苯甲酸的合成工艺毕业论文.doc

1、 毕业设计（论文） 设计题目 苯甲酸的合成工艺 办学学院 扬州工业 职业技术学院 专 业 应用化工 姓 名 李功进 起讫日期 2015-3-1 指导教师 李淑丽 2015 年 3 月 1 日 摘要 . 4 一、苯甲酸的概述 . 4 (1）苯甲酸分子结构的分析 . 4 (2)苯甲酸物理性质 . 4 (3)苯甲酸的化学性质 . 5 (4)苯甲酸的应用 . 6 (5)苯甲酸的危害及处理方法 . 7 二、苯甲酸的合成方法 . 7 （ 1）邻苯二甲酸酐加热脱羧法 . 7 （ 2）三氯甲苯水解法 . 8 （ 3）甲苯化学氧化法 . 8 (4)合成操作中的注意事项： . 10 三、苯甲酸精制技术 .10 （

2、 1） 精馏 . 10 (2)升华结晶法 . 11 (3)溶液重结晶法 . 12 （ 4） 熔融结晶法 . 12 (5)超临界流体重结晶 . 12 (6)精馏设备 . 13 四、 溶析结晶技术 .13 （ 1）溶析结晶技术概述 . 13 (2)溶析结晶过程影响因素 . 14 (3)溶析结晶技术的特点与应用 . 15 (4)小结 . 15 五、苯甲酸合成过程中的三废处理 .15 （ 1）废气及其处理 . 15 （ 2）废水及其处理 . 15 （ 3 ）废渣及处理 . 16 六、课题的研究意义 .16 七、 结果与讨论 .17 （ 1）反应时间对苯甲酸收率的影响 . 17 （ 2）反应温度对反应的

3、影响 . 18 （ 3） KMnO4 用量对收率的影响 . 18 参考文献 . 19 附录一 ： . 21 附录二 ： . 22 摘要 苯甲醛因有广泛的用途，年需求量较大、市场前景好和经济效益高的特点。近年来涌现出许多新颖性的方法制备苯甲酸。本文根据反应原料的不同进行了归纳总结。 关键词 苯甲醛 ;合成 ;KMnO4;甲苯 一、苯甲酸的概述 (一）苯甲酸分子结构的分析 苯甲酸 又称安息香酸，分子式为 C6H5COOH，羧基直接与苯环碳原子相连接的最简单的芳香酸 ,是苯环上的一个氢被羧基（ -COOH）取代形成的化合物。为无色、无味片状晶体。熔点 122.13 ，沸点 249 ，相对密度 1.2

4、659（ 15 4 ）。在 100 时迅速升华，它的蒸气有很强的刺激性，吸入后易引起咳嗽。微溶于水，易溶于乙醇、乙醚、氯仿、苯、甲苯、二硫化碳、四氯化碳和松节油等有机溶剂。 苯甲酸是弱酸，比脂肪酸强。它们的化学性质相似，都能形成盐、酯、酰卤、酰胺、酸酐等，都不易被氧化。苯甲酸的苯环上可发生亲电取代反应，主 要得到间位取代产。苯甲酸一般常作为药物或防腐剂使用，有抑制真菌、细菌、霉菌生长的作用，药用时通常涂在皮肤上，用以治疗癣类的皮肤疾病。用于合成纤维、树脂、涂料、橡胶、烟草工业。最初苯甲酸是由安息香胶干馏或碱水水解制得，也可由马尿酸水解制得。工业上苯甲酸是在钴、锰等催化剂存在下用空气氧化甲苯制得

5、；或由邻苯二甲酸酐水解脱羧制得。苯甲酸及其钠盐可用作乳胶、牙膏、果酱或其他食品的抑菌剂，也可作染色和印色的媒染剂 1 苯甲酸是化学工业，尤其是石油化学工业中重要的有机原料和产品之一，它广泛用于生产医药中间体、食 品添加剂、化妆品及化工产品，如苯酚、己内酰胺的工业生产中。全世界苯甲酸产量在 200 万吨年以上，仅制造苯酚和己内酰胺就消耗苯甲酸 80 万吨年以上。苯甲酸及其钠盐、钾盐均可作为酸性食品防腐剂，目前其消费量居我国防腐剂用量之首。 (二 )苯甲酸物理性质 表 1-1列出了苯甲酸的一些物理性质 。 表 1-1苯甲酸的物理性质 名称 物性 分子式 分子量 状态 气味 沸点 熔点 比重 蒸汽压

6、 Ph值 溶解度（水） 蒸气密度 闪点 自然温度 活性 C7H6O2 122.12 白色粉末 与苯甲醛相似 249 0C 122 0C 1.2659 0C 1mmHg(96 0C) 2.8（饱和溶液） 2.9%（ 20 0C） 4.2 121 0C 571 0C 常温常压下很稳定 (三 )苯甲酸的化学性质 苯甲酸在常温常压下很稳定，其化学性质主要取决于苯环及羧基，主要包括如下性质： 1、在羧基上的反应苯甲酸略显酸性，与碱反应生成盐；与醇（如甲醇、丁醇、苄醇等）反应，生成相应的酯；羟基被氯取代生成苯甲酰氯，用于这个反应的含氯试剂有五氯化磷、三氯化磷和亚硫酰氯；与脱水剂一起加热时，两分子苯甲酸脱去

7、一分子水生成苯 甲酸酐，常用已酸酐作脱水剂，磷酸作催化剂；羟基被氨基取代生成苯甲酰胺，一般由苯甲酰氯与氨反应生成苯甲酰胺。 2、在苯环上的取代反应苯甲酸中苯环上的氢原子和苯的氢原子一样，可被各种原子或原子团取代，但苯甲酸苯环上的羧基是吸电子基，是使苯环钝化的间位定位基，因此苯甲酸的磺化、硝化和氯化等取代反应比苯的反应要困难一些，使用催化剂和提高反应温度，可以克服这种钝化趋势。 3、在苯环上的加氢反应在金属铂作催化剂的情况下，苯甲酸氢化生成六氢甲酸，它是生产己内酰胺的中间体。添加水可使还原速度增快，反应温度和 压力应比羧基还原时低。 4、氧化反应苯甲酸耐氧化，但提高温度能发生脱羧反应生成苯和二氧

8、化碳。用苯甲酸的铜盐作催化剂，用氧气氧化苯甲酸，可生成苯酚和二氧化碳。使用或制备苯甲酸时的注意事项：当遇热或明火时低火险；悬浮于空气中的苯甲酸微小颗粒在温度超过闪点以后，有可能爆炸；熔融苯甲酸的蒸汽易与空气形成爆炸混合物；食入可导致中毒，影响呼吸和中枢神经系统；对皮肤、眼、鼻、咽、喉等呼吸系统具有强烈的刺激性；遇强氧化剂将引起剧烈的放热反应；其热分解产物中可能包含毒性碳氧化物 2。 (四 )苯甲酸的应用 苯甲酸作为重要的化工原料和产品，它被广泛的应用于化工行业的各个领域之中： 1、 生产苯酚 苯甲酸经液相氧化可以生产苯酚，目前主要生产国有荷兰、美国和加拿大。此外，近年来鲁姆斯 (nIIIlus

9、)公司也开发了苯甲酸气相氧化制苯酚的工艺。 2、生产对苯二甲酸 对苯二甲酸是合成纤维涤纶的原料之一，利用苯甲酸钾发生歧化反应，就能生成对苯二甲酸钾和苯，用酸处理反应混合物后，即可得对苯二甲酸，副产钾盐可循环使用。目前世界上绝大部分对苯二甲酸是以二甲苯为原料生产的，而对二甲苯比甲苯要贵得多，因此，由苯甲酸 生产对苯二甲酸的生产路线仍有生命力。 3、生产己内酰胺 己内酰胺是生产尼龙的原料，一般都用苯酚和环己烷生产，也可以用苯甲酸生产。 4、增塑剂 苯甲酸可以直接与一缩二个乙二醇、一缩二个丙二醇、二缩三个乙二醇等反应生成酯，也可经过苯甲酰氯与一缩二个乙二醇、一缩二个丙二醇等反应生成酯。这些酯沸点高，

10、化学稳定性好，主要用作聚氯乙烯树脂、聚醋酸乙烯树脂和聚酯树脂的增塑剂。此外苯甲酸苄酯还可作醋酸纤维素和硝化纤维素树脂的增塑剂。 5、防腐剂 苯甲酸和苯甲酸钠有杀菌和抑制细菌生长的作用，且低毒无味 ，因而被广泛的用作防腐剂，在微酸性介质中，仅 O 1浓度的苯甲酸即可抑制细菌生长。改变 pH值对苯甲酸盐的杀菌作用和抑制作用影响很大，在碱性介质中其效果明显降低， pH值在 2 5-4 5时效果最佳。在食品工业中，苯甲酸、苯甲酸钠可作酱油、泡菜、苹果酒、果汁、饲料等的防腐剂。在药物、化妆品、牙膏、香粉、烟叶等中，苯甲酸和苯甲酸钠也被用作防腐剂。苯甲酸钠在水中有较大的溶解度，通常用得更多一些，但它的 p

11、H值较高，杀菌和抑菌能力比苯甲酸弱得多。 6、缓蚀剂 苯甲酸钠有缓蚀作用，如把苯甲酸钠加入到汽车冷却系统的冷 却水中，可防 止冷却系统生锈和腐蚀。若该冷却装置中包含有铸铁，还需同时加入亚硝酸钠增加缓蚀效果。此外还可以把苯甲酸钠掺入包装纸浆、胶乳涂料、漆、切削油和机器油中防止金属腐蚀。 7、涂料 苯甲酸还可用于改进各种醇酸树脂涂料的光泽、粘性、强度和耐化学腐蚀性。苯甲酸盐和苯甲酸可终止醇酸树脂高聚物的链增长，促进产品的结晶度。 8、染料载体 苯甲酸、苯甲酸丁酯被大量应用在聚酯纤维染色中，在疏水的聚酯纤维染色时，它们可作为染料载体。 9、药物 苯甲酸、苯甲酸钠、苯甲酸苄酯等都可以用于制造各种药物

12、，分别治疗关节炎、脓肿、支气管炎、皮肤病等，还可用作局部麻醉剂。 (五 )苯甲酸的危害及处理方法 1、 健康危害：对皮肤有轻度刺激性。蒸气对上 呼吸道 、眼和 皮肤 产生刺激。本品在一般情况下接触无明显的危害性。 2、 环境危害：对环境有危害，对水体和大气可造成污染 3、 燃爆危险：本品可燃，具刺激性。 4、 危险特性：遇明火、高热可燃 处理方法： 皮肤接触：脱去污染的衣着，用大量流动清水彻底冲洗。 眼睛接触：立即翻开上下 眼睑 ，用流动清水或生理盐水冲洗。就医。 吸 入：迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。 呼吸 困难时给输氮。呼吸停止时，立即进行人工呼吸。就医。 食 入：误服者漱口，

13、给饮 牛奶 或 蛋清 ，就医。 灭火方法： 雾状水 、 泡沫 、二氧化碳、 干粉 、 砂土 。 二、苯甲酸的合成方法 苯甲酸的工业生产主要有三种 6，即邻苯二甲酸酐催化脱羧法、三氯甲苯水解法及甲苯直接液相氧化法。 （一）邻苯二甲酸酐加热脱羧法 该方法可为液相法和气相法。前者催化剂为邻苯二甲酸铬盐和钠盐等量组成的混合物；后者的脱羧催化剂为等量的碳酸铜和氢氧化钙。反应式为： 副产物有邻苯二甲酸、少量联苯、二苯甲酮等 （二）三氯甲苯水解法 甲苯于 100-150进行光氯化反应所得三氯苄基苯，在 ZnCl2 存在下与水反应得 苯甲酸 5 。以三氯苄基计，苯甲酸产率为 74 -80。反应式为： + C

14、l 21 0 0 - 1 5 0C C l3C C L3+C O O HC O C l+ H C LC O C L+ H2OC O O H+ H C IC H3h r由于该法耗氯，且 HCL 水溶液对管道腐蚀极严重，因此，此法只能是甲苯氯化 水解制苯甲醛和苯甲醇的副产物回收利用的补充方法。 （三）甲苯化学氧化法 该法以甲苯为原料，在中性或碱性条件下以高锰酸钾为氧化剂进行氧化 ,侧链甲基被氧化成羧基。 在中性或碱性条件下，甲苯用 KMnO4氧化制苯甲酸时，苯甲酸以可溶于水的苯甲酸钾盐的形式存在， KMnO4被还原为 MnO2，同时有 KOH和水的生成。分离得到的苯甲酸钾水溶液经无机酸（如盐酸）酸

15、化即可生成苯甲酸。 HClCOK COHKCl+ +甲苯氧化法合成路线较短，操作简单， 产率较高，但制备时间较长。 由于甲苯不溶于高锰酸钾水溶液中，故该反应为两相（有机相与水相）反应。反应需要较高温度和较长时间，常须采用加热回流装置。如果在反应器中加入相转移催化剂，则可缩短反应时间、 提高反应速率，减少副反应，增大选择性，简化操作条件。 实验仪器：四口烧瓶、温度计、机械搅拌器、布氏漏斗、锥形瓶、球形冷凝管、玻璃棒、烧杯 实验试剂： 2.7ml甲苯、 8.5gKMnO4、浓盐酸、蒸馏水、饱和 NaHSO3溶液（活性炭） 具体操作步骤 1、加料及升温： 250 mL 三口烧瓶中加入 2.7ml 甲

16、苯和 100ml 水，瓶口装一冷凝管 , 加热至沸腾回流； 2、加氧化剂进行反应：从冷凝管上口分批加入 8.5g高锰酸钾 , 每次加料不宜多 , 整个加料过程约需 60 分钟 . 最后用少量水 (约 25mL)将粘在冷凝管内壁的高锰酸钾冲洗入烧瓶内 . 3、洗涤、酸化、结晶：继续在搅拌下反应，直至甲苯层几乎消失，回流液不再出现油珠，停止反应。将反应混合物趁热减压过滤，用少量热水洗涤滤渣二氧化锰。合并滤液和洗涤液，加入少量的亚硫酸氢钠还原未反应完的高锰酸钾，直至紫色褪去，成为无色透明的溶液，再进行减压过滤。将滤液放于冰水浴中冷却，然 后加入浓盐酸酸化，边加边搅拌，且用 pH 试纸测溶液的 pH

17、值直至强酸性，这时苯甲酸结晶析出。将析出的苯甲酸抽滤、压干，得到粗的苯甲酸。 4、重结晶：若要得到纯净的苯甲酸，可在水中进行重结晶，最后，还要用测熔点的方法检查产品纯 度是否达到要求。 称取 3g粗苯甲酸，放在 250 mL三角烧瓶中，加入适量水，加热至沸腾，按少量多次的原则加水，直至苯甲酸在溶液沸腾时恰好溶解，再加约 20的水，重新加热至沸。稍冷后，加入适量 (约 0.5 1g，视杂质含量而定 )活性炭于溶液中，煮沸 5 10 min，趁热抽滤（一般再加少量蒸馏水抽 滤），用一烧杯收集滤液（注：滤液如果呈紫色，可加入少量亚硫酸氢钠使紫色褪去，重新减压过滤）。在抽滤过程中，布氏漏斗需预热。滤液

18、冷却（先放置冷却，再用冷水冷却，最后可用冰水冷却）后，有苯甲酸晶体析出，抽气过滤，抽至不滴后，用玻璃棒压挤晶体，继续抽滤，尽量除去母液，然后进行晶体的洗涤工作。取出晶体，蒸汽浴干燥，称量。 5、计算产率 上式中 0.025为 2.7ml甲苯的摩尔数（质量 2.34g）， 122为苯甲酸的摩尔质量。一个化学反应可同时得到几种产物，产率针对目的产物而言。 (四 )合成操作中的注意事项： 1、减 压过滤时，要尽量将苯甲酸中的水分抽干，否则，沸水浴干燥效果不明显，且耗时长； 2、添加高锰酸钾时不能粘在管壁上，可适当用水冲洗至三口烧瓶中； 3、控制滴加速度以便控制反应速度； 4、酸化过程要彻底； 5、注

19、意 控制实验过程中带入的水量，以利于结晶析出。但 在重结晶苯甲酸时，为减少趁热过滤过程损失苯甲酸，一般再加少量蒸馏水。因为温度较高时苯甲酸在水中的溶解度较大，较小体积的一滴溶液中会溶解有较多的苯甲酸，如果有附着在容器壁上或溅出的液滴，会有较多量的损失。加少量水稀释后等体积的液体中会含有较少量的苯甲酸，残留或溅 出等量液体时损失会减小。 6、减压过滤操作特别注意 : 滤纸应能盖住布氏漏斗的所有小孔并紧贴其上；在吸滤瓶与水泵间无缓冲瓶时应特别注意过滤完成后先拨去抽气的橡皮管，然后关水泵；趁热过滤前应先将布氏漏斗浸在水浴锅内充分加热，使热过滤快速进行，防止在过滤时溶液冷却，结晶析出，造成操困难和产品

20、损失。 7、搅拌浆离瓶底约 5mm 左右。 上述三种合成方法中，目前使用最广泛的方法是甲苯直接液相氧化法，全世界 90以上的苯甲酸仍是由此方法合成；而甲苯氯化水解制得的产品不宜用于食品工业；邻苯二甲酸酐脱羧法制得的苯甲酸不易精制 ，成本高，只是在用量不大的医药产品制造过程中采用。 三、苯甲酸精制技术 苯甲酸被广泛的应用于化工行业的各个方面，是重要的化工原料和产品，但另一方面，由于各种生产工艺的不完善，得到的苯甲酸产品中含有大量的杂质，这些杂质的存在，又严重影响了苯甲酸产品的质量，大大限制了苯甲酸的使用。为此，国内外都对高纯度苯甲酸的精制方法进行了研究，开发出了多种高纯度苯甲酸的精制工艺，特别是 20世纪 90年代以来，针对不同的用途和对苯甲酸质量的不同要求，相继出现了多种苯甲酸精制的新方法，如精馏、升华结晶、溶液重结晶、熔融结 晶、超临界萃取等方法。 （一） 精馏 以甲苯液相氧化法制得的苯甲酸一般都使用常压精馏或在真空下精馏得苯甲酸产品。由于精馏过程具有设备简单、处理能力大、操作容易等优点，是目前精制工业苯甲酸的常用方法。精馏工艺用于苯甲酸精制一般分为脱除轻副产物和重副产物两步进行。比苯甲酸沸点低的轻副产物有：乙酸、苯甲醛、苯甲醇、苯乙酮、乙酸苯甲酯、甲酸苯甲酯、苯甲酸甲酯、联苯等，比苯甲酸沸点高的组分主要是甲基联苯、苯甲酸卞酯。氧化产物首先进入脱轻组份塔，未反应的甲苯，