提纯能力强的熔融结晶技术耦合，可以实现对混合物的高效分离。本发明以己二酸生产中的副产物分离提纯为例，详述具体实施过程。

近年来，随着己内酰胺、聚酯及聚氨酯等工业的迅猛发展，己二酸生产规模不断扩大。国内己二酸的生产多采用硝酸氧化环己烷法，生产过程中副产大量的混合二元羧酸，除部分己二酸外，主要含丁二酸和戊二酸，其中一半左右是戊二酸。戊二酸是非常重要的化工原料，在化学、建筑、医药和农业方面都有广泛应用。在化工方面，戊二酸既可作为合成树脂、合成橡胶的增塑剂和引发剂，也可用于合成重要的化工原料戊二酸酐。在医药方面，由于戊二酸具有广谱杀菌的特性，可用来配置各种杀菌消毒洗液。由于混合二羧酸直接应用的范围较小，市场价值不高，但其中戊二酸的含量和产品价格都有优势，因此各科研和生产企业也逐渐认识到从混合二元酸分离提纯戊二酸的经济效益，纷纷组织力量进行技术攻关。

据报道混合二元酸的提纯方法有很多种，但都具有一定缺陷，如萃取法使用大量萃取剂，且废水处理困难；成盐酸化法反应过程复杂，收率低；络合沉淀法工艺路线长，产品纯度不高；酯化精馏法工艺路线也较长，操作费用高，成本核算不可行，且由于丁二酸在235℃时会发生分解，因此精馏条件苛刻。混合方法中，有人将熔融结晶与固液萃取相耦合分离提纯RT培司生产废料中的吩嗪，首先采用熔融结晶对吩嗪混合物进行粗分离，提高吩嗪的含量至86％左右，再利用固-液萃取的方法将吩嗪提纯。但是固-液萃取需要大量萃取剂，且废水处理困难。有人将减压精馏与熔融结晶相耦合分离提纯人造麝香、进行MDI精制、二氯苯及苯甲酸异构体的分离。直接精馏混合二元酸溶液,可以达到分离这三种二元酸的目的。由于三种二元酸沸点高,且在接近沸点时均脱水生成酸酐,蒸馏法只能得到相应的酸酐,因而在225℃～260℃下使丁二酸和戊二酸转化为酸酐并分别蒸馏出来,则己二酸残留于釜中。但是此法能耗很大,易焦化,且减压蒸馏操作条件苛刻。有人将溶剂溶解和气泡结晶相耦合分离提纯混合二元酸中的戊二酸。但是需要加入大量溶剂溶解，结束后需要对溶剂进行处理过程复杂。这些方法在不同程度上存在着操作复杂、工艺冗长、成本高、收率低、产物纯度不理想等问题。

发明内容

本发明的目的为针对当前技术中存在的不足，提供一种溶液-熔融结晶耦合分离提纯混合二元酸的方法。该方法通过溶液-熔融结晶耦合分离提纯三元物系的方法，先通过溶液结晶获得较高纯度的粗品，再通过熔融结晶进行进一步提纯，经过多次发汗(在熔融结晶过程中，发汗过程是通过提高温度，使粘附在晶体表面和包藏在晶体内部的杂质融化排出，从而提高产品的纯度)获得高纯甚至超纯的产品。该方法结合了溶液结晶操作简便、单级提浓效率高与熔融结晶产品纯度高的优点，具有不需要引进除水外的其他溶剂，且绿色无污染的优点。

本发明的技术方案为：

一种溶液-熔融结晶耦合分离提纯混合二元酸的方法，包括以下步骤：

(1)将原料和水加入到第一反应器，搅拌、65～75℃下溶解，然后继续搅拌20～40min；其中，搅拌速率为250r/min～350r/min，质量比原料：水＝0.4～2：1；

(2)将上步的产物降温至55～65℃，析出晶体，然后在析出晶体温度下保持25～40min；其中，降温速率为0.1～0.25K/min；

(3)继续降温至25～35℃，析出晶体，然后在析出晶体温度下保持25～40min；其中，降温速率为0.1～0.25K/min；

(4)过滤分离，得到滤饼和母液；其中，滤饼为丁二酸和己二酸的混合物；

(5)在50～60℃下将母液进行旋转蒸发50～100min，得到固体物质；

(6)将上一步所得固体物质加入第二反应器，升温至120～140℃，升温速率为0.4～0.6K/min，待固体全部融化为溶液后，静置25～40min；

(7)将步骤(6)得到的溶液降温至88～98℃，降温速率为0.4～0.6K/min，添加戊二酸晶种，养晶20～30min；其中，晶种添加量范围为初始原料中戊二酸含量的0.2％～2％；

(8)继续降温，降温速率为0.02～0.1K/min，降至结晶终温80～90℃后,保持25～40min，排出液体，得到固体；

(9)将步骤(8)所得固体以0.05～0.2K/min的发汗速率升温至发汗温度90～98℃后，发汗20～40min，然后去除得到的发汗液体，得到固体；

(10)在步骤(9)进行完成后，得到晶体，再将晶体升温至99～105℃全部融化后，即可得到高纯度的戊二酸。

所述的最终产物的高纯度的戊二酸的浓度为99％以上。

所述的原料组成优选为丁二酸、戊二酸和己二酸，其质量百分组成为丁二酸含量为15％～25％，戊二酸含量为45％～55％，己二酸含量为20％～30％。

优选地，所述步骤(1)中溶解温度范围为70～75℃。

优选地，所述的步骤(2)中降温速率为0.15～0.2K/min，自然出晶温度范围为55～60℃。

优选地，所述的步骤(3)中降温速率为0.15～0.2K/min，结晶终温范围为28～32℃。

优选地，所述的步骤(6)中中升温速率为0.45～0.55K/min，融化温度范围为125～135℃。

优选地，所述的步骤(7)中降温速率为0.45～0.55K/min，添加晶种温度范围为90～95℃；晶种添加量范围为初始原料中戊二酸含量的0.5％～1％。

优选地，所述的步骤(8)中降温速率为0.05～0.1K/min，结晶终温范围为85～90℃。

优选地，所述的步骤(9)中发汗速率为0.08～0.15K/min，终温范围为90～93℃。

所述的步骤(9)中，得到固体后，还可以包括如下步骤：将得到固体进行再进行1～4次相同的发汗操作，每次的终止温度比上次高1～2℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)首次采用溶液-熔融结晶耦合技术，将溶液结晶初步提纯戊二酸作为熔融结晶精制戊二酸的前置实验，目的在于通过一级溶液结晶为熔融结晶提供纯度尽可能高的戊二酸原料，以此满足熔融结晶对原料较高纯度的要求。熔融结晶精制戊二酸的过程，通过2～5次发汗，最终得到的戊二酸纯度高达99％，此法有助于改进现有混合二元酸分离提纯戊二酸技术的不足。

(2)反应过程操作简便，条件温和，不需高温高压，因此能量消耗低，生产成本低，不需要引进除水外的其他溶剂，绿色无污染。

(3)分离工艺过程简单、对设备要求不高，且实验条件范围比较宽，易于实现工业化生产。

附图说明：

图1为本发明一种耦合分离提纯戊二酸中溶液结晶的方法流程图。

图2为本发明一种耦合分离提纯戊二酸中熔融结晶的方法流程图。

其中，1-匀速程控恒温槽；2-磁力搅拌器；3-温度计；4-第一反应器；5-接收瓶；6-温度计；7-匀速程控恒温槽；8-第二反应器。

具体实施方式：

以下通过具体实施例对本发明进行更详细的说明。实施例仅是对本发明的一种说明,而不构成对本发明的限制。实施例是实际应用例子,对于本领域的专业技术人员很容易掌握并验证。如果在本发明的基础上做出某种改变,其实质并不超出本发明的范围。

本发明以硝酸氧化环己烷法生产己二酸的副产物混合二元酸为例，详述具体实施过程，其中丁二酸含量为15％～25％，戊二酸含量为45％～55％，己二酸含量为20％～30％。本发明针对当前混合二元酸分离提纯戊二酸工艺流程长、收率低、废水处理困难、污染环境、能耗高等不足，首次提出通过溶液-熔融结晶耦合分离提纯戊二酸。考虑到丁二酸，戊二酸，己二酸三种物质在水中溶解度和熔点差别均较大，因此先使用水溶液冷却结晶获得较高纯度的戊二酸粗品，再通过熔融结晶进行进一步提纯，通过控制溶液结晶过程中的料水比、结晶温度、降温速率等和熔融结晶过程中的结晶温度、降温速率、发汗速率、发汗终温等因素，得到纯度高达99％的戊二酸。

图1和图2所示实例表明一种溶液-熔融结晶耦合分离提纯戊二酸的方法的工艺流程，详细如下：

(1)向第一反应器4添加一定比例为0.4～2：1的原料(丁二酸含量为15％～25％，戊二酸含量为45％～55％，己二酸含量为20％～30％)和水，搅拌，搅拌速率为250r/min～350r/min；通过匀速程控恒温槽1将温度升至65～75℃，待原料全部溶解后，继续搅拌20～40min；

(2)设置匀速程控恒温槽1降温，将上步的产物降温至55～65℃，析出晶体，然后在析出晶体温度下保持25～40min；其中，降温速率为0.1～0.25K/min；

(3)设置匀速程控恒温槽1继续降温至结晶终温25～35℃，降温速率同上一步，待温度计3显示温度到达设定值后，保持25～40min；

(4)过滤分离，得到滤饼和母液。其中，固体为丁二酸和己二酸的混合物；

(6)将上一步所得固体加入第二反应器8中，设置匀速程控恒温槽7，将温度升至120～140℃，升温速率为0.4～0.6K/min，待固体全部融化后,保持20～40min；(说明：己二酸生产过程中的副产物三种酸中，戊二酸的附加值是最高的，含量也是最多的，所以提纯戊二酸是最有必要的，所以第(4)步过滤出来的固体是丁二酸和己二酸，这两种物质也可以通过溶液-熔融耦合分离出来，由于含量少，附加值不高，所以过滤中得到的固体就没有进行下一步处理，只对母液进行了处理(母液里戊二酸的含量在87％左右)；后续步骤也是通过排出的汗液的方式去除混合物中含有的丁二酸和己二酸)

(7)通过匀速程控恒温槽7将温度降至88～98℃，降温速率为0.4～0.6K/min，此温度在介稳区内；待温度计6显示温度到达设定值后，添加戊二酸晶种，晶种量为初始原料中戊二酸含量的0.5％～1.5％，养晶20～30min，此时晶种不融化，悬浮在液相中；

(8)设置匀速程控恒温槽7继续降温至80～90℃，降温速率为0.02～0.1K/min，待温度计6显示温度到达设定值后保持30min，之后排出液体，得到粗戊二酸产品；

(9)通过匀速程控恒温槽7将粗戊二酸产品升温至90～93℃发汗(在熔融结晶过程中，发汗过程是通过提高温度，使粘附在晶体表面和包藏在晶体内部的杂质融化排出，从而提高产品的纯度)，发汗速率为0.05～0.2K/min，并在达到发汗终温后稳定20～40min,发汗结束后排出液体，留下固体进行下一步发汗；

(10)上一步所得固体通过匀速程控恒温槽7升温至93～98℃发汗，发汗速率为0.05～0.2K/min，并在达到发汗终温后稳定20～40min，发汗结束后排出液体，再将晶体升温至99～105℃，待全部融化后从反应器上方取出，即可得到最终产品。

实施例1：

所述方法包括以下步骤：

(1)称量丁二酸25g,戊二酸68.75g,己二酸31.25g，加250g水，将配好的溶液倒入第一反应器中，搅拌，搅拌速率为300r/min，设置匀速程控恒温槽将温度升至70℃，待原料全部溶解后，继续搅拌30min；

(2)设置匀速程控恒温槽，降温至自然出晶温度60℃，降温速率为0.2K/min，析出晶体，然后在析出晶体温度60℃下保持30min；

(3)继续降温，降温速率为0.2K/min，降至结晶终温28℃后，在此温度下保持30min；

(4)过滤分离，得到固体和母液。其中，固体为丁二酸和己二酸的混合物；

(5)在50℃下旋转蒸发60min去除上一步所得母液水分，所得固体全部保留；

(6)将上一步所得固体加入第二反应器中，设置匀速程控恒温槽将温度升至130℃，升温速率为0.5K/min，待固体全部融化后，在此温度下保持30min；

(7)设置匀速程控恒温槽将温度降至92℃，降温速率为0.5K/min，此温度在介稳区内；待温度到达92℃后，添加戊二酸晶种0.275g，养晶30min，此时晶种不融化，悬浮在液相中；

(8)继续降温，降温速率为0.08K/min，降至89℃后保持30min，之后排出液体，得到粗戊二酸产品；

(9)将粗戊二酸产品升温至92℃发汗，发汗速率为0.1K/min，在达到发汗温度92℃后稳定20min，发汗结束后排出汗液，留下固体进行下一步发汗；

(10)上一步所得固体升温至94℃发汗，其中发汗速率为0.1K/min，在达到发汗终温94℃后稳定20min，发汗结束后排出液体，再将晶体升温至100℃并保持，待晶体全部融化后从反应器上方取出，即可得到最终产品高纯戊二酸34.12g。将得到的产品进行HPLC检测分析，结果见表1。

其中，戊二酸99.07％，丁二酸0.4％，己二酸0.53％，因为主要产品是戊二酸，所以丁二酸和己二酸的产量就没有表述。

实施例2：

所述方法包括以下步骤：

(1)称量丁二酸100g,戊二酸275g,己二酸125g，加250g水，将配好的溶液倒入第一反应器中，搅拌，搅拌速率为300r/min，设置匀速程控恒温槽将温度升至70℃，待原料全部溶解后，继续搅拌30min；

(3)继续降温，降温速率为0.2K/min，降至结晶终温28℃后，在此温度下保持30min。

(6)将上一步所得固体加入第二反应器中，设置匀速程控恒温槽将温度升至130℃，升温速率为0.5K/min，待固体全部融化后，保持30min；

(7)设置匀速程控恒温槽将温度降至92℃，降温速率为0.5K/min，此温度在介稳区内；添加戊二酸晶种0.275g，养晶30min，此时晶种不融化，悬浮在液相中；

(9)将粗戊二酸产品升温至92℃发汗，发汗速率为0.1K/min，在达到发汗温度92℃后稳定20min，发汗结束后排出液体，留下固体进行下一步发汗；

(10)将上一步所得固体升温至94℃发汗，发汗速率为0.1K/min，在达到发汗终温94℃后稳定20min，发汗结束后排出液体，再将晶体升温至100℃并保持，待晶体全部融化后从反应器上方取出，即可得到最终产品高纯戊二酸135.72g。将得到的产品进行HPLC检测分析，结果见表1。

其中，戊二酸99.16％，丁二酸0.39％，己二酸0.45％，因为主要产品是戊二酸，所以丁二酸和己二酸的产量就没有表述。

实施例3：

所述方法包括以下步骤：

(2)设置匀速程控恒温槽，降温至自然出晶温度60℃，降温速率为0.15K/min，析出晶体，然后在析出晶体温度60℃下保持30min；

(3)继续降温，降温速率为0.15K/min，降至结晶终温28℃后，在此温度下保持30min；

(7)设置匀速程控恒温槽将温度降至92℃，此时降温速率为0.5K/min，此温度在介稳区内；添加戊二酸晶种0.275g，养晶30min，此时晶种不融化，悬浮在液相中；

(9)将粗戊二酸产品升温至92℃发汗，其中发汗速率为0.1K/min，在达到发汗温度92℃后稳定20min，发汗结束后排出液体，留下固体进行下一步发汗；

(10)将上一步所得固体升温至94℃发汗，其中发汗速率为0.1K/min，在达到发汗终温94℃后稳定20min，发汗结束后排出液体，再将晶体升温至至100℃并保持，待晶体全部融化后从反应器上方取出，即可得到最终产品高纯戊二酸135.84g。将得到的产品进行HPLC检测分析，结果见表1。

其中，戊二酸99.19％，丁二酸0.37％，己二酸0.44％，因为主要产品是戊二酸，所以丁二酸和己二酸的产量就没有表述。

实施例4：

所述方法包括以下步骤：

(3)继续降温，降温速率为0.2K/min，降至结晶终温30℃后，在此温度下保持30min；

(6)将上一步所得固体加入第二反应器中，设置匀速程控恒温槽将温度升至至130℃，升温速率为0.5K/min，待固体全部融化后，保持30min；

(10)将上一步所得固体升温至94℃发汗，发汗速率为0.1K/min，在达到发汗终温94℃后稳定20min，发汗结束后排出液体，再将晶体升温至100℃并保持，待晶体全部融化后从反应器上方取出，即可得到最终产品高纯戊二酸136.25g。将得到的产品进行HPLC检测分析，结果见表1。

其中，戊二酸99.24％，丁二酸0.32％，己二酸0.42％，因为主要产品是戊二酸，所以丁二酸和己二酸的产量就没有表述。

实施例5：

所述方法包括以下步骤:

(1)称量丁二酸100g,戊二酸275g,己二酸125g，加250g水，将配好的溶液倒入第一反应器中，搅拌，搅拌速率为300r/min，设置匀速程控恒温槽将温度升至70℃,待原料全部溶解后，继续搅拌30min；

(3)继续降温，降温速率为0.2K/min。降至结晶终温28℃后，在此温度下保持30min；

(6)将上一步所得固体加入第二反应器中，设置匀速程控恒温槽将温度升至130℃，升温速率为0.5K/min，待固体全部融化后，保持30min。

(7)设置匀速程控恒温槽将温度降至92℃，降温速率为0.5K/min，此温度在介稳区内；添加戊二酸晶种0.275g，养晶30min，此时晶种不融化，悬浮在液相中。

(8)继续降温，降温速率为0.05K/min，降至89℃后保持30min，之后排出液体，得到粗戊二酸产品。

(9)将粗戊二酸产品升温至92℃发汗，发汗速率为0.1K/min，在达到发汗温度92℃后稳定20min，发汗结束后排出液体，留下固体进行下一步发汗。

(10)将上一步所得固体升温至94℃发汗，发汗速率为0.1K/min，在达到发汗终温94℃后稳定20min，发汗结束后排出液体，再将晶体升温至100℃并保持，待晶体全部融化后从反应器上方取出，即可得到最终产品高纯戊二酸135.27g。将得到的产品进行HPLC检测分析，结果见表1。

其中，戊二酸99.13％，丁二酸0.4％，己二酸0.47％，因为主要产品是戊二酸，所以丁二酸和己二酸的产量就没有表述。

表1：溶液-熔融结晶耦合分离提纯戊二酸结果

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims

1.一种溶液-熔融结晶耦合分离提纯混合二元酸的方法，其特征为该方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的溶液-熔融结晶耦合分离提纯混合二元酸的方法，其特征为所述的原料组成优选为丁二酸、戊二酸和己二酸，其质量百分组成为丁二酸含量为15％～25％，戊二酸含量为45％～55％，己二酸含量为20％～30％。

3.如权利要求1所述的溶液-熔融结晶耦合分离提纯混合二元酸的方法，其特征为所述步骤(1)中溶解温度范围为70～75℃。

4.如权利要求1所述的溶液-熔融结晶耦合分离提纯混合二元酸的方法，其特征为所述的步骤(2)中降温速率为0.15～0.2K/min，自然出晶温度范围为55～60℃。

5.如权利要求1所述的溶液-熔融结晶耦合分离提纯混合二元酸的方法，其特征为所述的步骤(3)中降温速率为0.15～0.2K/min，结晶终温范围为28～32℃。

6.如权利要求1所述的溶液-熔融结晶耦合分离提纯混合二元酸的方法，其特征为所述的步骤(6)中中升温速率为0.45～0.55K/min，融化温度范围为125～135℃。

7.如权利要求1所述的溶液-熔融结晶耦合分离提纯混合二元酸的方法，其特征为所述的步骤(7)中降温速率为0.45～0.55K/min，添加晶种温度范围为90～95℃；晶种添加量范围为初始原料中戊二酸含量的0.5％～1％。

8.如权利要求1所述的溶液-熔融结晶耦合分离提纯混合二元酸的方法，其特征为所述的步骤(8)中降温速率为0.05～0.1K/min，结晶终温范围为85～90℃。

9.如权利要求1所述的溶液-熔融结晶耦合分离提纯混合二元酸的方法，其特征为所述的步骤(9)中发汗速率为0.08～0.15K/min，发汗终温范围为90～93℃。

10.如权利要求1所述的溶液-熔融结晶耦合分离提纯混合二元酸的方法，其特征为所述的步骤(9)中，得到固体后，还可以包括如下步骤：将得到固体进行再进行1～4次相同的发汗操作，每次的终止温度比上次高1～2℃。