楊玉敏,臧紅霞,胡 潔,郝 叢
(邢臺學(xué)院,河北 邢臺 054001)
隨著化工行業(yè)的迅速發(fā)展,鄰苯二甲酸酐作為油漆工業(yè)、塑料制造、藥品制造等行業(yè)的原料,市場需求量與日俱增,推動了國內(nèi)苯酐生產(chǎn)發(fā)展[1]。世界上生產(chǎn)苯酐的工藝路線有以萘或鄰苯二甲酸為原料的SWB(Sherwin,Willianms/Badger)流化床技術(shù)工藝和BASF、Von-Heyden、Rhone-poulene固定床氧化技術(shù)工藝兩種[2]?,F(xiàn)今國內(nèi)苯酐的生產(chǎn)方法有萘氧化法(簡稱萘法)和鄰二甲苯氧化法(簡稱鄰法)兩種,苯酐生產(chǎn)廠家為了使塔頂產(chǎn)品達(dá)到較高純度,以便在產(chǎn)品質(zhì)量方面在苯酐市場占取有利位置,具有較強(qiáng)的市場競爭力。生產(chǎn)過程中總是有殘?jiān)霈F(xiàn),只能以較低價的出售,造成經(jīng)濟(jì)損失與資源浪費(fèi),同時也會造成一定的環(huán)境污染,因此采用新技術(shù),改變工藝條件提高塔底廢料中苯酐產(chǎn)品的回收率,創(chuàng)造最佳經(jīng)濟(jì)效益,解決社會環(huán)境負(fù)擔(dān)已成了國內(nèi)大部分苯酐制造廠家迫切解決的難題[3]。急需有效的苯酐殘?jiān)木乒に囀棺陨碓谶M(jìn)口苯酐產(chǎn)品以及其他生產(chǎn)廠家改進(jìn)制造工藝的沖擊下?lián)碛休^大的市場競爭力,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化,在國內(nèi)市場占取有利地位[4]。
現(xiàn)在伴隨鄰苯二甲酸酐制備工藝的變化和發(fā)展,已經(jīng)有很多關(guān)于精制粗苯酐的方法,但是對粗苯酐精餾來精制苯酐是最直接簡單的方法。只有了解工藝中的各個因素,通過合理控制變量才能找到實(shí)驗(yàn)的最佳方案。本文通過以苯酐與苯甲酸混合物做為原料,改變精餾條件對粗苯酐進(jìn)行精制,最終得到苯酐精制的最佳精餾條件,將對工業(yè)生產(chǎn)有一定的參考價值。
鄰苯二甲酸酐(色譜純、分析純)、苯甲酸(分析純)、丙酮(分析純)。
1.1.1 鄰苯二甲酸酐性質(zhì)
鄰苯二甲酸酐(Phthalic Anhydride,縮寫PA),俗稱苯酐,分子式C8H4O3,相對分子質(zhì)量148.2,純苯酐在131℃融化,在284.5℃沸騰(常壓)。
苯酐為無色針狀乃至小片狀的斜方或單斜晶體,工業(yè)品為白色片狀或熔融狀態(tài),有特殊的輕微刺激性臭味。
表1 鄰苯二甲酸酐的物理性質(zhì)
1.1.2 苯甲酸的性質(zhì)
苯甲酸(Benzoic Acid、Carboxybenzene),別稱安息香酸、苯酸,化學(xué)式C6H5COOH,相對分子質(zhì)量122.1214,熔點(diǎn)122.13℃,沸點(diǎn)249℃,水溶性微溶于水,溶于乙醇,乙醚等。
本實(shí)驗(yàn)采用填料塔進(jìn)行一次精餾通過改變填料塔溫度、回流比大小、填料種類分別對含有70%苯酐、30%苯甲酸的混合物進(jìn)行精餾分離出苯甲酸,采用蒸餾裝置進(jìn)行二次精制分離,使苯酐與其他雜質(zhì)分離,最終制取精制產(chǎn)品,利用GB/T15336-2013鄰苯二甲酸酐國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測,得出回收精制苯酐最佳的精餾條件。
安捷倫7890A氣相色譜儀、電子天平、苯酐精餾塔、蒸餾裝置、調(diào)溫型電熱套(北京科偉永興儀器有限公司)、精餾頭、回流比控制器、直型冷凝管、蒸汽發(fā)生器(無錫市斯利斯達(dá)服裝機(jī)械有限公司)。
圖1 精餾塔簡圖
本實(shí)驗(yàn)的塔設(shè)備的搭建由圓底燒瓶、精餾塔與5225精餾頭組成。見圖1,采用電熱套對塔底圓底燒瓶進(jìn)行加熱,用加熱帶纏繞精餾塔、精餾頭進(jìn)行加熱與保溫,同時使用熱蒸汽作為冷卻介質(zhì),使其冷凝以備采出,最終達(dá)到苯酐殘?jiān)频哪康腫6]。
在塔頂冷凝器溫度為120℃、填料高度1 m、全回流時間1.5 h、回流比控制時間為2 h的條件下進(jìn)行探究影響因素對苯酐精餾的影響。
填料塔溫度方面選取220、230、240、250℃,4個溫度參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)條件,通過控制溫度,得到不同溫度下的產(chǎn)物,測得產(chǎn)物中苯酐含量,得到苯酐精餾的最佳溫度條件。
在回流比方面選取5、10、15、20,4個回流比參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)條件,通過控制回流比裝置的回流和采出得到最佳的實(shí)驗(yàn)參數(shù),找到回流比對鄰苯二甲酸酐精制的影響。
在填料方面選取玻璃彈簧、西塔環(huán)、鮑爾環(huán)、規(guī)整金屬絲網(wǎng)4種填料作為精餾填料改變參數(shù),通過改變填料種類找尋最佳的精餾填料。
通過正交方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),尋求能夠達(dá)到苯酐精制最大精餾效果的最佳的實(shí)驗(yàn)條件組合。
經(jīng)全面考慮在影響苯酐精制效果的眾多因素因素中選定填料塔溫度、回流比、填料種類3個因素為本試驗(yàn)的試驗(yàn)因素,分別記作A、B、C,進(jìn)行3因素4水平正交試驗(yàn),因素水平表見表2。
表2 苯酐精制試驗(yàn)的因素水平表
本實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品測定方法,采用GB/T15336-2013鄰苯二甲酸酐國家檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行含量測量。
稱取制備的苯酐產(chǎn)品0.7500 g(精確至0.0001 g)放入10 mL燒杯中,加入適量的丙酮;溶解搖勻,移至25 mL容量瓶中搖勻定容。
氣相色譜儀:安捷倫7890A氣相色譜儀;
檢測器:氫火焰離子化檢測器;
色譜柱:長30 m,內(nèi)徑0.32 mm,膜厚0.25μm,固定相為50%二苯基-50%二甲基聚硅氧烷;
設(shè)定氣相色譜儀的升溫過程:初始柱溫為160℃保持時間0min,經(jīng)過以10℃/min的升溫速度加熱4min到最終溫度200℃保持時間為6min,程序的升溫完成,進(jìn)行樣品檢測。
表3 安捷倫7890A儀器參數(shù)
開啟色譜儀,待一起各項(xiàng)操作條件穩(wěn)定后,用微量進(jìn)樣器吸取制備好的樣品溶液進(jìn)樣,待出峰完畢后,用色譜工作站或積分儀進(jìn)行結(jié)果處理[7]。
鄰苯二甲酸酐純度的計算方法,以ω1計,按式(1)計算
(1)
式中: A1—鄰苯二甲酸的峰面積數(shù)值;
ΣAi—試樣中各組分i的分面積數(shù)值之和。
計算結(jié)果保留到小數(shù)點(diǎn)后兩位。
根據(jù)正交表格進(jìn)行16組精餾實(shí)驗(yàn),在其他條件一定基礎(chǔ)上改變填料塔溫度、回流比、填料種類3個實(shí)驗(yàn)因素及其相對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)水平,分別制取16組實(shí)驗(yàn)苯酐精餾產(chǎn)品,使用氣相色譜儀進(jìn)行測樣,進(jìn)行檢測苯酐含量。記錄數(shù)據(jù),見表4。
表4 苯酐精餾實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與極差分析
表4(續(xù))
極差分析又稱直觀分析,是正交試驗(yàn)設(shè)計結(jié)果分析中直觀、常用的分析方法。極差分析法簡稱R法,包括計算(Kjm、Kjm、Rj)和判斷(因素主次、優(yōu)水平、優(yōu)組合)兩個步驟[8]。
分析填料塔溫度對苯酐含量的影響。試驗(yàn)中設(shè)計220、230、240、250℃,4個溫度水平。由表5可以看出,A1的影響反應(yīng)在第1、2、3、4號實(shí)驗(yàn)中,A2的影響反應(yīng)在第5、6、7、8號實(shí)驗(yàn)中,A3的影響反應(yīng)在9、10、11、12號實(shí)驗(yàn)中,A4的影響反應(yīng)在第13、14、15、16號實(shí)驗(yàn)中,那么填料塔溫度:
第2水平KA2=95.220+94.667+92.842+89.809=372.538
第3水平 KA3=92.576+99.376+96.476+95.753=384.181
第4水平 KA4=99.216+96.827+96.384+96.938=389.365
同理,可以計算并確定B2、C4分別為回流比、填料種類的最優(yōu)水平,3個因素的優(yōu)組合為A4B2C4,即填料塔溫度250℃、回流比10、填料種類規(guī)整金屬絲網(wǎng)填料。
通過正交表格可以看出最優(yōu)組合不包括在已做的16次試驗(yàn)中,按照確定的組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)色譜圖,如圖2。
在最優(yōu)組合:填料塔溫度250℃、回流比10、規(guī)整金屬絲網(wǎng)填料情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),產(chǎn)品經(jīng)氣相色譜儀測得苯酐精餾產(chǎn)品含量為99.555%。
圖2 氣相色譜圖
經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,正交16組實(shí)驗(yàn)中規(guī)整金屬絲網(wǎng)填料精餾純度達(dá)到了99.376%。經(jīng)過計算K值比較,得出實(shí)驗(yàn)3個變量因素中,精餾塔溫度對精餾效果影響較大,其次為填料種類,回流比對苯酐精餾的影響最小。最優(yōu)條件組合為:規(guī)整金屬絲網(wǎng)填料、精餾塔溫度250℃、回流比為10。在此最優(yōu)組合條件下,最終精餾苯酐純度為99.555%。
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(本文文獻(xiàn)格式:楊玉敏,臧紅霞,胡潔,等.從苯酐生產(chǎn)的精餾殘?jiān)谢厥毡紧姆椒ㄑ芯縖J].山東化工,2018,47(7):28-30.)