對環(huán)己烷非催化氣相硝化反應(yīng)的探究

衣爽

（營口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 營口 115000）

對環(huán)己烷非催化氣相硝化反應(yīng)的探究

衣爽

（營口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 營口 115000）

文章主要闡述的內(nèi)容是對環(huán)己烷非催化氣相硝化反應(yīng)的探究，從硝基環(huán)己烷的工藝制造出發(fā)，針對性地對其工藝制造過程中化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)溫度、停留時間、物料配比因素進(jìn)行試驗分析，詳細(xì)分析了這些影響因素對環(huán)己烷轉(zhuǎn)化率以及硝基環(huán)己烷選擇性的影響。

環(huán)己烷；非催化氣相；硝化反應(yīng)

環(huán)己烷是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)，在我國化工行業(yè)的發(fā)展中有著不可替代的作用。在化工工業(yè)的生產(chǎn)過程中，環(huán)己烷是一種用途非常廣泛的化工原料，比如環(huán)己酮的生產(chǎn)、環(huán)己醇的生產(chǎn)、己二酸的生產(chǎn)以及硝基環(huán)己烷的生產(chǎn)和己內(nèi)酰胺等的生產(chǎn)都需要利用到環(huán)己烷。

1 對試驗物質(zhì)的初步分析

硝基環(huán)己烷可以看作一種良好的有機(jī)溶劑或者化工中間體，在化學(xué)反應(yīng)過程中可以部分氫化還原成為環(huán)己酮肟，也可以完全氫化還原為環(huán)己胺，對化工生產(chǎn)有著重要的作用。試驗過程中應(yīng)用的硝化劑是從眾多新型的硝化劑中選擇，可以說它是當(dāng)今時期化工行業(yè)中液體酸硝化劑中應(yīng)用最廣泛的。本次對環(huán)己烷非催化氣相硝化反應(yīng)的探究是以硝化劑對環(huán)己烷進(jìn)行氣相硝化劑制備硝基環(huán)己烷，然后再進(jìn)行加氫、還原、重排得到己內(nèi)酰胺的新型生產(chǎn)工藝。

本實驗的試驗過程是采取氣相硝化環(huán)己烷制取硝基環(huán)己烷，過程中也有少量的環(huán)己醇、環(huán)己酮和己二酸的產(chǎn)出。對于己內(nèi)酰胺和己二酸來說，對化工生產(chǎn)同樣具有很大的用途，所以本課題的研究也相應(yīng)地對硝基環(huán)己烷和己二酸聯(lián)合生產(chǎn)進(jìn)行了分析探討，使得硝基環(huán)己烷和己二酸也能夠得到高效率、高質(zhì)量的生產(chǎn)。這樣統(tǒng)一地生產(chǎn)硝基環(huán)己烷和己二酸，能夠達(dá)到工藝流程短、生產(chǎn)設(shè)備簡單、原子利用經(jīng)濟(jì)、環(huán)境污染小的效果，可以基本達(dá)到經(jīng)濟(jì)、綠色、經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)效果，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益以及社會效益。

2 試驗內(nèi)容

2.1 試驗過程中的反應(yīng)操作

2.1 .1 試驗設(shè)備的選擇以及試驗條件的設(shè)定

試驗過程中選擇石英玻璃管或者不銹鋼直觀作為反應(yīng)設(shè)備，設(shè)備的系數(shù)選擇為內(nèi)徑1厘米，長度57厘米，容積44.745毫升。試驗過程中選擇的反應(yīng)溫度為423k到573k之間，并且選擇在常壓條件下對其進(jìn)行非催化硝化反應(yīng)。

2.1 .2 試驗的具體內(nèi)容

（1）對試驗設(shè)備進(jìn)行整體的系統(tǒng)掃吹，在此可以選擇惰性氣體氮氣進(jìn)行系統(tǒng)的掃吹。

（2）對試驗設(shè)備進(jìn)行加溫。在此可以選擇加熱爐設(shè)備對其進(jìn)行加溫，直至設(shè)備管心的溫度達(dá)到423k到573k之間。

（3）待溫度達(dá)到要求后，利用平流泵調(diào)節(jié)環(huán)己烷的流速，直至排空后再鏈接反應(yīng)器。

（4）對反應(yīng)器通入硝化劑氣體，并且利用平流泵對其進(jìn)行調(diào)速。

（5）待反應(yīng)穩(wěn)定2小時后開始進(jìn)行計量，并且將化學(xué)反應(yīng)后的產(chǎn)物經(jīng)過低溫冷凝后通入收集瓶。

2.2 化學(xué)產(chǎn)物的處理

通入收集瓶中的產(chǎn)物有一定量沒有反應(yīng)，如果反應(yīng)過程中溫度較低那么其質(zhì)量就會更多，而不經(jīng)過處理或者處理不當(dāng)就會直接影響到產(chǎn)物的物料平衡計算，對環(huán)己烷轉(zhuǎn)換率的計算和硝基環(huán)己烷選擇性的計算造成一定的負(fù)面影響，無法得到正確的數(shù)值，所以必須對進(jìn)行處理。在處理的過程中，首先需要對產(chǎn)物中添加堿性物質(zhì)，并同時對溶液的PH值進(jìn)行及時的測量，直至產(chǎn)物溶液的酸堿性達(dá)到中性再將產(chǎn)物進(jìn)行分液，合理地分為油相和水相，而分液得到的水相中會有少量的有機(jī)物溶解，所以在此需要再對其進(jìn)行反萃取，最后綜合利用氣相色譜儀對油相和反萃取后的水相進(jìn)行分析，計算環(huán)己烷的轉(zhuǎn)換率和硝基環(huán)己烷的選擇性。

2.3 化學(xué)產(chǎn)物的提純

在進(jìn)行化學(xué)產(chǎn)物的提純過程中，首先需要將化學(xué)產(chǎn)物放入油浴鍋中，然后對油浴鍋進(jìn)行加熱，直至油浴鍋的溫度達(dá)到85攝氏度與90攝氏度之間，得到含有環(huán)己烷的蒸餾，并且也要邊加熱邊攪拌，最終收集到蒸餾后的樣品，具體過程如下：

（1）用蒸餾水對產(chǎn)物洗滌三次，將產(chǎn)物中的一些雜質(zhì)（高溫氧化物等無機(jī)物）洗滌干凈。

（2）添加百分之三十的氫氧化鈉溶液對產(chǎn)物進(jìn)行堿洗，在除去產(chǎn)物中無用的酸堿物質(zhì)的同時也能夠使酯類副產(chǎn)物得到皂化。

（3）添加百分之三十七的甲醛水溶液。在此要注意，添加甲醛水時必須保證產(chǎn)物的溫度在25到30攝氏度之間，并且也要對其進(jìn)行不斷的攪拌，使得甲醛與樣品溶液充分混合反應(yīng)。

（4）添加百分之十的硫酸溶液，對樣品進(jìn)行酸化。

（5）將最終得到的樣品溶液進(jìn)行水蒸氣蒸餾，直至蒸餾徹底，溜出物蒸發(fā)完全。

（6）對溜出物進(jìn)行分離。

（7）將75攝氏度的油相分離液在88mmHg的壓力條件下再次蒸餾，直至得到92.4%以上的硝基環(huán)己烷停止蒸餾。

3 試驗結(jié)果數(shù)據(jù)的分析

本實驗首先探索了利用硝化劑制備硝基環(huán)己烷的可行性，其次對溫度因素、停留時間等因素對該反應(yīng)的影響進(jìn)行探究分析，第三對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行鑒別，包括大量的硝基環(huán)己烷和少量的環(huán)己醇、環(huán)己酮和己二酸。

3.1 溫度因素對試驗反應(yīng)的影響

反應(yīng)條件：流速為10毫升每分鐘，環(huán)己烷和硝化劑的摩爾比設(shè)定為3:2。

在試驗反應(yīng)過程中，可以發(fā)現(xiàn)環(huán)己烷的轉(zhuǎn)化率隨著溫度的逐漸升高而升高，硝基環(huán)己烷的選擇性隨著溫度的升高而逐漸增加，增加到最高點又逐漸減小，數(shù)據(jù)信息主要如下：

從試驗數(shù)據(jù)中可知，在250攝氏度左右，硝基環(huán)己烷的選擇性是最高的，能夠達(dá)到78.20%，并且隨時對產(chǎn)物溶液進(jìn)行氣象色譜分析可得，在溫度為150攝氏度到200攝氏度之間，環(huán)己醇和環(huán)己酮的含量也是最高。

綜上所述，溫度選擇在250攝氏度左右為環(huán)己烷的最佳反應(yīng)溫度。

3.2 停留時間對試驗反應(yīng)的影響

反應(yīng)條件：試驗溫度選擇為250攝氏度，環(huán)己烷與硝化劑的摩爾比選擇為3∶2，流速設(shè)定為10毫升每分鐘，取樣的時間設(shè)定為6小時。

序號停留時間（S）環(huán)己烷轉(zhuǎn)化率（%）硝基環(huán)己烷選擇性（%）1 80.1221.4872.13 2 72.3412.8794.32 3 53.2412.4784.83 4 46.0512.1476.35 5 38.533.9667.21 6 26.463.0224.32

從數(shù)據(jù)采集信息中的發(fā)展趨勢可以看出，隨著停留時間的不斷減小，環(huán)己烷的轉(zhuǎn)化率也在不斷減小，硝基環(huán)己烷的選擇性先上升再減小。

停留時間直接決定著反應(yīng)物的反應(yīng)是否充分，如果停留時間太短，那么環(huán)己烷和就不會得到充分的反應(yīng)，并且根據(jù)氣相分析色譜可知停留時間越短副產(chǎn)物的產(chǎn)生也就越少，所以說環(huán)己烷的轉(zhuǎn)化率和硝基環(huán)己烷的選擇性就會比較低。例如：停留時間為26.46秒，環(huán)己烷的轉(zhuǎn)化率為3.02%，硝基環(huán)己烷的選擇性為24.32%，而停留時間為46.05秒，環(huán)己烷的轉(zhuǎn)化率為12.14%，硝基環(huán)己烷的選擇性為76.35%，中間數(shù)據(jù)穩(wěn)步提高，直到停留時間為72.34秒時，環(huán)己烷的轉(zhuǎn)化率為12.87%，硝基環(huán)己烷的選擇性達(dá)到最高為94.32%。而隨著停留時間的提高，由于具有很強(qiáng)的氧化性，反應(yīng)越充分環(huán)己烷就會被氧化破壞得越嚴(yán)重，副產(chǎn)物就會更多，所以當(dāng)停留時間大于72.34秒時，硝基環(huán)己烷的選擇性卻降低，當(dāng)停留時間80.12秒時，硝基環(huán)己烷的選擇性降低為72.13%。

綜上所述，反應(yīng)管中的停留時間要選擇在46秒到72秒之間。

4 結(jié)束語

以上所述，在進(jìn)行環(huán)己烷非催化氣相硝化反應(yīng)的探究過程中，最佳的反應(yīng)溫度為250攝氏度，最佳的物料比，也就是環(huán)己烷：硝化劑選擇2∶1，最佳的停留時間段選擇為46秒與72秒之間，這樣才能夠使得硝基環(huán)己烷的生產(chǎn)效率最佳，原料的利用效率最大化，做到經(jīng)濟(jì)化、生態(tài)化生產(chǎn)。

[1]趙靜,楊洋洋,朱明喬.環(huán)己烷分子氧氧化多相催化劑研究進(jìn)展[J].合成纖維工業(yè)，2011(01).

TQ226

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1003-5168(2014)03-0070-02