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精细化学品小试技术 教材稿

精细化学品小试技术 教材稿


目录
项目一、小试岗位岗前培训 ........................................................................................................... 1 1.1 认识小试岗位.................................................................................................................... 1 1.1.1 小试的主要任务 ...................................................................................................... 1 1.1.2 小试研究的具体内容 .............................................................................................. 2 1.2 混合物分离和提纯方法 .................................................................................................... 2 1.2.1 普通蒸馏.................................................................................................................. 2 1.2.2 分馏......................................................................................................................... 5 1.2.3 减压蒸馏................................................................................................................. 7 1.2.4 水蒸气蒸馏 ........................................................................................................... 9 1.2.5 重结晶................................................................................................................... 11 1.2.6 萃取........................................................................................................................ 14 1.2.7 升华........................................................................................................................ 16 1.3 认识正交实验法.............................................................................................................. 17 1.3.1 正交试验设计中的基本概念 ............................................................................... 17 1.3.2 正交表的构造及选用原则 .................................................................................... 18 1.3.3 正交试验法数据处理 ............................................................................................ 24 1.4 化学品小试开发流程 ...................................................................................................... 36 1.4.1 化学品开发的基本原则 ........................................................................................ 36 1.4.2 化学品开发的一般程序 ........................................................................................ 37 1.4.3 选题和立项 ............................................................................................................ 38 1.4.4 成果保护——知识产权 ....................................................................................... 40 项目二、表面活性剂十二烷基苯磺酸钠的制备(磺化) ......................................................... 44 2.1 认识十二烷基苯磺酸钠 ................................................................................................ 45 2.1.1 产品性能............................................................................................................... 45 2.1.2 主要用途............................................................................................................... 45 2.1.3 合成原理及工艺 .................................................................................................... 45 2.1.4 产品指标及分析检测方法 .................................................................................... 47 2.1.5 撰写产品调研报告 ................................................................................................ 49 2.2 任务驱动下理论知识 ...................................................................................................... 49 2.2.1 磺化剂.................................................................................................................... 50 2.2.2 磺化反应原理 ........................................................................................................ 52 2.2.3 磺化反应的影响因素 ............................................................................................ 53 2.3 十二烷基苯磺酸钠的制备方案确定 .............................................................................. 57 2.3.1 原料选择................................................................................................................ 57 2.3.2 小试设备选择 ........................................................................................................ 57 2.3.3 工艺条件选择 ........................................................................................................ 57 2.3.4 分离方法选择 ........................................................................................................ 57 2.3.5 质量分析................................................................................................................ 58 2.4 产品制备及效果评价 ...................................................................................................... 58 2.4.1 操作步骤流程图 .................................................................................................... 58 2.4.2 具体操作步骤 ........................................................................................................ 58

2.4.3 操作要点................................................................................................................ 59 2.4.4 产品评价................................................................................................................ 59 2.5 撰写产品合成报告 .......................................................................................................... 61 自主项目: 对甲苯磺酸钠的制备.......................................................................................... 61 知识点考核............................................................................................................................. 61 项目三、医药和染料中间体硝基苯的制备(硝化) ................................................................. 63 3.1 认识硝基苯.................................................................................................................... 63 3.1.1 产品性能................................................................................................................ 63 3.1.2 主要用途................................................................................................................ 64 3.1.3 合成原理及工艺 .................................................................................................... 64 3.1.5 撰写产品调研报告 ................................................................................................ 69 3.2 任务驱动下理论知识 ...................................................................................................... 69 3.2.1 硝化反应的特点及方法 ........................................................................................ 69 3.2.2 硝化剂................................................................................................................... 70 3.2.3 硝化反应原理 ....................................................................................................... 71 3.2.4 硝化反应的影响因素 ........................................................................................... 73 3.2.5 硝化产物的分离 ................................................................................................... 78 3.3 硝基苯的制备方案确定 .................................................................................................. 79 3.3.1 原料选择................................................................................................................ 79 3.3.2 小试设备选择 ........................................................................................................ 79 3.3.3 工艺条件选择 ........................................................................................................ 79 3.3.4 分离方法选择 ........................................................................................................ 80 3.3.5 质量分析................................................................................................................ 80 3.4 产品制备及效果评价 ....................................................................................................... 81 3.4.1 操作步骤流程图 .................................................................................................... 81 3.4.2 具体操作步骤 ........................................................................................................ 81 3.4.3 操作要点................................................................................................................ 82 3.4.4 合成效果评价 ........................................................................................................ 82 3.5 撰写产品合成报告 .......................................................................................................... 83 自主项目: 间二硝基苯的制备............................................................................................ 83 知识点考核............................................................................................................................. 83 项目四、医药和染料中间体乙酰苯胺的制备(N-酰化) ......................................................... 85 4.1 认识医药和染料中间体乙酰苯胺 ................................................................................... 86 4.1.1 产品性能................................................................................................................ 86 4.1.2 主要用途................................................................................................................ 86 4.1.3 合成原理及工艺 .................................................................................................... 86 4.1.4 产品指标及分析检查方法 .................................................................................... 88 4.1.5 撰写乙酰苯胺调研报告 ....................................................................................... 91 4.2 任务驱动下理论知识 ....................................................................................................... 91 4.2.1 N-酰化反应机理及其影响因素............................................................................ 92 4.2.2 N-酰化方法 ........................................................................................................... 93 4.2.3 酰基的水解 ........................................................................................................... 98 4.2.4 N-酰化终点的控制................................................................................................ 98 4.3 乙酰苯胺的制备方案确定 .............................................................................................. 99

4.3.1 原料选择............................................................................................................... 99 4.3.2 合成反应装置选择 ................................................................................................ 99 4.3.3 操作条件的控制 ................................................................................................. 100 4.3.4 产物的分离精制 ................................................................................................. 100 4.3.5 质量分析............................................................................................................. 101 4.4 产品制备及效果评价 .................................................................................................... 101 4.4.1 操作步骤流程图 .................................................................................................. 101 4.4.2 具体操作步骤 ..................................................................................................... 101 4.4.3 操作要点............................................................................................................. 102 4.4.4 合成效果评价 ..................................................................................................... 102 4.5 撰写产品合成报告 ........................................................................................................ 103 自主项目:色酚 AS 制备.................................................................................................... 103 知识点考核........................................................................................................................... 104 项目五、医药阿司匹林的制备(O-酰化)............................................................................... 105 5.1.1 产品性能.............................................................................................................. 105 5.1.2 主要用途.............................................................................................................. 106 5.1.3 合成原理及工艺 .................................................................................................. 106 5.1.4 产品指标及分析检测方法 .................................................................................. 109 5.1.5 撰写产品调研报告 .............................................................................................. 112 5.2 任务驱动下理论知识 .................................................................................................... 113 5.2.1 羧酸法.................................................................................................................. 113 5.2.2 羧酸酐法.............................................................................................................. 115 5.2.3 酰氯法.................................................................................................................. 118 5.2.4 酯交换法.............................................................................................................. 118 5.3 阿司匹林的制备方案确定 ............................................................................................ 120 5.3.1 原料选择.............................................................................................................. 120 5.3.2 小试设备选择 ...................................................................................................... 120 5.3.3 工艺条件选择 ...................................................................................................... 121 5.3.4 分离方法选择 ...................................................................................................... 121 5.3.5 质量分析.............................................................................................................. 121 5.4 产品制备及效果评价 ..................................................................................................... 122 5.4.1 操作步骤流程图 .................................................................................................. 122 5.4.2 具体操作步骤 ...................................................................................................... 122 5.4.3 操作要点.............................................................................................................. 122 5.4.4 合成效果评价 ...................................................................................................... 123 5.5 撰写产品合成报告 ........................................................................................................ 124 自主项目: 邻苯二甲酸二丁酯的制备 ............................................................................. 124 知识点考核........................................................................................................................... 124 项目六、防腐剂苯甲酸的制备(氧化) ................................................................................... 125 6.1 认识产品苯甲酸 .......................................................................................................... 125 6.1.1 产品性能............................................................................................................. 125 6.1.2 主要用途.............................................................................................................. 126 6.1.3 合成原理及工艺 .................................................................................................. 126 6.1.4 产品指标及分析检测方法 .................................................................................. 130

6.1.5 撰写产品调研报告 .............................................................................................. 136 6.2 任务驱动下理论知识 .................................................................................................... 137 6.2.1 空气液相氧化 ...................................................................................................... 137 6.2.2 空气气-固相接触催化氧化 ................................................................................ 139 6.2.3 化学氧化剂及其类型 .......................................................................................... 140 6.2.4 电解氧化法 .......................................................................................................... 142 6.3 苯甲酸的制备方案确定 ................................................................................................ 143 6.3.1 原料选择.............................................................................................................. 143 6.3.2 小试设备选择 ...................................................................................................... 144 6.3.3 工艺条件选择 ...................................................................................................... 144 6.3.4 分离方法选择 ...................................................................................................... 144 6.3.5 质量分析.............................................................................................................. 144 6.4 产品制备及效果评价 .................................................................................................... 145 6.4.1 操作步骤流程图 .................................................................................................. 145 6.4.2 具体操作步骤 ...................................................................................................... 145 6.4.3 操作要点.............................................................................................................. 145 6.4.4 产品合成效果评价 .............................................................................................. 146 6.5 撰写产品合成报告 ........................................................................................................ 146 自主项目: 对氯苯甲酸的制备.......................................................................................... 147 知识点考核........................................................................................................................... 147 项目七、化工中间体正溴丁烷的制备(卤化) ....................................................................... 148 7.1 认识产品正溴丁烷 ...................................................................................................... 148 7.1.1 产品性能.............................................................................................................. 148 7.1.2 主要用途.............................................................................................................. 149 7.1.3 合成原理及工艺 .................................................................................................. 149 7.1.4 产品指标及分析检测方法 .................................................................................. 150 7.1.5 撰写产品调研报告 .............................................................................................. 154 7.2 任务驱动下理论知识 .................................................................................................... 154 7.2.1 取代卤化.............................................................................................................. 155 7.2.2 加成卤化.............................................................................................................. 158 7.2.3 置换卤化.............................................................................................................. 161 7.3 正溴丁烷的制备方案确定 ............................................................................................ 164 7.3.1 原料选择.............................................................................................................. 164 7.3.2 催化剂选择 .......................................................................................................... 164 7.3.3 小试设备选择 ...................................................................................................... 165 7.3.4 工艺条件选择 ...................................................................................................... 165 7.3.5 质量分析.............................................................................................................. 165 7.4 产品制备及效果评价 .................................................................................................... 166 7.4.1 操作步骤流程图 .................................................................................................. 166 7.4.2 具体操作步骤 ...................................................................................................... 166 7.4.4 产品合成效果评价 .............................................................................................. 167 7.5 撰写产品合成报告 ........................................................................................................ 168 自主项目: 2,6-二氯-4-硝基苯胺的制备 ........................................................................ 168 知识点考核........................................................................................................................... 168

项目八、107 胶水的制备(缩合) ............................................................................................ 170 8.1 认识 107 胶水.............................................................................................................. 171 8.1.1 产品性能.............................................................................................................. 171 8.1.2 主要用途.............................................................................................................. 171 8.1.3 合成原理及工艺 .................................................................................................. 172 8.1.4 产品指标及分析检测方法 .................................................................................. 172 8.1.5 撰写产品调研报告 .............................................................................................. 173 8.2 任务驱动下理论知识 .................................................................................................... 173 8.2.1 醛酮与醇的缩合反应 .......................................................................................... 174 8.2.2 聚乙烯醇与甲醛的缩合反应 .............................................................................. 175 8.3 107 胶水的制备方案确定 .............................................................................................. 175 8.3.1 原料选择.............................................................................................................. 175 8.3.2 催化剂选择 .......................................................................................................... 181 8.3.3 小试设备选择 ...................................................................................................... 181 8.3.4 工艺条件选择 ...................................................................................................... 182 8.3.5 质量分析.............................................................................................................. 182 8.4 产品制备及效果评价 .................................................................................................... 184 8.4.1 操作步骤流程图 .................................................................................................. 184 8.4.2 具体操作步骤 ...................................................................................................... 184 8.4.3 操作要点.............................................................................................................. 184 8.4.4 合成效果评价 ...................................................................................................... 185 8.5 撰写产品合成报告 ........................................................................................................ 186 自主项目: 肉桂酸的制备 ................................................................................................. 186 知识点考核........................................................................................................................... 186 项目九、指示剂甲基橙的制备(重氮化、偶合) ................................................................... 187 9.1 认识产品甲基橙 .......................................................................................................... 187 9.1.1 产品性能.............................................................................................................. 187 9.1.2 主要用途.............................................................................................................. 188 9.1.3 合成原理及工艺 .................................................................................................. 188 9.1.4 产品指标及分析检测方法 .................................................................................. 189 9.1.5 撰写产品调研报告 .............................................................................................. 193 9.2 任务驱动下理论知识 .................................................................................................... 193 9.2.1 重氮化反应 .......................................................................................................... 193 9.2.2 重氮盐的偶合反应 .............................................................................................. 196 9.2.3 重氮盐的置换 ..................................................................................................... 198 9.2.4 重氮盐的还原 ...................................................................................................... 201 9.3 甲基橙的制备方案确定 ................................................................................................ 201 9.3.1 原料选择.............................................................................................................. 201 9.3.2 工艺条件选择 ...................................................................................................... 202 9.3.3 分离方法选择 ...................................................................................................... 202 9.3.4 质量分析.............................................................................................................. 202 9.4 产品制备及效果评价 .................................................................................................... 203 9.4.1 操作步骤流程图 .................................................................................................. 203 9.4.2 具体操作步骤 ...................................................................................................... 203

9.4.3 操作要点.............................................................................................................. 203 9.4.4 合成效果评价 ...................................................................................................... 204 9.5 撰写产品合成报告 ........................................................................................................ 205 自主项目: 分散深蓝 S-3BG 的制备 ................................................................................ 205 知识点考核........................................................................................................................... 205 项目十、皮革涂饰剂——水性丙烯酸乳液的制备(聚合) ................................................... 206 10.1 认识产品丙烯酸乳液 ................................................................................................... 207 10.1.1 丙烯酸树脂涂料简介 ........................................................................................ 207 10.1.2 产品性能............................................................................................................ 208 10.1.3 主要用途............................................................................................................ 208 10.1.4 合成工艺............................................................................................................ 208 10.2 任务驱动下的理论知识 ............................................................................................... 214 10.2.1 丙烯酸树脂的基本化学反应——自由基聚合 ................................................ 214 10.2.3 聚合速率............................................................................................................ 223 10.2.4 自由基聚合反应的特征 .................................................................................... 224 10.2.5 水性丙烯酸树脂聚合方法—乳液聚合 ............................................................ 225 10.3 丙烯酸水性涂料制备方案 ........................................................................................... 238 10.3.1 反应体系的确定 ................................................................................................ 238 10.3.2 制备装置选择 .................................................................................................... 241 10.3.3 工艺条件选择 .................................................................................................... 241 10.3.4 产品的质量分析——聚丙烯酸醋乳液性能测试 ............................................ 242 10.4 产品制备及效果评价 .................................................................................................. 244 10.4.1 操作步骤流程图 ................................................................................................ 244 10.4.2 操作步骤............................................................................................................ 244 10.4.3 操作要点............................................................................................................ 245 10.4.4 合成效果评价 .................................................................................................... 245 10.5 产品合成报告.............................................................................................................. 246 自主项目: 聚氨酯木器漆制备.......................................................................................... 246 知识点考核........................................................................................................................... 246 项目十一、香兰素的制备与合成条件改进(甲氧基化、还原、重氮化、羟基化、C-甲酰化) ...................................................................................................................................................... 247 11.1 认识香料香兰素 .......................................................................................................... 248 11.1.1 产品性能 ............................................................................................................ 248 11.1.2 主要用途 ............................................................................................................ 249 11.1.3 合成原理及现有工艺 ........................................................................................ 249 11.1.4 产品指标及分析检测方法 ................................................................................ 256 11.2 任务驱动下的理论知识 ............................................................................................... 264 11.2.1 愈创木酚合成过程 ............................................................................................ 264 11.2.2 香兰素合成(Reimer-Tiemann 反应) ............................................................ 266 11.3 确定原有工艺改进方案 ............................................................................................... 268 11.3.1 原有工艺过程中各步骤反应的影响因素 ........................................................ 268 11.3.2 设计工艺改进方案(正交试验设计) ............................................................ 273 11.4 摸索小试优化条件 ....................................................................................................... 276 11.4.1 香兰素合成各步反应操作要点 ........................................................................ 276

11.4.2 香兰素合成香兰素合成最优条件的确定 ........................................................ 278 11.5 邻硝基氯苯为起始原料制备香兰素的实施方案 ...................................................... 279 11.5.1 邻甲氧基苯胺的合成 ........................................................................................ 279 11.5.2 目标产物香兰素的合成 .................................................................................... 282 11.6 评价优化新工艺 ........................................................................................................... 286 11.6.1 评价过程 ............................................................................................................ 286 11.6.2 评价合成工艺主要考虑的方面 ........................................................................ 286 11.7 撰写项目总结报告 ....................................................................................................... 287 自主项目:磺胺类药物 SMZ 合成..................................................................................... 287 项目十二、染整助剂—N-N 三乙醚二胺的研发 ....................................................................... 288 12.1 撰写立项书.................................................................................................................. 288 12.1.1 项目课题选择 .................................................................................................... 288 12.1.2 文献检索与研究 ................................................................................................ 288 12.1.3 撰写立项书 ........................................................................................................ 293 12.2 拟定小试方案............................................................................................................ 293 12.2.1 反应原理............................................................................................................ 293 12.2.2 原料及工艺路线选择 ........................................................................................ 294 12.2.3 分析测试方法 .................................................................................................... 295 12.3 实验室打通合成路线 ................................................................................................ 299 12.3.1 主要仪器及试剂 ................................................................................................ 299 12.3.2 实验方案实施 .................................................................................................... 300 12.4 改进合成路线............................................................................................................ 300 12.4.1 构造因素水平表 ................................................................................................ 300 12.4.2 选用正交表安排实验 ........................................................................................ 301 12.4.3 实验验证............................................................................................................ 301 12.5 确定最终工艺............................................................................................................ 301 12.6 撰写项目总结报告 .................................................................................................... 302 附录 .............................................................................................................................................. 302 附录一 产品调研报告样例 ................................................................................................. 303 附录二 产品合成报告样例 ................................................................................................. 304 附录三 项目立项书样例 ..................................................................................................... 306 附录四 项目总结报告样例 ................................................................................................. 310 附录五 多因素试验常用正交表 ......................................................................................... 314 参考文献…………………………………………………………………………………………318

学习情境一、典型精细化学品的实验室制备 项目一、小试岗位岗前培训
学习目标及要求 ? 知识目标: 1、了解小试岗位的基本要求 2、掌握小试研究的具体内容 3、掌握化学品开发的基本程序 4、掌握正交试验设计的基本内容 5、掌握混合物分离提纯的方法 ? 能力目标: 1、能够适应小试岗位要求 2、能够按照产品合成要求、按照一定的程序进行工艺改进和开发 3、能够根据实际要求选用正交试验表,利用正交试验表设计需要试验的因素和位 级,并能在实际工作中灵活运用 4、能够对合成过程中间产物、粗产品进行分离和提纯的基本操作

1.1 认识小试岗位
小试是对精细化工产品生产的小型模拟试验, 这是进行精细化工产品开发不可缺少的基 本步骤。小试一般在实验室中进行,采用小量的原材料和小型的仪器设备,通过研究提出工 业化生产的基本原理和规律,并加快研究的速度,降低研究的费用。 1.1.1 小试的主要任务 (1)对设计方案进行可行性研究,对原材料可配方进行筛选;确定工艺流程和操作条 件;考察影响产品制备的因素;得出产品精细纯化的方案;完成物料衡算及热量衡算;并尽 可能认识产品制备的机理。 (2)建立产品的质量检测方法及工艺过程监测方法,并测定和收集研究过程中的各种 物理化学数据。 (3)在完成小型实验的基础上,写出产品开发的可行性研究报告。
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1.1.2 小试研究的具体内容 1.1.2.1 原料的筛选 原料是生产的物质基础, 选择何种起始原料进行研究,不仅在一定程度上决定着小试 的成败, 也直接对后面的生产过程产生深远的影响, 因此, 应充分考虑原料的价格、 利用率、 来源供应、稳定性、毒性和安全性等因素。对于选用的原料路线,进行实验筛选,并计算各 种原辅材料的单耗、成本和总成本,比较技术经济的可靠性和合理性,否则,实验室的小试 研究成果就很难实现工业转化。 小试原料通常应先采用纯度较高的试剂(如分析纯或化学纯) ,因纯试剂的杂质少,可 真实地反映出操作条件与原料配比对产品性能和收率的影响, 容易得出可靠的结果, 以减少 研制新产品的阻力。在采用纯试剂研究取得成功的基础上,再逐一改用工业原料进行试验。 工业原料中含的杂质,若对产品质量影响很小,则可不加处理而直接使用;有的杂质会严重 影响工艺过程和产品质量,就应纯化处理以后才能使用。 1.1.2.2 确定工艺流程和操作条件 当原料路线和生产方法确定之后,就需要进一步研究产品制备的工艺流程。工艺流程的 可行性、可靠性和先进性,是确保产品优质、高产、低耗的关键。无论是研制新产品,还是 改进旧工艺,都应该对可能多种工艺进行实验选择。在确定了工艺路线以后,还需对影响过 程的因素进行比较实验,如温度、压力、时间、催化剂和某些工艺单元操作条件,都应该逐 一考察。通过对实验结果的分析和总结,得出最佳的工艺条件范围和产品指标。 1.1.2.3 毒性实验 许多精细化工产品由于使用的需要, 常常应该作毒性实验。 LD50 表示产品的急性毒性, 即进行动物实验,一次口服、注射或皮肤用药后,到 50%动物死亡的半数用药致死量,其 单位为 mg/kg。LD50 的值越小,药剂量的毒性越大。对于食品、饮料添加剂、医药、农药 及与人类健康密切相关行业使用的精细化工产品,还应该增加亚急性和慢性毒性实验。 1.1.2.4 质量分析 无论是小试、中试还是全面的工业实验,都需要对原料、中间控制过程及三废处理利用 进行准确的分析检测,才能得出有价值的结果。分析检测的方法,一般应根据需要按照现有 的标准选定,如果没有标准可以借用,还应该进行分析方法的研究。

1.2 混合物分离和提纯方法
1.2.1 普通蒸馏 在精细化学品合成过程中,原辅材料、中间体以及粗产品往往是混合液体,为满足反
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应对纯度的要求, 需要将混合液分离。 蒸馏是分离和提纯液态有机化合物的最常用的重要方 法之一。应用这一方法,不仅可以把挥发性物质与难挥发性物质分离,还可以将有色的杂质 分离。 普通蒸馏是在常压下进行的, 又叫常压蒸馏。 较适用于分离沸点差>30℃的液态混合物。 纯净的液体物质,在蒸馏时温度基本恒定,沸程很小,所以通过常压蒸馏,还可测定液体物 质的沸点或检验其纯度。 1.2.1.1 蒸馏装置 蒸馏装置主要包括蒸馏烧瓶、冷凝管和接受器三部分。 蒸馏烧瓶是蒸馏的最常用的容器。选用蒸馏烧瓶的大小应由所蒸馏液体的体积来决定。 通常所蒸馏的原料液体的体积应占蒸馏烧瓶容量的 l/3-2/3。如果装入的液体量过多,当加 热到沸腾时,液体可能冲出或者液体飞沫被蒸气带出,混入馏出液中;如果装入的液体量太 少在蒸馏结束时相对地会有较多液体残留在瓶内蒸不出来。 1-1 是用冷水做为冷却介质的 图 蒸馏装置。图 1-2 是用空气做为冷却介质的蒸馏装置,一般用于高沸点物质的蒸馏。

图 1-1 水冷凝蒸馏装置

图 1-2 空气冷凝蒸馏装置

安装普通蒸馏装置时, 先根据被蒸馏物的性质选择合适的热源。 然后以热源高度为基准, 按照由下至上,由左至右的顺序依次安装,整套装置要求准确、端正、稳固,装置中各仪器 的轴线应在同一平面内,铁架、铁夹及胶管应尽可能安装在仪器背面,以方便操作。 安装蒸馏装置时应注意一下几点: (1)温度计水银球的上端与蒸馏头侧管的下沿处同一位级线上,保证水银球能被蒸气 完全包围所测温度准确。如图 1-3 所示。

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图 1-3 温度计的位置

图 1-4 烧瓶与冷凝管的连接

(2)冷凝管和蒸馏头侧管的中心线成一条直线,若采用水冷凝管,冷凝水应从下口进 入,上口流出,并使上端的出水口朝上,以使冷凝管套管中充满水,保证冷凝效果。如图 1-4 所示。 (3)必须与大气相通,若接液管不带支管,切不可与接受器密封,以防系统内部压力 过大而引起爆炸。 (4)在同一实验台上装置几套蒸馏装置且相互间的距离较近时,每两套装置的相对位 置必须是蒸馏烧瓶对蒸馏烧瓶, 或者接液管对接液管; 避免蒸馏烧瓶对着另一套装置的接液 管,发生火灾危险。 1.2.1.2 蒸馏操作 (1)普通蒸馏操作程序 ①加入物料 蒸馏装置装好后, 把要蒸馏的液体经长颈漏斗倒入蒸馏烧瓶里, 漏斗的下端须伸到蒸馏 头下面, 加入 1~2 粒沸石 (防止暴沸) 再装好温度计。 , 若液体里有干燥剂或其他固体物质, 应在漏斗上放滤纸, 或一小撮松软的棉花或玻璃毛等, 以滤去固体。 也可把蒸馏烧瓶取下来, 斜拿住,把液体小心地沿器壁倒入瓶里。 ②通冷却水 检查装置的气密性和与大气相通处是否畅通后,打开水龙头,缓缓通入冷却水。 ③温度控制 开始加热时,可以让温度上升稍快些。开始沸腾后应密切注意蒸馏烧瓶中发生的现象; 当冷凝的蒸气环由瓶颈逐渐上升到温度计水银球的周围时,温度计的水银柱就很快地上升。 调节热源使从冷凝管流出液滴的速度约为 1~2 滴/s,此间应使温度计水银球下部始终挂有液 珠,以保持汽液平衡,确保温度计读数的准确。 ④观察温度,收集馏分记下第一滴馏出液滴入接受器时的温度。 如果所蒸馏的液体中含有低沸点的前馏分,待前馏分蒸完,温度趋于稳定后,应更换接 受器,收集所需要的馏分,并记录所需要的馏分开始馏出和最后一滴馏出时的温度,即该馏

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分的沸程。 ⑤停止蒸馏 如果维持原来的加热温度,不再有馏出液蒸出时,温度会突然下降,这时应停止蒸馏, 即使杂质含量很少,也不能蒸干,以免烧瓶炸裂。 (2)蒸馏操作注意事项: ①若事先忘记加沸石,绝不能在接近沸腾的液体中直接加入,应停止加热,待液体稍冷 后再补加。 若因故中断蒸馏, 则原有的沸石即行失效, 因而每次重新蒸馏前, 都应补加沸石。 ②在持续沸腾时, 沸石可以继续有效, 一旦停止沸腾或中途停止蒸馏则原有的沸石即失 效,在再次加热蒸馏前,应补加新的沸石。 ③蒸馏过程中,加热温度不能太高,否则会使蒸气过热,水银球上的液珠消失,导致所 测沸点偏高;温度也不能过低,以免水银球不能充分被蒸气包围,致使所测沸点偏低。 ④蒸馏过程中若需添加物料,必须停止加热后进行,但不要中断冷却水。 ⑤蒸馏低沸点易燃液体时(例如乙醚)附近应禁止有明火。 ⑥当烧瓶中仅残留少量(约 0.5~1mL)液体时即应停止蒸馏。结束蒸馏时,应先停止加 热,稍冷后再关冷却水。拆卸蒸馏装置的顺序与安装顺序相反。 1.2.2 分馏 液体混合物中的各组分, 若其沸点相差很大可用普通蒸馏法分离开; 若其沸点相差不太 大,用普通蒸馏法就难以精确分离,而应当用分馏的方法分离。 1.2.2.1 分馏的基本原理 如果将两种挥发性液体的混合物进行蒸馏在沸腾温度下其气相与液相达成平衡出来的 蒸气中则含有较多易挥发物质的组分。 将此蒸汽冷凝成液体其组成与气相组成相同即含有较 多的易挥发物质的组分而残留物中却含有较多量的高沸点组分。 这就是进行了一次简单的蒸 馏。 如果将蒸汽凝成的液体重新蒸馏, 即又进行一次气液平衡再度产生的蒸汽中所含的易挥 发物质组分又有所增高,将此蒸汽再经过冷凝而得到的液体中易挥发物质的组成当然也高。 通过多次重复蒸馏最后可得到接近纯组分的两种液体。 值得指出的是, 这种蒸馏既浪费时间 又浪费能源,所以,通常利用分馏柱来进行分离。 利用分馏柱进行分馏,实际上就是在分馏柱内使混合物进行多次气化和冷凝。当上升 的蒸汽与下降的冷凝液互相接触时, 上升的蒸汽部分冷凝放出热量使下降的冷凝液部分气化 相互之间发生了热量交换。 其结果上升蒸汽中易挥发组分增加, 而下降的冷凝液中难挥发物 质或高沸点组分增加。如果继续多次,就等于进行了多次的气液平衡,即达到了多次蒸馏的 效果。这样,靠近分馏柱顶部易挥发物质的组分的比率高,而在烧瓶里难挥发物质或高沸点 组分的比率高。当分馏柱的效率足够高时开始从分馏柱顶部出来的几乎是纯净的易挥发组

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分,而最后在烧瓶里残留的则几乎是纯净的高沸点组分。 1.2.2.2 分馏装置

图 1-5

简单分馏装置

分馏柱的种类很多, 实验室中常用的有填充式分馏柱和刺形分馏柱 (又叫韦氏分馏柱) 。 填充式分馏柱内装有玻璃球、钢丝棉或陶瓷环等,可增加气液接触面积,分馏效果较好;刺 形分馏柱结构简单,粘附液体少,但分馏效果较填充式低。分馏柱效率与柱的高度、绝热性 和填料类型有关。 柱身越高分馏效果越好, 但操作时间也相应延长, 因此选择的高度要适当。 1.2.2.3 分馏操作 简单分馏操作的程序与普通蒸馏大致相同。将待分馏液倾入圆底烧瓶中,加 1~2 粒沸 石。安装并仔细检查整套装置后,先开通冷却水,再开始加热,缓缓升温,使蒸气约 10~ 15min 后到达柱顶。调节热源,控制分馏速度,以馏出液每 2~3s 一滴为宜。待低沸点组分 蒸完后, 温度会骤然下降, 此时应更换接受器, 继续升温, 按要求接收不同温度范围的馏分。 操作注意事项: ①待分馏的液体混合物不得从蒸馏头或分馏柱上口直接倾入。 ②为尽量减少柱内的热量损失, 提高分馏效果, 可在分馏柱外包裹石棉绳或玻璃棉等保 温材料。 ③要随时注意调节热源,控制好分馏速度,保持适宜的温度梯度和合适的回流比。回流 比是指单位时间内由柱顶冷凝回柱中液体的数量与馏出液的数量之比。 回流比越大, 分馏效 果越好。但回流比过大,分离速度缓慢,分馏时间延长,因此应控制回流比适当为好。 ④开始加热时,升温不能太快,否则蒸气上升过多,会出现“液泛”现象(即柱中冷凝的 液体被上升的蒸气堵在柱内,而使分馏难以继续进行) 。此时应暂时降温,待柱内液体流回 烧瓶后,再继续缓慢升温进行分馏。

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1.2.3 减压蒸馏 1.2.3.1 减压蒸馏的基本原理 液体物质的沸点是随外界压力的降低而降低的。利用这一性质,降低系统压力,可使液 体在低于正常沸点的温度下被蒸馏出来。 这种在较低压力下进行的蒸馏叫做减压蒸馏 (又称 真空蒸馏) 。一般的液体化合物,当外界压力降至 2.7kPa 时,其沸点可比常压下降低 100~ 120℃。因此,减压蒸馏特别适用于分离和提纯那些沸点较高、稳定性较差,在常压下蒸馏 容易发生氧化、分解或聚合的有机化合物。 1.2.3.2 减压蒸馏装置 减压蒸馏装置如图 1-6 和图 1-7 所示。由蒸馏、减压、测压和保护等部分组成。 (1)蒸馏部分 在圆底烧瓶上, 安装克氏蒸馏头, 在克氏蒸馏头的直管口插入一根末端拉成毛细管的厚 壁玻璃管,毛细管末端距圆底烧瓶底部约 1~2cm,玻璃管的上端套上一段附有螺旋夹的橡 胶管,用来调节空气进入量。其作用是在液体中形成气化中心,防止暴沸。温度计安装在克 氏蒸馏头的侧管中,位置与普通蒸馏相同。常用耐压的圆底烧瓶作接受器。当需要分段接受 馏分而又不中断蒸馏时,可使用多尾接液管(如图 1-7 所示) 。转动多尾接液管,便可将不 同馏分收入指定的接受器中。

图 1-6 (a) 减压蒸馏装置

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图 1-6(b)

减压蒸馏装置

1-圆底烧瓶;2-接受器;3-克氏蒸馏头;4-毛细管;5-安全瓶; 6-压力计;7-三通活塞

图 1-7

多尾接液管

(2)减压部分 实验室中常用水泵或油泵对体系抽真空来进行减压。 水泵所能达到的最低压力为室温下水的蒸气压(25℃,3.16kPa;10℃,1.228kPa) 。这 样的真空度已能满足一般减压蒸馏的需要。 使用水泵的减压蒸馏装置较为简便, 见图 1-6 a) ( 。 使用油泵能达到较高的真空度(性能好的油泵可使压力减至 0.13kPa 以下) 。但油泵结 构精密,使用条件严格。蒸馏时, 挥发性的有机溶剂、 水或酸雾等都会使其受到损坏。 因此, 使用油泵减压时,需设置防止有害物质侵入的保护系统,其装置较为复杂,见图 1-6(b) 。 (3)测压、保护部分 测量减压系统的压力常使用开口式或封闭式水银压力计。 使用不同的减压设备,其保护装置也不相同。利用水泵进行减压时,只需在接受器、水 泵和压力计之间连接一个安全瓶(防止倒吸) ,瓶上装配三通活塞,以供调节系统压力及放 入空气解除系统真空用。利用油泵减压时,则需在接受器、压力计和油泵之间依次连接安全 瓶、 冷却阱 (置于盛有冷却剂的广口保温瓶中) 3 个分别装有无水氯化钙、 及 粒状氢氧化钠、 片状石蜡的吸收塔,以冷却、吸收蒸馏系统产生的水汽、酸雾及有机溶剂等,防止其侵害油 泵。 1.2.3.3 减压蒸馏操作 减压蒸馏的操作程序如下: (1)安装并检查装置 按图 1-6 所示安装减压蒸馏装置后,应首先检查装置的气密性。先旋紧毛细管上的螺 旋夹,再开动减压泵,然后逐渐关闭安全瓶上的活塞,观察体系的压力。若达不到需要的真

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空度,应检查装置各连接部位是否漏气,必要时可在塞子、胶管等连接处进行蜡封。若超过 所需的真空度,可小心旋转活塞,缓慢引入少量空气,加以调节。当确认系统压力符合要求 后,慢慢旋开活塞,放入空气,直到内外压力平衡,再关减压泵。 (2)加入物料 将待蒸馏的液体加入圆底烧瓶中 (液体量不得超过烧瓶容积的 1/2) 关闭安全瓶上的活 。 塞,启动动减压泵,通过毛细管上的螺旋夹调节空气进入量,使烧瓶内液体能冒出一连串小 气泡为宜。 (3)加热蒸馏 当系统内压力符合要求并稳定后,开通冷却水,用适当热浴加热。待液体沸腾后,调节 热源,控制馏出速度为每秒 1~2 滴。记录第一滴馏出液滴入接受器及蒸馏结束时的温度和 压力。 (4)结束蒸馏 蒸馏完毕,先撤去热源,慢慢松开螺旋夹,再逐渐旋开安全瓶上的活塞,使压力计的汞 柱缓慢恢复原状。待装置内外压力平衡后,关闭减压泵,停通冷却水,结束蒸馏。 1.2.3.4 操作注意事项 (1)减压蒸馏装置中所用的玻璃仪器必须能耐压并完好无损,以免系统内负压较大时 发生内向爆炸。 (2)使用封闭式水银压力计时,一般先关闭压力计的活塞,当需要观察和记录压力时 再缓慢打开,以免系统压力突变时水银冲破玻璃管而溢出。打开安全瓶上的活塞时,一定要 慢慢进行。否则,汞柱快速上升,也会冲破压力计。 (3)若中途停止蒸馏再重新开始时,应检查毛细管是否畅通,若有堵塞现象,需更换 毛细管。 1.2.4 水蒸气蒸馏 1.2.4.1 水蒸气蒸馏原理 当与水不相混溶的物质与水共存时,根据道尔顿分压定律: P 总(总蒸汽压)=P 水蒸气+PA(不溶或难溶于水的有机物蒸气压) , P 总 随着加热温度的升高而增大, 当总蒸气压与外界大气压相等即 P 总=P 外, 混合物沸 腾,两者同时被蒸出来,这时混合物的沸点(T 混)低于任何一个组成物的沸点(T 水或 TA) 。 这是因为 P 总=P 外=P 水蒸气+PA,PV=nRT(P 与 T 成正比关系) 所以 P 水蒸气<P 外,T 混<T ,


; PA<P 外,T 混<TA (有机物 A 的沸点) 。借此可以安全的蒸出那些接近或达到沸点时就

分解的有机物,这种操作叫做水蒸气蒸馏。 使用这种方法时,被提纯物质应该具备下列条件:

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(1)不溶或几乎不溶于水。 (2)在沸腾下长时间与水共存而不起化学变化。 (3)在 100℃左右时必须具有一定的蒸汽压(一般不小于 1.33KPa) 。 水蒸气蒸馏是分离和提纯有机物的一种方法,常用于下列几种情况: (1)某些有机物在其自身的沸点温度时容易被破坏,用水蒸气蒸馏可以在 100℃以下 的温度蒸出; (2)从大量树脂状杂质或不挥发性杂质中分离有机物。 (3)从固体多的反应混合物中分离被吸附的液体产物。 (4)除去挥发性的有机杂质。 1.2.4.2 水蒸气蒸馏装置 主要包括水蒸气发生器、蒸馏、冷凝及接受等四部分。 (1)水蒸气发生器一般为金属制品,也可用 1000mL 圆底烧瓶代替(见图 1-8) 。通常 加水量以不超过其容积的 2/3 为宜。在发生器上口插入一支长约 1m,直径约为 5mm 的玻璃 管并使其接近底部, 作安全管用。 当容器内压力增大时, 水就沿安全管上升, 从而调节内压。 水蒸气发生器的蒸气导出管经 T 形管与伸入三颈烧瓶内的蒸气导入管连接, 形管的支管 T 套有一短橡胶管并配有螺旋夹。 它的作用是可随时排除在此冷凝下来的积水, 并可在系统内 压力骤增或蒸馏结束时,释放蒸气,调节内压,防止倒吸。 (2)蒸馏部分一般采用三颈烧瓶(也可用带有双孔塞的长颈圆底烧瓶代替) 。三颈烧瓶 内盛放待蒸馏的物料,中口连接蒸气导入管,一侧口通过蒸馏头连接冷凝管,另一侧口用塞 子塞上。冷凝和接受部分与普通蒸馏相同。

图 1-8 水蒸气蒸馏装置

1.2.4.3 水蒸气蒸馏操作 水蒸气蒸馏的操作程序如下: (1)加入物料将待蒸馏的物料加入三颈瓶中,物料量不能超过其容积的 1/3; (2)安装仪器安装水蒸气蒸馏装置; (3)加热产生水蒸气 检查整套装置气密性后,先开通冷却水并打开 T 形管的螺旋夹,
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再开始加热水蒸气发生器,直至沸腾; (4)蒸馏。 当 T 形管处有较大量气体冲出时,立即旋紧螺旋夹,蒸气便进入烧瓶中。 这时可看到瓶中的混合物不断翻腾,表明水蒸气蒸馏开始进行。适当调节蒸气量,控制馏出 速度每秒 2~3 滴; (5)停止蒸馏。 当馏出液无油珠并澄清透明时,便可停止蒸馏。这时应先打开螺旋夹, 解除系统压力,然后停止加热,稍冷却后,再停通冷却水。 1.2.4.4 操作注意事项 (1)用烧瓶作水蒸气发生器时,不要忘记加沸石; (2)蒸馏过程中,若发现有过多的蒸气在三颈烧瓶内冷凝,可在烧瓶下面用酒精灯隔 石棉网适当加热。 以防液体量过多冲出烧瓶进入冷凝管中。 还应随时观察安全管内水位是否 正常,烧瓶内液体有无倒吸现象。一旦有类似情况发生,立即打开螺旋夹,停止加热,查找 原因。排除故障后,才能继续蒸馏; (3)加热烧瓶时要密切注视瓶内混合物的进溅现象,如果进溅剧烈,则应暂停加热, 以免发生意外。 1.2.5 重结晶 通过有机合成方法制得的固体精细化学品中常含有少量杂质。 除去这些杂质最有效的方 法, 就是用适当的溶剂进行重结晶。 重结晶过程一般是使重结晶物质在较高的温度下溶在合 适的溶剂里,在较低的温度下结晶析出,而使杂质遗留在溶液内。 1.2.5.1 过饱和溶液的制法 过饱和溶液的制法有两种: (1)把溶液的溶剂蒸发掉一部分。 (2)将加热下制得的饱和溶液加以冷却。一般用方法(2) 。 1.2.5.2 溶剂的选择 正确地选择溶剂,对重结晶操作有很重要的意义。在选择溶剂时,必须考虑被溶解物质 的成分和结构。例如,含羟基的物质,一般都能或多或少地溶解在水里;高级醇(由于碳链 的增长)在水中的溶解度就显著地降低,而在乙醇和碳氢化合物中的溶解度就增大。 溶剂必须要符合下列条件: (1)不与被提纯物质起化学反应。 (2) 在较高温度时能溶解多量的被提纯物质; 而在室温或更低温度时只能溶解很少量。 (3)对杂质的溶解度非常大或者非常小(前一种情况是使杂质留在母液中不随被提纯 物晶体一同析出;后一种情况是使杂质在热过滤时被滤去) 。 (4)容易挥发(溶剂的沸点较低) ,易与结晶分离除去。

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(5)能给出较好的结晶。 (6)无毒或毒性很小,便于操作。 (7)价格低廉。 常用的溶剂及其沸点见表 1-1
表 1-1 溶剂 水 甲醇 乙醇 乙醚 沸点/℃ 100 65 78 34 溶剂 乙酸乙酯 冰醋酸 二硫化碳 丙酮 重结晶常用溶剂及其沸点 沸点/℃ 78 118 46.5 56 溶剂 氯仿 四氯化碳 苯 粗汽油 沸点/℃ 61 76 80 90-95

为了选择合适的溶剂, 除需要查阅化学手册外, 有时还需要采用试验的方法。 其方法是: 取几个小试管,各放入约0.2g要重结晶的物质分别加入0.5~1mL不同种类的溶剂,加热到完 全溶解。冷却后,能析出最多晶体的溶剂,一般可认为是最合适的。如果固体物质在3mL 热溶剂中仍不能全溶,可以认为该溶剂不适用于重结晶;如果固体在热溶剂中能溶解,而冷 却后无晶体析出。 这时可用玻璃棒在液面下的器壁上摩擦以促使晶体析出, 若还得不到晶体, 则说明此固体在该溶剂中的溶解度很大,这样的溶剂不适用于重结晶。 有些化合物很难选择一种合适的溶剂。这时可选择合适的混合溶剂。所谓混合溶剂,就 是将对该化合物溶解度特别大的和溶解度特别小的而又能相互溶解的两种溶剂按一定比例 混合起来,并具有良好溶解性能的溶剂。常用的混合溶剂有:乙醇-水、乙醚-甲醇、乙酸水、乙醚-丙酮、丙酮-水、乙醚-石油醚、吡啶-水、苯-石油醚。 1.2.5.3 操作方法 重结晶的操作程序一般可表示如下:

(1)确定溶剂和溶剂量 确定重结晶所用溶剂后, 需根据该固体物质在此溶剂中的溶解度, 估算出溶剂的需要量, 制备热的饱和溶液。如用水作溶剂,可用烧杯或锥形瓶作容器,用石棉网直火加热。而用有 机溶剂时,要安装回流装置。这是因为有机溶剂往往易挥发,有的还有毒性。在热饱和溶液 的制备中要十分注意溶剂的用量, 为了防止使用的溶剂太多, 一般先加较估算量少的溶剂到 待提纯的化合物中,加热至沸腾,并摇动或搅动,若未完全溶解,再分次添加溶剂,并加热 至沸,直到刚好完全溶解。饱和溶液热滤时,往往有结晶析出在滤纸上,影响回收率。因此 溶剂用量一般要多于饱和量的15%~20%。 由此制备的所谓热的饱和溶液是指尽可能地接近 饱和。 若用混合溶剂重结晶,将适量样品首先溶于其中易溶的沸腾的溶剂中,若有不溶杂质,

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趁热滤去;若杂质有色,用适量活性炭煮沸脱色后趁热过滤。然后趁热加入另一难溶溶剂, 至刚混浊为止,然后加热促使溶液澄清。若加热仍不能使溶液澄清,则可再小心滴加易溶的 热溶剂,使其刚好澄清。最后冷却溶液至室温,使结晶析出。由此也可得到两种溶剂混合比 例。若已知两种溶剂混合比例,也可将其先行混合,再进行重结晶。 (2)脱色 溶液中若含有色杂质, 可加入适量的活性炭脱色。 活性炭脱色效果与溶液的极性和杂质 的多少有关, 活性炭在水溶液及极性有机溶剂中脱色效果较好, 而在非极性溶剂中脱色效果 较差。活性炭用量以能完全除去颜色为宜,一般为粗品量的 1%~5%,太多将会吸附一部分 被纯化的物质而造成损失。加入活性炭时,应先移开火源,待溶液稍冷后再加入,并不时搅 拌或摇动以防暴沸。 活性炭加入后, 一般煮沸 5min~10min。 如一次脱色不好, 可重复操作。 (3)热过滤 热过滤通常是用常压热过滤的方法除去不溶性杂质和活性炭。减压热过滤(即抽滤)虽 然速度较快,但因减压下热溶剂易蒸发,而使溶液冷却和浓缩,以至引起结晶过早析出,因 此抽滤的方法往往很少使用。 热过滤时为避免溶液在漏斗颈部因遇冷析出晶体而造成颈部堵塞, 需选用短颈或无颈的 玻璃漏斗, 过滤之前将漏斗放在烘箱中或红外灯下预先烘热, 待过滤时再将漏斗取出并放在 固定于铁架台上的铁圈中, 或直接放在盛装滤液的锥形瓶上。 漏斗的上面放一折叠好的扇形 滤纸, 其高度应略高于漏斗, 且使滤纸向外突出的棱边紧贴于漏斗壁上。 上述工作准备好后, 将沸腾着的溶液迅速倒入滤纸中,液面要略低于滤纸上部边缘。若一次倾倒不完,需将未过 滤溶液继续用小火加热以防冷却,但不要等溶液全部滤完后再添加。为减少溶剂挥发,可在 漏斗上方盖一表面皿。如果是水作溶剂,可将盛滤液的锥形瓶用小火加热,可以避免过滤时 因温度下降而在滤纸上析出结晶。 但过滤挥发性易燃溶剂的溶液时, 则必须关闭附近的火源, 不能加热过滤。对于极易结晶析出的物质,或过滤的溶液量较大时,可采用保温漏斗过滤。 若样品溶解后,溶液澄清透明,无任何不溶性杂质和有色杂质,则可省去脱色和热过滤 这两步操作。 (4)结晶 将热过滤后所得滤液静置到室温或接近室温,然后在冰-水或冰-盐水浴中充分冷却,使 结晶析出完全。如果溶液冷却后,不出现结晶,可投入少量纯净的同种物质作为“晶种”,促 使溶液结晶, 或用玻璃棒摩擦器壁引发结晶形成; 如果溶液冷却后析出油状物, 可剧烈搅拌, 使油状物分散并呈结晶析出。 (5)抽滤 用减压过滤装置将结晶与母液分离开。 结晶用冷的同一溶剂洗涤两次, 最后用洁净的玻 璃钉或玻璃瓶盖将其压紧并抽干。 (6)干燥

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挤压抽干的结晶习惯上称为滤饼。将滤饼小心转移到洁净的表面皿上,经自然晾干或在 100℃以下烘干即得纯品,称量后保存。 1.2.5.4 操作注意事项 (1)溶解样品时,若溶剂为低沸点易燃物质,应选择适当热浴并装配回流装置,严禁 明。火加热;若溶剂有毒性应在通风橱内进行。 (2)脱色时,切不可向正在加热的溶液中投入活性炭,以免引起暴沸。 (3)热过滤后所得滤液要自然冷却,不能骤冷和振摇,否则所得结晶过于细小,容易 吸附较多杂质。但结晶也不宜过大(超过 2mm 以上) ,这样往往在结晶中包藏溶液或杂质, 既不容易干燥,也保证不了产品纯度。当发现有生成大结晶的趋势时,可稍微振摇一下,使 晶体均匀规则、大小适度。 (4)使用有机溶剂进行重结晶后,应采用适当方法回收溶剂,以利节约。 1.2.6 萃取 利用不同物质在选定溶剂中溶解度的不同进行分离和提纯混合物的操作, 叫做萃取。 通 过萃取可以从混合物中提取出所需要的物质; 也可以去除混合物中的少量杂质。 通常将后一 种情况称为洗涤。 1.2.6.1 溶剂的选择 用于萃取的溶剂又叫萃取剂。常用的萃取剂为有机溶剂、水、稀酸溶液、稀碱溶液和浓 硫酸等。实验中可根据具体需求加以选择。 (1)有机溶剂 苯、乙醇、乙醚和石油醚等有机溶剂可将混合物中的有机产物提取出来,也可除去某些 产物中的有机杂质。 (2)水 水可用来提取混合物中的水溶性产物,又可用于洗去有机产物中的水溶性杂质。 (3)稀酸(或稀碱)溶液 稀酸或稀碱溶液常用于洗涤产物中的碱性或酸性杂质。 (4)浓硫酸 浓硫酸可用于除去产物中的醇、醚等少量有机杂质。 1.2.6.2 液体物质的萃取(或洗涤) 液体物质的萃取(或洗涤)常在分液漏斗中进行。分液漏斗的使用和萃取操作方法如 下: (1)分液漏斗的准备 将分液漏斗洗净后,取下旋塞,用滤纸吸干旋塞及旋塞孔道中的水分,在旋塞微孔的两

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侧涂上薄薄一层凡士林, 然后小心将其插入孔道并旋转几周, 至凡士林分布均匀呈透明为止。 在旋塞细端伸出部分的圆槽内,套上一个橡胶圈,以防操作时旋塞脱落。关好旋塞,在分液 漏斗中装上水,观察旋塞两端有无渗漏现象,再开启旋塞,看液体是否能通畅流下,然后, 盖上顶塞,用手指抵住,倒置漏斗,检查其严密性。在确保分液漏斗顶塞严密、旋塞关闭时 严密、开启后畅通的情况下方可使用。使用前须关闭旋塞。 (2)萃取(或洗涤)操作 振荡的操作方法一般是先把分液漏斗倾斜, 使漏斗的上口略朝下。 右手捏住漏斗上口颈 部,并用食指根部压紧盖子,以免盖子松开,左手握住旋塞。握持旋塞的方式既要能防止振 荡时旋塞转动或脱落,又要便于灵活地旋开旋塞(如图 1-9 所示) 。振荡后,让漏斗仍保持 倾斜状态,旋开旋塞,放出蒸气或产生的气体,使内外压力平衡。若在漏斗内有易挥发的溶 剂如乙酸、苯等,可用碳酸钠溶液中和酸液,振荡后更应注意及时旋开旋塞,放出气体。振 荡数次以后将分液漏斗放在铁环上(最好把铁环用石棉绳缠扎起来)静置使乳油液分层。有 时有机溶剂和某些物质的溶液一起振荡,会形成较稳定的乳浊液。在这种情况下,应该避免 急剧的振荡。如果形成乳浊液,且一时又不易分层,则可加入食盐,使溶液饱和,以降低乳 浊液的稳定性。轻轻地旋转漏斗也可使其加速分层。在一般情况下,长时间静置分液漏斗可 达到使乳油液分层的目的。 (3)分离操作 当两层液体界面清晰后,便可进行分离操作。先把分液漏斗下端靠在接受器的内壁上, 再缓慢旋开旋塞,放出下层液体(如图 1-10 所示) 。当液面间的界线接近旋塞处时,暂时关 闭旋塞,将分液漏斗轻轻振摇一下,再静置片刻,使下层液聚集得多一些,然后打开旋塞, 仔细放出下层液体。当液面间的界线移至旋塞孔的中心时,关闭旋塞。最后把漏斗中的上层 液体从上口倒入另一个容器中。

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图 1-9 分液漏斗的使用示意图示

图 1-10 分离两相液体

1.2.6.3 操作注意事项 (1) 分液漏斗中装入的液体量不得超过其容积的 1/2。 若液体量过多, 进行萃取操作时, 不便振摇漏斗,两相液体难以充分接触,影响萃取效果。 (2)在萃取碱性液体或振摇漏斗过于剧烈时,往往会使溶液发生乳化现象,有时两相 液体的相对密度相差较小,或因一些轻质絮状沉淀夹杂在混合液中,致使两相界线不明显, 造成分离困难。 解决以上问题的办法是: ①较长时间静置; ②加入少量电解质,以增加水相的密度,利用盐析作用,破坏乳化现象; ③若因碱性物质而乳化,可加入少量稀酸来破坏; ④也可以滴加数滴乙醇,改变其表面张力,促使两相分层; ⑤当含有絮状沉淀时,可将两相液体进行过滤。 (3)分液漏斗使用完毕,应用水洗净,擦去旋塞和孔道中的凡士林,在顶塞和旋塞处 垫上纸条,以防久置粘结。 1.2.7 升华 固体物质具有较高的蒸气压时,往往不经过熔融状态就直接变成蒸气,蒸气遇冷,再 直接变成固体。这种过程叫做升华。 容易升华的物质含有不挥发性杂质时,可以用升华方法进行精制。用这种方法制得的 产品,纯度较高,但损失较大。 把要精制的物质放入蒸发皿中。用一张穿有若干小孔的圆滤纸把锥形漏斗的口包起来,
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把此漏斗倒盖在蒸发皿上, 漏斗颈部塞一团疏松的棉花。 在砂浴或石棉铁丝网上将蒸发皿加 热,逐渐地升高温度,使要精制的物质气化,蒸气通过滤纸孔,遇到漏斗的内壁,又复冷凝 为晶体, 附在漏斗的内壁和滤纸上。 在滤纸上穿小孔可防止升华后形成晶体落回到下面的蒸 发皿中。 较大量物质的升华可在烧杯中进行。烧杯上放置一个通冷水的烧瓶使蒸气在烧瓶底部 凝结成晶体并附着在瓶底上。升华前,必须将要精制的物质充分干燥。

1.3 认识正交实验法
在精细化学品的生产实际和科学研究过程中, 经常会遇通过试验来寻找所研究对象的变 化规律,并通过对规律的研究达到各种使用的目的,如提高产量、降低消耗、提高产品性能 或质量等, 特别是新产品试验, 未知的东西很多, 要通过大量的试验来摸索工艺条件或配方。 进行试验时,只有科学地实验设计,才能用较少的试验次数,在较短的时间内达到预期的实 验目的;反之,不合理的试验设计,往往会浪费大量的人力、物力和财力。假如有 4 个因子 影响试验指标,每个因子各取 3 种位级,采用全面试验法,各个位级组合只做一次试验也需 要 34=81 次(若采用重复试验则至少 81× 2=162 次) 。可否合理地进行试验设计,使得仅做少 量试验而同样达到目的? 正交试验法一种利用正交表安排试验的数理统计方法, 仅通过局部试验 (上述情形若不 考虑交互作用只需 9 次试验,若考虑交互作用亦只需 27 次试验)就能检验出各因子及交互 作用是否显著,并找出最优位级组合 正交试验设计从其本身的学术概念来说,应当包括它的设计原理研究和方法应用两大 部分。精细化学品合成正交试验设计主要是指其应用,就是利用规格化的正交表,恰当地设 计试验方案,而不是自己设计、制作正交表。规格化的正交表是数学家们依据数理统计的观 点,根据正交性原理制作出来的科学的、标准化的表格。 正确掌握正交试验设计的要求主要在于两个方面: ①试验前要选择好正交表,并通过它设计出试验方案: ②学会对试验结果进行分析,并根据分析的结论设计出可能更优秀的试验方案。 1.3.1 正交试验设计中的基本概念 正交试验设计中的基本概念主要有指标、因素和位级。 1.3.1.1 指标 每当进行一次试验时, 首先要明确试验的目的或目标是什么?用什么指标来衡量试验的 效果?如精细化学品的产率以百分比表示,产品质量可以从颜色、密度、折射率、纯度等项
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指标来考核。像这种用来衡量试验效果的一个特征量就称为指标。 指标分为两大类。一类是定量指标,直接用数量表示的指标,如产量、时间、强度、长 度等;另一类是定性指标,不能直接用数量表示,只能凭感觉器官来评定的指标,如纤维的 手感、颜色,食品的口感等。在正交试验中,为了便于对试验结果进行分析,常用评分法将 定性指标量化,将其转变为定量指标。 按考核指标的个数, 试验可分为单指标试验和多指标试验。 当考核试验的结果只有一个 指标时,就是单指标试验,这时指标就是目标。当考核试验的结果有多个指标时,就是多指 标试验,目标由这几种指标共同组成。例如,对洗衣粉的配方进行试验时,它的试验目标就 有两项指标,一是洗涤效果,二是生产成本。这样,最终的试验结果就应当由这两项指标的 综合评价结果来决定。 1.3.1.2 因素 因素也可称为因子,它是指直接影响试验结果的需要进行考察的不同原因或成分。如, 在提高化工产品转化率的试验中可以发现,反应温度、反应时间、投料量、搅拌速度、原料 品质等都对试验指标产生影响,因此,它们都可以列为考察的因素。 1.3.1.3 位级 需要考察的因素在试验中人为地规定了若干种不同的状态或位级, 以观察它们对试验指 标的影响。因素变化的各种状态或位级就称为因素的位级,也称为水平。如,反应温度取 30℃、40℃、50℃,则它就是一个 3 位级的因素;投料量取 50g、60g、70g、80g、90g,则 它就是一个 5 位级的因素;催化剂的种类分别用盐酸、硫酸、硝酸、磷酸,则它就是一个 4 位级的因素。 在正交试验中合理地确定位级量是十分重要的, 它可以在有限次的试验中获得尽可能好 的结果。那么,在试验前应当如何确定位级量呢?通常是这样考虑的:如果已经有了一定的 经验,掌握了部分文献和资料,就可以在小范围内选取和确定位级量。当一点经验也没有。 又缺乏文献资料做参考时,位级量的范围应尽量取大一些,以避免遗漏试验中的好条件。 因素的选取和位级的确定不只是用数学方法就能解决的,它需要试验者根据实际情况、 专业知识、情报资料、生产经验及判断能力等来确定。 在正交试验中,因素一般用大写的英文字母 A,B,C,D,……来表示;位级用阿拉伯 数字 1,2,3,4,……来表示。如,A1 表示 A 因素的 1 位级;B2 表示 B 因素的 2 位级等。 1.3.2 正交表的构造及选用原则 1.3.2.1 正交表 (1)正交表的代号及含义 ①记法:LnSr——表示最多安排 r 个因子,每个因子取 S 种位级,共做 n 次试验的正交

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表(事实上,Sr 表示非重复全面试验的次数) 。 附表 5 给出了 6 种正交表:L4(2)3,L8(2)7,L12(2)11,L16(2)15,L9(3)4,L27(3)
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现以 L9(34)和 L8(41× 4)为例说明正交表的代号及各字符的含义。 2
正交表的纵列数,表示因素的 正交表的代号,表示正交表 个数,本例为4个因素

正交表的横行数,表 示 实验次数,要做9次试验

正交表中的水平数,本例为每个 因素有3个水平

L9(34)表示此正交表为同位级正交表,最多可安排 4 个因素,每个因素取 3 个位级,共做 9 次试验。

正交表的代号, 表示正交表

正交表的纵列数, 表示因 素的个数,本例为5个因 素

正交表中的水平数,本例 正交表的横行数,表 示 实验次数,要做8次试验 为1个因素有4个水平,4 个因素有2个水平

L8(41× 4)表示此正交表为混合位级正交表,最多可安排 5 个因素,其中 1 个因素有 4 2 个位级,4 个因素有 2 个位级,共要做 8 次试验。 (2)正交表的形式 正交表是已经制作好的规格化的表格,是正交试验的重要工具,分两种类型。 ① 同位级正交表。各个因素的位级数都相等,如 L9(34) 。
表 1-2 正交表 L9(34) 列 试验号 1 1 2 3 4 1 1 1 2 2 1 2 3 1 3 1 2 3 2 4 1 2 3 3 号

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5 6 7 8 9

2 2 3 3 3

2 3 1 2 3

3 1 3 1 2

1 2 2 3 1

从 L9(34)可以看出,4 个因素中每个因素都取 3 个位级,它们的位级数也是相等的。 凡是这种位级数都相等的正交表就称为同位级正交表。 ② 混合位级正交表。它是指在正交表中某些因素的位级相等,而另一些因素的位级数 和它们不等的正交表,如 L8(41× 4) 2 。
表 1-3 正交表 L8(41× 4) 2 列 试验号 1 1 2 3 4 5 6 7 8 1 3 2 4 1 3 2 4 2 1 2 2 1 2 1 1 2 3 2 2 2 2 1 1 1 1 4 2 1 2 1 1 2 1 2 5 1 1 2 2 2 2 1 1 号

从 L8(41× 4) 可以看出,有 1 个因素取 4 个位级,另外 4 个因素都取 2 个位级,这 1 2 个因素和另外 4 个因素所取的位级数是不相等的。 凡是这种位级数不相等的正交表就称为混 合位级正交表。 混合位级正交表的优点是,既突出了重点,又照顾到一般。如果在正交试验中需要重点 考察某些因素,就应当选用混合位级正交表。 1.3.2.2 正交试验方案的设计的基本步骤 设计好正交试验方案是发挥正交试验优越性的首要环节,主要有五步: ①确定目标,选定因素,确定位级。 ②确定因素位级表。 ③选用合适的正交表按选定的正交表确定表头,确定实验方案。 ④组织实施方案。 ⑤试验结果分析。 (1)同位级正交试验设计 例 1.1: 某化工厂对植物油进行水解(皂化分解) ,希望通过试验找到最佳的工艺条件。
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根据该反应的化学原理,确定影响反应的主要因素有反应温度、反应时间、用碱量。考虑到 搅拌速度对转化率的影响不大, 而原料质量是基本不变的, 因此这两个因素不作为因素考查。 具体做法如下: ①明确试验目的,确定试验考核指标。 试验目的:寻找植物油水解的最佳工艺条件。 考核指标:原料转化率。转化率越高,说明水解效果越好。 ②制定因素位级表。 根据该反应的化学原理和以往的生产经验, 确定如下 3 个考察因素 和各因素的试验范围。 反应温度(A) :80~90℃; 反应时间(B) :90~150min; 用碱量(C) :5%~7%; 据此可制定出因素位级表,见表 1-4
表 1-4 因素位级表 因 位级 反应温度/℃ A 1 2 3 80 85 90 素 用碱量/% C 5 6 7

反应时间/min B 90 120 150

在制定因素位级表时,需要注意:由于在正交试验设计中,增加 1、2 个因素不一定会 增加试验次数,但若漏掉重要因素,则可能大大降低试验的效果。因此,凡属可能起作用的 因素或者情况不明而不能排除的因素以及有意见分歧的因素都要注意考察, 把它们尽量排到 因素位级表中去。 ③选用正交表,制定试验计划(见表 1-5) 。选用什么样的正交表是根据前面制定的因 素位级表来决定的。必须注意:因素位级表中的位级数与正交表中的位级数要完全一致;因 素位级表中的因素个数要小于或等于正交表中的列数。 本例是 3 个因素, 每个因素 3 个位级 的试验,故可选 L9(34)正交表来安排试验方案,A、B、C 3 个因素安排在哪 3 列是任意 的,可以安排在 1,2,3 列,也可以安排在 l,3,4 列,多余的一列不用。本例的 3 个因素 放在 l,2,3 列。
表 1-5 植物油水解的试验计划 因 验号 反应温度/℃ A 1 1(80) 素 用碱量/% C 1(5) 转化率/%

反应时间/min B 1(90)

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2 3 4 5 6 7 8 9 K1 K2 K3

1(80) 1(80) 2(85) 2(85) 2(85) 3(90) 3(90) 3(90)

2(120) 3(150) 1(90) 2(120) 3(150) 1(90) 2(120) 3(150)

2(6) 3(7) 2(6) 3(7) 1(5) 3(7) 1(5) 2(6)

K1 K2

K3
R

这样就完成了正交试验方案的设计。 接下来的任务就是严格按照每一个试验号所规定的 条件进行试验,并将试验结果记录在表格中。至于试验结果如何记录、如何分析、上表中的 空格有什么作用,将在后面进行讨论。 (2)混合位级正交试验方案设计 例 1.2:维生素 C 是人体必不可少的营养成分,对于多种疾病有治疗作用,是一种常用 的药品。为了提高产量,降低成本,决定用正交表设计两步发酵新工艺的试验方案。两步发 酵新工艺是用假单孢菌氧化山梨糖,即应用微生物酶的催化作用,得到中间体 2-酮-L-古龙 酸的一种工艺。试验方案的设计程序如下。 ①明确试验目的,确定试验考核指标。 试验目的:寻找维生素 C 两步发酵新工艺的最佳配方。 考核指标:氧化率(%) 。 ②制定因素位级表。本试验中需要考察的因素有尿素、山梨糖、玉米浆、磷酸氢二钾、 碳酸钙、硫酸镁和葡萄糖。其中尿素是重点考察因素,希望能用工业尿素来取代 CP(化学 纯)尿素,所以安排了 CP 尿素和工业尿素各 3 个位级,共 6 个位级。关于山梨糖因为它是 主要原料,原来生产上用的浓度为 7%,做试验的目的是想通过增加它的浓度来提高生产效 率,可是不知道能否达到目的,确定考察 7%、9%、11%3 个位级。至于 CaCO3、MgSO4 和葡萄糖这 3 个因素。 希望在新配方中能去掉其中的 1 个或 2 个, 所以在 3 个位级中设置了

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1 个 0 的位级。对于玉米浆和 K2HPO4 是想通过试验进一步掌握它们的准确用量,各选了 3 个位级供试验考察。根据这些想法制定的因素位级表见表 1-6。
表 1-6 位级 尿素/% 1 2 3 4 5 6 CP0.7 CP1.1 CP1.5 工业 0.7 工业 1.1 工业 1.5 山梨糖/% 7 9 11 玉米浆/% 1 1.5 2 K2HPO4/% 0.15 0.05 0.10 CaCO3/% 0.4 0.2 0 MgSO4/% 0 0.01 0.02 葡萄糖/% 0.25 0 0.5 因素位级表 因 素

③选用正交表,制定试验计划(见表 1-7) 。由于排了位级数不等的因素水表所以要选 用混合位级正交表。本例可选用 L18(61× 6)正交表,该表最多能排 1 个 6 位级的因素和 6 3 个 3 位级的因素。
表 1-7 维生素 C 两步发酵的试验计划 因 试验 尿素/% 号 A 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1(CP0.7) 1 1 2(CP1.1) 2 2 3(CP1.5) 3 3 4(工业 0.7) 4 4 5(工业 1.1) 5 5 6(工业 1.5) B 1(7) 2(9) 3(11) 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 C 3(2) 1(1) 2(1.5) 2 3 1 1 2 3 1 2 3 3 1 2 2 山梨糖/% 玉米浆/% K2HPO4/% D 2(0.05) 1(0.15) 3(0.10) 1 3 2 3 2 1 1 3 2 3 2 1 2 CaCO3/% E 2(0.2) 1(0.4) 3(0) 2 1 3 1 3 2 3 2 1 3 2 1 1 MgSO4/% F 1(0) 2(0.01) 3(0.02) 3 1 2 3 1 2 1 2 3 2 3 1 2 葡萄糖/% G 2(0) 1(0.25) 3(0.5) 1 3 2 2 1 3 3 2 1 1 3 2 3 素

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17 18

6 6

2 3

3 1

1 3

3 2

3 1

2 1

根据此正交表中所规定的方案,就可以进行试验了。需要注意的是,试验过程中一定要 严格按照方案规定的条件组合进行试验,不允许随便更改条件。试验操作要严肃认真,并准 确记录好每号试验的结果,互相之间不能混淆。至于试验的顺序,没有严格的限制,不一定 要按实验序号进行。 1.3.2.3 正交表的选用原则及方法 制定出因素位级表后,应当遵循下列原则选择正交表。 ①先按位级数选表。如果所有因素都有相同的位级数,应选同位级正交表;如果有若干 个因素需要重点考察,则这些因素应多设位级,非重点因素少设位级,此时就应选用混合位 级正交表。 ②根据试验特点要求选表。试验特点要求一般指时间、经费、设备、技术力量和对结果 的精度要求等。同样位级数的试验可以选用不同的正交表。如 L9(34)和 L27(313)都适用 于 3 个位级数的试验, 这时就主要根据因素的数量来决定。 因素的数量应当小于或等于正交 表的列数。 表 1-8 是经过大量实践和综合平衡总结出来的最常用的正交表,可作为初学者选表时 的参考依据。但实际上,正交表的种类远不止这些,同样一个问题,不同的人可能会有不同 的选择和结果,它需要丰富的实践经验的积累。本书附录中列出了更多的正交表供选用。
表 1-8 正交表选用参考

1.3.3 正交试验法数据处理 用正交表安排试验, 通过少数次试验就可以找出全面试验中的较好试验条件, 这只是正 交试验优越性的一个方面。通过对试验结果的分析还可以确定关键因素、重要因素、一般因 素和次要因素;确定各因素的可能最优位级,从而探寻出更优的试验条件。也就是说通过对 少数次试验结果的计算分析, 还可以设计出可能更优的试验方案, 这就是正交试验被称为正 交试验设计的原因。
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对试验结果的分析分为直接观察、 一般计算分析、 考察位级趋势和方差分析等多种方法。 由于方差分析涉及较多的数理统计知识,计算比较复杂,因此,只介绍前三种方法。无论是 同位级正交试验,还是混合位级正交试验,其分析的原理、步骤、数据处理方法和评价原则 都是基本相同的。 1.3.3.1 同位级正交试验分析 (1)直接观察 指对试验结果不进行计算而直接根据观察试验结果来确定较好试验条件的方法。 由直接 观察得到的最好试验方案称为较优方法。 为了便于说明,用上面说到的例 1.1 植物油水解试验为例来进行分析。由 9 组试验得到 的结果(转化率)分别填入表中,见表 1-9。
表 1-9 试验号 反应温度℃ A 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 位级结果之和 K1 2 位级结果之和 K2 3 位级结果之和 K3 1(80) 1(80) 1(80) 2(85) 2(85) 2(85) 3(90) 3(90) 3(90) 123 144 183 41 植物油水解的试验计划表 因素 反应时间/min B 1(90) 2(120) 3(150) 1(90) 2(120) 3(150) 1(90) 2(120) 3(150) 141 165 144 47 用碱量/% C 1(5) 2(6) 3(7) 2(6) 3(7) 1(5) 3(7) 1(5) 2(6) 135 171 144 45 31 54 38 53 49 42 57 62 64 转化率/%

1 位级平均值 K 1 2 位级平均值 K 2 3 位级平均值 K 3 极差 R

48

55

57

61

48

48

20

8

12

本例共进行了 9 组不同的试验,相应得出了 9 个试验结果。由于转化率越大越好,所以
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直接观察的较优方案为第 9 组的位级组合(A3B3C2)最好,即当反应温度 90℃、反应时间 150min、用碱量 6%时的效果最好。这就是直接观察的分析方法。 一般情况下,直接观察选出的方案即使不是最优方案,也是较优方案,可以直接用于指 导生产。 (2)一般计算分析 指运用简单的数学运算对试验结果进行分析的方法。 因为这种方法简单实用, 不仅可以 对每个因素的重要性做出定量化的评估,而且还可以帮助寻找到可能存在的最优试验方案, 所以是最常用的分析方法。计算分析程序如下: ①计算各因素每个位级的转化率之和(分别记为 K1、K2、K3)及平均值( K 1 、 K 2 、

K3 ) 。
A 因素 1 位级之和 Kl=31+54+38=123,1 位级平均值 K 1 =123÷ 3=41 A 因素 2 位级之和 K2=53+49+42=144,2 位级平均值 K 2 =144÷ 3=48 A 因素 3 位级之和 K3=57+62+64=183,3 位级平均值 K 3 =183÷ 3=61 同理对 B 因素和 C 因素进行计算 B 因素 1 位级之和 K1=31+53+57=141,l 位级平均值 K 1 =141÷ 3=47 B 因素 2 位级之和 K2=54+49+62=165,2 位级平均值 K 2 =165÷ 3=55 B 因素 3 位级之和 K3=38+42+64=144,3 位级平均值 K 3 =144÷ 3=48 C 因素 1 位级之和 K1=31+42+62=135,1 位级平均值 K 1 =135÷ 3=45 C 因素 2 位级之和 K2=54+53+64=171,2 位级平均值 K 2 =17l÷ 3=57 C 因素 3 位级之和 K3=38+49+57=144,3 位级平均值 K 3 =144÷ 3=48 将上述数据依次填入表 1-7 中。 ②计算每列平均值的极差(用 R 表示) 。极差就是最大值与最小值之差。 A 列的 R=6l 一 41=20 B 列的 R=55—47=8 C 列的 R=57—45=12 将这些极差值也依次填入表 1-9 中。 ③分析因素主次和各因素对产品转化率影响的规律。 在许多因素中, 可以根据极差的相 对大小来划分关键因素、重要因素、一般因素和次要因素。通常极差最大的因素就是关键因

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素;其次是重要因素;极差最小的是次要因素;其余的就是一般因素。 从表 1-9 中可以看出三个因素的主次关系为: 关键因素 A→一般因素 C→次要因素 B 极差的大小反映了每个因素作用的大小。极差大,说明该因素是活泼的,它的变化对结 果影响很大;极差小,说明该因素是保守的,它的变化对结果影响较小。关键因素和重要因 素的微小变化会导致试验结果有较大差异, 在试验中要特别注意对它们进行考察, 准确地掌 握好它们的位级量。 需要说明的是, 用极差划分因素重要性的依据是相对的, 因为极差受位级量的影响很大。 一个因素所取位级量的范围不同,会出现不同的极差值。比如在例 1.1 中,反应时间选取 90min、120min、150min 3 个位级,它的极差是 8。如果选取 30min、120min、210min 3 个 位级,则极差就可能大得多。因而,恰当的位级量对于一个试验来说也是十分重要的,它除 了需要试验者掌握较丰富的情报资料外,还要有一定的实践经验。 ④寻找最优试验方案。可能最优方案是指在已考察的各因素的位级中,优秀位级组合 成的试验方案。而优秀位级是指导致结果之和最好的位级。 在直接观察法中已经知道,第 9 组试验的转化率是 64%,它是已经做过的 9 个试验中 结果最好的,称它为较优方案。它的位级组合是 A3B3C2,即试验条件为,反应温度 90℃、 反应时间 150min、用碱量 6%。但是否会有比它更好的方案呢? 现在再来仔细观察表 1-9 中各位级平均值的数据(如表 1-10 所示)可以发现,反应温 度 A 最好的位级是 A3(平均值 61) ;反应时间 B 最好的位级是 B2(平均值 55) ;用碱量 C 最好的位级是 C2(平均值 57) 。如果将这 3 个位级组合起来,将有可能产生比第 9 组试验更 好的结果,因为它们是最优位级组合,而且在前面的 9 组试验中没有做过。
表 1-10 各位级平均值 试验号 反应温度/℃ A 1 位级平均值 K 1 2 位级平均值 K 2 3 位级平均值 K 3 41 因素 反应时间/min B 47 用碱量/% C 45

48

55

57

61

48

48

注:在同位级正交试验中,可以不用平均值来计算极差(即 Kl、K2、K3 这三行可以不要) ,而直接用 位级之和 K1、 2、 3 来计算也是可以的。 K K 虽然极差的数值会不同, 但并不影响对因素重要性的分析和判断。 可是在混合位级的正交试验中,就一定要计算平均值,否则极差就没有可比性。为了避免出现混淆,本书 对同位级和混合位级正交试验都采用平均值来计算极差。

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根据这个设想,在反应温度 90℃、反应时间 120min、用碱量 6%的条件下再做一次试 验,其结果转化率为 74%,所以确定 A3 B2 C2 为最优方案。 (3)考察位级趋势,探寻可能更优方案 通过分析位级与结果之间的内在联系,探寻在试验中并没有选取而可能存在的更好位 级,从而找到可能存在的更优秀的试验方案(简称更优方案) 。 考察位级趋势需要画趋势图,其方法是,用因素的位级作横坐标,用相应的位级之和作 纵坐标,在图中画出相应的点,再用直线将它们依次连结起来,就形成了位级趋势图。需要 注意的是,对定量的位级要按位级量递增或递减顺序画图。 仍以植物油水解试验为例来加以说明。根据表 1-10 的结果画出 3 个因素的趋势图,如 图 1-11 所示。

图 1-11 因素的位级趋势图

从趋势图上可以看出,随着反应温度上升,转化率的趋势也上升。因此,如果将反应温 度提高到 90℃以上,有可能会出现更好的结果;反应时间 120min 已达曲线的顶峰,说明 120min 就是比较理想的位级,已没有必要再改变;而用碱量在 6%时也已达到曲线顶峰, 它也是比较理想的位级,无须再作变动。 根据位级趋势的观察,对植物油水解的可能更优方案为:反应温度 95℃、 、反应时间 120min、用碱量 6%。 通过直接观察、一般分析计算和考察位级趋势。总结出三个试验方案。 第一方案是直接观察得到的较优方案,并已经实验证明。试验条件为:反应温度 90℃、 反应时间 150min、用碱量 6%。 第二方案是一般计算分析得出的最优方案,也已经实验证明。试验条件为:反应温度 90℃、反应时间 120min、用碱量 6%。 第三方案是考察位级趋势后设计的可能更优方案,未经实验证明。试验条件为:反应温 度 95℃、反应时间 120min、用碱量 6%。 这三个方案究竟哪个最好呢?可以通过进一步的实验来证明。需要说明的是,只有 3 位级以上的因素才能考察位级趋势,2 位级不能进行考察。为了发挥正交试验设计的这一优 势,应尽可能选用 3 位级以上的正交表来进行正交试验。

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1.3.3.2 混合位级正交试验分析 例 1.3:废水处理试验 某化工厂要对含有锌、 镉等有毒物质的废水进行处理, 希望通过正交试验摸索出用沉淀 法进行一级处理的优良方案。具体过程如下。 (1)确定试验目的及考核指标 试验目的:用沉淀法处理掉废水中的锌、镉等有毒物质,并要求成本尽量低。 考核指标:处理后废水中的含锌、镉量。 (2)制定因素位级表见表 1-11。
表 1-11 因素位级表

因素 位级 pH 值 A 1 2 3 4 7~8 8~9 9~10 10~11 凝聚剂 B 加 不加 沉淀剂种类 C NaOH Na2CO3 CaCl2 D 不加 加 废水浓度 E 稀 浓

因为 pH 对去锌去镉的一级处理有较大的影响,需要重点考察,因此从 7 到 11 排了 4 个位级;加凝聚剂(聚丙烯酰胺)和 CaCl2 的目的,都是为了加快沉淀速率,但不知道对于 去锌去镉有无影响,所以都比较加与不加 2 个位级;沉淀剂过去一直用 Na2CO3,但考虑到 邻近厂有大量的 NaOH 废液,因此需要考察一下 NaOH 能否取代 Na2CO3。 (3)选用正交表 L8(41× 4)正交表可以安排 1 个 4 位级因素和 4 个 2 位级因素,与本例 2 正好相符,因此选用该表。 (4)填写试验计划表,并按此表进行试验按表中规定的顺序填写各因素和位级,试验结 果也填入表中,见表 1-12。 (5)试验结果分析 在本试验中考核指标有两个(含锌量和含镉量) ,这样的指标是无法比较的,必须将它们转 化为一个共同的指标, 才能比较方案的优劣。 为此采用综合评分的方法将两个指标合并为一 个综合评分指标。
表 1-12 废水处理试验计划和结果分析表

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①直接观察。在废水处理的目标中,要求含锌量和含镉量越低越好,因此,指标值越小 说明方案越好。通过观察不难发现,第 8 号试验的指标最低,所以它就是较优方案,其位级 组合为 A4B2ClD2E1。 观察中还可以发现,第 5,6,7,8 号试验的结果明显比第 1,2,3,4 号试验的结果好, 而这 4 个试验中惟一相同的因素是 NaOH,这表明完全可以用 NaOH 废液取代 Na2CO3 作沉 淀剂,并使处理成本降低。 ②一般计算分析。 计算每列因素相同位级的综合评分之和及平均值的方法与同位级正交 表的处理完全相同,但要特别注意的是,A 因素有 4 个位级,因此每个位级只有 2 个数据相 加(共 8 次试验) ;而 B、C、D、E 等因素只有 2 个位级,因此每个位级有 4 个数据相加。 在计算平均值的时候也要注意它们的差别。 A 因素 1 位级之和 K1=2.08+0.95=3.03,1 位级平均值 K 1 =3.03÷ 2=1.515 A 因素 2 位级之和 K2=1.76+0.80=2.56,2 位级平均值 K 2 =2.56÷ 2=1.280
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A 因素 3 位级之和 K3=1.42+0.63=2.05,3 位级平均值 K 3 =2.05÷ 2=1.025 A 因素 4 位级之和 K 4=1.60+0.53=2.13,4 位级平均值 K 4 =2.13÷ 2=1.065 再对 B 因素进行计算 B 因素 l 位级之和 K1=2.08+1.60+0.63+0.80=5.11,l 位级平均值 K 1 =5.1l÷ 4=1.278 B 因素 2 位级之和 K2=1.42+1.76+0.95+0.53=4.66,2 位级平均值 K 2 =4.66÷4=1.165 其余因素的计算方法与 B 因素相同。将这些计算结果填入表格中的相应位置就得到表 1-12 的结果。 对表 1-12 进行分析,可以得到以下两个结论: a.最优方案的位级组合为 A3B2ClD1E1 b.关键因素:沉淀剂; 重要因素:pH; 一般因素:凝聚剂; 次要因素:CaCl2 和废水浓度。 ③考察位级趋势, 探寻可能更优方案。 混合位级正交试验中考察位级趋势与同位级正交 试验完全相同。本例只有 pH 这一因素有 4 个位级,可以进行趋势分析,其他因素都只有 2 个位级。无法进行考察。

图 1-12 因素 pH 的位级趋势图

从图 1-12 可以看出,当 pH 为 9~10 之间时,对应的综和评分值是最低的,废水处理的 效果最好,因此可以基本确 定 pH 为 9~10 之间是最优位级。从本次试验的结果来判断,没 有更优方案。 1.3.3.3 多指标试验的结果分析(综合评价) 在正交试验中,经常会遇到考核指标不止一个的情况这种试验就称为多指标试验。如, 废水处理中有含锌量和含镉量两项指标;在洗涤剂的生产中有洗涤效果和生产成本两项指 标。这时就要兼顾各项指标,找出综合评价最好的试验条件。 综合评价的基本思想就是将多指标转换成单指标, 使每个试验的结果都具有可比性, 从 而判断各组试验条件的优劣。 常用的综合评价方法有排队综合评分法、 加权综合评分法和综
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合平衡法。 (1)排队综合评分法 当考核的各项指标的重要程度大致相当时,可用排队综合评分法。它的具体做法是,将 每一项指标中最好的指标值定为满分(可用 5 分制、10 分制或 100 分制) ,其他指标值就按 与优秀指标的差距进行扣分, 这样就可以得到每一项指标的一系列分值。 然后把每次试验的 各个指标的分值相加, 就得到了每次试验的综合分值。 最后用综合分值计算各因素的相同位 级之和及平均值,并以此作为分析考察的依据。 例 1.4:洗涤剂配方试验 某厂想改进合成洗涤剂的配方,目标是提高洗涤剂的去污力,同时降低生产成本。经 过 分析和筛选,确定考察 4 个因素(原料)是 LAS、AEO、小苏打和小苏打和三聚磷酸钠 (简称五钠) ;设置的两项考核指标是去污值(%)和配方成本(元/t) 。见表 1-13。
表 1-13 因素位级表 AEO/% 位级 A 1 2 3 1.5 2.5 3.5 B 19 21 23 C 2.5 2.0 3.0 D 16 12 14 LAS/% 小苏打/% 五钠/%

选用 L 9(34)正交表安排 9 次试验,见表 1-14。
表 1-14 试验计划表 AEO/% 试验号 A 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 2 2 2 3 3 3 1.5 1.5 1.5 2.5 2.5 2.5 3.5 3.5 3.5 1 2 3 1 2 3 1 2 3 B 19 21 23 19 21 23 19 21 23 1 2 3 2 3 1 3 1 2 C 2.5 2.0 3.0 2.0 3.0 2.5 3.0 2.5 2.0 1 2 3 3 1 2 2 3 1 D 16 12 14 14 16 12 12 14 16 LAS/% 小苏打/% 五钠/%

按计划进行 9 次试验,结果如表 1-15 所示(因素列省略) 。
表 1-15 洗涤剂试验综合评分表(排队综合)

试验号

考核指标及得分 32

总和得分

去污值/% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 23 21 23 25 23 26 25 24 27

去污得分 2 0 2 6 2 8 6 4 10

配方成本/元 592.3 548.8 608.8 585.0 645.0 601.6 581.5 632.5 692.5

成本得分 7.5 10 6 7.6 3.6 6.5 7.8 4.4 0.4 9.5 10 8 13.6 5.6 14.5 13.8 8.8 10.4

注:去污值最高为 27%,给 10 分,以下每低 1%扣 2 分;配方成本最低为 548.8 元,给 10 分,每高出 15 元扣 1 分。当然这种扣分的标准不是十分严格的,只要按一定比例就可以了,最后得到的综合评分必然 能够反映各种试验条件的相对优劣。

从评分表中可以看出,第 6 组试验效果最好,而第 7 和第 4 组的效果也相当不错,可 以从中进行选择。如果有必要,还可以进一步做计算分析或画出位级趋势图,寻找可能存在 的最优方案和更优方案。 (2)加权综合评分法 当各项考核指标的重要程度不同时,应采用加权综合评分法。 加权综合评分法的基本思想是,关键的、重要的指标在综合评分中所占的比例应该比 一般指标来得大, 以充分体现出它的重要性。 但一般指标在综合评分中也应占有一定的位置, 不能用对关键指标或重要指标的单一评价代替它们。指标的重要程度体现在它的权重系数 上,指标越是重要,权重系数就越大;反之,就越小。至于大多少,完全取决于试验者的认 识和经验。 加权综合评分法的具体做法是, 先按排队综合评分法给每一个指标评分, 然后根据各项 指标重要程度不同分别加权。 最后把这些加权后的分数依次相加, 就得出了加权综合评分法 的综合分数。再通过对这些综合分数的计算(求各因素的位级和、平均值、极差)比较,即 可确定较优方案、最优方案和可能的更优方案。这种方法就称为加权综合评分法。 仍以洗 涤剂试验为例来进行说明。 如果认为成本比去污效果更重要, 就可以确定配方成本是重要指标, 去污值是次要指标, 这样也就可以确定配方成本的权重系数为 2,去污值的权重系数为 1。在计算综合评分时, 按下式进行计算: 去污值得分× 1+成本得分× 2=综合得分 计算结果如表 1-16 所示。
表 1-16 洗涤剂试验综合评分表(加权综合) 33

考核指标及得分 试验号 去污值/% 23 21 23 25 23 26 25 24 27 去污得分 2 0 2 6 2 8 6 4 10 配方成本/元 592.3 548.8 608.8 585.0 645.0 601.6 581.5 632.5 692.5 成本得分 7.5 10 6 7.6 3.6 6.5 7.8 4.4 0.4 综合评分

1 2 3 4 5 6 7 8 9

17.0 20.0 14.0 21.2 9.2 21.0 21.6 12.8 10.8

从上表中可以发现,得分最高的是第 7 组试验,而第 4 和第 6 组试验也相当不错。这 3 组试验也是排队综合评分法中选出的比较好的方案, 但不同的是较优方案由第 6 组变成了 第 7 组。同时值得关注的是第 2 组试验,它的洗涤效果最差,却由于成本最低而名列第 4。 这就充分表明,指标的权重是至关重要的,在进行正交试验的指标分析时应慎重对待。过于 强调重要指标,有可能导致错误的结论。 (3)综合平衡法 综合平衡法是分别把各个指标单独进行分析,根据它们各自的极差确定各因素的重要程度 和最优位级组合,然后进行综合比较得出多指标的最优方案。 还以洗涤剂试验为例来进行说明。 根据表 1-17 分别计算两个指标的相同位级之和(K 值)与极差。由于这是同位级的正 交试验,所以极差计算可以直接用 K 值,而不用平均值 K。计算结果如表 1-18 所示。
表 1-17 洗涤剂试验的指标与结果 因素 试验号 AEO/% A 1 2 3 4 5 6 7 1 1 1 2 2 2 3 1.5 1.5 1.5 2.5 2.5 2.5 3.5 1 2 3 1 2 3 1 LAS/% B 19 21 23 19 21 23 19 1 2 3 2 3 1 3 小苏打/% C 2.5 2.0 3.0 2.0 3.0 2.5 3.0 1 2 3 3 1 2 2 五钠/% D 16 12 14 14 16 12 12 23 21 23 25 23 26 25 592.3 548.8 608.8 585.0 645.0 601.6 581.5 考核指标 去污值/% 去污得分

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8 9

3 3

3.5 3.5

2 3

21 23

1 2

2.5 2.0

3 1

14 16

24 27

632.5 692.5

表 1-18 洗涤剂试验各因素的极差计算表 指标 因素 K1 K2 K3 R A 67 74 76 9 去污值/% B 73 68 76 8 C 73 73 71 2 D 73 72 72 1 A 1750 1832 1907 157 配方成本/元 B 1759 1826 1903 144 C 1826 1826 1835 9 D 1930 1732 1826 198

从表 1-18 中可以看出: ①对于去污值这一指标,因素的主次关系为:

最优位级的组合为 A3B3C1(2)Dl(数值越高越好) ②对于配方成本这一指标,因素的主次关系为:

最优位级的组合为 A1B1C1(2)D2 (数值越低越好) 下面进行综合平衡: 因素 A 对去污值是关键因素,对成本是重要因素,故取 A3; 因素 B 对去污值是重要因素,对成本是一般因素,故取 B3; 因素 C 对去污值和成本都是次要因素,而且在两种情况下都取 C1,故仍取 C1; 因素 D 对去污值是次要因素,对成本是关键因素,故取 D2; 由此分析得到最后的综合平衡的最优方案是 A3B3C1D2。 以上介绍了三种用于多指标正交试验结果分析的方法, 它们分别是排队综合评分法、 加 权综合评分法和综合平衡法。在今后的实际工作中,可以根据具体问题适当地加以选用。对 于单指标试验来说是不需要使用这些方法的。 特别指出的是,在前面所讨论的所有例子中,仅考虑了每个因素的单独作用,没有考虑 各因素间的相互影响。在许多情况下,不仅各个因素在单独起作用,而且因素之间有时会联 合起来影响某一指标,这就是因子间的交互作用。由于这部分内容较为复杂,在这不作以介 绍。 1.3.3.4 有关正交试验设计的几点说明 ①按正交设计法进行试验首先要进行表头设计, 即按照数理统计原理安排实验点, 以达 到尽量减少实验次数的目的。正交设计并不能代替实验本身,实验结果正确与否非常重要,
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否则数据处理后就会造成误判,无法得出正确的结论。对于个别异常的实验结果,必要时应 进行验证。 ②结论只适用于该轮试验所取因素和位级的实验范围,不能盲目外推。 ③正交设计法中因素和位级的选取, 对能否快速找到最佳实验条件至关重要。 位级间隔 选取太小,结果相似,而且易受实验系统误差的影响,不能真正分辨实验条件的差异;位级 间隔选取太大,又会失去其代表意义。因素的个数选得太少,往往会丢失主要影响因素,得 不出正确结论;因素数选得太多,实验次数会成倍增加,势必造成人力和物力的过重负担, 再加上因素间可能存在的交互影响,往往使实验结果难以分析判断,甚至造成误判。因此, 因素和位级的选取,在很大程度上取决于实验者的专业知识和经验。 ④对于一些复杂的试验或从未做过的试验, 往往需要通过多轮试验才能解决问题, 而不 应指望只用一轮正交试验就完全实现所有目标。通常的方法是,先选取 2~5 个因素,并在 间隔适当的 2~3 个位级上,利用简单的 L4(23) 8(27)或 L9(34)正交表分批安排实验。 、L 通过对其结果的分析,确定比较重要的因素,筛除无影响或影响较小的因素,然后再认真确 定下一轮的正交试验方案。

1.4 化学品小试开发流程
1.4.1 化学品开发的基本原则 1.4.1.1 市场需求性 市场需求是化学品开发的源泉,企业开发新产品必须适应市场要求,具有社会适用性, 让广大消费者满意。这样开发出来的化学品才会有较强的市场竞争力,相反,任何产品无论 多么好,若市场不需要,就失去了其存在的价值,即使一时得利,最终也会走向失败。所以, 企业开发化学品应把市场需求作为第一基本原则。 1.4.1.2 政策可行性 化学品开发必须遵循国家颁布的产业政策以及多项技术经济政策。 如能源政策, 要节油、 节电、节煤;环保政策,对环境污染要小,不能超过国家有关的环保指标;还有替代进口政 策、计量标准、卫生标准等等。否则辛辛苦苦开发产品不能应用,前功尽弃,损失惨重。 1.4.1.3 技术适宜性 开发化学品在技术上要有创新精神,立足于赶超国内外先进位级,只有技术上有优势, 才能在产品质量上胜人一筹。同时又要切合实际,实事求是,量力而行。我国经济实力弱, 在化学品开发方面起步晚,与发达国家相比有一定的差距。因此,在开发工作中要充分发挥 资源优势、技术优势。在结构上,要求与老产品有相似性,确保一定量的继承系数,有利于

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利用工人现有的操作技术。在工艺上,力求与老产品有相近性,保证新老产品之间在工艺上 的继承性,充分利用现有的设备条件和技术优势。 1.4.1.4 质量的可靠性 质量是产品的生命,只有保证开发的化学品质量可靠、性能优越,才能顺利实现其使用 价值, 才能保证消费者的利益, 保证化工生产的顺利进行。 一旦失去了质量的可靠性的原则, 企业失去信誉,失去市场,最终企业将难以生存。 1.4.1.5 经济合理性 开发化学品既要技术上先进,又要经济上合理。要以尽可能少量的人力、物力和财力的 消耗,去获得较大的产品开发的成果,包括开发费用少、所开发的化学品成本低廉等等。立 足于少投资,从内涵挖掘潜力,在化学品开发的全过程精打细算、节约开支,做好化学品开 发过程中的技术经济评价。否则,将得不到好的经济效果,这样的开发也就失去了意义。 1.4.1.6 “三化”先进性 产品“三化”是指标准化、系列化、通用化,这“三化”是现代化学工业生产的一项重要技 术。特别是销往国外的化工产品,更要注意国际标准,这是与国际接轨的一个重要方面。 1.4.2 化学品开发的一般程序 做任何事情都要有一个科学、合理的程序,化学品开发更是如此。化学品开发的程序并 没有固定的模式,一般通常按各步骤所需的工作来划分。大致分为探索研究、过程研究和工 程研究三个相互关联的阶段。参见图 1-13。

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图 1-13 化学品开发一般程序图

图 1-13 所示内容只代表一个大致过程,并非每个开发过程都必须这样,常常有些步骤 之间有一定程度的重叠和交叉。同时,文献检索工作一直贯穿整个开发过程的始终。本书主 要涉及放大研究之前的内容。 1.4.3 选题和立项 选准一个好的课题, 对化学品开发至关重要。 化学品的开发过程是不断提出问题和解决 问题的过程,进行任何一项研究开发,首先都必须选择并确定研究的中心问题。科研选题是 化学品研究与开发的起点,集中体现着选题者的科学思维,理论认识,实践能力以及要达到 的预期结果。因此,它是整个开发过程中的带有根本性、战略性的一步。 1.4.3.1 课题的来源 ①计划课题 计划课题是由国家有关部委、 省市地区科委等部门经专家建议和验证, 进行必要规划而 制定的研究课题。 例如, 跟踪赶超世界高科技的“863”项目, 国务院制定的有关工业领域的“火 炬计划”项目,农业领域的“星火计划”项目。这些项目规定的任务都是十分明确的,带有指 令性或指导性,要求按计划完成课题。计划课题通常称为纵向项目。 ②企业委托课题
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企业根据自身发展需要和生产中面临的技术难题, 往往向科研单位提出一些实用性非常 强的课题,委托开发。通常称为横向项目。这类项目的目的和指标就更为具体。 ③自选课题 自选课题是研究人员根据文献调查和社会调查提出的,在未能申请立项列入国家主管 部门计划以前,自筹经费进行的项目。 形式上自选课题与计划课题截然不同,但计划课题的形成,也是通过选题、论证才确 定 的。只要选题选得好,自选课题也可以通过一定程序成为计划课题。 1.4.3.2 选题基本原则 科研选题遵循的基本原则为:服务性原则、创造性原则、科学性原则和可行性原则。化 学品开发的选题也同样遵循上述原则。同时,特别要强调以下几点。 ①选题应注意合法性选题应注意道德,保证在国家法律、法规允许范围内,符合国家 方针政策,科技规范和主管部门指令。不得选择国家明令禁止的,对人类健康和环境造成危 害以及国民经济中低位级重复建设项目。 而对国家有关部门经常公布一些项目的申请指南要 引起重视,这类属于国家政策指导性开发研究项目,往往与国民经济发展有关,因而较易获 准立项。 例如,原化工部确定要将我国化工产品精细化率提高到 50%左右,因此,精细化工是 符合国家方针政策的项目。为了解决所谓“白色污染”问题,塑料的再生以及可天然降解的高 分子材料的研究,均是符合国家环境保护基本国策的。 ②选题应针对市场需要。 科技成果转化率低的重要原因之一是科研与市场需要脱节。 只 有针对市场需要,所取得科研成果才能迅速转化,获得经济效益。 ③选题应考虑合理的原料路线。 化工生产往往可以采取不同的原料路线。 正是这种原料 和工艺的多方案性, 给开发工作者提供了一个大显身手的舞台。 化学品开发的最终目的是投 入生产,一个化工生产装置建成后,其专用性很强,如果原料来源中断或受限制,就会变成 无米之炊。 因此, 选题时就要充分考虑所需原料供应的可靠性、 合理性及采用不同原料路 线 可达到的技术指标。 ④选题应有经济观点。项目有无经济效益,是判断化学品开发能否进行,能否取得成果 的硬指标。因此,应将经济观点提前介入选题立项之中,才能更好地满足市场经济对化学品 开发工作的要求。 综上所述, 化学品开发过程中, 正确选题是有效开展化学品开发工作首要和关键的一环。 1.4.3.3 课题立项的论证和申报 在进行资料查阅和市场调查与预测的基础上, 若认为所开发的技术能带来显著经济效益 或重大的社会效益,或所开发的化学品市场机会极好或好,才值得投资进行研究与开发。 化学品开发的立项报告应包括如下主要内容。 ①项目名称,编写单位、编写人、编写时间。

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②项目背景,包括开发工作目的和意义,国内外概况,发展前景,项目对科技发展、 经济发展的作用和影响。 ③研究内容,包括反应原理,反应影响因素,工艺流程探讨,单元操作及设备,原料 规格,来源,消耗定额及预处理等,产品质量标准,分析方法,副产物及三废,技术关可能 存在的问题和准备采取的措施。 ④市场预测,项目社会效益,环境评估,推广前景。 ⑤开发经费总额及用途分栏预算。 ⑥研究单位的基本情况,工作基础,工作条件,技术优势及协作单位等情况。 ⑦项目进度,完成时间及有关措施等。 由于产品尚未开发, 许多基本工程资料缺乏, 开题报告或开题评价中的可行性论证所估 计的产品成本及市场销售潜力包含有许多不确定因素。因此,这种报告是粗略的,其精度 要 求在± 30%以内。 1.4.4 成果保护——知识产权 1.4.4.1 什么是知识产权 知识产权(Intelligence property)是法律赋予人们对脑力劳动创造的精神成果所享有的 权利。它的实质是将特定人通过创造性劳动所取得的知识成果或精神成果视为发明人、创 造 (著)者的财产,而其所有人有依法支配其财产的权利。知识产权制度鼓励一切智力创 造向 社会公开,而社会对公开的成果予以保护,并承认创造者对创造对象在一定期限内拥 有专有权,可以像有价的财产一样继承、转让。世界上受保护的知识产权有: (1)工业产权 工业产权包括专利权和标记使用权。 ①专利权。发明专利、实用新型专利、外观设计专利权; ②标记使用权。商标、商号、货源标记、服务标记的使用权。 (2)版权 包括著作权、音像制品专有权、计算机软件保护权。 1.4.4.2 如何申请专利 (1)我国专利法保护三种类型 ①发明专利。它是发明人利用自然规律,为解决某一技术问题而提出的解决方案。 ②实用新型专利。 它是比发明专利要求条件稍低的一类发明, 有的国家称为小发明或小 专利。 ③外观设计专利。它是指对产品的形状、图案、色彩或其结合做出的富有美感并适于工 业上应用的新设计。外观设计专利的有效期限为 10 年。

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(2)授予专利的条件 我国专利法规定:授予专利权的发明和实用新型,应当具备新颖性、创造性和实用性。 ①新颖性 专利法规定:新颖性是指在申请日以前没有同样的发明或者实用新型在国内外出版物 上公开发表过、在国内公开使用过或者以其他方式为公众所知。 ②创造性 专利法规定:创造性是指与申请日以前已有的技术相比,该发明有突出的实质性特点 和显著的进步。该实用新型有实质性特点和进步。 ③实用性 专利法规定:实用性是指该发明或实用新型能够制造或使用,并能产生积极效果。 (3)专利的申请和审批 ①专利的申请 发明人有了发明创造后,须按照法律规定,向专利局提出申请。专利局进行调查,对符 合规定的申请,按一定程序和要求办理批准、颁发专利证书,该项发明才得到承认和保护。 按专利法规定, 专利申请人必须以书面形式提出申请, 并提供专利请求书、 专利说明书、 权利要求书等申请文件。 由于专利申请一旦获准后, 上述申请文件即成为具有法律效率的文 字和图表,因此,对这些文件的形式和内容均有严格的规定和要求。 ②专利的审批制度 不同的国家、同一国家对不同类型的专利,采取如下不同的审批 制度。 a.审查制 形式审查制通过登记审查申请案是否按照法律手续、申请文件是否齐 备、填写是否符 合要求即可。其优点是简便、无须大量专业人员审查。缺点是不能保证专利员量。 b.质审查制 实质审查制要求在通过形式审查后, 再对申请进行严格的技术审查。 即靠技术专家作为 专利审查员对申请案的新颖性、创造性、实用性进行审查,并确定是否达到规定要求。其优 点是批准的专利质量高。缺点是需要大量的高位级的审查人员,且由于审查费时、费功,造 成申办时间长。 c. 延时审查制 为综合以上两种制度的优点,取长补短,许多国家采用“早期公开、延时审查”制度。其 做法是将通过形式审查的申请及早公开,从公开到颁发证书之间一段时 间采取临时保护, 他人可以有偿使用,公开后一段时间再根据申请人要求,决定是否进入实质性审查。 ③我国专利审批制度 我国对实用新型专利和外观设计专利采取形式审查制,对发明专利则采取延时审查制。 原则是“早期公开、延时审查加异议审查”。据我国专利法,发明专利申请初步审查合格后,

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自申请日起 18 个月内予以公告,也可应申请人要求提前公告。自申请日三年内,根据申请 人随时提出的请求,进行实质审查,也可由专利局自动进入实质审查:超过 3 年不请求进入 实审的申请案,视为撤回。 此外,需要指出的是:专利申请号、专利公开号、专利号三者的意义并不相同,专利申 请和专利公开尚未形成专利,将非专利产品冒充专利产品会受到法律制裁。 向专利局申请专利, 要提交一些文件, 必需提交的文件有请求书、 说明书、 权利要求书、 说明书摘要。必要时,应提供说明书附图。还有一些附加文件,视必要及时提供,书写专利 申请文件与书写研究报告、学术论文、产品说明书等有很大差别,它是一项技术性、法律性 很强的工作。 一般技术人员要经过几次申请专利的尝试, 才可以逐渐熟悉这项工作。 开始时, 也可委托专利代理人来完成。 专利请示书系一张表格,仅需按要求填写即可。说明书摘要在说明书完成后,也能很方 便地写出。重要的是权利要求书与说明书的撰写。 (1)权利要求书的撰写 专利是对发明的一种专有的权利。 申请专利对发明人来说是以公开技术来换取保护的权 利。权利要求书就是要求确立保护的范围。所以写好权利要求书至关重要。 我国专利法实施细则第二十条规定:权利要求书应当说明发明或者实用新型的技术特 征,清楚和简要地表述请示保护的范围。 根据《实施细则》第二十三条规定:从属权利应当按照下列规定撰写。 ①引用部分。写明被引用的权利要求的编号,如有可能可将编号写在句首; ②特征部分。 写明发明或者实用新型附加的技术特征, 对引用部分的技术特征作进一步 限定。 (2)说明书的撰写 我国专利法规定:说明书应当对发明或者实用新型做出清楚、完整的说明,以所属技术 领域的技术人员能够实现为准,必要时,应当有附图。摘要应当简要说明发明或者实用新型 的技术要点。 说明书的内容与结构,专利法实施细则第十八条有明确规定。 发明或实用新型专利申请的说明书, 除发明或者实用新型的性质需用其他方式和顺序说 明的以外,应当按照下列顺序撰写。 ①发明或者实用新型的名称,该名称应当与请求书中的名称一致; ②发明或者实用新型所属技术领域; ③就申请人所知, 写明对发明或者实用新型的理解、 检索、 审查有参考作用的现有技术, 并且引证反映该项技术的文件; ④发明或者实用新型的目的; ⑤清楚、 完整地写明发明或者实用新型的内容, 以所属技术领域的普通技术人员能够实

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现为准; ⑥发明或者实用新型与现有技术相比所具有的优点或者积极效果; ⑦如有附图,应当有图面说明; ⑧详细描述申请人认为实现发明或者实用新型的最好方式, 有附图的应当对照附图。 发 明或者实用新型说明书可以有化学式或数学式,但不得有商业性宣传用语。全文不超过 200 个字为宜。 知识点考核 1、重结晶法提纯固体有机化合物,有哪些主要步骤?简单说明每步的目的。 2、重结晶所用的溶剂为什么不能太多,也不能太少?如何正确控制溶剂量? 3、活性炭为什么要在固体物质全溶后加入?又为什么不能在溶液沸腾时加入? 4、在活性炭脱色热抽滤时,若发现母液中有少量活性炭,试分析可能由哪些原因引起 的?应如何处理? 5、停止抽滤后,发现水倒流入吸滤瓶中去,这是什么原因引起的? 6、蒸馏和分馏在原理、装置上有哪些不同? 7、分馏时从分馏柱顶的蒸馏头上口加入物料可以吗?为什么? 8、一般什么情况下采用减压蒸馏? 9、减压蒸馏操作应注意哪些事项? 10、液体萃取操作时应注意哪些事项? 11、 现有一个正交试验任务, 确定的因素位级表中有 1 个 4 位级因素和 3 个 2 位级因素, 选用什么样的正交表合适?

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引领项目:

项目二、表面活性剂十二烷基苯磺酸钠的制备(磺化)
学习目标及要求 ? 知识目标: 1、了解磺化反应的定义和分类 2、掌握磺化反应特点和影响因素 3、掌握磺化不同的反应装置以及操作和使用要点 4、掌握十二烷基苯磺酸钠的合成路线及合成过程中的安全环保知识,掌握产品的鉴定 方法。 ? 能力目标: 1、能够根据项目任务,选择原料,并详细记录原料的物性参数。 2、能够根据试验条件要求选用合成实验装置与辅助设备、仪器。详细记录设备规格、 材质、适用范围与指标。 3、能够根据修订后的试验方案进行合成实验,控制合成条件最终制备出产品。 4、能够运用相关仪器对产品进行质量评价。 5、能够处理小试过程中的危险和异常情况。 工作任务描述: 表面活性剂十二烷基苯磺酸钠的制备任务书 项目名称 任务描述 执行标准 组织形式 提交材料
1、 十二烷基苯磺酸钠调研报告 2、 十二烷基苯磺酸钠制备方案 3、 十二烷基苯磺酸钠合成报告 实验室制备十二烷基苯磺酸钠 制备 12.5g 十二烷基苯磺酸钠,实验室完成,产品为白色淡黄色粉末,收率 50%以上 参见相关标准 小组完成

进度要求

3 个工作日

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2.1 认识十二烷基苯磺酸钠
2.1.1 产品性能 商品名称:LAS 化学名称:十二烷基苯磺酸钠 英文名称:sodium dodecyl benzene sulphonic acid 分子式: C18H29NaO3S 相对分子质量:348.48 结构式:

物理性质:白色或淡黄色粉末,无臭,易溶于水,易吸潮结块,无毒。 化学性质:十二烷基苯磺酸钠是中性的,对水硬度较敏感,不易氧化。在较宽的 pH 范 围内比较稳定。对酸、碱水解的稳定性好。 2.1.2 主要用途 十二烷基苯磺酸钠中性,对水硬度较敏感,不易氧化,起泡力强,去污力高,易 与各种助剂复配,成本较低,合成工艺成熟,应用领域广泛,是 非常出色的阴离子表 面活性剂。十二烷基苯磺酸钠对颗粒污垢,蛋白污垢和油性污垢有显著的去污效果, 对天然纤维上颗粒污垢的洗涤作用尤佳,对蛋白污垢的作用高于非离子表面活性剂, 且泡沫丰富。 十二烷基苯磺酸钠已被国际安全组织认定为安全化工原料,可在水果和餐具清洗 中应用。十二烷基苯磺酸钠在洗涤剂中使用的量最大。在洗涤剂中使用的烷基苯磺酸 钠有支链结构(ABS)和直链结构(LAS)两种,支链结构生物降解性小,会对环境 造成污染,而直链结构易生物降解,生物降解性可大于 90%,对环境污染程度小。由 于直链烷基苯磺酸的盐对氧化剂十分稳定, 可溶于水, 适用于目前在国际上流行的加氧化漂 白剂的洗衣粉配方。 十二烷基苯磺酸钠还可大量用作生产各种乳化剂的原料, 可适量配用于香波、 泡沫浴等 化妆品中;纺织工业的清洗剂、染色助剂;电镀工业的脱脂剂;造纸工业的脱墨剂。 2.1.3 合成原理及工艺 2.1.3.1 反应原理
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主反应

2.1.3.2 合成工艺 (1)传统工艺 十二烷基苯磺酸钠是由十二烷基苯与发烟硫酸或三氧化硫磺化, 再用碱中和制得。 用发 烟硫酸磺化的缺点是反应结束后总有部分废酸存在于磺化物料中。 中和后生成的硫酸钠带入 产品中,影响了它的纯度。目前,工业上大多采用三氧化硫-空气混合物磺化的方法。三氧 化硫可使用 60%发烟硫酸蒸出,或将硫磺和干燥空气在炉中燃烧,得到含 SO3 4%~8%体 积分数的混合气体。将该混合气体,通入装有十二烷基苯的磺化反应器中进行磺化。磺化物 料进入中和系统用氢氧化钠溶液进行中和, 最后进入喷雾干燥系统进行干燥。 得到的产品为 流动性很好的十二烷基苯磺酸钠粉末。在工业生产中,直链烷基苯磺酸盐不是单一的产物, 而是直链烷烃与苯在链中任意点上相连, 产生的不同仲烷基比例的混合物。 商品烷基苯通常 是 C10~C13 烷基的混合烷基苯。在实验室合成训练中,可用硫酸替代 SO3 进行磺化。 (2)最新发展 主要动向有: ①王升文在《化工中间体》杂志 2010 年第 4 期上发表的“新方法合成十二烷基苯磺酸 钠”文章,采用了氨基磺酸作为磺化剂,羧甲基纤维素钠为助溶剂成功合成了十二烷基苯磺 酸钠。所得产品无色、透明、无异味。该工艺具有设备简单,对设备腐蚀性小,反应比落温 和,反应速度易于控制,原料便于运输的优点。 ②专利技术 [87-BG37098] 弱碱化十二烷基苯磺酸钠的制备中指出: 采用重烷基苯作为 原料,使用前需进行精馏切割处理。原料与发烟硫酸、三氧化硫气体或液体三氧化硫,采用 釜式或模式磺化反应,加入工艺水,进行水解,老化。采用发烟硫酸磺化时静置 6-8 小时分 酸。向中和釜添加氢氧化钠溶液,进行中和反应,搅拌,用氢氧化钠调整 pH 值,得到十二 烷基苯磺酸钠。 在上述制得的产品中加入低碳醇和芳香族溶剂等溶剂和非离子表面活性剂得 到弱碱化烷基苯磺酸盐类表面活性剂。 ③ 崔连复等在《高纯度十二烷基苯磺酸钠合成研究》文章中,采用槽式反应器,使用 十二烷基苯为原料、三氧化硫为磺化剂合成十二烷基苯磺酸,对磺化温度、原料配比对产品 质量的影响进行了研究。 确定了制备高纯十二烷基苯磺酸的最佳磺化温度、 最佳原料配比等 工艺参数。 磺化得到的十二烷基苯磺酸用氢氧化钠中和, 制成高纯度高含固量的十二烷基苯 磺酸钠。 ④ 艾热提· 艾合麦在《新疆大学学报》2006 年第 1 期上发表的“实验室合成表面活性剂 十二烷基苯磺酸钠的研究”文章中指出,利用十二烷烃(俗称煤油)在 175℃-230℃的馏分,
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通过磺化,合成工业上常用的表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(A· S· B· Na)的合成步骤,分离 及提纯的方法。 并以十二烷基苯磺酸钠为主要原料配合以地方特色的生物营养剂制作了两种 洗涤剂并对该洗涤剂的配方进行了初步的探讨. 2.1.4 产品指标及分析检测方法 2.1.4.1 十二烷基苯磺酸钠的鉴定检测方法 产品的检测方法最好依照药典或国标上规定的检测方法进行检测, 如无现成的标准, 可 参考相关类似的化合物的检测方法或自行研究开发新的方法。 本项目产品十二烷基苯磺酸钠 无现成国标,可参考以下标准执行检测。 2.1.4.2 十二烷基苯磺酸钠的熔点测定 熔点是固体有机化合物固液两态在大气压力下达成平衡的温度, 常用的测定方法为毛细 管测定法,这种测定方法的特点是操作简单。 熔点是固体有机化合物固液两态在大气压力下达成平衡的温度, 纯净的固体有机化合物 一般都有固定的熔点,固液两态之间的变化是非常敏锐的,自初熔至全熔(称为熔程)温度 不超过 0.5-1℃。 在鉴定某未知物时, 如测得其熔点和某已知物的熔点相同或相近时, 不能认为它们为同 一物质。还需把它们混合,测该混合物的熔点,若熔点仍不变,才能认为它们为同一物质。 若混合物熔点降低,熔程增大,则说明它们属于不同的物质。故此种混合熔点试验,是检验 两种熔点相同或相近的有机物是否为同一物质的最简便方法。多数有机物的熔点都在 400℃ 以下,较易测定。但也有一些有机物在其熔化以前就发生分解,只能测得分解点。 具体方法是,将少许样品放于干净表面皿上,用玻璃棒将其研细并集成一堆。把毛细管 开口一端垂直插入堆集的样品中,使一些样品进入管内,然后,把该毛细管垂直桌面轻轻上 下振动,使样品进入管底,再用力在桌面上下振动,尽量使样品装得紧密。或将装有样品, 管口向上的毛细管,放入长约 50~60cm 垂直桌面的玻璃管中,管下可垫一表面皿,使之从 高处落于表面皿上,如此反复几次后,可把样品装实,样品高度 2~3mm 熔点管外的样品粉 末要擦干净以免污染热浴液体。装入的样品一定要研细、夯实。否则影响测定结果。 放入加热液(硅油) ,剪取一小段橡皮圈套在温度计和熔点管的上部,将粘附有熔点管 的温度计小心地插入加热浴中,以小火加热。开始时升温速度可以快些,当传热液温度距离 该化合物熔点约 10-15℃时,调整火焰使每分钟上升约 1-2℃,愈接近熔点,升温速度应愈 缓慢,每分钟约 0.2-0.3℃。为了保证有充分时间让热量由管外传至毛细管内使固体熔化, 升温速度是准确测定熔点的关键; 另一方面, 观察者不可能同时观察温度计所示读数和试祥 的变化情况, 只有缓慢加热才可使此项误差减小。 记下试样开始塌落并有液相产生时 (初熔) 和固体完全消失时(全熔)的温度读数,即为该化合物的熔距。
注意:熔点测定,至少要有两次的重复数据。每一次测定必须用新的熔点管另装试样,不得将已测过 47

熔点的熔点管冷却,使其中试样固化后再做第二次测定。因为有时某些化合物部分分解,有些经加热会转 变为具有不同熔点的其他结晶形式。

如果测定未知物的熔点,应先对试祥粗测一次,加热可以稍快,知道大致的熔距.待浴 温冷至熔点以下 30℃左右,再另取一根装好试样的熔点管做准确的测定。测熔点时,温度 计上的熔点读数与真实熔点之间常有一定的偏差。熔点测定后,温度计的读数须进行校正。 本项目产品十二烷基苯磺酸钠的熔点为 325-328℃ 2.1.4.3 十二烷基苯磺酸钠的红外光谱鉴定 将合成产物的红外光谱与标准图谱进行对照,即可确认所合成的产物是否为目标产物。

图 2-1 十二烷基苯磺酸钠的红外谱图

图 2-2 十二烷基苯磺酸钠的质谱图

2.1.4.4 十二烷基苯磺酸钠的参考标准

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(1)外观及熔点 白色或淡黄色粉末,熔点 325-328℃。 (2)产品检测标准: 活性物含量检测:GB/T 5173-1995; 表观密度检测:GB/T 13175-1991; 水分检测:GB/T 13176.2-1991; pH 值(25℃,0.1%水溶液)检测:GB/T 6368-1993。 2.1.5 撰写产品调研报告 (格式见附录)

2.2 任务驱动下理论知识
向有机化合物中引入磺酸基(-SO3 H)或其相应的盐或磺酰卤基的反应称磺化或硫酸化 反应。磺化是磺酸基(或磺酰卤基)中的硫原子与有机分子中的碳原子相连接形成 C-S 键 的反应,得到的产物为磺酸化合物。 磺化与硫酸化反应在精细有机合成中具有广泛的应用和重要意义,主要体现在以下几 个方面: (1)向有机分子中引入磺酸基后所得到的磺酸化合物具有水溶性、酸性、乳化、湿润 和发泡等特性,可广泛用于合成表面活性剂、水溶性染料、食用香料、离子交换树脂及药物 等。 (2)通过引入磺酸基可转化为另一官能团化合物的中间产物或精细化工产品,例如磺 酸基可以进一步转化为羟基、氨基、氰基等或转化为磺酸的衍生物:如磺酰氯、磺酰胺等。 (3)有时为了合成上的需要而暂时引入磺酸基,待完成特定的的反应以后,再将磺酸 基脱去。此外,还可通过选择性得磺化对异构体进行分离等。 引入磺酸基的方法通常有四种: (1)有机分子与三氧化硫或含三氧化硫的化合物作用; (2)有机分子与二氧化硫的化合物作用; (3)通过缩合与聚合的方法引入磺酸基; (4)利用含硫的有机化合物进行氧化。其中最重要的是第一种方法,这里主要讨论的 就是此种方法。

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2.2.1 磺化剂 工业上常用的磺化剂有三氧化硫、硫酸、发烟硫酸和氯磺酸。此外,还有亚硫酸盐、二 氧化硫与氯、二氧化硫与氧以及磺烷基化剂等。 理论上讲,三氧化硫应是最有效的磺化剂,因为在反应中只含直接引入 SO3 的过程; R-H + SO3 —→ R-SO3H 使用由 SO3 构成的化合物,初看是不经济的,首先要用某种化合物与 SO3 作用构成磺 化剂,反应后又重新产出原来的与 SO3 结合的化合物。如下式所示: HX + SO3 —→ SO3?HX R-H + SO3?HX —→ R-SO3H + HX 式中:HX 表示 H2O、HCl、H2SO4 等。然而在实际选用磺化剂时,还必须考虑产品的 质量和副反应等其他因素。 因此各种形式的磺化剂在特定场合仍有各自有利的一面, 要根据 具体情况作出选择。 2.2.1.1 三氧化硫 三氧化硫又称硫酸酐,沸点 44.8℃,其分子式为 SO3 或(SO3)n,在室温下容易发生 聚合,通常有表 3-1 所示的三种聚合形式,即有α 、β 、γ 三种形态(见表 2-1) 。在室温下 只有γ 型为液体,α 、β 型均为固态,工业上常用液体 SO3(即γ 型)及气态 SO3 作磺化 剂,由于 SO3 反应活性很高,故使用时需稀释,液体用溶剂稀释,气体用干燥空气或惰性气 体稀释。 SO3 的三种聚合体共存并可互相转化。在少量水存在下,γ 型能转化成β 型,即从环状 聚合体变为链状聚合体,由液态变为固态,从而给生产造成严重的困难,故要在γ 型中加入 稳定剂,如 0.1%的硼酐等。
表 2-1 三氧化硫性质 聚合形式 结构 形态 熔点/℃

γ 型

液态

16.8

β 型

丝状纤维

32.5

α 型

与β 型相似,但包含连续层与层的键

针状纤维

62.3

由于γ 型三氧化硫不稳定,易转化成β 型,所以加入稳定剂硼酸或四氯化碳等。 SO3 作为磺化剂的优点是反应活性高,不产生废酸和水;反应速度极快,几乎在瞬间完 成;反应为放热反应,无需加热;设备容积小,造价低。但是同时也存在着多磺化、氧化及 焦化等副反应的发生,造成后续产物分离的困难。故使用液体 SO3 作为磺化剂时,可用溶剂
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加以稀释,使用气体 SO3 时,可用干燥空气或惰性气体加以稀释。 2.2.1.2 硫酸与发烟硫酸 纯硫酸是一种无色油状液体,将三氧化硫溶于浓硫酸中就得到组成为 H2SO4· 3 的发 xSO 烟硫酸。目前,工业上普遍采用的是浓硫酸和发烟硫酸。 浓硫酸和发烟硫酸作为磺化剂适用范围很广。工业硫酸有两种规格,即 92%~93%的硫 酸(亦称绿矾油)和 98%的硫酸。如果有过量的 SO3 存在于硫酸中就叫做发烟硫酸,发烟 硫酸也有两种规格,即含游离的 SO3 分别为 20%~25%和 60%~65%,这两种发烟硫酸分别 具有最低共熔点-11~-4℃和 1.6~7.7℃,在常温下均为液体。 发烟硫酸的浓度可以用游离 SO3 的含量 C (SO3) (质量分数, 下同) 表示, 也可以用 H2SO4 的含量 C(H2SO4)表示。两种浓度的换算公式如下: C(H2SO4)=100% +0.225 C(SO3) 或 C(SO3)= 4.44(C(H2SO4)-100%) 使用硫酸作磺化剂的特点是副反应少,但反应速率较慢;因为是可逆反应,故硫酸浓度 要足够高,才能促使反应向正反应方向移动,但同时用硫酸磺化又生成大量的水,只要使硫 酸过量,才能保证反应顺利进行,因此会产生大量的废酸。废酸又不能直接排放,必须要用 碱性物质进行中和,从而造成设备容积较大,且由于反应放热量较小,需补充热量,故需较 高的反应温度。 2.2.1.3 氯磺酸 氯磺酸也是一种较常见的磺化剂,磺化的活性极高,它可以看作是 SO3?HCl 络合物, 其凝固点为-80℃,沸点为 152℃,达到沸点时则离解成 SO3 和 HCl。用氯磺酸磺化可以在室 温下进行,反应不可逆,基本上按化学计量进行。氯磺酸主要用于芳香族磺酰氯、氨基磺酸 盐以及醇的硫酸化。 此外,硫酰氯与氨基磺酸也可用作磺化剂。硫酰氯是由二氧化硫和氯化合而成,氨基 磺酸是由三氧化硫和硫酸与尿素反应而得。 它们通常是在高温无水介质中应用, 主要用于醇 的硫酸化。SO2 同 SO3 一样也是亲电子的,它可以直接用于磺氧化或磺氯化反应,不过它的 反应大多数是通过自由基反应。亚硫酸根离子作为磺化剂,其反应历程属于亲核取代反应。 表 2-2 列出了对各种常用的磺化与硫酸化试剂的综合评价。
表 2-2 各种常用的磺化与硫酸化试剂的综合评价

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2.2.2 磺化反应原理 芳烃系列化合物的磺化主要使用硫酸、 发烟硫酸或三氧化硫来进行。 其进行的磺化反应 是典型的芳香族亲电取代反应。 2.2.2.1 磺化反应的活泼质点 硫酸是一种能按几种方式离解的液体,不同浓度的硫酸有不同的离解方式。

发烟硫酸也可按下式离解:

磺化反应的活泼质点以硫酸、 发烟硫酸或三氧化硫作为磺化剂进行的磺化反应是典型的 亲电取代反应。磺化剂自身的离解提供了各种亲电质点,如 100%硫酸能按下列几种方式离
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解:

若在 100%硫酸中加入少量水时,则按下式完全离解:

因此硫酸和发烟硫酸是一个多种质点的平衡体系。其中存在着 SO3、H2S2O7、H2SO4、 HSO3+ 和 HSO4


等亲电质点,实质上它们都是不同溶剂化的 SO3 分子,都能参加磺化反

应,其含量随磺化剂浓度的改变而变化。在发烟硫酸中亲电质点以 SO3 为主;在浓硫酸中, 以 H2S2O7(即 H2SO4· 3)为主;在 80%~85%的硫酸中,以 H3SO4+ (即 H3+ 3O· 3) SO SO 为主,在更低浓度的硫酸中以 H2SO4(即 H2O· 3)为主。各种质点参加磺化反应的活性差 SO 别较大,在 SO3、H2S2O7、H3SO4+ 三种常见亲电质点中,SO3 的活性最大,H2S2O7 次之, H3SO4+ 最小,而反应选择性则正好相反。 2.2.2.2 磺化反应历程 十二烷基苯的磺化反应是典型的芳环上的亲电取代反应, 芳环进行磺化时的亲电取代反 应分两步进行,即 (1)亲电质点进攻芳烃生成δ 络合物。

(2) 脱质子

当在稀硫酸(浓度大约为 80%-85%)中,速率控制步骤为δ 络合物反应(没有同位素 效应) ;当在浓硫酸或发烟硫酸中进行磺化反应时,脱质子过程为反应速率的控制步骤(有 同位素效应) 。 必须注意,当苯环上带有长链烃基的物质进行磺化时,不能用硫酸作磺化剂,因为烷基 化反应是可逆反应,会发生脱烷基反应。此时,硫酸既是磺化剂又是烷基化反应的催化剂。 2.2.3 磺化反应的影响因素 2.2.3.1 十二烷基苯的性质 十二烷基苯为无色无臭的液体,不溶于水,易溶于有机溶剂,熔点-7℃,沸点 288℃,
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密度为 0.856 g/ cm 3 ,折射率 1.4824。 芳烃的结构及性质对磺化的难易程度有着很大影响。 通常, 饱和烷烃的磺化比芳烃的磺 化困难得多;而芳烃磺化时,如其芳环上带有供电子基,则邻、对位电子云密度高,有利于 σ 络合物的形成,磺化反应较易进行;相反,若存在吸电子基, 则反应速度减慢,磺化困难。 在 50~100℃用硫酸或发烟硫酸磺化时,含供电子基团的磺化速度按以下顺序递增: H~Et<Me<Pr<< OEt<OMe<< OH 含吸电子基团的磺化速度按以下顺序递减: H>Cl>>Br~COMe~COOH>>SO3H~CHO~NO2 苯及其衍生物用 SO3 磺化时,其反应速度按以下顺序递减: 苯>氯苯>溴苯>对硝基苯甲醚>间二氯苯>对硝基甲苯>硝基苯 芳烃环上取代基的体积大小也能对磺化反应产生影响。环上取代基的体积越大,磺化 速度就越慢。这是因为磺酸基的体积较大,当芳环上已有的取代基体积也较大,占据了有效 空间,则磺基便难以进入。同时,环上取代基的位阻效应还能影响磺基的进入位置,使磺化 产物中异构体组成比例也不同。 2-3 列出了烷基苯用硫酸磺化的速度大小及异构体组成比 表 例。
表 2-3 烷基苯一磺化时的异构产物生成比例

2.2.3.2 硫酸的浓度与用量 当用浓硫酸作磺化剂时,每引入一个磺基就生成 1mol 水,随着磺化反应的进行,硫酸 的浓度逐渐降低,随着生成的水量逐渐增加,硫酸不断被稀释,反应速度迅速下降,直至反 应几乎停止。因此,对一个特定的被磺化物,要使磺化能够进行,磺化剂浓度必须大于某一 值,这种使磺化反应能够进行的最低磺化剂(硫酸)浓度称为磺化极限浓度。当用 SO3 的质 量百分浓度来表示磺化的极限浓度时,则称此值为磺化π 值。显然,容易磺化的物质其π 值 较小,而难磺化的物质的π 值较大。为加快反应及提高生产强度,通常工业上所用原料酸的 浓度要远大于π 值。表 2-4 列出了各种芳烃的π 值。
表 2-4 列出了各种芳烃的π 值

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水的生成使磺化反应速率下降,当酸的浓度降到一定时,反应停止,这时剩余硫酸称为 “废酸” 。 “废酸”浓度用含 SO3 质量分数表示,称为磺化“π ”值,利用π 值概念可如要定量地 说明磺化剂的开始浓度对磺化剂用量的影响,可按下式求出磺化时的磺化剂用量

式中 χ ——原料酸用量,kg; α——原料酸中含 SO3 质量分数; π——废酸中含 SO3 质量分数; n——引入磺基的个数。 容易磺化的过程“π ”值较小,难磺化的过程“π ”值较大。 例如:苯一磺化时,π 值为 64,易磺化;硝基苯一磺化时,π 值为 82,难磺化。硝基 苯磺化时废酸中硫酸的质量分数超过 100%,必须使用发烟硫酸。 需要指出的是, 利用π 值的概念, 只能定性地说明磺化剂的起始浓度对磺化剂用量的影 响。实际上,对于具体的磺化过程,所用硫酸的浓度及用量以及磺化温度和时间,都是通过 大量最优化实验而综合确定的。 2.2.3.3 磺酸基的水解与异构化 芳磺酸在一定温度下于含水的酸性介质中可发生脱磺酸基的水解反应,即磺化的逆反 应。此时,亲电质点为 H3O+,它与带有供电子基的芳磺酸作用,使其磺酸基水解。 对于带有吸电子基的芳磺酸,芳环上的电子云密度降低,其磺酸基不易水解;相反, 对于带有供电子基的芳磺酸,磺酸基易水解。此外,介质中 H3O+浓度愈高,水解速度越快。 磺酸基不仅可以发生水解反应, 而且在一定条件下还可以从原来的位置转移到其他热力 学更稳定的位置上去,这称为磺基的异构化。由于磺化、水解、再磺化和磺基异构化的共同 作用,使芳烃衍生物最终的磺化产物含有邻、间、对位的各种异构体。随着温度的变化、磺 化剂种类、浓度及用量的不同,各种异构体的比例也不同,尤其是温度对其影响更大。表 2-5 列出了用浓硫酸对甲苯磺化时,反应温度和原料配比对异构产物分布的影响。
表 2-5 用浓硫酸对甲苯一磺化时,反应温度和原料配比对异构产物分布的影响

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2.2.3.4 磺化温度和时间 磺化反应是可逆反应, 正确选择温度与时间, 对于保证反应速度和产物组成是十分重要 的。通常,反应温度较低时,反应速度慢,反应时间长;温度高时,反应速度而时间短,但 同时易引起多磺化、氧化、生成砜和树脂物等副反应。温度还能影响磺基引入芳环的位置, 如表 2-5 所示,对于甲苯一磺化过程,采用低温反应时,则主要为邻、对位磺化产物,随着 温度升高,则间位产物比例升高,邻位产物比例则明显下降,对位产物比例也下降。 十二 烷基苯进行磺化时,几乎只生成对位异构体。 2.2.3.5 添加剂 磺化过程中加入少量添加剂,主要有以下几个方面的作用。 (1)抑制副反应。磺化时的主要副反应是多磺化、氧化及异构体和砜的生成。当磺化剂 的浓度和温度都比较高时, 有利于砜的生成。 在磺化液中加入无水硫酸钠可以抑制砜的生成, 这是因为硫酸钠在酸性介质中能解离产生 HSO4-, 使平衡向左移动。 加入醋酸与苯磺酸钠也 有同样作用。 (2)改变定位。蒽醌在使用发烟硫酸磺化时,加入汞盐与不加汞盐分别得到α -蒽醌磺 酸和β -蒽醌磺酸。此外,钯、铊和铑等也对蒽醌磺化有很好的α 定位效应。又如,萘的高 温磺化,要提高β -萘磺酸的含量达 95%以上,可加入 10%左右的硫酸钠或 S-苄基硫脲。 (3)使反应变易。催化剂的加入有时可以降低反应温度,提高收率和加速反应。例如, 当吡啶用三氧化硫或发烟硫酸磺化时,加入少量汞可使收率由 50%提高到 71%。又如,2氯苯甲醛与亚硫酸钠的磺酸基进行置换反应时,铜盐的加入可使反应容易进行。 2.2.3.6 搅拌 在磺化反应中,良好的搅拌可以加速有机物在酸相中的溶解,提高传热、传质效率,防 止局部过热,提高反应速率,有利于反应的进行。

56

2.3 十二烷基苯磺酸钠的制备方案确定
2.3.1 原料选择 实验所用的原料要求价格低廉、来源方便、毒性小、稳定性好等。
分子量 药品名称 (mol wt) (mL、 mol) g、 正十二烷基苯 (℃) (℃) g / cm 3 (g/100mL) 微溶于冷水 138.12 34.6g -7 288 0.856 易溶于热水 浓硫酸 其它药品 98 35 ml 1.84 易溶于水 用 量 熔点 沸点 密度 水溶解度

氯化钠、10%氢氧化钠溶液

2.3.2 小试设备选择

2.3.3 工艺条件选择 本合成反应共需四步完成:磺化、分酸、中和、盐析。 磺化反应温度:60~70℃;分酸温度: 40~50℃;中和温度:40~50℃ 磺化反应时间:2h 2.3.4 分离方法选择 十二烷基苯磺酸钠粗品中含有少量的硫酸钠杂质和多烷基化产物, 可通过在异丙醇中重 结晶的方法进行精制、纯化。 首先,将粗品在异丙醇中溶解至饱和,然后将含不溶物的溶液趁热过滤,所得滤液冷却 结晶析出完全后抽滤,既得到十二烷基苯磺酸钠纯品。
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如粗产品颜色过深,可在异丙醇溶解时,加入活性炭进行脱色。

2.3.5 质量分析 2.3.5.1 产品质量指标 外观指标:白色或微黄色粉末; 活性物含量:70% ; 表观密度:>0.18 g / cm3 水分:≤ 5.0 %; pH 值 ( 25℃,0.1 %水溶液) :7.0~10.5。 2.3.5.2 产品分析检测 (1)熔点测定:熔点 325℃~ 328 ℃; (2)红外光谱分析、含量测定等参见 2.1.4 产品指标及分析检测方法部分内容。


2.4 产品制备及效果评价
2.4.1 操作步骤流程图

十二烷基苯 浓硫酸

安装装置 升温至 60-70℃

反应 2h

降温至 40-50℃ 加水

分酸

保留有机相

滴加 10%氢氧化钠 中和

加氯化钠 盐析

白色膏状物

重结晶

十 二 烷基 苯 磺酸钠纯品

2.4.2 具体操作步骤 2.4.2.1 磺化 在装有搅拌器、温度计、滴液漏斗和回流冷凝器的 250mL 四口瓶中,加入十二烷基苯 35mL(34.6g) ,搅拌下缓慢加入质量分数 98%硫酸 35mL,温度不超过 40℃,加完后升温 至 60~70℃,反应 2h。

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2.4.2.2 分酸 将上述磺化混合液降温至 40~50℃,缓慢滴加适量水(约 15mL) ,倒入分液漏斗中, 静止片刻,分层,放掉下层(水和无机盐) ,保留上层(有机相) 。 2.4.2.3 中和 配制质量分数 10%氢氧化钠溶液 80mL,将其加入 250mL 四口瓶中约 60~70mL,搅拌 下缓慢滴加上述有机相,控制温度为 40~50℃,用质量分数 10%氢氧化钠调节 pH=7~8, 并记录质量分数 10%氢氧化钠总用量。 2.4.2.4 盐析 于上述反应体系中,加入少量氯化钠,渗圈试验清晰后过滤,得到白色膏状产品。 2.4.2.5 重结晶 将粗品在异丙醇中溶解至饱和, 然后将含不溶物的溶液趁热过滤, 所得滤液冷却结晶析 出完全后抽滤,既得到十二烷基苯磺酸钠纯品。 2.4.3 操作要点 分酸时,温度不可过低,否则易使分液漏斗被无机盐堵塞,造成分酸困难;浓硫酸具有 强腐蚀性,应避免触及皮肤或衣物;反应温度不宜过高,否则将增加副产物(如硫酸钠杂质 和多烷基化产物)的生成。 2.4.4 产品评价 2.4.4.1 合成路线及方案评价 (1) 原料: 在满足合成反应需要的前提下, 要求原料价廉易得, , 便于后续工业化生产。 本项目使用的原料为十二烷基苯、 浓硫酸、 氢氧化钠、 氯化钠等, 均为常见的价廉化工原料。 (2)工艺:本项目实施过程中所采用的工艺条件避免了高温、高压、低温、低真空的 特殊条件,适合中小型精细化工企业的生产特点。 (3)安全:在确保安全生产和操作人员的人身安全前提下,本项目尽可能避免选择易 燃、 易爆、 有毒的原料, 而且制定了详细的安全操作注意守则, 从根本上杜绝了事故的发生。 (4)三废:本项目的具体实施过程的确定,优先考虑了三废排放量少的、后处理较容 易的工艺路线,而且能源消耗,流程的简繁也是重点考虑因素。由于使用的是浓硫酸,故有 一定量的废酸排放。 2.4.4.2 合成操作过程评价 (1)装置搭建完整; (2)装置安装规范; (3)安装调试速度快;
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(4)装置最简化及安全稳固; (5)原料准备充分; (6)原料添加正确; (7)工艺条件控制合理; (8)操作步骤合理有序; (9)装置运行安全; (10)检测设备使用规范; (11)产物性能指标达标程度; (12)设备与场地清理; 2.4.4.3 合成结果评价 (1)产品检测指标的评价: ①产品外观等可视指标是否达标:白色或微黄色粉末 ②产品的熔点等理化指标是否达到要求: 活性物含量:70% ; 表观密度:>0.18 g / cm3; 水分:≤ 5.0 %; pH 值(25℃,0.1 %水溶液) :7.0~10.5。 ③产品红外谱图检测结果是否达标: (2)产品收率评价: ①产品的产率或收率是否达标; ②计算反应的转化率、选择性; ③推算合成反应的效率及产量。 (3)环保及经济评价: ①产品是否最大限度的完全回收: 本项目设计的环节包含盐析和重结晶过程, 可最大限 度回收产品。 ②合成过程使用的原料、溶剂及副产物是否完全回收利用; ③产品的成本及经济效益;因本项目的原料价廉易得,设计成本较低,经济效益较高。 ④反应过程的安全性评价; ⑤三废处理情况环保达标。 2.4.4.4 职业素质 主要包括遵守纪律,工作态度,团队合作精神,文字与语言表述等方面进行评价。

60

2.5 撰写产品合成报告 (报告格式见附录)

自主项目: 对甲苯磺酸钠的制备
本项目要求学生结合对甲苯磺酸钠的制备项目实施过程, 完成磺化单元反应知识目标的 学习和能力目标的掌握。

知识点考核
一、填空题 1、芳环上存在的供电子基对磺化反应起 2、磺化反应中废酸的定义为 3、将 20%的发烟硫酸换算为 SO 3 的浓度是 4、磺化反应中废酸的 л 值越小,磺化反应越 5、磺化产物的分离方法有 、 6、磺化反应是指: 为: 、 、 、 。 ,工业上常用的磺化剂 。 、 进行。 、 作用。 。 。

7、芳烃在稀硫酸中磺化时 二、判断题

为反应速度的控制阶段。

8、甲苯、乙苯、异丙苯、叔丁苯与硫酸进行磺化时,反应速度最慢的是 1、芳环上带有吸电子基的芳磺酸较容易水解。( 2、磺化反应都是可逆反应。( ( ) ) ) )

3、萘、氯苯、硝基苯分别与 SO3 磺化时,反应速度最慢的是硝基苯,反应速度最快的是萘。 4、容易磺化的过程,废酸的“π 值”小。( 三、简答题 1、在有机物分子中引入磺酸基有何意义? 2、工业上常用哪些物质作为磺化剂? 3、芳烃的磺化反应有何特点? 4、工业上有哪些磺化方法,各有何特点?

61

5、用三氧化硫磺化需要注意什么问题? 6、为什么用三氧化硫磺化时需要配以干燥的空气? 7、简述磺化反应中磺化剂的种类对反应可逆性的影响。 8、说明磺化反应中芳烃结构对反应速度的影响. 9、简述磺化反应为可逆反应的原因。

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引领项目:

项目三、医药和染料中间体硝基苯的制备(硝化)
学习目标及要求 ? 知识目标: 1、了解硝化反应的定义和分类 2、掌握硝化反应特点和影响因素 3、掌握硝化不同的反应装置以及操作和使用要点 4、掌握硝基苯的合成路线及合成过程中的安全环保知识,掌握产品的鉴定方法。 ? 能力目标: 1、能够根据项目任务,选择原料,并详细记录原料的物性参数。 2、能够根据试验条件要求选用合成实验装置与辅助设备、仪器。详细记录设备规 格、材质、适用范围与指标。 3、能够根据修订后的试验方案进行合成实验,控制合成条件最终制备出产品。 4、能够运用相关仪器对产品进行质量评价。 5、能够处理小试过程中的危险和异常情况。 工作任务描述: 医药和染料中间体硝基苯的制备任务书 项目名称 任务描述 执行标准 组织形式 提交材料
1、 硝基苯调研报告 2、 硝基苯制备方案 3、 硝基苯合成报告 实验室制备硝基苯 制备 18.2g 医药中间体硝基苯,实验室完成,产品为浅黄色油状液体,收率 50%以上

GB/T 9335-2001
小组完成

进度要求

3 个工作日

3.1 认识硝基苯
3.1.1 产品性能 化学名称:硝基苯

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英文名称:Nitrobenzene,Essence of mirbane 分子式: C 6 H 5 NO 2 相对分子质量:123.11 结构式:

物理性质:无色或浅黄色油状液体。见光后颜色变深,有苦杏仁气味。有吸湿性, 能随水蒸气挥发,易溶于乙醇、苯、乙醚和油类。难溶于水,相对密度(d 154 )1.205。 熔点 5.8℃,沸点 210~211℃,折光率 1.5529,闪点(闭杯)87.8℃,低毒,半数致 死量(大鼠,经口)640mg/kg。遇明火、高热会燃烧、爆炸。 化学性质:化学性质活泼,与硝酸反应剧烈,能被还原成重氮盐、偶氮苯等。 3.1.2 主要用途 硝基苯是重要的基本有机化工原料,可用于生产多种医药和染料中间体,如苯胺、间氨 基苯磺酸、二硝基苯等。亦可用作有机溶剂,有时在有机反应中作弱氧化剂用,如制造三芳 基甲烷染料等。 硝基苯还可用于香料、炸药等有机合成工业。硝基苯有弱氧化作用,可用作氧化脱氢 的氧化剂。 3.1.3 合成原理及工艺 3.1.3.1 反应原理 主反应

3.1.3.2 合成工艺 (1)传统工艺 常压冷却连续硝化法, 其工艺过程为: 首先按给出的配料比与部分冷的循环废酸连续地 加入硝化锅中,控制反应温度在 68~70℃,反应物再经过三个串联的硝化锅 2,保持温度在 65~68℃,停留时间约 10~15min,然后进入连续分离器分离出废酸和酸性硝基苯,废酸进 入连续萃取锅,用苯萃取废酸中的硝基苯,然后经分离器分离出的萃取苯(俗称酸性苯,酸
64

性苯中约含 2%~4%的硝基苯) ,并用泵连续地送往硝化锅,萃取后的废酸用泵送去浓缩成 质量分数为 90%~93%或 76%~78%硫酸, 套用于配制混酸。 酸性硝基苯经水洗器、 分离器、 碱洗器和分离器除去所含的废酸和副产的硝基酚,即得到中性硝基苯。 (2)最新发展动向有: ①常压冷却连续硝化改进法 近年来, 国内许多厂家对常压冷却连续硝化法的工艺进行了改进。 如有改用四台环形硝 化器串联或三环一锅串联等方法。该方法具有以下优点:换热面积大,传热系数高,冷却效 果好,节省冷却水,物料停留时间分布的散度小,物料混合状态好,温度均匀,有利于生产 控制,与锅式法比较,未反应苯的质量分数由 1%左右下降到 0.5%左右,减少了混酸浓度过 高处的局部过热,减少了硝酸的受热分解,二氧化氮的排放量减少,有利于安全生产,与锅 式法比较,酸性硝基苯中二硝基苯的质量分数由 0.3%下降到 0.l%以下,硝基酚的质量分数 下降到 0.05%~0.06%。 ②加压绝热连续硝化法 常压冷却连续硝化法的主要缺点是需要大量的冷却水, 世纪 70 年代国外又开发成功 20 了加压绝热连续硝化法。其要点是将超过理论量 5%~10%的苯和预热到约 90℃的左右的混 酸(硝酸 35%~8.5%,硫酸 60%~70%,水≥25%)连续地加到四个串联的无冷却装置的硝 化锅中进行反应,利用反应热升温,物料的出口温度可以达到 132~136℃,操作压力约 0.44MPa,停留时间约 11.2min。分离出的废酸(硫酸浓度约 65.5%,温度为 120℃)进入闪 蒸器,在 90℃和 8kPa 的压力下,利用本身热量快速蒸出水分,将其浓缩成 68%~70%的硫 酸循环使用,有机相经水洗、碱洗、蒸出过量苯后即得到工业硝基苯,收率 99.l%,二硝基 物质量含量低于 0.05%。 加压绝热连续硝化法的优点是反应温度高、硝化速率快。国外已建成年产 19 万 t 硝基 苯的生产装置,硝化过程不需要冷却水;利用反应热浓缩废酸,能耗低,因此可降低生产成 本。但绝热硝化为了防止苯的挥发,损失热量,并防止空气氧化,需要在一定压力下密闭操 作,闪蒸设备需用特殊材料钽。 ③ 孟婷等在《精细石油化工》2011 年第一期发表的“硝基苯制备新工艺及反应机理” 文章中以苯为原料、氨水为胺化剂、双氧水为氧化剂、TS-1 分子筛为催化剂,十六烷基三 甲基溴化铵为相转移催化剂,制取硝基苯。通过考察反应温度、反应时间、氧化剂用量对苯 直接硝基化反应的影响, 确定了反应的最佳条件即反应时间 2 h, 反应温度 70℃,(氨水) n :n (催化剂):n(双氧水):n(十六烷基三甲基溴化铵):n(苯)=2.80:0.10:2.52:0.005:1,硝基 苯产率可达 54.67%。 3.1.4 产品指标及分析检测方法 3.1.4.1 硝基苯的鉴定检测方法 本项目产品的检测方法可参考标准 GB/T 9335-2001 执行检测。

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3.1.4.2 硝基苯的熔点测定 熔点 5.7℃ 3.1.4.3 硝基苯的光谱鉴定 (1)红外光谱图 将合成产物的红外光谱与标准图谱进行对照,即可确认所合成的产物是否为目标产物。

图 3-1 硝基苯的红外谱图

(2)硝基苯的核磁图

66

图 3-2 硝基苯的核磁图( CNMR)

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(3)硝基苯的质谱图

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图 3-2 硝基苯的质谱图

3.1.4.4 十二烷基苯磺酸钠的参考标准 (1)外观及熔点 无色或浅黄色油状液体,熔点 5.7℃,检测方法见项目二部分章节 (2)产品检测标准:GB/T 9335-2001 质量要求如下: 干品结晶点:≥5.4 ℃ 纯度:≥99.5 %

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低沸物:≤ 0.1% 硝基甲苯总量:≤ 0.1% 高沸物:≤ 0.1% 水分:≤ 0.1% 3.1.5 撰写产品调研报告 (格式见附录)

3.2 任务驱动下理论知识
将硝基引入有机化合物分子中的反应称为硝化反应。 在硝化反应中, 硝基通常取代有机 化合物中的氢原子而生成硝化产物。硝化时,若硝基与有机物分子中的碳原子相连接,则称 为 C-硝化,所得产物为硝基化合物;若硝基与氮原子相连接则称为 N-硝化,所得产物为硝 胺;若硝基与氧原子相连接则称为 O-硝化,所得产物为硝酸酯。少数情况下硝基也可取代 卤基、磺基、酰基和羧基等基团而生成硝化产物。 硝化反应极其重要的单元反应, 作为硝化反应的产物—硝基化合物在燃料、 溶剂、 炸药、 香料、医药、农药等许多化工领域中均有着广泛的应用 。有机物中引入硝基的目的可归纳 为以下几个方面: (1)制备氨基化合物的重要途径。 (2)引入强吸电子性的硝基可促进芳环上的亲核置换反应,使其他取代基活化,有时 硝基基本身也可作为离去基团而被亲核基团所置换。 (3)利用硝基的极性可使染料的颜色加深。 (4)硝化反应可制备炸药,如有的多硝基化合物是烈性炸药,可用作氧化剂或溶剂等。 3.2.1 硝化反应的特点及方法 3.2.1.1 硝化反应的特点 (1)在硝化反应的条件下,反应是不可逆的。 (2)硝化反应速度快,是强放热反应,其放热量约为 126kJ/mol。 (3)在多数场合下,反应物与硝化剂是不能完全互溶的,常常分为有机层和酸层。 3.2.1.2 硝化反应的方法 硝化的方法主要以下五种: (1)稀硝酸硝化:稀硝酸硝化常用于含有第一类定位基的芳香族化合物,如酚类、酚醚 类和某些 N-酸化的芳胺的硝化,反应在不锈钢或搪瓷设备中进行,硝酸约过量 10%~65%。

69

(2)浓硝酸硝化:浓硝酸硝化一般需用过量许多倍的硝酸,过量的硝酸必须设法回收利 用。单独使用硝酸作硝化剂的主要问题是在反应过程中,硝酸不断被反应生成的水稀释,硝 化能力不断下降,直至反应停止,从而使硝化作用不完全,硝酸的利用极不经济。所以,工 业上应用的较少,只用于少数硝基化合物的制备。 (3)浓硫酸介质中的均相硝化:在反应温度下,被硝化物或硝化产物是固态时,就需要 把被硝化物溶解在大量的浓硫酸中, 然后加入硫酸和硝酸的混合物进行硝化。 这种方法只需 要使用过量很少的硝酸,一般情况下产率较高,缺点是硫酸用量过大。 (4)非均相混酸硝化:当在反应温度下,被硝化物和硝化产物是液态时,往往采用非均 相混酸硝化的方法,通过强烈搅拌,使有机相被分散到酸相中来完成硝化反应。此法是目前 工业上最常用、最重要的方法,也是本项目实施过程采用的方法。 (5)有机溶剂中硝化:对于某些在混酸中易被磺化的化合物,可在硝酸、醋酐、二氯 甲烷或二氯乙烷等介质中用硝酸硝化, 这种方法可避免使用大量的硫酸作溶剂, 在工业上具 有广阔的前景。 3.2.2 硝化剂 工业上常用的硝化剂有各种浓度的 HNO3、混酸(H2SO4+HNO3) 、硝酸盐和硫酸;硝酸 和醋酸(酸酐) 。 3.2.2.1 硝酸 (HNO3) 96%的 HNO3 都是以硝酸分子形式存在,4%的 HNO3 有质子转移,质子的转移说明硝 酸是具有两性。

共 轭 HNO 3 酸

+

HNO 3 碱

H2NO 3 + 酸

+

NO 3碱

3.2.2.2 混酸(H2SO4+HNO3+H2O)

H2SO4+HNO3
+ H2NO3
H2O+H2SO4

_ _ HSO4 +H2NO3

H2O+NO2+
_ H3+ O+HSO4

总式:

2 H2SO 4 +

HNO 3

2 HSO 3
70

+

NO 2

+

H3O -

在混酸中硫酸浓度越高越好, 因为 H2SO4 增高, HNO3 碱性增加, 则 随着硫酸含量增加, 而 HNO3 和水含量较低时,混酸中硝酸转化为硝基正离子的反应就完全,硝化能力越强。 3.2.2.3 硝酸盐和硫酸

MNO3+H2SO4

HNO3+MHSO4

此种硝化剂实际上是无水的硝酸和硫酸的混合物, 是硝化能力最强的硝化剂, 因为硝酸 盐几乎全部转化为硝基正离子,所以适用于不易硝化的芳烃的硝化反应。 3.2.2.4 硝酸和乙酸酐的混合酸 此种硝化剂硝化能力适中,适用一些易被氧化和被混酸所分解的芳烃的硝化反应。 本项目选用的硝化剂为混酸。 3.2.3 硝化反应原理 3.2.3.1 硝化剂的活泼质点 在硝化反应中,通常硝基阳离子(NO2 )被认为是参与硝化反应的活泼质点,它是由 硝化剂离解而得到的。通常,硝化剂离解能力越大(即产生 NO2 的能力越大) ,则硝化能力 越强。无水硝酸作硝化剂时,存在如下平衡:
+ +

2 HNO3

NO2

NO3

H2O

2 HNO3


H2NO3

NO3


其中 NO2 离子的重量百分比只有 1%,未离解的硝酸为 97%,NO3 约 1.5%,H2O 约 0.5%。若把少量硝酸溶于硫酸中(即混酸作硝化剂时) ,将发生如下反应:

实验表明,在混酸中硫酸浓度增高,有利于 NO2 的离解。硫酸浓度在 75%~85%时, NO2 离子浓度很低,当硫酸的浓度增高至 89%或更高时,硝酸全部离解为 NO2 离子,从 而使硝化能力增强。参见表 3-1。
表 3-1 由硝酸和硫酸配制成的混酸中 NO2 的含量
+ + +



硝酸、硫酸和水的三元体系作硝化剂时,其 NO2 含量可用一个三角坐标图来表示。如 图 3-4 所示。由图可见,随着混酸中水的含量增加,NO2 的浓度逐渐下降,代表 NO2 可测 出极限的曲线与可发生硝化反应所需混酸组成极限的曲线基本重合。
+ +



71

除 NO2 正离子是主要的硝化活泼质点外,还有 H2NO3 也是有效的活泼质点。稀硝酸 硝化时还可能有 NO 、N2O4 或 NO2 作为活泼质点,但反应历程有所不同。






图 3-4 硝酸、硫酸和水三元系统中 NO2 的浓度



3.2.3.2 硝化反应历程 (1)均相硝化动力学讨论:动力学研究指出,均相硝化反应芳烃的硝化与所使用的溶剂 关系非常紧密。芳烃在硝酸中发生的硝化反应时,硝酸既是硝化剂,又是溶剂,当硝酸过量 时,其浓度在硝化过程中可视为常数时,其动力学方程表现为一级反应。 r = k[ArH] 在有硫酸存在下的硝化反应中,加入的硫酸量较少时,硝化反应仍可视为一级反应,但 硝化反应速度明显提高。 当加入硫酸量足够大时, 硫酸起到溶剂作用, 而硝酸仅作为硝化剂, 此时表现为二级反应。 r = k[ArH][HNO3] 式中 k 是表观反应速率常数,其值大小与硫酸的浓度密切相关。当硫酸浓度在 90%左右时, k 值最大。表 3-2 列出了一些有机物在不同硫酸浓度下的硝化速率常数。
表 3-2 在不同浓度硫酸中的硝化速度常数 (25 ℃ )

(2) 非均相硝化动力学: 非均相硝化除受化学反应规律影响外, 还受传质规律的影响。 研究表明, 非均相硝化反应主要是在两相的界面处或酸相中进行, 在有机相中的反应极少 (< 0.001%) ,可以忽略。近些年来,通过对芳烃类在不同条件下进行非均相硝化反应动力学的 研究,认为可将非均相硝化反应分为三种类型:缓慢型、快速型和瞬间型。 ①缓慢型。也称动力学型。化学反应的速度是整个反应的控制阶段,硝化反应主要发生 在酸相中。其反应速率与酸相中芳烃的浓度和硝酸的浓度成正比。甲苯在 62.4%~66.6%
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H2SO4 中的硝化属于这种类型。 ②快速型。 也称慢速传质型。 其特征是反应主要在酸膜中或两相的边界层上进行, 此时, 芳烃向酸膜中的扩散速度成为整个硝化反应过程的控制阶段, 即反应速度受传质控制。 其反 应速率与酸相容积的交换面积、 扩散系数和酸相中芳烃的浓度成正比。 甲苯在 66.6%~71.6% H2SO4 中硝化属于这种类型。 ③瞬间型。亦称快速传质型。其特征是反应速度快,以致于使处于液相中的反应物不能 在同一区域共存,即反应在两相界面上发生。甲苯在 71.6%~77.4% H2SO4 中硝化时属于这 种类型,其反应总速率与传质速度和化学反应速度都有关。 图 3-5 是根据动力学实验数据按甲苯硝化的初始反应速度对 lgk 作图得到的曲线。 应该指出,硝化过程中硫酸浓度不断被生成的水稀释,硝酸不断参与反应而消耗,因而 对于每一个硝化过程来说,不同的硝化阶段可归属于不同的动力学类型。例如,甲苯混酸硝 化生产一硝基甲苯采用多釜串联操作时,第一硝化釜酸相中的硫酸、硝酸浓度都比较高,反 应受传质控制; 而在第二釜中, 由于硫酸浓度降低, 硝酸含量减少, 反应速率受动力学控制。 一般来说,芳烃在酸相中的溶解度越大,反应速率受动力学控制的可能性越大。

图 3-5 在无挡板容器中甲苯的初始反应速度与 lg k 的变化关系(25℃ ,2500 r/min)

3.2.4 硝化反应的影响因素 3.2.4.1 被硝化物的性质 芳环上的硝化反应是典型的芳香族亲电取代反应, 芳烃硝化反应的难易程度, 与芳环上 取代基的性质有着密切关系。当芳环上存在给电子基时,硝化速度较快,其硝化产品中常以 邻、对位产物为主;反之,当芳环上有吸电子基存在时,硝化速度降低,其硝化产品中常以 间位异构体为主。而卤代芳烃例外,引入卤素虽然使芳环钝化,但得到的产品几乎都是邻、 对位异构体。单取代苯的硝化反应速度按以下顺序递增: -NO2<-SO3H<-CO2H<-Cl<-H<-Me<-OMe<-OEt<-OH 在进行萘的一硝化时,产物以α -硝基萘为主。蒽醌环的性质则要复杂得多,它中间的 两个羰基会使两侧的苯环钝化,因此蒽醌的硝化比苯困难,产物大部分为α 位异构体,小部
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分为β 位异构体,也有二硝化物生成。 硝化反应同时也受取代基团空间效应的影响,当芳烃具有位阻较大的给电子取代基时, 其邻位硝化比较困难,而对位硝化产物常常占优势。例如,甲苯硝化时,邻位与对位产物的 比例是 40:57,而叔丁基苯硝化时,其比例下降为 12:79。 3.2.4.2 硝化剂(混酸的影响) 不同的硝化剂具有不同的硝化能力。 通常, 对易于硝化的有机物可选用活性较低的硝化 剂, 以避免过度硝化和抑制副反应的发生, 而对于难硝化的有机物则适宜选用活性较强的硝 化剂进行硝化。此外,对于同一种被硝化物,若采用不同的硝化剂,往往会得到不同的产物 组成。因此在进行硝化反应时,必须合理地选择硝化剂。 混酸硝化时,混酸的组成是重要的影响因素,硫酸浓度越大,硝化能力越强。 混酸硝化是工业上广泛采用的一种硝化方法, 特别适用于芳烃的硝化。 混酸硝化的特点 是硝化能力强,反应速度快,生产能力高;硝酸用量接近于理论量,几乎全部被利用;硫酸 的热容量大,可使硝化反应平稳进行;浓硫酸可溶解多数有机物,以增加有机物与硝酸的接 触,使硝化反应易于进行;混酸对铁的腐蚀性很小,可采用普通碳钢或铸铁作反应器,不过 对于连续化装置则宜采用不锈钢材质。 (1)混酸组成的选择 混酸的组成标志着混酸的硝化能力,合理选择混酸组成对生产过程的顺利进行十分重 要。工业上常用硫酸脱水值和废酸计算浓度,表示混酸的硝化能力。 ① 硫酸脱水值 硫酸脱水值是指硝化终了时废酸中硫酸和水的计算质量之比,也称作脱水值。用符号 D.V.S.(Dehydrating Value of Sulfuric Acid 的缩写)表示。

当已知混酸的组成和硝酸比时,脱水值的计算如下(假设一硝化反应进行完全,且无副 反应) :

式中:S—混酸中硫酸的质量百分数; N—混酸中硝酸的质量百分数; φ —硝酸比 当φ =1 时,则上式可简化为:

若 D.V.S.值大,表示硝化能力强,适用于难硝化的物质,反之亦然。
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② 废酸计算浓度 废酸计算浓度是指混酸硝化终了时,废酸中硫酸的计算浓度,亦称硝化活性因素。用符 号 F.N.A.(Factor of Nitration Activity 的缩写)表示。 当φ =1 时,可如下表示:

或:

当φ =1 时,则 D.V.S.与 F.N.A.的换算关系有:

从 F.N.A.计算式可知,当 F.N.A.为常数,S 和 N 为变量时,该式为一个直线方程。这说 明:在这一直线上的所有混酸组成都满足相同的 F.N.A.值或 D.V.S.值,但真正具有实际意义 的混酸组成仅是该直线中的一段而已。 ③选择混酸组成的一般原则 混酸硝化时,混酸组成的选择一般应符合如下原则:要充分利用硝酸;要充分发挥硫酸 的作用;在原料酸所能配出的范围以内;废酸对设备的腐蚀要小。 这些原则的贯彻可通过图 3-6 来说明。图 3-6 是以摩尔百分数表示的混酸成分的三角坐 标图。在硝化过程中,由于每消耗 1mol 硝酸就生成 1mol 水,故反应前后总的 mol 数不变, 硫酸的摩尔百分数也保持不变。设原料混酸成分为 A,在发生硝化后,酸的成分沿着平行于 HNO3-H2O 轴的方向移向 A’(未考虑副反应) 。图中的 AA’,BB’和 CC’表示三种不同的等 脱水直线。当硝基苯硝化时,从理论上讲,图中极限线以右区域所包括的混酸都可用来制取 二硝基苯。

图 3-6 硝化过程中的混酸组成变化

(2)配酸工艺 混酸的配制有间歇操作与连续操作两种方法。 间歇操作生产效率虽低, 但适用于小批量
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多品种生产;连续操作配酸的生产能力大,适合于大吨位产品的生产。 配制混酸对设备的要求是具有防腐能力并装有冷却和机械混合装置。 混酸配制过程中产 生的混合热必须由冷却装置及时移除。为减少硝酸的挥发和分解,配酸的温度一般控制在 40℃以下。 间歇式配酸操作时,要严格控制原料酸的加料顺序和加料速度。在无良好混合条件下, 严禁将水突然加入大量的硫酸中。否则,会引起局部瞬间剧烈放热,造成喷酸或爆炸事故。 比较安全的配酸方法应是在有效的混合和冷却条件下, 将浓硫酸先缓慢、 后渐快地加入水或 废酸中,并控制温度在 40℃以下,最后再以先缓慢,后渐快的加酸方式加入硝酸。连续式 配酸也应遵循这一原则。配制的混酸必须经过检验分析,若不合格,则需要补加相应的酸, 调整组成直至合格。 (3)混酸硝化操作方法 由于生产方式和被硝化物的不同,以混酸为硝化剂的液相硝化,其操作一般有正加法、 反加法和并加法三种操作方法。 ①正加法。 该法是将混酸逐渐加到被硝化物中, 其优点是反应比较缓和, 可避免多硝化。 缺点是反应速度较慢。此法常用于被硝化物容易硝化的反应过程。 ②反加法。 反加法是将被硝化物逐渐加到混酸中, 其优点是在反应过程中始终保持过量 的混酸与不足量的被硝化物, 反应速度快。 这种加料方式适用于制备多硝基化合物和被硝化 物难硝化的反应过程。 ③并加法。 并加法是将被硝化物与混酸按一定比例同时加入到硝化反应器的方法, 常用 于连续硝化过程。 连续硝化操作常采用多釜串联的方式, 被硝化物和混酸一并加入到多台串 联的第一台硝化釜 (也称主锅) 并在此完成大部分反应, 中, 然后再依次到后面的硝化釜 (也 称副锅或成熟锅)中进行硝化。多釜串联连续硝化的优点是可以提高反应速度,减少物料短 路,并且可在不同硝化釜中控制不同的温度,有利于提高生产能力和产品质量。 实际上,正加法、反加法和并加法的选择不仅取决于硝化反应的难易,而且还要考虑到 被硝化物的物理性质和硝化产物的结构等因素。 3.2.4.3 硝化温度 对于均相硝化反应, 温度直接影响反应速度和生成物异构体的比例。 一般易于硝化和易 于发生氧化副反应的芳烃(如酚、酚醚等)均可采用低温硝化,而含有硝基或磺基等较稳定 的芳烃则应在较高温度下硝化。 对于非均相硝化反应, 温度还将影响芳烃在酸相中的物理性能 (如溶解度、 乳化液粘度、 界面张力)和总反应速度等。由于非均相硝化反应过程复杂,因而温度对其影响呈不规则状 态,需视具体品种而定。例如,甲苯-硝化的反应速度常数大致为每升高 10℃增加 1.5~2.2 倍。 温度还直接影响生产安全和产品质量。硝化反应是一个强放热反应。混酸硝化时,反应

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生成的水稀释硫酸并放出热量,这部分热量约相当于反应热的 7.5%~10%。苯的一硝化反 应热可达到 143kJ/ mol。一般芳环一硝化的反应热也有约 126kJ/mol。这样多的热量若不及 时移走,必然会发生超温现象,造成多硝化、氧化等副反应,甚至还会发生硝酸大量分解, 产生大量红棕色 NO2 气体,使反应釜内压力增大;同时主副反应速度的加快,还将继续产 生更大量的热量,如此恶性循环使得反应失去控制,将导致爆炸等生产事故。因此在硝化设 备中一般都带有夹套、蛇管等大面积换热装置,以严格控制反应温度,确保安全生产和得到 优质产品。 3.2.4.4 搅拌的影响 研究表明,搅拌在硝化反应起始阶段尤为重要。特别是在间歇硝化反应的加料阶段,停 止搅拌或桨叶脱落, 会非常危险! 因为此时两相将快速分层, 大量活泼的硝化剂在酸相积累, 一旦重新搅拌,就会突然发生激烈反应,瞬时放出大量的热,导致温度失控,以至于发生事 故。因此,要求必需在硝化设备上设置自控和报警装置,采取必要的安全措施。 3.2.4.5 相比与硝酸比 相比是指混酸与被硝化物的质量比, 有时也称酸油比。 适宜的相比是非均相硝化反应顺 利进行的保证。相比过大,设备的负荷加大,生产能力下降,废酸量大大增多;相比过小, 反应初期酸的浓度过高,反应过于剧烈,使得温度难以控制;实际工业生产中,常采用向硝 化釜中加入适量废酸的方法来调节相比,以确保反应平稳和减少废酸处理量。 硝酸与被硝化物的摩尔比称为硝酸比。 按照化学方程式, 一硝化时的硝酸比理论上应为 1,但是在工业生产中硝酸的用量通常高于理论量,以促使反应进行完全。当硝化剂为混酸 时,对于易被硝化的芳烃,硝酸比为 1.01~1.05;而对于难被硝化的芳烃,硝酸比为 1.1~ 1.2 或更高。由于环境保护的要求日益强烈,20 世纪 70 年代开发的绝热硝化法正在逐步取 代传统的过量硝酸硝化工艺。此法的特点之一是采用芳烃过量。 3.2.4.6 硝化副反应 硝化副反应主要是多硝化、 氧化和生成络合物。 避免多硝化副反应的主要方法就是控制 混酸的硝化能力、硝酸比、循环废酸的用量、反应温度和采用低硝酸含量的混酸。 氧化是影响最大的副反应,主要结果是在芳环上引入羟基。例如,在甲苯一硝化时总会 生成少量的硝基酚类。 硝化后分离出的粗品硝基物异构体混合物必须用稀碱液充分洗涤, 除 净硝基酚类,否则,在粗品硝基物脱水和用精馏法分离异构体时有发生爆炸的危险。研究表 明, 二氧化氮和亚硝酸的存在是造成芳烃侧链氧化的原因, 其他一些副反应也与氮的氧化物 有关。因此,生产中应严格控制硝化条件,防止硝酸分解,以阻止或减少副反应的发生。必 要时可加入适量的尿素将硝酸分解产生的二氧化氮破坏掉,可以抑制氧化副反应。 3N2O4+4CO(NH2)2—→8H2O+4CO2↑+7N2↑ 同时, 为了使生成的二氧化氮气体能及时排出, 硝化器上应配有良好的排气装置和吸收 二氧化氮的装置。另外,硝化器上还应该设有防爆孔以防意外。

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硝化过程中另一重要的副反应是生成某种有色络合物。 这种络合物是由烷基苯与亚硝基 硫酸和硫酸形成的。其结构式为:C6H5CH3· 2ONOSO3H· 2SO4 3H 由于这种络合物的生成,使硝化过程中,尤其是反应后期接近终点时,出现硝化液颜色 变深、发黑发暗的现象。其原因往往是硝酸用量不足,故可在 45~55℃下,及时补加硝酸, 就会很容易将此络合物破坏。但温度若大于 65℃,

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