CN116023237A - 一种水相中对苯二酚的连续化制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于有机化学技术领域，具体为水相中对苯二酚的连续化制备方法。本发明以卤代苯为原料，首先将卤代苯与碱性水溶液在微混合器内进入微通道反应器发生羟基化反应，反应液经稀释，pH值调节后得到的反应液用于下步还原反应。待还原反应液与氢气经过微混合器混合后在微固定床中还原得到对氨基苯酚。制得的对氨基苯酚溶解在酸性水溶液中，与亚硝酸盐水溶液经过微混合器混合后在微通道反应器中发生重氮化反应，在强酸条件下水解得到对苯二酚，经脱色、重结晶得到高纯度对苯二酚。本发明方法与传统间歇釜式合成方法相比，成本更低，三废排放少，并且反应器体积小、过程安全性高、产品连续制备且质量稳定。
Description
技术领域
本发明属有机化学技术领域，具体涉及对苯二酚的连续化合成方法。
背景技术
对苯二酚又名氢醌，是橡胶、医药、染料、农药和精细化工的重要原料、助剂和中间体，主要用于制造摄影胶片的黑白显影剂、生产蒽醌染料和偶氮染料、合成气脱硫工艺的催化剂、橡胶和塑料的防老剂、单体阻聚剂、食品及涂料清漆的稳定剂、石油抗凝剂等。传统的对苯二酚生产工艺有苯胺氧化法、对二异丙苯氧化法等，但存在工艺流程复杂、副产物多、设备腐蚀严重、三废排放量大等显著缺点，已经被逐步淘汰。20世纪70年代以来，以过氧化氢为氧化剂的苯酚羟基化合成苯二酚（邻苯二酚、对苯二酚）的方法被开发出来，主要有Rhone-Poulenc法、Brichima法、UBE法和Enichem法等。世界上绝大部分的邻苯二酚和1/3以上的对苯二酚是由这四种方法生产的。虽然这些方法的工艺流程相对简单，反应条件温和，氧化副产物为水污染较小，但Rhone-Poulenc法和UBE法存在设备腐蚀严重，苯酚单程转化率低的缺点，Brichima法中所用过氧化氢的浓度高导致生产危险性大，Enichem法所用催化剂TS-1分子筛生产成本较高，价格昂贵，且由于粒度小导致难回收。国内对苯二酚的生产工艺十分落后，仍采用传统的苯胺氧化法，产品质量差、生产能力低且三废严重，需要大量进口对苯二酚来满足使用需求。近年来，通过对分子筛改性（CN1050537C）、复合金属氧化剂（Journal of Catalysis，2001，199，273-281）、金属盐氧化物（化学世界，2000，9，483-487）及其他载体催化剂（CN1048654C、CN1053389C）的研究开发出多种新型对苯二酚制备工艺，氧化剂主要为双氧水，虽然污染较小，但原子利用率较低，且苯酚转化率绝大部分低于50%，难以工业化应用。
发明内容
为克服现有对苯二酚生产工艺中反应时间长、原料转化率低、氧化剂原子经济性差、生产安全隐患大、三废排放量大、能耗高和产品质量不稳定等缺点，本发明提供一种对苯二酚的连续化制备方法，该合成方法所需的反应时间极大缩短，工艺过程的自动化程度和效率显著提高，原料单程转化率99%以上，产品质量稳定（纯度>99.9%），可通过平行放大或尺寸放大直接实现工业化生产。
本发明提供的对苯二酚连续化制备方法，使用多个依次连通的微混合器、微通道反应器及在线纯化装置组成的全连续系统，并在水相中进行；具体步骤为：
（1）首先将卤代苯加热熔融，通过输送泵与碱性溶液在第一微混合器中混合均匀，然后进入第一微通道反应器，使用背压阀调节微通道反应器内压力，反应结束后将反应液加水稀释，用酸调节pH值，作为下步还原反应液；
（2）通过输送泵将步骤（1）中获得的还原反应液与氢气送入第二微混合器中，混合均匀后进入第二微反应器（固定床），通过氮气和背压阀调节第二微微反应器内压力，使用气液分离器接收物料，用于下一步的重氮化反应；
（3）步骤（2）中获得的反应液中加入酸作为重氮化原料液，通过输送泵将原料液与重氮化试剂送入第三微混合器中混合均匀，然后进入第三微通道反应器发生重氮化反应；
（4）步骤（3）重氮化反应结束后，反应液直接流入第四微混合器与水解试剂均匀混合，然后进入第四微通道反应器发生水解反应，使用背压阀调节微通道反应器内压力；
（5）步骤（4）水解反应结束后，反应液与萃取试剂进入第五微混合器中混合均匀后进行萃取，液液分离得到有机相和水相；水相经过除杂后回收套用，有机相浓缩、脱色、重结晶得到高纯度产品对苯二酚，纯度>99.9%。
优选地，步骤（1）中所述卤代苯为对氟硝基苯、对氯硝基苯、对溴硝基苯、对碘硝基苯、对氟亚硝基苯、对氯亚硝基苯、对溴亚硝基苯、对碘亚硝基苯中的一种或几种的组合。
优选地，步骤（1）中所述碱性溶液为氢氧化锂溶液，氢氧化钠溶液，氢氧化钾溶液，碳酸锂溶液，碳酸钠溶液，碳酸钾溶液中的一种或几种的组合。
优选地，步骤（1）中所述卤代苯熔融温度为80-250℃，碱性水溶液浓度为0.5-50%，碱的用量是卤代苯的0.5-30当量，在微通道反应器内反应温度为80-250℃，反应时间为0.1-30分钟，反应压力为1.0-50 atm。
优选地，步骤（1）中所述调节pH值的为硫酸、盐酸、磷酸、亚磷酸、硝酸中的一种或几种的组合。
优选地，步骤（2）中所述微固定床反应器内填充有催化剂，该催化剂包括但不仅限于5%Pd/C、10%Pd/C、雷尼镍、5%Pt/C、10%Pt/C中的一种或几种的组合。
优选地步骤（2）中所述氢气，使用质量流量控制计来调节流量，使氢气是还原料液的3-5个当量。
优选地，步骤（2）中所述的在微固定床反应器内反应温度为20-180℃，反应时间为0.01-30分钟，反应压力为0.1-100 atm。
优选地，步骤（3）中所述的酸为甲酸、乙酸、硫酸、盐酸、磷酸、亚磷酸、硝酸、碳酸、硼酸中的一种或几种的组合，浓度为1.0-70%质量分数的水溶液。
优选地，步骤（3）中所述的重氮化试剂为亚硝酸钠、亚硝酸钾、亚硝酸酯中的一种。
优选地，步骤（3）中所述的重氮化反应温度为－30-150℃，反应时间为0.1-30分钟，反应压力为0.1-50 atm。更优选重氮化反应温度为－10-100℃，反应时间为1-15分钟，反应压力为1-20 atm。
优选地，步骤（4）中所述的水解试剂为氢氧化钠水溶液、氢氧化钠甲醇溶液、氢氧化钾水溶液、氢氧化钾甲醇溶液、硫酸水溶液、盐酸水溶液、硝酸水溶液、磷酸水溶液、硼酸水溶液中的一种或几种的组合，浓度为0.1-70%的质量分数。
优选地，步骤（4）中所述的水解反应温度为80-250℃，反应时间为0.1-30分钟，反应压力为0.1-50 atm。更优选水解反应温度为100-150℃，反应时间为1-20分钟，反应压力为1-30 atm。
优选地，步骤（5）中所述的萃取试剂为乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲苯、二氯甲烷、2-甲基四氢呋喃、甲基正丁基酮、甲基异丁基酮、甲基叔丁基醚中的一种或几种的组合。
优选地，步骤（5）中所述的重结晶使用溶剂为水、甲醇、乙醇、甲苯、乙酸乙酯、乙酸、二氯甲烷、甲基叔丁基醚中的一种或几种的组合。
优选地，步骤（5）中所述的水相除杂方法为使用活性炭、硅胶、硅藻土、高岭土、氧化铝、树脂等其中一种或几种的组合，在50-200℃下吸附脱色除杂。更优选在50-150℃下吸附脱色除杂。
优选地，步骤（1）、（2）、（3）、（4）、（5）中所述的微混合器为Y型、T型、J型、十字型、内交指型、分离汇合型、SK型、SV型、SX型等其中的一种或几种的组合。
优选地，步骤（1）、（2）、（3）、（4）、（5）中所述的微通道反应器或微固定床反应器为管式、板式或已有其他类型微通道反应器中的一种或几种的组合，微通道反应器的尺寸内径为0.5～300 mm，长度为0.5～5000 m；优选内径为5～150 mm，长度为20～5000 m；控制微通道反应器内的流速为0.01-1000 L/min。优选流速为1-500 L/min。
优选地，步骤（1）、（2）、（3）、（4）、（5）中所述的微通道反应器材质为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、不锈钢、哈氏合金、锆材、钽材、镍材、碳化硅、玻璃中的一种或几种的组合。
与现有技术相比，本发明具有如下技术优势：
（1）微混合器可极大增强多相体系的传质效果，提升反应速率的同时减小反应器体积，同时微通道反应器具有优异的传质、传热和物料持续混合强化性能，可有效缩短反应时间，提升反应效率和反应器单位体积内的通量，反应安全性更高，同时三废排放和能耗明显降低；从传统间歇釜式反应的数天缩短到数分钟即可完成对苯二酚的制备；
（2）使用原子经济性更高、副产物更少、价格更低廉的试剂和催化剂，可有效降低三废；
（3）实现从原料到产物的连续合成，工艺过程连续不间断进行，自动化程度高，中间无需外部干预，时空效率高，大幅减少操作工人数量和劳动强度，显著降低生产成本；
（4）每步反应的单程转化率在99%以上，收率95%以上，对苯二酚的纯度在99.9%以上；
（5）采用微通道反应器能方便的通过多通道并行放大或尺寸放大的策略实现本发明合成方法的工业化生产。
附图说明
图1为本发明反应工艺流程示意图。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图作进一步说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
将对溴硝基苯（1当量）加热熔融后，与25%质量分数的氢氧化钠（5当量）水溶液通过进料泵泵入T型微混合器中混合均匀后进入微通道反应器。微通道反应器内径5mm，长度200 m，物料流速0.5 L/min，反应温度210℃，背压阀调节反应器内压力为30 atm。反应器出口接液30 min后加水稀释，加50%硫酸调节pH至10，得到澄清反应液用于下一步还原反应。
将制得的对硝基苯酚（1当量）原料液通过输送泵将溶液与氢气（5当量）在内交指型微混合器中混合均匀后进入微固定床反应器。微固定反应器内径25mm，长度2.5 m，物料流速0.2 L/min，反应温度120℃，背压阀调节反应器内压力为100 atm。反应器出口接液30min后，加入98%浓硫酸使反应液为强酸性用于下一步重氮化反应。
将制得的对氨基苯酚（1当量）酸性水溶液通过输送泵将该溶液与亚硝酸钠（3.5当量）水溶液在T型微混合器中混合均匀后进入微通道反应器，微通道反应器内径5mm，长度20m，物料流速0.35 L/min，反应温度40℃，背压阀调节反应器内压力为30 atm。反应液再与20%盐酸水溶液在在T型微混合器中混合均匀后进入下一个微通道反应器，微通道反应器内径5mm，长度120 m，物料流速0.45 L/min，反应温度170℃，背压阀调节反应器内压力为30atm。反应器出口接液30 min后，使用乙酸丁酯萃取产物。液液分离后有机相浓缩得到对苯二酚粗品，在水中脱色、重结晶、过滤得到高纯度产品对苯二酚，收率为95%，纯度大于99.9%。液液分离后水相加入活性炭回流脱色除杂后重复使用。
实施例2
将对氟硝基苯（1当量）加热熔融后，与35%质量分数的氢氧化钠（3当量）水溶液通过进料泵泵入T型微混合器中混合均匀后进入微通道反应器。微通道反应器内径15mm，长度100 m，物料流速1.5 L/min，反应温度190℃，背压阀调节反应器内压力为25atm。反应器出口接液30 min后加水稀释，加10%盐酸调节pH至10，得到澄清反应液用于下一步还原反应。
将制得的对硝基苯酚（1当量）原料液通过输送泵将溶液与氢气（3当量）在内交指型微混合器中混合均匀后进入微固定床反应器。微固定反应器内径25mm，长度4.5m，物料流速0.4 L/min，反应温度100℃，背压阀调节反应器内压力为90 atm。反应器出口接液30 min后，加入30%浓盐酸使反应液为强酸性用于下一步重氮化反应。
将制得的对氨基苯酚（1当量）酸性水溶液通过输送泵将该溶液与亚硝酸钠（2.5当量）水溶液在T型微混合器中混合均匀后进入微通道反应器，微通道反应器内径5mm，长度40m，物料流速0.3 L/min，反应温度35℃，背压阀调节反应器内压力为25atm。反应液再与20%盐水溶液在在T型微混合器中混合均匀后进入下一个微通道反应器，微通道反应器内径5mm，长度180 m，物料流速0.45 L/min，反应温度160℃，背压阀调节反应器内压力为25atm。反应器出口接液30 min后，使用乙酸丁酯萃取产物。液液分离后有机相浓缩得到对苯二酚粗品，在水中脱色、重结晶、过滤得到高纯度产品对苯二酚，收率为95%，纯度大于99.9%。液液分离后水相加入硅胶回流脱色除杂后重复使用。
实施例3
将对氯硝基苯（1当量）加热熔融后，与20%质量分数的氢氧化钠（2.5当量）水溶液通过进料泵泵入Y型微混合器中混合均匀后进入微通道反应器。微通道反应器内径10 mm，长度100 m，物料流速1.5 L/min，反应温度190℃，背压阀调节反应器内压力为25 atm。反应器出口接液30 min后加水稀释，加30%磷酸调节pH至10，得到澄清反应液用于下一步还原反应。
将制得的对硝基苯酚（1当量）原料液通过输送泵将溶液与氢气（3当量）在内交指型微混合器中混合均匀后进入微固定床反应器。微固定反应器内径25mm，长度4.5 m，物料流速0.4 L/min，反应温度110℃，背压阀调节反应器内压力为85 atm。反应器出口接液30min后，加入30%磷酸水溶液使反应液为强酸性用于下一步重氮化反应。
将制得的对氨基苯酚（1当量）酸性水溶液通过输送泵将该溶液与亚硝酸钾（2.5当量）水溶液在Y型微混合器中混合均匀后进入微通道反应器，微通道反应器内径5mm，长度40m，物料流速0.3 L/min，反应温度35℃，背压阀调节反应器内压力为25 atm。反应液再与20%磷酸水溶液在在Y型微混合器中混合均匀后进入下一个微通道反应器，微通道反应器内径5mm，长度180 m，物料流速0.45 L/min，反应温度160℃，背压阀调节反应器内压力为25atm。反应器出口接液30 min后，使用甲基丁基酮萃取产物。液液分离后有机相浓缩得到对苯二酚粗品，在水中脱色、重结晶、过滤得到高纯度产品对苯二酚，收率为95%，纯度大于99.9%。液液分离后水相加入氧化铝回流脱色除杂后重复使用。
实施例4
将对氯亚硝基苯（1当量）加热熔融后，与20%质量分数的氢氧化钠（2.5当量）水溶液通过进料泵泵入Y型微混合器中混合均匀后进入微通道反应器。微通道反应器内径10mm，长度100 m，物料流速1.5 L/min，反应温度190℃，背压阀调节反应器内压力为25 atm。反应器出口接液30 min后加水稀释，加30%磷酸调节pH至10，得到澄清反应液用于下一步还原反应。
将制得的对硝基苯酚（1当量）原料液通过输送泵将溶液与氢气（3当量）在内交指型微混合器中混合均匀后进入微固定床反应器。微固定反应器内径25mm，长度4.5 m，物料流速0.4 L/min，反应温度110℃，背压阀调节反应器内压力为85 atm。反应器出口接液30min后，加入50%磷酸水溶液使反应液为强酸性用于下一步重氮化反应。
将制得的对氨基苯酚（1当量）酸性水溶液通过输送泵将该溶液与亚硝酸钾（2.5当量）水溶液在Y型微混合器中混合均匀后进入微通道反应器，微通道反应器内径5mm，长度40m，物料流速0.3 L/min，反应温度35℃，背压阀调节反应器内压力为25 atm。反应液再与50%磷酸水溶液在在Y型微混合器中混合均匀后进入下一个微通道反应器，微通道反应器内径5mm，长度180 m，物料流速0.45 L/min，反应温度160℃，背压阀调节反应器内压力为25atm。反应器出口接液30 min后，使用甲基丁基酮萃取产物。液液分离后有机相浓缩得到对苯二酚粗品，在水中脱色、重结晶、过滤得到高纯度产品对苯二酚，收率为95%，纯度大于99.9%。液液分离后水相加入高岭土回流脱色除杂后重复使用。
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种水相中对苯二酚的连续化制备方法，其特征在于，使用多个依次连通的微混合器、微通道反应器组成的全连续系统，具体步骤为：
（1）首先将卤代苯加热熔融，通过输送泵与碱性溶液在第一微混合器中混合均匀，然后进入第一微通道反应器，使用背压阀调节微通道反应器内压力，反应结束后将反应液加水稀释，用酸调节pH值，作为下步还原反应液；其中，所述卤代苯熔融温度为80-250℃，碱性水溶液浓度为0.5-50%，碱的用量是卤代苯的0.5-30当量，在微通道反应器内反应温度为80-250℃，反应时间为0.1-30分钟，反应压力为1.0-50 atm；
（2）通过输送泵将步骤（1）中获得的还原反应液与氢气送入第二微混合器中，混合均匀后进入第二微反应器，为微固定床反应器，其中填充有催化剂，通过氮气和背压阀调节第二微微反应器内压力，使用气液分离器接收物料，用于下一步的重氮化反应；其中，所述氢气为还原反应液的3-5个当量；微固定床反应器内反应温度为20-180℃，反应时间为0.01-30分钟，反应压力为0.1-100 atm；
（3）步骤（2）中获得的反应液中加入酸作为重氮化原料液，通过输送泵将原料液与重氮化试剂送入第三微混合器中混合均匀，然后进入第三微通道反应器发生重氮化反应；其中，所述的重氮化反应温度为－30-150℃，反应时间为0.1-30分钟，反应压力为0.1-50 atm；
（4）步骤（3）重氮化反应结束后，反应液直接流入第四微混合器与水解试剂均匀混合，然后进入第四微通道反应器发生水解反应，使用背压阀调节微通道反应器内压力；其中，所述水解反应温度为80-250℃，反应时间为0.1-30分钟，反应压力为0.1-50 atm；
（5）步骤（4）水解反应结束后，反应液与萃取试剂进入第五微混合器中混合均匀后进行萃取，液液分离得到有机相和水相；水相经过除杂后回收套用，有机相浓缩、脱色、重结晶得到高纯度产品对苯二酚，纯度>99.9% 。
2.根据权利要求1所述的水相中对苯二酚的连续化制备方法，其特征在于，步骤（1）中：
所述卤代苯为对氟硝基苯、对氯硝基苯、对溴硝基苯、对碘硝基苯、对氟亚硝基苯、对氯亚硝基苯、对溴亚硝基苯、对碘亚硝基苯中的一种或几种的组合；
所述碱性溶液为氢氧化锂溶液，氢氧化钠溶液，氢氧化钾溶液，碳酸锂溶液，碳酸钠溶液，碳酸钾溶液中的一种或几种的组合；
所述调节pH值的为硫酸、盐酸、磷酸、亚磷酸、硝酸中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求1所述的水相中对苯二酚的连续化制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述微固定床反应器内的催化剂为5%Pd/C、10%Pd/C、雷尼镍、5%Pt/C、10%Pt/C中的一种或几种的组合。
4.根据权利要求1所述的水相中对苯二酚的连续化制备方法，其特征在于，步骤（3）中：
所述的酸为甲酸、乙酸、硫酸、盐酸、磷酸、亚磷酸、硝酸、碳酸、硼酸中的一种或几种的组合，浓度为1.0-70%质量分数的水溶液；
所述的重氮化试剂为亚硝酸钠、亚硝酸钾、亚硝酸酯中的一种。
5.根据权利要求1所述的水相中对苯二酚的连续化制备方法，其特征在于，步骤（4）中，所述的水解试剂为氢氧化钠水溶液、氢氧化钠甲醇溶液、氢氧化钾水溶液、氢氧化钾甲醇溶液、硫酸水溶液、盐酸水溶液、硝酸水溶液、磷酸水溶液、硼酸水溶液中的一种或几种的组合，浓度为0.1-70%的质量分数。
6.根据权利要求1所述的水相中对苯二酚的连续化制备方法，其特征在于，步骤（5）中：
所述萃取试剂为乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲苯、二氯甲烷、2-甲基四氢呋喃、甲基正丁基酮、甲基异丁基酮、甲基叔丁基醚中的一种或几种的组合；
所述重结晶使用溶剂为水、甲醇、乙醇、甲苯、乙酸乙酯、乙酸、二氯甲烷、甲基叔丁基醚中的一种或几种的组合；
所述的相除杂使用活性炭、硅胶、硅藻土、高岭土、氧化铝、树脂其中一种或几种的组合，在50-200℃下吸附脱色除杂。
7.根据权利要求1所述的水相中对苯二酚的连续化制备方法，其特征在于，所述微混合器为Y型、T型、J型、十字型、内交指型、分离汇合型、SK型、SV型、SX型中的一种或几种的组合。
8. 根据权利要求1所述的水相中对苯二酚的连续化制备方法，其特征在于，所述微通道反应器或微固定床反应器为管式、板式或已有其他类型微通道反应器中的一种或几种的组合，微通道反应器的尺寸内径为0.5～300 mm，长度为0.5～5000 m；控制微通道反应器内的流速为0.01-1000 L/min。
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2022
- 2022-12-08 CN CN202211574267.2A patent/CN116023237A/zh active Pending
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