Министерство образования и науки
Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ НА ТЕМУ
Производство красителя органического кислотного синего 2К
Аннотация
«Расчетно-графическое моделирование производства красителя органического Кислотного синего 2К (стадии диазотирования и приготовления натриевой соли фенил-пери кислоты) мощностью 50 т/год 100% продукта».
Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки, содержащей 48 страниц, 10 таблиц и графической части из 2-х листов.
Ключевые слова: краситель органический Кислотный синий 2К, диазотирование, процесс, стадия, приготовление, баланс, продукт.
Работа содержит теоретические аспекты реакций диазотирования. В нем проведены материальные, технологические, теплотехнические расчеты, подобрано оборудование для соответствующих операций.
Введение
В курсовом проекте рассматривается производство красителя органического Кислотного синего 2К 5- (8 - гидрокси- 3, 6-дисульфонатонафтилазо) - 8-фениламинонафталин-1-сульфонаттринатриевая соль. Данный продукт выпускается в виде однородного порошка темно синего цвета.
Краситель органический Кислотный синий 2К применяется для крашения шерсти (волокна, пряжи, ткани).
Азокрасители являются самой многочисленной и наиболее важной группой органических красителей, дающих всю гамму цветов - от жёлтого до чёрного. На их долю приходится почти треть от всего производства красителей, а по числу представителей они стоят на первом месте среди всех остальных классов красителей.
Азокрасители выгодно отличаются от красителей других групп простотой применения, разнообразием свойств и цветов. Главными потребителями азокрасителей являются такие важные отрасли промышленности, как текстильная, лакокрасочная, полиграфическая и т. д. Ими можно окрашивать почти все виды природных, искусственных и синтетических волокон, пластических масс, кожи, бумаги, резиновых изделий.
1. Аналитический обзор литературы и выбор способа производства
Больше половины отечественного ассортимента кислотных красителей составляют кислотные азокрасители, главным образом моно- и дисазокрасители. В молекулах этих красителей содержатся сульфогруппы, которые сообщают красителю растворимость и кислотные свойства. С помощью кислотных азокрасителей можно окрашивать белковые волокна во все цвета, окраски отличаются яркостью и чистотой тона.
Хромофорная система азокрасителей характеризуется наличием цепочки сопряженных двойных связей, в которую входят одна или несколько азогрупп:
R - N = N - R - N = N - R - …
Включение в сопряженную систему азогруппы, содержащей два атома азота с неподеленными парами электронов, приводит к очень сильному углублению цвета. По числу представителей азокрасители стоят на первом месте среди всех классов красителей, на их долю приходятся более половины известных и выпускаемых марок красителей. Азокрасители составляют около четверти всей продукции промышленности синтетических красящих веществ.
О химическом строении азокрасителей можно судить по тому, что как при сочетании диазосоединений с гидроксисоединениями , так и в результате взаимодействия арилгидразинов с хинонами образуются идентичные продукты. Эти продукты являются таутомерными формами азосоединений - азо- и гидразонной.
Наличие азо-гидрозонной таутомерии проявляется во многих свойствах азокрасителей. Так, азокрасители способны давать бисульфитные соединения. Отсутствие у хиногидрозонной формы способной к ионизации гидроксигруппы - одна из причин трудной растворимости о-гидроксиазокрасителей в щелочах.
N = NAr N - NHAr
OH O
NaHSO3
N - NHAr N - NHAr
O OH
H
H
NaO3S H NaO3S H
Следует, впрочем, иметь ввиду, что способность образовывать бисульфитные производные может быть результатом переноса реакционного центра, а трудная растворимость о-гидроксиазосоединений в щелочах - результатом образования прочной внутримолекулярной водородной связи с атомом азота азогруппы.
Кислотные красители представляют собой растворимые в воде соли органических кислот, главным образом сульфо-, реже карбоновых кислот, иногда соли фенолов. В водных растворах диссоциируют с образованием цветных анионов. Компенсирующим катионом большей частью является катион натрия, реже - аммония. Обладают сродством к волокнам, имеющим амфотерный (белковые и полиамидные) и кислотный (ацетатные, полиэфирные, полиакрилонитрильные и т.п.) характер, и окрашивают их из водного раствора, вступая в солеобразование с молекулами этих веществ за счет содержащихся в них кислотных групп (карбоксильные и др.); удерживаются на волокне силами ионных связей. К целлюлозным волокнам сродством не обладают, но могут окрашивать их после предварительной обработки волокна веществами фенольного характера (таннины, синтетические олигомерные фенольные смолы и т.п.), придающими целлюлозным волокнам слабокислый характер [8].
Азокрасители обычно получают путем последовательного применения двух химических реакций: диазотирования и азосочетания (сочетания). В отдельных случаях при получении азокрасителей используют реакции окисления аминосоединений, восстановления нитро- и нитрозосоединений, взаимодействия нитро- и нитрозосоединений с аминами, реакции гидразинов с хинонами, совместного окисления гидразинов или гидразинов с ароматическими соединениями.
Диазотирование.
Диазотированием называют взаимодействие первичных аминов с азотистой кислотой вприсутствии сильной минеральной кислоты, приводящее к образованию солей диазония. Обычно используют не саму азотистую кислоту, а ее натриевую соль, поэтому в реакцию вводят дополнительное количество сильной минеральной кислоты для получения азотистой кислоты из ее соли.
ArNH2 + HNO2 + HX à ArN2X + 2H2O+ NaNO2 + 2HX à ArN2X + 2H2O + NaX
Диазотирование является реакцией электрофильного замещения у атома азота первичной аминогруппы. Амин вступает в реакцию в свободном (неионизированном) состоянии, а так как диазотирование проводится в кислой среде (рН ≤ 3), то концентрация реакционноспособной формы амина определяется равновесием:
ArNH2 + H3O+ ArNH3+ + H2O
Для каждого амина имеется оптимальное значение рН, при котором диазотирование протекает наилучшим способом. В общем случае можно сказать, что чем меньше основность амина, тем более кислой должна быть среда при диазотировании.
Исследование механизма диазотирования было начато в конце прошлого века Е.Бамбергером и А. Ганчем и завершилось исчерпывающими исследованиями К.Ингольда (Англия), Г. Цоллингера (Швейцария) и Б.А.Порай-Кошица (СССР).
Рассмотрим в первую очередь вопрос о природе электрофильного агента диазотирования. В водном растворе сильной неорганической кислоты азотистая кислота частично протонируется с образованием нитрозацидий-катиона
Нитрозацидий-катион очень активный электрофильный агент. Согласно кинетическим данным, этот катион в водном растворе гораздо быстрее реагирует с неорганическими анионами, присутствующими в растворе, чем с ароматическим амином.
В результате образуются новые реагенты : азотистый ангидрид, хлористый или бромистый нитрозил, которые могут быть электрофильными агентами при диазотировании в разбавленном водном растворе.
В разбавленном водном растворе серной, фосфорной, хлорной и других кислот нитрозирующим агентом является азотистый ангидрид N2O3 . При диазотировании в растворе соляной или бромистоводородной кислоты электрофильным агентом оказывается хлористый и, соответственно, бромистый нитрозил. Сама азотистая кислота представляет собой слишком слабый электрофильный агент для диазотирования ароматических аминов. В сильно кислотной среде активной частицей является, вероятно, катион H2NO2+. Наиболее активный нитрозирующий агент - нитрозилсерная кислота получается только в концентрированной серной кислоте при взаимодействии с нитритом натрия.
2 H2SO4 + NaNO2 --- O=N- OSO3H + NaHSO4 + H2O
Активность электрофильных агентов при диазотировании уменьшается в ряду
Эти выводы хорошо согласуются с экспериментальными данными. Диазотирование в водном растворе соляной кислоты идет быстрее, чем в водном растворе серной кислоты, поскольку нитрозилхлорид более сильный электрофильный агент по сравнению с азотистым ангидридом. В свою очередь дизотирование в растворе бромистоводородной кислоты или при добавках бромид-иона идет с большей скоростью, чем в соляной кислоте.
Диазотирование всегда проводят в кислой среде, где протолитическое равновесие сильно смещено вправо.
Тем не менее диазотированию подвергается амин в виде свобoдного основания. Лимитирующей стадией всего процесса диазотирования является образование N-арилнитрозоаммония, как это предполагал Е. Бамбергер еще в 1900 году, далее следует ряд быстрых протолитических равновесий, приводящих к диазосоединению, как к конечному продукту.
&
