Лабораторные работы
Окисление ксилолов (получение толуиловых кислот)
Реактивы:
Ксилол (орто-илипара-);
Стеарат кобальта;
Кислород из баллона или воздух;
Кальций хлористый, безводный;
Изопропиловый (или этиловый) спирт.
Перед началом подготовки к работе студент должен получить задание у ведущего преподавателя. Задание включает (в скобках приводятся базовые варианты задания):
исходное вещество (о‑ илип‑ксилол);
газ-окислитель (кислород или воздух);
расход газа-окислителя (для кислорода — 300 см3/мин, для воздуха — 700÷1000 см3/мин);
количество или концентрацию катализатора (~0,03 г);
температуру окисления (125–130°С);
время реакции или критерий прекращения процесса (2 ч).
Окисление ксилола в соответствующую толуиловую кислоту проводят на установке, базовая схема которой представлена на рис. 1.
В качестве окислителя используют кислород из баллона или воздух, подаваемый из общей линии или с помощью компрессора. Расход газа-окислителя регулируют игольчатым вентилем 1, измеряя с помощью реометра2. Газ-окислитель проходит через предохранительную склянку3и вводится в реактор6с помощью барботера5. Реактор снабжен выносным сепаратором (флегмоделителем)9с обратным холодильником (конденсатором)8. Температуру в реакторе поддерживают с помощью электроспирали4, питание которой автоматически регулируется термореле10по показаниям контактного термометра7.
Рис. 1. Установка для жидкофазного окисления ксилолов:
1― вентиль;2 ― реометр;3― предохранительная склянка;4― электроспираль;5 ― барботер;6― реактор;7― контактный термометр;8 ― обратный холодильник;9 ― сепаратор;10 ― термореле
Собирая установку, следует иметь в виду, что все части реактора, соприкасающиеся с реакционной массой, должны быть чисто вымыты и высушены.По окончании сборки проверяют ее правильность, герметичность всех соединений, надежность работы автоматической системы регулирования температуры.
Убедившись в готовности установки к работе, аккуратно освобождают верхний шлиф реактора от контактного термометра 7и проводят загрузку реактора. В сухой сосуд (колбу или цилиндр) отмеряют 80–100 см3ксилола и взвешивают. На аналитических весах отмеряют заданное количество катализатора — стеарата кобальта. Загружая катализатор, следят, чтобы его твердые катализатора не попали внутрь барботера5или не прилипли к шлифу и стенкам реактора6вне реакционной зоны. Для этого через верхний шлиф заливают часть ксилола так, чтобы уровень жидкости был выше уровня ввода газа, приблизительно на уровне середины спирали4. Затем засыпают стеарат кобальта, после чего доливают ксилол, смывая прилипшие к шлифу и стенкам частицы катализатора, до верхней границы спирали4или чуть выше.
Взвешивают сосуд с ксилолом, не вошедшим в загрузку, и пустую емкость из-под стеарата кобальта. Определяют количества загруженных ксилола и катализатора.
Заканчивают подготовку к опыту: устанавливают на место контактный термометр 7, подключают его и спираль4к термореле10. Подают охлаждающую воду в конденсатор8и приступают к проведению окисления.
В газовой линии содержится некоторое количество кислорода, который может вступать в реакцию по мере нагревания реакционной массы и растворения катализатора. Это может привести к разрежению газа в линии и засасыванию в нее реакционной массы через барботер. Поэтому сначала включают подачу газа-окислителя со скоростью 1 пузырек в 1–2 с, затем включают термореле 10и доводят температуру реакционной массы до рабочей. Дожидаются полного растворения катализатора и доводят расход газа-окислителя до рабочего значения, ориентируясь на показания реометра2и соответствующий градуировочный график. Этот момент принимают за время начала окисления.
Контроль за протеканием процесса ведут, измеряя количество воды, выделившейся в сепараторе 9. В ходе опыта строго следят за скоростью подачи газа и температурой в реакторе, поддерживая их на заданном уровне. Все наблюдаемые качественные изменения реакционной массы и определяемые значения параметров и показателей процесса заносят в лабораторный журнал с указанием времени.
Если в результате реакции образуется продукт, имеющий температуру плавления выше температуры процесса, необходимо внимательно следить, чтобы барботажная трубка 5не забилась выпадающими кристаллами: это может привести к выбросу реакционной массы. Другая опасность связана с возможностью кристаллизации исходного сырья в обратном холодильнике8, приводящей к уменьшению объема жидкости в реакционной зоне и перегреву стенок реактора.Оценить возможность подобных аварийных ситуаций следует заранее — по данным о физико-химических свойствах веществ, участвующих в процессе.
Окисление ведут в течение заданного времени или до появления признаков забивания барботера 5выпадающими кристаллами продукта. После этого выключают термореле10, прекращают подачу газа, фиксируя время окончания окисления, и отсоединяют газовую линию от реактора. Сливают воду из сепаратора9во взвешенную емкость или мерный цилиндр. Отсоединяют спираль4, холодильник8, контактный термометр7и горячую реакционную массу аккуратно выливают через шлиф сепаратора9в стакан (кристаллизатор), содержащий 300 см3воды, заранее охлажденной до температуры не выше 5°С. В стакане происходит кристаллизация толуиловой кислоты. При этом содержимое энергично перемешивают стеклянной палочкой, чтобы избежать образования крупных комков.Все действия по остановке процесса и выгрузке продукта проводят быстро, не давая реакционной массе остыть в реакторе.
Кристаллы, оставшиеся на стенках реактора 6и барботажной трубки5аккуратно смывают минимальным количеством изопропилового (этилового) спирта (5÷15 см3) и сливают в кристаллизатор, объединяя с основной частью продукта.
Определяют массу или объем воды, выделившейся в ходе процесса. Данные вносят в таблицу материального баланса, а водный слой также сливают в кристаллизатор с продуктом.
Кристаллический продукт отсасывают на воронке Бюхнера и промывают холодной (≤5°С) водой дважды по 50 см3. Затем кристаллический осадок толуиловой кислоты тщательно отжимают между двумя слоями фильтровальной бумаги и сушат при 70°С до постоянной массы или в течение нескольких дней при комнатной температуре, лучше в эксикаторе над осушителем. При необходимости по согласованию с преподавателем кислоту перед высушиванием перекристаллизовывают из горячей воды или водно-спиртового раствора.
Фильтрат, состоящий из двух слоев, переливают в делительную воронку, отделяют органический слой от водного, сушат его над безводным хлоридом кальция не менее 2 ч, фильтруют в предварительно взвешенную сухую емкость и взвешивают.
Высушенную толуиловую кислоту взвешивают. Определяют температуру плавления и кислотное число. Характеристики полученного продукта вносят в таблицу сравнения с литературными (теоретическими) данными. Формулируют вывод о степени чистоты полученного продукта.
В органическом слое фильтрата может растворяться некоторое количество толуиловой кислоты, которое определяют, анализируя органический слой на кислотное число. Рассчитывают количество ксилола и толуиловой кислоты в органическом слое.
На основании результатов опыта составляют таблицу материального баланса процесса, сопровождая ее расчетными уравнениями и необходимыми вычислениями.
Вычисляют выход толуиловой кислоты; процент использования кислорода; расходные коэффициенты для всех взятых в реакцию веществ.