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        分子篩固定床脫水合成乙酰苯胺

        2021-10-14 01:01:00韓春亮楊玉峰
        精細石油化工 2021年5期

        韓春亮,楊玉峰

        (河南財政金融學(xué)院,環(huán)境經(jīng)濟學(xué)院,河南 鄭州 450046)

        乙酰苯胺是常見的一些解熱藥的有效成分,在OTC藥物中占有重要地位[1-4];同時,它還是一種重要的化工原料和化學(xué)試劑,可用作染料中間體、橡膠硫化促進劑及合成樟腦以及分析純試劑和過氧化氫的穩(wěn)定劑[5-9]。早在20世紀50年代國內(nèi)就實現(xiàn)了乙酰苯胺工業(yè)化生產(chǎn),目前許多生產(chǎn)廠家仍以苯胺和冰醋酸為原料,采用傳統(tǒng)分餾法和帶水劑法脫水生產(chǎn)工藝,前者易把反應(yīng)物冰醋酸蒸出反應(yīng)體系,使反應(yīng)進行程度低;帶水劑法則存在反應(yīng)時間過長、有機溶劑污染產(chǎn)物、安全性能差、能耗高等問題。因此,研究新的高效、綠色、環(huán)保的乙酰苯胺合成工藝有著十分重要的意義。

        筆者依據(jù)冰醋酸法合成乙酰苯胺的原理,采用回流反應(yīng),分子篩固定床脫水?;亓飨?,冰醋酸和?;磻?yīng)生成的水蒸氣經(jīng)冷凝器冷凝,冷凝液經(jīng)過分子篩固定床脫除水,冰醋酸返回反應(yīng)器中,循環(huán)反應(yīng)。分子篩脫水劑的選擇性高、脫水量大、脫水速度快、脫水程度高,大大提高了?;磻?yīng)進行程度;分子篩除水過程僅與冰醋酸和水接觸,與苯胺和產(chǎn)物不接觸,生產(chǎn)過程更加綠色、環(huán)保、且后處理步驟簡單。反應(yīng)式如下:

        1 實 驗

        1.1 主要試劑和儀器

        4A型分子篩,安徽天普克環(huán)保吸附材料有限公司;鋅粉(質(zhì)量分數(shù)大于99%),分析純,淄博昌達精細化工有限公司;苯胺(質(zhì)量分數(shù)99.8%),分析純,武漢星銀河化工有限公司;冰醋酸(質(zhì)量分數(shù)99.5%),分析純,鄭州試劑二廠。

        Agilent 6890 Plus氣相色譜儀,美國安捷倫公司;Thermo Nicolet iS5傅里葉紅外光譜儀,賽默飛世爾科技公司;DNT攪拌恒溫電熱套,山東菏澤石油化工學(xué)校儀器廠。

        1.2 實驗方法

        1.2.1 分子篩固定床與分子篩的再生

        分子篩固定床脫水反應(yīng)裝置見文獻[10]。

        1.2.2 分子篩的再生

        每次產(chǎn)物收集結(jié)束后,關(guān)上分子篩固定床脫水反應(yīng)裝置上的油水分離器的活塞開關(guān);球形冷凝器通入冷凝水,上口通過一導(dǎo)氣管與真空泵相連抽真空;從固定床的熱交換介質(zhì)進口進入150~160 ℃導(dǎo)熱油,經(jīng)固定床的熱交換介質(zhì)出口返回加熱器,加熱循環(huán);分子篩固定床脫出的水蒸氣經(jīng)冷凝成液體流入油水分離器底部,真空下干燥3 h。

        1.2.3 分子篩固定床脫水合成乙酰苯胺

        在裝有磁力攪拌、分子篩固定床脫水、回流反應(yīng)裝置的125 mL三頸瓶中,加入18.6 g(0.2 mol)苯胺、36.0 g(0.6 mol)冰醋酸、0.1 g鋅粉。冷凝器通入冷卻水,啟動攪拌、加熱器,將反應(yīng)液加熱至沸騰,混合蒸汽經(jīng)冷凝器冷凝,冷凝液經(jīng)分子篩固定床脫水后,返回三頸瓶中,繼續(xù)反應(yīng),循環(huán)脫水、反應(yīng)。用氣相色譜儀檢測反應(yīng)液中的苯胺含量,直至符合要求,反應(yīng)結(jié)束。將反應(yīng)液常壓蒸餾,回收未反應(yīng)的冰醋酸;趁熱攪拌下,將反應(yīng)液冰水浴冷卻、結(jié)晶,抽濾得白色固體粗產(chǎn)物,重結(jié)晶,在30~60 ℃下真空干燥即得成品,純度為99.6%(GC)。

        1.3 收率的計算

        氣相色譜(GC)分析條件:HP-5色譜柱,30 m×0.25 mm×0.25 μm;柱溫80 ℃,40 ℃/min上升至280 ℃,保持2 min;氣化室溫度300 ℃,F(xiàn)ID檢測器溫度320 ℃。按照面積歸一法確定各組分的含量。

        產(chǎn)率=(mB/A)×100%

        式中:m為所得產(chǎn)物質(zhì)量;B為GC中乙酰苯胺的質(zhì)量分數(shù);A為以苯胺計算出的乙酰苯胺的理論產(chǎn)量。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 工藝條件的考察

        2.1.1 分子篩用量

        在n(冰醋酸)/n(苯胺)=3.0、鋅粉用量為2.8%、回流反應(yīng)2 h,分子篩用量(與反應(yīng)物質(zhì)量比)對收率的影響結(jié)果見表1。

        表1 分子篩用量對反應(yīng)收率的影響響

        從表1可以看出,分子篩用量為10%時,產(chǎn)物收率僅有70%。這是因為,該反應(yīng)是可逆反應(yīng),反應(yīng)產(chǎn)物之一為水,依據(jù)化學(xué)平衡移動的原理,降低生成物的濃度,化學(xué)平衡向正向移動,脫水劑用量太少,脫水量有限,反應(yīng)正向進行的程度不高,因而產(chǎn)物的收率不高;隨著分子篩用量的增加,脫水量增大,正向反應(yīng)進行程度增高,反應(yīng)收率增大,當(dāng)分子篩用量為30%時,分子篩可將反應(yīng)物完全反應(yīng)生成的水吸附,苯胺幾乎可以完全反應(yīng),收率達到96.4%;若繼續(xù)再增大分子篩用量,收率不再增大,且增加干燥劑再生的工作量,故較佳的分子篩用量為30%。

        2.1.2 鋅粉用量

        苯胺常溫下易被氧化生成醌、偶氮類化合物,這不僅會使產(chǎn)物帶有顏色,而且會降低產(chǎn)物的收率,故用于酰化反應(yīng)時需要預(yù)先蒸餾。實驗發(fā)現(xiàn),久置的苯胺可以直接使用,發(fā)紅的苯胺加入冰醋酸、鋅粉,開始回流后顏色會變淺,對產(chǎn)物乙酰苯胺的質(zhì)量和產(chǎn)率影響很小。

        采用分子篩固定床脫水、分子篩用量為30%、n(冰醋酸)/n(苯胺)為3.0、回流反應(yīng)2 h條件下,考察鋅粉的加入量(與反應(yīng)物質(zhì)量比)對收率的影響,結(jié)果見表2。

        表2 鋅粉的加入量對實驗結(jié)果的影響

        從表2可以看出,不加鋅粉時,產(chǎn)物的顏色為灰色,收率僅有82.6%。這是因為,苯胺氧化嚴重,同時無催化劑,反應(yīng)速率低,在一定的時間內(nèi)反應(yīng)進行程度低。隨著鋅粉用量增加,產(chǎn)物的顏色變淺,產(chǎn)物的收率不斷增加,當(dāng)鋅粉的加入量為2.8%時,產(chǎn)物為無色,收率高達96.4%。這是因為,在回流溫度下,鋅粉與冰醋酸反應(yīng)生成乙酸鋅,乙酸鋅是一種路易斯酸,可與冰醋酸分子中羰基作用,從而活化冰醋酸分子中的羰基,使?;磻?yīng)易于發(fā)生。在苯胺?;磻?yīng)中,鋅粉不僅可防止回流酰化反應(yīng)過程中苯胺被氧化,又可還原被氧化的苯胺。若繼續(xù)增大鋅粉的加入量,產(chǎn)物收率幾乎不再變化,且會有更多的乙酸鋅進入到產(chǎn)物中,給產(chǎn)物的分離提純帶來不便。故較佳的鋅粉加入量為苯胺質(zhì)量的2.8%。

        2.1.3n(冰醋酸)/n(苯胺)

        冰醋酸與苯胺的?;磻?yīng)是可逆反應(yīng),為提高反應(yīng)進行的程度,常采用反應(yīng)物過量的方式。因苯胺有毒,且易氧化變色,分離困難,故常常采用冰醋酸過量的方式。采用分子篩固定床脫水、分子篩用量為30%、鋅粉的用量為2.8%、回流2 h條件下,不同n(冰醋酸)/n(苯胺)對反應(yīng)收率的影響見表3。

        表3 n(冰醋酸)/n(苯胺)對反應(yīng)收率的影響

        從表3可以看出,n(冰醋酸)/n(苯胺)在1~3區(qū)間,隨著摩爾比增大,即冰醋酸過量越多,苯胺反應(yīng)的越徹底,產(chǎn)物收率逐漸升高。綜合考慮后處理及經(jīng)濟性,選用n(冰醋酸)/n(苯胺)=3。

        2.1.4 反應(yīng)時間對實驗結(jié)果的影響

        采用分子篩固定床脫水、分子篩用量為30%、n(冰醋酸)/n(苯胺)為3、鋅粉的用量為2.8%條件下,考察回流時間對反應(yīng)收率的影響,結(jié)果見表4。

        表4 反應(yīng)時間對收率的影響

        從表4可以看出,反應(yīng)收率隨著反應(yīng)時間的延長存在一個先快速、中慢速、頂峰值、后呈下降趨勢的過程。這是因為,反應(yīng)初期反應(yīng)物的濃度很高,反應(yīng)物分子間的碰撞機會多;而隨著反應(yīng)時間的延長,原料濃度逐漸減小,分子間的碰撞機會減少,直到反應(yīng)無法進行;后期,產(chǎn)物乙酰苯胺可能會發(fā)生繼續(xù)?;狈磻?yīng)。較佳的反應(yīng)時間為2.0 h。

        2.1.5 分子篩固定床連續(xù)循環(huán)使用情況

        采用分子篩固定床脫水、分子篩用量為30%、n(冰醋酸)/n(苯胺)為3、鋅粉的用量為2.8%、回流反應(yīng)2 h實驗條件下,進行固定床脫水連續(xù)循環(huán)使用實驗,結(jié)果見表5。

        表5 分子篩固定床連續(xù)循環(huán)使用結(jié)果

        由表5可知,20次實驗結(jié)果較穩(wěn)定,產(chǎn)物的平均收率為96.2%,說明分子篩固定床可多次循環(huán)使用、性能穩(wěn)定。

        2.2 產(chǎn)物的表征

        2.2.1 產(chǎn)物的熔點

        重結(jié)晶得到的產(chǎn)物為白色晶體,熔點為112.9~113.3.7 ℃,與文獻值[11](113~114 ℃)相符。

        2.2.2 紅外光譜分析

        產(chǎn)物的紅外光譜(溴化鉀壓片)如圖1所示。由圖1可見,3 296 cm-1處為N—H的伸縮振動峰,3 100~3 000 cm-1處為苯環(huán)氫的伸縮振動峰;1 664 cm-1處為酰胺C=O伸縮振動峰;1 600~1 469 cm-1處屬于苯環(huán)骨架伸縮振動峰。

        圖 產(chǎn)物的紅外光譜

        3 結(jié) 論

        a.以苯胺、冰醋酸為原料,分子篩固定床脫水,回流反應(yīng)合成乙酰苯胺,較佳實驗條件是:分子篩用量為30%、n(冰醋酸)/n(苯胺)為3、鋅粉的用量為2.8%、回流2 h,分子篩固定床連續(xù)循環(huán)使用20次,產(chǎn)物的收率可達96.0%以上、純度99.6%。該工藝簡單、環(huán)境友好、生產(chǎn)成本低,具有廣闊工業(yè)化應(yīng)用前景。

        b.采用分子篩固定床脫水,有效地抑制了分子篩顆粒粉化現(xiàn)象,再生方便、容易,可長期連續(xù)循環(huán)使用,它滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)工藝的要求,并有其較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

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