CN114671766A - 交汇式持续氧化制备硝基苯甲酸的方法 - Google Patents

Abstract

本技术方案公开了一种交汇式持续氧化制备硝基苯甲酸的方法，该方法采用的设备包括反应釜、无驱动气液集成件、交汇箱；硝基甲苯类原料液、硝酸溶液、氧气通入反应釜内形成产物及反应混合液，其中硝基甲苯类原料液和产物由于整体反应体系密度升高从而漂浮在反应釜内的反应混合液的液面对应位置；其中反应混合液通过与反应釜底部连通的循环泵导入到无驱动气液集成件的三个通道。本技术方案解决的问题是：如何优化制备工艺，提高生产效率。

Description

交汇式持续氧化制备硝基苯甲酸的方法

技术领域

本发明设计一种有机化学反应生成硝基或亚硝基化合物，具体的说是一种制备硝基苯甲酸的方法。

背景技术

国内制备硝基苯甲酸类物质一般是在一个单独的反应釜内，反应釜内上具有通入反应物质的各种原料输送管道，前期由于各种物质溶度很高，所以反应迅速，，后期由于原料浓度降低，导致反应缓慢甚至停滞。为了解决这一问题，现有的方式主要是增大反应釜的整体体积，使原料尽可能的增加接触面积，这就导致设备整体较大，投资成本较高，占地大的问题。

中国专利公开号19921111公开了一种制备对硝基苯甲酸的方法及其电解槽，其主要特点是，首先将含铬电解液中的Cr3+转换成Cr6+，后移置于反应釜中并升温，至60～80℃时加入对硝基甲苯，并进一步升温至100～120℃，再保温1～2小时后冷却，使之结晶析出对硝基苯甲酸，然后再经抽滤、粗洗、碱洗、酸洗中和、精洗、过滤、干燥等工艺制成成品。本发明中所用的电解槽其特点是电极间置有含氟材料的离子交换膜。$本发明具有产率高、含铬三废少特点，高工艺整体效果良好，在实际使用过程中，依旧在一个反应釜内进行，可能效率有待改善。

发明内容

本发明的目的是提供一种交汇式持续氧化制备硝基苯甲酸的方法，解决的问题是：如何优化制备工艺，提高生产效率。

交汇式持续氧化制备硝基苯甲酸的方法，

该方法采用的设备包括反应釜、无驱动气液集成件、交汇箱；

硝基甲苯类原料液、硝酸溶液、氧气通入反应釜内形成产物及反应混合液，其中硝基甲苯类原料液和产物由于整体反应体系密度升高从而漂浮在反应釜内的反应混合液的液面对应位置；其中反应混合液通过与反应釜底部连通的循环泵导入到无驱动气液集成件的三个通道，然后返回至反应釜内形成循环；反应釜的其中一个出料管导出的气体通过增压罐增压并带动气驱动件旋转然后返回至无驱动气液集成件的进气管内，并与无驱动气液集成件内的液体混合进入反应釜内；反应釜一部分带有原料和产物的溶液导入到交汇箱的低位，交汇箱的高位配置有硝酸溶液储罐，硝酸溶液储罐的硝酸溶液导入到交汇箱内，上述高位和低位导入的物质在交汇箱内上下相对运动交汇反应，其中硝基甲苯原料溶液在低位浓度高，硝酸溶液储罐的硝酸溶液在高位浓度高；在低位位置，高浓度的硝基甲苯原料溶液与低浓度的硝酸溶液反应，在高位位置，低浓度的硝基甲苯原料溶液与高浓度的硝酸溶液反应；反应后静置分层并被分离导出。

所述反应釜上具有多根进料管和多根出料管；无驱动气液集成件内部整体中空且具有三个通道，其中布置在相对两侧的通道整体成对称的喇叭状并朝外扩张，处于中间的通道整体水平，该中间的通道连通有进气管；交汇箱内部中空，从上到下依次为上分层区、交汇区、下分层区；交汇区高位连通有硝酸溶液储罐，交汇区低位与反应釜内的反应混合液的液面中上部连通，交汇区内部具有横切搅拌轴，该搅拌轴顶部及上分层区上方具有驱动横切搅拌轴转动的气驱动件；该气驱动件整体采用抗腐蚀的材质制成，其旋转方向与气流流动方向一致；上述气驱动件所处的空间一段通过增压罐与反应釜的其中一个导出气体的出料管配合，另一端与无驱动气液集成件的进气管配合；最终产物由上分层区导出，未反应的原料由下分层区导出。

所述交汇区的整体高度为上分层区或下分层区的12-15倍；所述上分层区、交汇区、下分层区的横截面积分别两两或者三者均为同样的结构。

所述反应釜的数量为2个，无驱动气液集成件、交汇箱的数量均为1个，两个反应釜的底部同时连通循环泵，无驱动气液集成件具有两条分支分别与两个反应釜配合，两个反应釜分别与交汇箱的低位配合。

所述反应釜上的进料管包括硝基甲苯类化合物溶液进料管、硝酸进料管、氧气进料管、反应混合物进料管。

所述无驱动气液集成件按照进料路径分为进料通道、混料通道、出料通道，上述进料通道的横向长度小于出料通道的横向长度，进料通道的锥角大于出料通道的锥角。

所述气驱动件整体与上分层区气密封。

所述上分层区与下分层区的横向长度大于交汇区的横向长度；所述上分层区和下分层区均配置有对应的出料管。

所述横切搅拌轴是指搅拌轴的叶片整体水平并对溶液进行横向剪切。

所述气驱动件包括第一扇叶组和第二扇叶组，第一扇叶组的叶片延长长度长于第一扇叶组的叶片长度并在气体的吹动下带动搅拌轴转动；第二扇叶组处于上述两个扇叶组之间。

本发明的有益效果是：通过利用无驱动气液集成件，从而能将反应釜底部导出的液相与顶部导出的气相再次混合从而形成硝酸溶液参与反应，从而重复利用反应生成的气体，达到充分利用原料及增加反应效率的效果，这样也无需额外对高浓度的二氧化氮气体进行排放，形成一种独特的减排方式，对工艺过程中的废气、废水资源化回收利用防止污染从而保护周围环境；通过配置交汇箱，这样通过交汇方向使两个方向的原料能采用“高+低”及“低+高”的方式充分混合，整体提升这个反应的效率，从而达到设备整体体积小，能耗低、环保、高效节能、投资低以及原材料的可循环利用的效果。

附图说明

图1是本案第一实施例的示意图；

图2是本案第二实施例的示意图；

图中

1.反应釜、11.进料管、12.出料管、

2.无驱动气液集成件、21.进料通道、22.混料通道、23.出料通道、

3.交汇箱、31.上分层区、32.交汇区、321.高位、322.低位、33.下分层区、34.搅拌轴、

4.循环泵、

5.气驱动件、51.第一扇叶组、52.第二扇叶组、

6.增压罐、

7.硝酸溶液储罐。

具体实施方式

请参考图1，图中的设备利用硝基甲苯类原料制作硝基甲苯酸，该硝基甲苯类原料可采用如邻硝基甲苯、对硝基甲苯等。上述原料与硝酸溶液反应生成硝基甲苯酸、一氧化氮及水。其中一氧化氮现有做法是排入一个收集罐内与氧气和水接触生成硝酸，硝酸溶度合适时再通过泵导入到反应釜1内，这样效率不高，另外对设备体积及成本都有较高要求。本案的交汇式持续氧化制备硝基苯甲酸的设备，主要包括一个反应釜1、一个无驱动气液集成件2、一个交汇箱3，还包括一些配件，如阀门、传感器、泵等标配部件，其中反应釜1用于各物质进行反应，无驱动气液集成件2用于采用无动力方式将气液混合，交汇箱3用于相对传统一锅炖方式能提高整个体系的反应效率。在实际应用中，还可增加其它部件，从而辅助改善整个设备的生产效率。

本案的反应釜1采用常规结构，其上具有多个进料管11和多个出料管12。其中一个进料管11作为硝基甲苯类化合物溶液进入管方便硝基甲苯类化合物溶液原料进入反应釜1内、一个进料管11作为硝酸进料管11方便硝酸溶液原料进入反应釜1内、一个进料管11作为氧气进料管11方便氧气进入反应釜1内、一个进料管11作为反应混合物进料管11方便将无驱动气液集成件2导出硝酸水溶液或者混合物导入到反应釜1内。其中一个出料管12用于导出含有原料和产物的液相溶液至交汇箱3低位322至交汇箱3内，一个出料管12用于导出气体至与交汇箱3内驱动气驱动件5转动，一个出料管12用于将反应釜1内含有原料的液相溶液通过循环泵4导入到无驱动气液集成件2内。

本案的无驱动气液集成件2整体内部中空且具有三个通道，内部按照液体流动方向依次具有进料通道21、混料通道22、出料通道23，上述进料通道21和出料通道23布置在两侧位置且相对布置，这两个通道均采用喇叭状同时朝外扩张设计。其中进料通道21用于反应釜1内的液相进入，具体的进入方式是通过在反应釜1内配置一个循环泵4与进料通道21配置。混料通道22上配置有一个进气管用于液相与气相混合，出料通道23用于导入到反应釜1内。上述进料通道21的横向长度小于出料通道23的横向长度，同时进料通道21的锥角大于出料通道23的锥角，通过这样的设计，在液相在通道内流动时可对中间的混料通道22形成负压状态，从而能将与混料通道22连通的进气管的气体自动吸入至混料通道22内，从而与混料通道22内的液体充分混合。

本案的交汇箱3内部整体中空，该中空区域从上到下依次设计了一个上分层区31、一个交汇区32、一个下分层区33，上分层区31具有出料管12用于产物与原料分层，交汇区32用于两种原料的交汇混合，下分层区33具有出料管12用于原料的分离导出，该上分层区31与下分层区33的横向长度大于交汇区32的横向长度，这样便于分层；同时，交汇区32的整体高度为上分层区31或下分层区33的12-15倍，这样具有足够的高度空间满足两种原料的混合。在实际应用中，上分层区31、交汇区32、下分层区33的横截面积分别两两或者三者均为同样的结构。上述交汇区32内布置有能横向剪切的搅拌轴34，该搅拌轴34的顶部及上分层区31的顶部配置有驱动该搅拌轴34转动的气驱动件5，在实际应用中，气驱动件5必须整体与上分层区31保持气密封，具体的气密封方式可参考现有技术，同时该气驱动件5整体采用抗腐蚀的材质制成，其旋转方向与气流流动方向一致，这样被气流吹动从而旋转。上述气驱动件5所处的空间一段通过增压罐6与反应釜1的其中一个导出气体的出料管12配合从而保障足够的风压，另一端与无驱动气液集成件2的进气管配合，从而与液相接触一起导入到反应釜1内。本案的气驱动件5模拟了屋顶风机无动力驱动方式，设计了一个第一扇叶组51和一个第二扇叶组52，第一扇叶组51的叶片延长长度长于第一扇叶组51的叶片长度并在气体的吹动下带动搅拌轴34转动；第二扇叶组52处于上述两个扇叶组之间。在实际应用中，还可采用其它只要能高压气就能带动转动轴转动的机构或部件，如应用于硅溶胶搅拌使用到的气驱动件5。上述搅拌轴34的叶片采用整体水平设计，不进行仰俯角设计，这样保障对溶液进行横向剪切避免两种原料混乱。交汇区32具有高位321和低位322进料开口，这样从高位321和低位322进入原料，其中高位321连通有硝酸溶液储罐7从而输入硝酸溶液，低位322与反应釜1内的反应混合液的液面中上部连通从而输入从反应釜1导出的产物及原料溶液，然后这两种物质在交汇区32交汇。

本案以硝基甲苯、30％稀硝酸为原料，在高压反应器中经氧化反应制得硝基苯甲酸、水和一氧化氮，其中硝酸溶液的密度最小；其氧化反应方程式为：

本案的设备采用的制备方法如下：

将硝基甲苯类原料液、硝酸溶液、氧气按照现有比例一起通入反应釜1内形成产物及反应混合液，同时也生成一氧化氮气体，一氧化氮与氧气生成二氧化氮气体，随着反应温度的增加，产物硝基苯甲酸的密度增加，从而硝基甲苯类原料液和产物由于整体反应体系密度升高从而漂浮在反应混合液的液面位置。反应混合液通过与反应釜1底部连通的循环泵4导入到无驱动气液集成件2内依次经过内部的三个通道从而实现二氧化氮与水的接触生成硝酸溶液，然后返回至反应釜1内形成循环，从而不断的提高反应效率。反应釜1的其中一个出料管12导出的气体通过增压罐6增压至足够的压力并带动气驱动件5旋转然后返回至无驱动气液集成件2的进气管内，并与无驱动气液集成件2内的液体混合进入反应釜1内。反应釜1一部分带有原料和产物的溶液导入到交汇箱3的低位322，硝酸溶液储罐的硝酸溶液导入到交汇箱3的高位321，通过这样的方式，上述高位321和低位322导入的物质在交汇箱3内上下相对运动交汇反应，此时，硝基甲苯原料溶液在低位322浓度高，硝酸溶液储罐的硝酸溶液在高位321浓度高；在低位322位置，高浓度的硝基甲苯原料溶液与低浓度的硝酸溶液反应，在高位321位置，低浓度的硝基甲苯原料溶液与高浓度的硝酸溶液反应，通过这样的配置，从而提升反应的整体效率，不会出现现有的前期反应效率很高，后期很低的问题，反应后静置分层，利用硝酸溶液密度比硝基甲苯类原料液原料密度重同时比硝基苯甲酸的密度轻的特性，最终产物由上分层区31导出，未反应的原料由下分层区33导出。上述反应中各物质的量、工艺条件中的各项参数均可参考现有的方式。

请参考图2，该实施例采用的方式与实施例1一致，只是在结构上进行了优化实现了反应釜1的多级参与，从而能满足更大的产量。该实施例采用了2个反应釜1，并按照实施例的装配方式与其它部件装配即两个反应釜1的底部同时连通循环泵4，无驱动气液集成件2具有两条分支分别与两个反应釜1配合，两个反应釜1分别与交汇箱3的低位322配合。在实际应用中，如需要增加反应釜1的数量，只需要按照图2所表达的增加即可。

上述描述的具体实施例仅仅用以解释本技术方案，并不用于限定本技术方案。在本技术方案的描述中，需要说明的是，术语如“上”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术方案的限制。

同时，在本技术方案的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“固定”、“配合”、应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本技术方案的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本技术方案的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本技术方案的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.交汇式持续氧化制备硝基苯甲酸的方法，其特征在于：

该方法采用的设备包括反应釜(1)、无驱动气液集成件(2)、交汇箱(3)；

硝基甲苯类原料液、硝酸溶液、氧气通入反应釜(1)内形成产物及反应混合液，其中硝基甲苯类原料液和产物由于整体反应体系密度升高从而漂浮在反应釜(1)内的反应混合液的液面对应位置；其中反应混合液通过与反应釜(1)底部连通的循环泵(4)导入到无驱动气液集成件(2)的三个通道，然后返回至反应釜(1)内形成循环；反应釜(1)的其中一个出料管(12)导出的气体通过增压罐(6)增压并带动气驱动件(5)旋转然后返回至无驱动气液集成件(2)的进气管内，并与无驱动气液集成件(2)内的液体混合进入反应釜(1)内；反应釜(1)一部分带有原料和产物的溶液导入到交汇箱(3)的低位(322)，交汇箱(3)的高位(321)配置有硝酸溶液储罐，硝酸溶液储罐的硝酸溶液导入到交汇箱(3)内，上述高位(321)和低位(322)导入的物质在交汇箱(3)内上下相对运动交汇反应，其中硝基甲苯原料溶液在低位(322)浓度高，硝酸溶液储罐的硝酸溶液在高位(321)浓度高；在低位(322)位置，高浓度的硝基甲苯原料溶液与低浓度的硝酸溶液反应，在高位(321)位置，低浓度的硝基甲苯原料溶液与高浓度的硝酸溶液反应；反应后静置分层并被分离导出。

2.根据权利要求1所述的交汇式持续氧化制备硝基苯甲酸的方法，其特征在于：所述反应釜(1)上具有多根进料管(11)和多根出料管(12)；无驱动气液集成件(2)内部整体中空且具有三个通道，其中布置在相对两侧的通道整体成对称的喇叭状并朝外扩张，处于中间的通道整体水平，该中间的通道连通有进气管；交汇箱(3)内部中空，从上到下依次为上分层区(31)、交汇区(32)、下分层区(33)；交汇区(32)高位(321)连通有硝酸溶液储罐(7)，交汇区(32)低位(322)与反应釜(1)内的反应混合液的液面中上部连通，交汇区(32)内部具有横切搅拌轴(34)，该搅拌轴(34)顶部及上分层区(31)上方具有驱动横切搅拌轴(34)转动的气驱动件(5)；该气驱动件(5)整体采用抗腐蚀的材质制成，其旋转方向与气流流动方向一致；上述气驱动件(5)所处的空间一段通过增压罐(6)与反应釜(1)的其中一个导出气体的出料管(12)配合，另一端与无驱动气液集成件(2)的进气管配合；最终产物由上分层区(31)导出，未反应的原料由下分层区(33)导出。

3.根据权利要求2所述的交汇式持续氧化制备硝基苯甲酸的方法，其特征在于：所述交汇区(32)的整体高度为上分层区(31)或下分层区(33)的12-15倍；所述上分层区(31)、交汇区(32)、下分层区(33)的横截面积分别两两或者三者均为同样的结构。

4.根据权利要求3所述的交汇式持续氧化制备硝基苯甲酸的方法，其特征在于：所述反应釜(1)的数量为2个，无驱动气液集成件(2)、交汇箱(3)的数量均为1个，两个反应釜(1)的底部同时连通循环泵(4)，无驱动气液集成件(2)具有两条分支分别与两个反应釜(1)配合，两个反应釜(1)分别与交汇箱(3)的低位(322)配合。

5.根据权利要求4所述的交汇式持续氧化制备硝基苯甲酸的方法，其特征在于：所述反应釜(1)上的进料管(11)包括硝基甲苯类化合物溶液进料管(11)、硝酸进料管(11)、氧气进料管(11)、反应混合物进料管(11)。

6.根据权利要求5所述的交汇式持续氧化制备硝基苯甲酸的方法，其特征在于：所述无驱动气液集成件(2)按照进料路径分为进料通道(21)、混料通道(22)、出料通道(23)，上述进料通道(21)的横向长度小于出料通道(23)的横向长度，进料通道(21)的锥角大于出料通道(23)的锥角。

7.根据权利要求6所述的交汇式持续氧化制备硝基苯甲酸的方法，其特征在于：所述气驱动件(5)整体与上分层区(31)气密封。

8.根据权利要求7所述的交汇式持续氧化制备硝基苯甲酸的方法，其特征在于：所述上分层区(31)与下分层区(33)的横向长度大于交汇区(32)的横向长度；所述上分层区(31)和下分层区(33)均配置有对应的出料管(12)。

9.根据权利要求7或8所述的交汇式持续氧化制备硝基苯甲酸的方法，其特征在于：所述横切搅拌轴(34)是指搅拌轴(34)的叶片整体水平并对溶液进行横向剪切。

10.根据权利要求8或9所述的交汇式持续氧化制备硝基苯甲酸的方法，其特征在于：所述气驱动件(5)包括第一扇叶组(51)和第二扇叶组(52)，第一扇叶组(51)的叶片延长长度长于第一扇叶组(51)的叶片长度并在气体的吹动下带动搅拌轴(34)转动；第二扇叶组(52)处于上述两个扇叶组之间。

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