Способ осуществления химических реакций

 

Использование: при синтезе неорганических и органических веществ. Способ осуществления химических реакций заключается в том, что исходные реагенты перемешивают в твердой фазе, уплотняют и подвергают воздействию упругих колебаний частотой 50-10⁵ Гц и амплитудой более 1 мкм. Воздействие упругих колебаний осуществляют как при непрерывном движении смеси исходных компонентов через реактор, так и при движении источника упругих колебаний. Этим достигаются экологическая чистота химических процессов, получение продуктов, не загрязненных посторонними примесями, высокая скорость и непрерывность процессов, их меньшая энергоемкость по сравнению с традиционными технологиями. 4 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к проведению реакций синтеза, разложения, присоединения, замещения, и может найти применение при синтезе неорганических и органических веществ.

В настоящее время большая часть химических реакций разложения, замещения, присоединения и синтеза неорганических и органических соединений реализуется в производственных условиях с использованием жидкофазной химической технологии. Как правило, эта технология является достаточно энергоемкой и экологически небезопасной [1] Процессы осуществляются многостадийно, с выделением промежуточных продуктов.

Известны способы осуществления твердофазных реакций, включающие в себя операции перемешивания исходных компонентов, компактирования образующейся смеси и ее спекания с образованием заготовки с заданной плотностью. Таким образом, синтезируются сложные оксидные соединения (пьезокерамика, высокотемпературные сверхпроводники и т.д.) [2] Эта технология является весьма энергоемкой и в ряде случаев нуждается в дополнительной очистке продуктов, что связано с использованием специальных мер предосторожности с экологических позиций. Как правило, скорость протекания химических реакций при твердофазной технологии определяется диффузионными процессами и является достаточно низкой, что не позволяет обеспечить непрерывность в осуществлении химических реакций.

Проведение твердофазных химических реакций с большей скоростью может быть обеспечено путем упруго-сдвиговых деформаций, механических ударов, перетирания в шаровых и вибромельницах и экструзии. Деформация сдвига под давлением в твердом теле позволяет проводить многие известные типы химических реакций в органических и неорганических веществах, такие как реакции разложения, присоединения, замещения, обмена, полимеризации и т.д. [3] Эти реакции характеризуются большой эффективной константной скорости, большой скоростью массопереноса и невыполнением для них закона Аррениуса.

Недостаток этих способов износ движущихся частей и стенок камер, который при большой твердости исходных реагентов может достигать значительных величин, что загрязняет продукты реакции, а также приводит к необходимости замены изнашивающихся деталей.

Известно применение упругих колебаний для воздействия на исходные реагенты в виде растворов, эмульсий и дисперсий для проведения звукохимических реакций. Таким образом можно получать различные органические и неорганические соединения [4] Механизм воздействия кавитационный, характерен только для жидкофазных процессов. Недостатками этих методов являются большая энергоемкость и экологическая небезопасность, многостадийность процесса, необходимость выделения и очистки промежуточных продуктов.

Цель изобретения разработка экологически чистого способа осуществления различных химических реакций с меньшей энергоемкостью процессов, а также значительное упрощение их проведения за счет уменьшения стадийности процессов в случае многокомпонентных систем. Важной задачей является разработка способа проведения химических реакций как неорганического, так и органического синтеза с большой скоростью, позволяющего реализовать непрерывность процессов и охватывающего широкий круг проводимых реакций. Важным является расширение круга используемых исходных реагентов, не требующих растворения.

Сущность изобретения заключается в том, что способ осуществления химических реакций включающий перемешивание исходных реагентов в твердой фазе и их уплотнение, отличается тем, что уплотнение проводят до плотности, достаточной для обеспечения акустического контакта частиц смеси, преимущественно не ниже 0,8 от теоретической. Полученную массу подвергают воздействию упругих колебаний предпочтительно частотой 50-10⁵Гц и амплитудой более 1 мкм. Воздействие упругих колебаний на реакционную смесь осуществляют при непрерывном движении смеси исходных компонентов и/или источника упругих колебаний. Увеличение плотности реакционной смеси и амплитуды колебаний приводит к уменьшению времени обработки, необходимого для обеспечения максимального выхода продуктов. Таким образом, могут быть осуществлены реакции синтеза в двух-, трех-, четырехкомпонентных системах, которые в обычных условиях являются многостадийными процессами. Предложенным способом можно осуществлять также реакции разложения, присоединения, замещения и т.д.

Для осуществления реакций синтеза могут быть использованы обычные в органическом и неорганическом синтезе исходные реагенты, такие как исходные компоненты для синтеза веществ тонкого органического синтеза, например органических красителей, а также вещества, применяемые в общем органическом или неорганическом синтезе. При этом могут быть использованы нетрадиционные вещества, которые не применяются в известных жидкофазных промышленных процессах в силу их нерастворимости в используемых растворителях. Примером реакций разложения является, в частности, разложение солей дихромовой кислоты, а реакцией замещения проведение металлотермических реакций или получение оксидов различных металлов.

Для осуществления воздействия упругих колебаний может быть использован пуансон-излучатель. Предпочтительная частота колебаний 3,5х10⁴ Гц, а амплитуда 14 мкм. Реакции могут быть осуществлены непрерывным образом путем пропускания исходных реагентов через реактор, представляющий собой контейнер экструдера, и воздействия на них упругих колебаний с упомянутыми параметрами. Реализация изобретения для синтеза органических соединений в многокомпонентной системе приводит к сокращению стадийности процесса до 1 стадии и к возможности их осуществления непрерывным способом. Кроме того, отсутствуют сточные воды и уменьшаются энергозатраты.

П р и м е р 1. Реакция синтеза в двухкомпонентной системе на примере синтеза желтого красителя: 1 молярную часть солянокислого анилина смешивают с 1 молярной частью азотистокислого натрия. Затем прессуют смесь исходных реагентов до плотности ≈ 0,8 от теоретической и подвергают воздействию упругих (ультразвуковых УЗ) колебаний с частотой 22 кГц и амплитудой 10 мкм. В результате брутто-реакции 2 NH₂·HCl+2NaNO₂__→ N=NOH+2NaCl+3H₂O+N₂ через 2-3 с после включения УЗ воздействия образуется желтый порошок азокраситель, строение которого доказано методами спектрального анализа и который окрашивает субстраты различного происхождения (хлопок, шерсть, пластмасса) в желтый цвет.

П р и м е р 2. Реакция синтеза в трехкомпонентной системе на примере получения красителя бисмарк коричневый из следующих реагентов: 3 молярные части метафенилендиамина NH₂ 2 молярные части гидросульфата калия КНSO₄ 2 молярные части азотистокислого натрия NaNO₂ В условиях, описанных в примере 1, в результате реакции
KHSO₄+2NaNO₂__→ N=N+
через 4-6 с после включения УЗ воздействия образуется краситель бисмарк коричневый, который окрашивает субстрат в цвет, соответствующий стандарту.

П р и м е р 3. Реакция синтеза в четырехкомпонентной системе. Получение пигмента красного Ж. Используют следующие реагенты:
β -нафтол
паранитроанилин NHNO₂
гидросульфат калия KHSO₄
азотистокислый натрий NaNO₂ Взятые в определенном (стехиометрическом) соотношении порошки реагентов с размерами частиц 50-100 мкм произвольной общей массой перемешивают и затем прессуют обычным способом до плотности, составляющей 0,9 от теоретической ( ρ_т). Полученную заготовку подвергают воздействию упругих (УЗ) колебаний с частотой 20 кГц и амплитудой 15 мкм в течение 3-5 мин. В процессе УЗ обработки реализуется трехстадийная брутто-реакция:
NO₂+KHSO₄+NaNO₂__→
Полученный продукт по спектральным характеристикам идентичен получаемому в промышленности пигменту красному Ж и обладает аналогичным окрашивающим действием.

Количественный анализ показал, что при определенном подборе массы навески реагентов, интенсивности воздействия и времени обработки выход продукта в виде красителя пигмент красный Ж составляет 100%
П р и м е р 4. Разложение соли дихромовой кислоты. Порошок бихромата аммония спрессовывают в заготовку с плотностью 0,9 ρ_т и подвергают воздействию ультразвука с частотой 2˙10⁴ Гц и амплитудой 6 мкм. Реакция разложения заканчивается за 2 мин
(NH₄)₂Cr₂O₇__→ 2NH₃+H₂O+Cr₂O₃+3/2 O₂ Анализ показал, что твердым продуктом является Cr₂O₃ и он не содержит исходного вещества.

П р и м е р 5. Реакция замещения в системе металл-оксид. Реагенты в виде порошков оксида меди (CuO) и алюминия (Al), взятые в стехиометрическом соотношении, после перемешивания прессуют до плотности, составляющей 90% от теоретической. Полученную заготовку подвергают воздействию ультразвуковых колебаний с частотой 2˙10⁴ Гц и амплитудой 5 мкм. В процессе ультразвуковой обработки реализуется реакция:
3CuO+2Al __→ Al₂O₃+3Cu и обеспечивается полное ее завершение через 15 с после начала обработки.

П р и м е р ы 6 и 7. Аналогично примеру 5 осуществлены следующие реакции:
3CuO+2Fe __→ Fe₂O₃+3Cu
Fe₂O₃+2Al __→ Al₂O₃+2Fe
П р и м е р 8. Реакция в системе органическая кислота оксид. Заготовки из реагентов в виде порошков лимонной кислоты С₆Н₈О₇ и оксида железа Fe₂O₃, приготовленные вышеупомянутым способом, подвергают воздействию ультразвука, в результате чего протекает реакция:
2C₆H₈O₇+Fe₂O₃__→ 2C₆H₅O₇Fe+3H₂O Об этом свидетельствует наличие катиона Fe³⁺, обнаруженного титрованием фенантролином. Воздействие УЗ с частотой 22 кГц и амплитудой 12 мкм в течение 5 мин приводит к 50%-ному превращению исходных продуктов в цитрат железа.

П р и м е р 9. Синтез азокрасителей. Смесь перемешанных в стехиометрическом соотношении компонентов, необходимых для получения пигмента красного Ж (см. пример 3), помещают в реактор, представляющий собой контейнер экструдера. УЗ колебания частотой 35<N>cdot<N>10³ Гц и амплитудой 14 мкм подводят к реакционной смеси через пуансон-излучатель со скоростью движения пуансона-излучателя 20 мм/мин, что соответствовало скорости протекания химической реакции 0,3 м/мин. Выходящие через матрицу экструдера продукты реакции содержат 100% пигмента красного Ж.

На чертеже представлена зависимость выхода продукта С к теоретическому С_т от времени УЗ воздействия для пигмента красного Ж.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ, включающий перемешивание исходных реагентов в твердой фазе и их уплотнение, отличающийся тем, что уплотнение проводят до плотности не ниже 0,8 от теоретической и полученную компактную заготовку подвергают воздействию упругих колебаний частотой не ниже 10⁴ Гц и амплитудой смещения более 1 мкм, причем воздействие упругих колебаний осуществляют в стационарных условиях или при непрерывном движении смеси исходных компонентов и/или источника упругих колебаний.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при получении пигмента красного уплотнение исходных реагентов, взятых в стехиометрическом соотношении, проводят до плотности 0,9 от теоретической, воздействие упругих колебаний частотой 3,5 · 10⁴ и амплитудой смещения 14 мкм осуществляют через пуансон-излучатель, движущийся со скоростью 20 мм/мин.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при получении красителей в двух компонентных системах с получением желтого азокрасителя исходные реагенты - солянокислый анилин и нитрит натрия, взятые в стехиометрическом соотношении, уплотняют до плотности 0,8 от теоретической, затем подвергают воздействию упругих колебаний с частотой 2 · 10⁴ Гц и амплитудой 10 мкм в течение 2 - 3 с.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при осуществлении реакции синтеза в трехкомпонентных системах с получением красителя "бисмарк коричневый" исходные реагенты - метафенилендиамин, гидросульфат калия, азотистокислый натрий, взятые в стехиометрическом соотношении, уплотняют до плотности 0,8 от теоретической, затем подвергают воздействию упругих колебаний с частотой 2 · 10⁴ Гц и амплитудой 10 мкм в течение 4 - 6 с.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при осуществлении реакции синтеза в четырехкомпонентной системе в получением пигмента красного Ж исходные реагенты - β -нафтол, паранитроанилин, гидросульфат калия, азотистокислый натрий с размерами частиц 50 - 100 мкм, взятые в стехиометрическом соотношении, перемешивают, прессуют до плотности 0,9 от теоретической, затем подвергают воздействию упругих колебаний с частотой 2 · 10⁴ Гц и амплитудой 15 мкм в течение 3 - 5 мин.

РИСУНКИ

Рисунок 1