王旭東周雪琴童立音劉東志李 巍?
(1.天津大學(xué)化工學(xué)院,天津 300350; 2.天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心,天津 300072)
顏料紅146 是有機(jī)顏料中的一個重要品種,具有較強(qiáng)的藍(lán)光吸收、鮮艷的色光、較強(qiáng)的耐熱性和耐溶劑性,主要通過重氮化反應(yīng)和偶合反應(yīng)2個步驟合成[1]。 在生產(chǎn)過程中,反應(yīng)收率、粒徑以及色光等特性是影響偶氮顏料性能的關(guān)鍵因素[2]。 在工業(yè)生產(chǎn)中,目前使用的是傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器的間歇工藝,存在收率不足95%、粒徑較大、粒徑分布不均等問題,導(dǎo)致顏料的批次性能差異[3]。 微反應(yīng)器與傳統(tǒng)反應(yīng)器相比,具有良好的傳質(zhì)與傳熱效果,可以精確地控制反應(yīng)條件,強(qiáng)化反應(yīng)效率的同時還能夠大幅度提高生產(chǎn)安全性,具有巨大的優(yōu)勢[4]。
在過去的20 年中,微反應(yīng)器技術(shù)逐漸應(yīng)用于有機(jī)顏料以及染料的合成領(lǐng)域[5-10]。 2002 年,de Mello等[11]以芳伯胺為重氮組分,β-萘酚為偶合組分,首次利用微反應(yīng)器在室溫下進(jìn)行了偶氮染料的連續(xù)化合成,展現(xiàn)出微反應(yīng)器在涉及不穩(wěn)定中間體的連續(xù)化合成中的安全性。 2005 年,Pennemann 等[12]利用微反應(yīng)器強(qiáng)化了重氮液與偶合組分的混合過程,制備的顏料黃12 與商品化樣品相比,其光澤度提高了73%,透明度提高了66%。 梁棟等[13,14]設(shè)計了一種縮放螺旋混合器,應(yīng)用于水溶性偶氮染料活性黑KN-B 的連續(xù)化合成,產(chǎn)率達(dá)到95.5%;然而將反應(yīng)器的細(xì)管內(nèi)徑放大至6.5 mm 時,收率下降至56.7%。 2016 年,Akwi 等[15,16]研究了蘇丹Ⅱ偶氮染料在微反應(yīng)器內(nèi)的連續(xù)化合成方法,確定了最適宜偶合反應(yīng)溫度、pH 值及流速;同年又研究了非水溶性的偶合組分的連續(xù)偶合反應(yīng),收率達(dá)到99%以上。 2017 年,楊林濤等[17]利用微通道反應(yīng)器分別實現(xiàn)了溶液、乳化液、懸浮液等不同狀態(tài)芳胺的連續(xù)重氮化反應(yīng)以及連續(xù)偶合反應(yīng),顏料產(chǎn)品的收率達(dá)到98%以上,著色力略高,色光相近。 2018 年,王法軍等[18]利用微反應(yīng)器在60 mL·min-1的物料流量下連續(xù)化合成了幾種水溶性偶氮染料產(chǎn)品,實現(xiàn)了重氮化與偶合反應(yīng)的兩級連續(xù)化合成。
關(guān)于利用微反應(yīng)器進(jìn)行偶氮顏料及染料的連續(xù)化合成的報道近年來不斷涌現(xiàn),但是多以結(jié)構(gòu)簡單的可溶性染料為研究模型,且運(yùn)行規(guī)模基本以小流量(<5 L·h-1)為主。 在課題組之前的研究工作中,設(shè)計了一種管狀微型混合器[19],并成功應(yīng)用于微溶性芳胺的高流量(50 L·h-1)連續(xù)重氮化反應(yīng)[20]。 本研究基于設(shè)計的管狀微型混合器,系統(tǒng)地研究了顏料紅146 的連續(xù)化合成工藝,優(yōu)化重氮化與偶合反應(yīng)的實驗參數(shù)。 與間歇工藝相比,連續(xù)化工藝不僅得到了性能優(yōu)越的顏料產(chǎn)品,而且降低了能耗與材料成本,提高了安全性,為工業(yè)化生產(chǎn)提供了有力依據(jù)。
3-氨基-4-甲氧基苯甲酰苯胺(紅色基KD),工業(yè)純,武漢海山科技有限公司;N-(4-氯-2,5-二甲氧苯基)-3-羥基-2-萘酰胺(色酚AS-LC),工業(yè)純,武漢海山科技有限公司;鹽酸(HCl,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%),分析純, 天津市大茂化學(xué)試劑廠; 亞硝酸鈉(NaNO2),分析純,利安隆博華(天津)醫(yī)藥化學(xué)公司;尿素,分析純,天津市元立化工有限公司;無水乙酸鈉,分析純,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;氫氧化鈉(NaOH),分析純,天津市江天化工技術(shù)有限公司;顏料黃146 標(biāo)樣,蓬萊新光顏料化工有限公司。
HD2015W 型電動攪拌機(jī),上海司樂儀器有限公司;JXM-A 型機(jī)械隔膜計量泵(隔膜材質(zhì)為PTFE),浙江愛力浦科技股份有限公司;PHSJ-6L 型實驗室pH 計,上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵,鄭州長城科工貿(mào)有限公司;CS-10 型精密色差儀,杭州彩譜科技有限公司;BT-9300ST 型激光粒度分布儀,丹東百特儀器有限公司;管狀微型混合器,自制。
1.2.1 實驗裝置
偶氮染料連續(xù)化合成工藝的反應(yīng)裝置以及管狀微型混合器如圖1 與圖2 所示。 2 臺計量泵將反應(yīng)物料泵送至管狀微型混合器進(jìn)行反應(yīng),經(jīng)過螺旋管在出口處得到相應(yīng)產(chǎn)品。
圖1 偶氮染料連續(xù)化合成工藝的反應(yīng)裝置示意圖Fig.1 Experimental device for continuous-flow synthesis of azo pigments
圖2 管狀微型混合器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure of tubular micromixer
該管狀微型混合器包括進(jìn)料口(1-1&1-2,內(nèi)徑為4 mm,2 個進(jìn)料口的端口之間的長度為90 mm)、頂蓋(2)、筒體(3,長度為120 mm,內(nèi)徑為22 mm)、法蘭墊片(4)、擾流棒(5,長度為105 mm,直徑為10 mm)、球型擾流顆粒(6,直徑為20 mm)、出口通道(7,長度為80 mm,出口末端內(nèi)徑為9 mm)以及電極棒(8,在線監(jiān)控管狀微型混合器內(nèi)反應(yīng)體系的溫度或pH 值)。
1.2.2 間歇法
顏料紅146 的合成路線如圖3 所示。
圖3 顏料紅146 的合成線路Fig.3 Synthetic route of Pigment Red 146
重氮化反應(yīng):將20 mL 蒸餾水、1.24 mL HCl 及1.0 g 紅色基KD 依次加入至100 mL 三口瓶中,室溫下打漿1 h。 隨后將其置于冰水浴中,冷卻至5 ℃,迅速加入提前配制好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的NaNO2溶液,反應(yīng)30 min,使用淀粉碘化鉀試紙檢測NaNO2是否過量,加入適量尿素繼續(xù)反應(yīng)30 min 以除去過量的NaNO2。 反應(yīng)結(jié)束后,抽濾,得到黃色澄清的重氮液。
偶合反應(yīng):將40 mL 蒸餾水、0.36 g NaOH 及1.6 g 色酚AS-LC 依次加入至250 mL 三口瓶中,90℃水浴加熱下攪拌1 h。 隨后冷卻至室溫并將其置于冰水浴中,冷卻至5 ℃,使用恒壓滴液漏斗將重氮液緩慢地滴加至偶合組分中,過程中添加適量無水乙酸鈉調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的pH 值,滴加完畢后繼續(xù)攪拌反應(yīng)1 h。 反應(yīng)結(jié)束后,將反應(yīng)混合液于90 ℃下保溫1 h。 抽濾,使用70 ℃蒸餾水洗滌至濾液呈中性,將濾餅于70 ℃下烘干,得到紅色固體,即顏料紅146。
1.2.3 連續(xù)法
重氮化反應(yīng):將138.50 mL HCl 及105.0 g 紅色基KD 依次加入至1.2 L 蒸餾水中,室溫下打漿1 h。 隨后加入冰水調(diào)節(jié)漿料溫度至20 ℃,并補(bǔ)充體積至1.5 L 備用。 將30.5 g NaNO2加入至1.2 L蒸餾水中,隨后加入冰水調(diào)節(jié)溶液溫度至20 ℃,并補(bǔ)充體積至1.5 L 備用。 使用校準(zhǔn)后的計量泵,將紅色基KD 漿料與NaNO2溶液的流量調(diào)節(jié)至50 L·h-1,將2 種反應(yīng)物泵送至連續(xù)化反應(yīng)裝置中。 棄去前100 mL 反應(yīng)混合液,收集隨后的反應(yīng)混合液并繼續(xù)攪拌10 min,加入適量尿素以除去過量的NaNO2,抽濾,得到黃色澄清的重氮液。
偶合反應(yīng):將2 L 蒸餾水、18.0 g NaOH 及157.5 g 色酚AS-LC 依次加入至3 L 燒杯中,90 ℃水浴加熱攪拌1 h,隨后冷卻至20 ℃?zhèn)溆谩?使用校準(zhǔn)后的計量泵,將重氮液與偶合組分的流量調(diào)節(jié)至50 L·h-1,將2 種反應(yīng)物泵送至連續(xù)化反應(yīng)裝置中。棄去前100 mL 反應(yīng)混合液,收集隨后的反應(yīng)混合液并繼續(xù)攪拌30 min,反應(yīng)結(jié)束后,將反應(yīng)混合液于90 ℃下保溫1 h。 抽濾,使用70 ℃蒸餾水洗滌至濾液呈中性,將濾餅于70 ℃下烘干,得到紅色固體,即顏料紅146。
偶合反應(yīng)的收率[1]通過滲圈實驗進(jìn)行測定。將反應(yīng)混合液滴到濾紙上,通過H 酸檢測滲環(huán),若滲環(huán)變?yōu)樽仙?則表明存在重氮鹽,然后將偶合組分加入至反應(yīng)混合液中,再次檢測直至滲環(huán)的紫色在5 s 內(nèi)消失。 偶合反應(yīng)的收率:
式(1)中:m1為初始添加的偶合組分的質(zhì)量;m2為反應(yīng)后添加的偶合組分的質(zhì)量。
重氮化反應(yīng)收率的計算:將重氮液繼續(xù)與偶合組分進(jìn)行反應(yīng),稱量最后得到的顏料紅146 的質(zhì)量來計算反應(yīng)的總收率。 反應(yīng)的總收率:
式(2)中:n1為紅色基KD 的物質(zhì)的量,n2為顏料紅146 的物質(zhì)的量。 重氮化反應(yīng)的收率:
色光:基于CIE-L?a?b?,通過精密色差儀測量顏料的L?、a?、b?值。 其中L?為亮度,表示從黑到白;a?、b?為色度,a?表示從綠(-a)到紅(+a),b?表示從藍(lán)(-b)到黃(+b)。
粒徑:通過激光粒度分布儀測量顏料的粒徑D10、D50、D90 以及D[4,3]。 其中D10、D50、D90分別表示累積分布達(dá)到10%、50%、90%時的粒徑,即小于此粒徑的體積含量占全部樣品的10%、50%、90%;D[4,3]表示樣品的體積平均粒徑。
2.1.1 反應(yīng)溫度對重氮化反應(yīng)收率的影響
重氮鹽不穩(wěn)定,且隨著溫度的升高穩(wěn)定性大幅下降,更容易發(fā)生分解反應(yīng)。 重氮化反應(yīng)以及偶合反應(yīng)放熱大,間歇生產(chǎn)時需要在低溫條件下進(jìn)行,這將引起大量的能耗。 而室溫通常為20~25 ℃,若重氮化以及偶合反應(yīng)能夠在室溫下進(jìn)行反應(yīng),并且保持較高的收率,將大大減少能耗,所以我們試圖提高反應(yīng)溫度至室溫。 在紅色基KD 的質(zhì)量濃度為70 g·L-1、n(HCl)∶n(紅色基KD)= 3.0 ∶1.0、流量為50 L·h-1的條件下,進(jìn)行重氮化反應(yīng)的連續(xù)化工藝,考察反應(yīng)溫度對重氮化反應(yīng)收率的影響,結(jié)果如圖4 所示。
圖4 反應(yīng)溫度對重氮化反應(yīng)收率的影響Fig.4 Effect of temperature on the yield of diazotization
在相同的反應(yīng)溫度下,連續(xù)化工藝的重氮化反應(yīng)收率明顯高于間歇法;隨著反應(yīng)溫度的不斷升高,2 種工藝的重氮化反應(yīng)收率均呈現(xiàn)出下降趨勢。間歇法的重氮化反應(yīng)收率隨著溫度的升高下降幅度很大,由95.4%降至79.3%。 對于連續(xù)化工藝,當(dāng)反應(yīng)溫度在從5 ℃升高至20 ℃時,收率均在98%以上;當(dāng)溫度升高至25 ℃時,收率略有下降,但仍然為97.6%。 這是因為重氮鹽具有熱不穩(wěn)定性,間歇法容易造成局部過熱現(xiàn)象,導(dǎo)致重氮鹽的分解等副反應(yīng)的發(fā)生。 連續(xù)化反應(yīng)裝置具有更大的比表面積,有利于散熱。 經(jīng)測量,連續(xù)化工藝中物料進(jìn)口、混合器內(nèi)以及物料出口的溫度基本一致,表明在連續(xù)化反應(yīng)過程中沒有熱量累積,從而抑制了重氮鹽的分解,避免了收率的大幅度下降。 所以,最終選擇在反應(yīng)溫度為20 ℃的情況下進(jìn)行重氮化反應(yīng)的連續(xù)化工藝。
2.1.2 鹽酸的用量對重氮化反應(yīng)收率的影響
在紅色基KD 的質(zhì)量濃度為70 g·L-1、反應(yīng)溫度為20 ℃、流量為50 L·h-1的條件下,進(jìn)行重氮化反應(yīng)的連續(xù)化工藝,考察鹽酸的用量對重氮化反應(yīng)收率的影響,結(jié)果如圖5 所示。
圖5 鹽酸的用量對重氮化反應(yīng)收率的影響Fig.5 Effect of molar ratio of HCl to Red base KD on the yield of diazotization
對比來看,連續(xù)化工藝的重氮化反應(yīng)收率明顯高于間歇法,當(dāng)鹽酸的用量增加時,重氮化反應(yīng)的收率均呈現(xiàn)出上升趨勢并趨于平穩(wěn)。 對于間歇法,當(dāng)n(HCl)∶n(紅色基KD)= 3.0 ∶1.0 時,收率出現(xiàn)拐點(diǎn),平穩(wěn)保持在95%以上;對于連續(xù)化工藝,當(dāng)n(HCl)∶n(紅色基KD)= 2.5 ∶1.0 時,收率出現(xiàn)拐點(diǎn),平穩(wěn)保持在98%以上。 在間歇法中,往往需要過量的鹽酸來維持反應(yīng)體系的強(qiáng)酸性,避免重氮鹽的分解以及副反應(yīng)的發(fā)生。 在連續(xù)化工藝中,由于反應(yīng)裝置具有較高的傳質(zhì)效率,而且重氮組分漿料與NaNO2溶液的混合是連續(xù)不斷進(jìn)行的,反應(yīng)體系能夠快速達(dá)到平衡且不隨時間的變化而變化,提高了原子的有效利用率,無需過量的鹽酸來維持反應(yīng)體系的強(qiáng)酸性。 因此,與間歇法相比,連續(xù)化工藝可以大大減少鹽酸的用量,最終選擇在n(HCl)∶n(紅色基KD)= 2.5 ∶1.0 的情況下進(jìn)行重氮化反應(yīng)的連續(xù)化工藝。
2.1.3 物料流量對重氮化反應(yīng)收率的影響
在紅色基KD 的質(zhì)量濃度為70 g·L-1、反應(yīng)溫度為20 ℃、n(HCl)∶n(紅色基KD)= 2.5 ∶1.0 的條件下,進(jìn)行重氮化反應(yīng)的連續(xù)化工藝,考察物料流量對重氮化反應(yīng)收率的影響,結(jié)果如圖6 所示。
圖6 物料流量對重氮化反應(yīng)收率的影響Fig.6 Effect of reactant flux on the yield of diazotization
當(dāng)物料流量從20 L·h-1增加至50 L·h-1時,重氮化反應(yīng)收率逐漸增大,在50 L·h-1時達(dá)到最大值98.6%;當(dāng)流量繼續(xù)增大時,收率有所下降。 這是因為隨著反應(yīng)物流量的增加,混合器內(nèi)的微觀混合效果得到強(qiáng)化,同時螺旋管內(nèi)的“二次流”現(xiàn)象更加強(qiáng)烈,增加了流體的接觸面積,反應(yīng)更加充分,導(dǎo)致收率升高;當(dāng)流量過高時,反應(yīng)物在混合器內(nèi)的停留時間縮短,導(dǎo)致反應(yīng)不完全,進(jìn)而使得收率有所下降。 所以,最終選擇在流量為50 L·h-1的條件下進(jìn)行重氮化反應(yīng)的連續(xù)化工藝。
2.2.1 反應(yīng)溫度對偶合反應(yīng)收率的影響
經(jīng)測量,反應(yīng)體系溫度與偶合組分進(jìn)料溫度基本一致。 在反應(yīng)體系pH 值為5.0、流量為50 L·h-1的條件下進(jìn)行偶合反應(yīng)的連續(xù)化工藝,考察反應(yīng)溫度對偶合反應(yīng)收率的影響,結(jié)果如圖7 所示。
圖7 反應(yīng)溫度對偶合反應(yīng)收率的影響Fig.7 Effect of temperature on the yield of azo-coupling reaction
由圖7 可以看出,連續(xù)化工藝的偶合反應(yīng)收率明顯高于間歇法,隨著反應(yīng)溫度的不斷升高,收率均呈現(xiàn)出下降趨勢。 這是因為偶合反應(yīng)為放熱反應(yīng),間歇法容易造成局部過熱現(xiàn)象,加快重氮鹽的分解,進(jìn)而導(dǎo)致收率的下降。 經(jīng)測量,連續(xù)化工藝中偶合組分、混合器內(nèi)以及物料出口的溫度基本一致,表明在連續(xù)化反應(yīng)過程中沒有大量熱量的累積,從而抑制了重氮鹽的分解,避免了偶合反應(yīng)收率的大幅下降。 所以,最終選擇在反應(yīng)溫度為20 ℃的條件下進(jìn)行偶合反應(yīng)的連續(xù)化工藝。
2.2.2 反應(yīng)體系pH 值對偶合反應(yīng)收率的影響
在反應(yīng)溫度為20 ℃、流量為50 L·h-1的條件下進(jìn)行偶合反應(yīng)的連續(xù)化工藝,考察反應(yīng)體系pH 值對偶合反應(yīng)收率的影響,結(jié)果如圖8 所示。
圖8 反應(yīng)體系pH 值對偶合反應(yīng)收率的影響Fig.8 Effect of pH on the yield of azo-coupling reaction
隨著反應(yīng)體系pH 值的逐漸增大,連續(xù)化工藝的偶合反應(yīng)收率先升高后降低,在反應(yīng)體系pH=5.0 時達(dá)到峰值98.4%。 當(dāng)反應(yīng)體系pH>5.0 時,收率大幅下降至92.7%,這是因為重氮鹽極易分解,必須在強(qiáng)酸性條件下才能保持穩(wěn)定,當(dāng)酸性減弱時,重氮鹽的分解速度加快,副反應(yīng)增加,進(jìn)而導(dǎo)致收率大幅下降。
2.2.3 物料流量對偶合反應(yīng)收率的影響
在反應(yīng)溫度為20 ℃、反應(yīng)體系pH 值為5.0 的條件下進(jìn)行偶合反應(yīng)的連續(xù)化工藝,考察物料流量對偶合反應(yīng)收率的影響,結(jié)果如圖9 所示。
圖9 物料流量對重氮化反應(yīng)收率的影響Fig.9 Effect of reactant flux on the yield of azo-coupling reaction
由圖9 可以看出,當(dāng)物料流量從20 L·h-1增加至50 L·h-1時,偶合化反應(yīng)收率逐漸升高,在50 L·h-1時達(dá)到最大值98.4%;當(dāng)流量繼續(xù)增大時,收率有所下降。 這是因為隨著物料流量的增加,反應(yīng)物在混合器內(nèi)的微觀混合效果得到充分強(qiáng)化,增強(qiáng)了螺旋管內(nèi)的“二次流”,加劇反應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致收率升高;當(dāng)流量過高時,反應(yīng)物在混合器內(nèi)的停留時間縮短,使得反應(yīng)物未完全反應(yīng)便排出反應(yīng)裝置,導(dǎo)致收率有所下降。 所以,最終選擇在流量為50 L·h-1的條件下進(jìn)行偶合反應(yīng)的連續(xù)化工藝。
在反應(yīng)溫度為20 ℃、pH=5.0、流量為50 L·h-1的條件下進(jìn)行偶合反應(yīng)的連續(xù)化工藝,重復(fù)3 次實驗,得到的3 組連續(xù)法樣品,分別測量間歇法、連續(xù)法樣品以及標(biāo)樣的粒徑以及色光,并進(jìn)行比較,結(jié)果如表1 與表2 所示。
表1 不同顏料產(chǎn)品的粒徑對比Table 1 The particle size of different pigment products
表2 不同顏料樣品的色光對比Table 2 The color properties of different pigment products
由表1 可以看出,連續(xù)法樣品的平均粒徑在10~11 μm 左右,明顯小于間歇法。 這是因為一方面連續(xù)化工藝在反應(yīng)過程中連續(xù)進(jìn)料、連續(xù)出料,使得先生成的顏料顆粒不會與后生成的顏料發(fā)生團(tuán)聚,同時由于混合強(qiáng)化效果,大大降低了生成的顏料顆粒沉積在偶合組分顆粒表面的概率,避免了由于物料包裹所引起的粒徑增長。 另一方面連續(xù)化反應(yīng)裝置能夠及時排出由于偶合反應(yīng)累積的熱量,大大避免了由于局部過熱導(dǎo)致的顏料顆粒的生長。
由表2 可以看出,與間歇法樣品相比,連續(xù)法樣品的色光與標(biāo)樣更為接近,這是因為連續(xù)化工藝的反應(yīng)裝置具有較高的傳質(zhì)與傳熱系數(shù),減少了副產(chǎn)物的生成,反應(yīng)收率較高,得到的顏料產(chǎn)品均一、純度高。
基于以管狀微型混合器為核心的反應(yīng)裝置,實現(xiàn)了顏料紅146 的連續(xù)化合成。 在紅色基KD 的質(zhì)量濃度為70 g·L-1、n(HCl)∶n(紅色基KD)= 2.5 ∶1.0、反應(yīng)溫度為20 ℃、流量為50 L·h-1的條件下,進(jìn)行重氮化反應(yīng)的連續(xù)化工藝,收率達(dá)到98.6%。在反應(yīng)溫度為20 ℃、pH=5.0、流量為50 L·h-1的條件下進(jìn)行偶合反應(yīng)的連續(xù)化工藝, 收率達(dá)到98.4%,色光與標(biāo)樣最為接近,粒徑明顯小于間歇法。 與間歇法相比,連續(xù)化工藝將反應(yīng)溫度從5 ℃提高至20 ℃,提高反應(yīng)收率的同時降低了能耗。此外,重氮化反應(yīng)的連續(xù)化工藝降低了鹽酸的用量,降低了材料成本。 管狀微型混合器的橫截通量大,可以將物料流量提高至50 L·h-1,經(jīng)計算單套設(shè)備的顏料年產(chǎn)量可達(dá)87.6 t,并且在反應(yīng)過程中不會出現(xiàn)物料沉積、管道堵塞等現(xiàn)象。 因此,連續(xù)化工藝不僅在高通量下得到了性能優(yōu)越的顏料產(chǎn)品,而且降低了能耗與材料成本,具有一定的產(chǎn)業(yè)化前景。