1、 尼泊金酯钠对酱油有极好的防腐作用，只需要少许量就可以很好的抑制酱油中细菌的生长；因为食醋是人们生活中常用的生活品，因此对食醋中添加的防腐剂要求极高，对羟基苯甲酸丁酯具有高效、低毒、广谱等特点，同时易于兼容，因而被选择作为食醋的防腐剂；啤酒以往是采用巴氏消毒法去除杂菌，但由于这样会影响啤酒风味，所以最近几年，很多国家开始采用化学杀菌法，使啤酒既可以保持应有的生物稳定性，又不影响风味。因此，将对羟基苯甲酸酯应用到含有醇的饮料和果酱中，可以发挥很好的防腐作用。（3）在化妆品行业的应用 尼泊金酯在化妆品行业使用量和使用频率都较高，其中的尼泊金甲酯，尼泊金丙酯，尼泊金丁酯，尼泊金乙酯分别位居2005年
2、化妆品防腐剂使用频率排名的前四名4。由此看来，对羟基苯甲酸酯类在化妆品行业具有非常广阔的市场前景。1.4 对羟基苯甲酸丁酯的生产方法现行的生产对羟基苯甲酸丁酯的方法是对羟基苯甲酸和正丁醇在浓硫酸的催化下进行酯化反应，然后趁热过滤分离，把得到的液体进行蒸馏分离，冷却，然后用5%的NaHCO3中和至7-8，结晶，抽滤，得到白色晶体产物。正丁醇，对羟基苯甲酸，环己烷，浓硫酸结晶釜分水器 反应釜 精馏塔环己烷、水分层正丁醇、环己烷回收利用过滤 产品烘箱烘干碱洗、水洗 图1.1 对羟基苯甲酸丁酯的工艺流程图第二章 市场需求2.1 生产现状尼泊金酯具有抗菌活性的报道第一次曝光后，尼泊金酯类被提议作为食品和
3、药品防腐剂，同年尼泊金酯还被正式批准应用于食品中。此后,尼泊金酯又先后被应用到化妆品的防腐中。尼泊金酯的最大特点是：毒性不高，抑菌作用所处的pH值范围广，抑菌性能广泛等。但是,尼泊金酯也有其缺点，水溶性低,量大时有特殊气味等。更由于苯甲酸钠的大量生产,占据了防腐剂市场的很大一部分，尼泊金酯的生产因此大量减少。五六十年代曾打算将尼泊金酯广泛应用到食品防腐中，但由于当时技术有限，没有办法解决尼泊金酯的水溶性缺陷，再加上市场上苯甲酸钠占据了很大份额，造成尼泊金酯在食品工业中的应用一直得不到普遍。九十年代以后,我国加入了WTO,自此我国和国际市场的接触越来越多,这要求我国的食品生产必须与国际接轨,食品
4、安全性问题也越来越受到了人们的关注和重视。我国有相关规定，即A级绿色食品中不能有苯甲酸和苯甲酸钠存在。而尼泊金酯则是公认的安全高效的食品防腐剂。这为尼泊金酯在我国防腐剂市场上占据一席之地创造了十分有利的条件。当尼泊金酯醇烷基的碳原子数增加时，其杀菌能力增加,但是溶解性减小，而且毒性也降低。为解决溶解性这一矛盾，常用通过复配法来提高溶解度,并通过增效作用来提高防腐能力7。随着我国社会经济的飞速发展，人们在对物质追求的同时更加关注的是食品或者生活用品的安全性问题,这一群众性需求必将对食品，药品和化妆品等生活用品的生产工艺、生产条件和原料来源等,尤其是对食品添加剂的安全性提出更高水平更高层次的要求。
5、化学防腐剂在食品保存和加工过程中使用得比较多，但如果防腐剂使用不当也会有造成一定的影响，因此我们必须正确认识防腐剂的副作用，控制使用量和使用条件，确保安全使用。有专家指出，苯甲酸的生产量不应再继续扩大，而扩大对羟基苯甲酸酯的生产和应用才有利于使我国的食品防腐剂产品结构逐步趋于合理化。就食品防腐剂而言,目前国内生产量已达2万吨,最主要的是苯甲酸钠和山梨酸钾两种。其中苯甲酸钠1.8万吨,山梨酸钾0.3万吨。而尼泊金酯只有一小部分厂家生产,而且他们只能生产单酯,国内同类生产企业产品不全并且无复配方技术及使用技术,存在应用行业狭窄的巨大缺点。目前国内生产对羟基苯甲酸酯的厂家主要有浙江圣效化学品有限公司
6、，浙江金鹤来食品添加剂有限公司，广州市品尼高食品添加剂有限公司，启东晋盛大公化工有限公司和无锡江大百泰科技有限公司等等。国内目前均采用浓硫酸催化对羟基苯甲酸和丁酯生产对羟基苯甲酸丁酯，该生产方法是比较经济的生产方法，但后处理较为繁琐。2.2 市场需求从尼泊金酯应用于食品工业至今已有70年左右的历史。在很多防腐领域尼泊金酯和尼泊金酯钠已经可以基本取代苯甲酸和苯甲酸钠了。尼泊金酯最大的缺点是水溶性很低，但随着尼泊金酯盐衍生物（如尼泊金酯钠）的开发和应用,尼泊金酯这一缺陷将成为历史，预计尼泊金酯和尼泊金酯钠可能成为世界上用量最大的食品防腐剂之一。市场需求分析得到：酱油产量500万吨/年,酱类100万
7、吨/年,酱菜类200万吨/年，加上其他行业全国防腐剂用量达2万吨/年,其中仅在化妆品行业全国每年的需求量就超过了50吨，前景十分广阔。按一般添加量计算: 酱油行业:尼泊金酯用量750吨/年 酱菜行业:尼泊金酯用量450吨/年 肉制品行业:尼泊金酯用量1500吨/年 乳饮料行业:尼泊金酯用量300吨/年 海鲜制品:尼泊金酯用量1000吨/年19碳酸饮料、豆制品、啤酒、低度酒等行业作为潜在行业存在。防腐剂的世界市场1992年为2亿美元，年增长率为4.1，1997年达到2.4亿美元，2002年将达到3亿美元。1991年，美国共消费3.8万吨防腐剂，价值1.85亿美元，人均使用量达到200g/a。中国
8、的年产量约为2万吨，人均使用量不足10g/a，美国对其的用途大致分为，饮料占30，乳品占25，方便食品占20，其他占255。图2.1 2007-2012年中国尼泊金酯行业需求情况见下图表：2.3 国内外贸易现状尼泊金酯是公认的抑菌广泛，效果显著的食品防腐剂。目前我国在食品工业中应用的尼泊金系列酯还不多，主要是甲酯等短链酯；而美国、欧洲等国则主要使用尼泊金甲酯、乙酯和丙酯；日本主要使用的是尼泊金丁酯。2.3.1 市场份额统计尼泊金酯主要国家和地区概况图2.2 2012年全球尼泊金酯市场分布图（按产量分） 图2.3 2012年我国尼泊金酯产业主要地区概况（按企业数量分）2.4 发展趋势尼泊金酯几十
9、年前就被应用于食品和药品行业,但由于水溶性差的缺陷,尼泊金酯在食品工业的应用一直受到很大的限制17。随着技术水平的不断先进，可以利用尼泊金酯对位酚基的酸性生产出不同于尼泊金酯的尼泊金酯盐，该盐极易溶于水，但起抗菌作用的还是分子态的尼泊金酯，是值得在食品工业推广应用的防腐剂。 食品防腐剂发展趋势有以下几种，即防腐剂品种多样化,使用微量化和应用技术制剂化。尼泊金酯分子中含有亲水活性基团酚基，通过改造，可以在很大程度上提高尼泊金酯的水溶性，弥补尼泊金酯在应用上的缺陷。此外，可以根据不同链长的烷基醇，可以开发出同一系列的产品,尤其是长链尼泊金酯系列产品。通过一系列尼泊金酯类防腐剂间的复配作用，可以制备
10、出不同食品专用的防腐剂。因此,产品系列化是尼泊金酯类防腐剂不可避免的发展方向,在产品系列化的同时，又可以实现防腐剂使用微量化的目标；其次是产品的改性技术和复配技术不仅能够克服尼泊金酯的水溶性缺陷和增加稳定性,而且可以提高其抑菌活性，使产品使用满足微量化和专业化8。第3章 工艺路线3.1 合成路线目前生产对羟基苯甲酸丁酯的合成路线仅有一种，即用对羟基苯甲酸和正丁醇为原料，选用不同的催化剂，发生酯化反应生成对羟基苯甲酸丁酯，其反应式为： 本研究的传统催化剂为浓硫酸，为了适应工业生产的需要，多年来研究者对催化剂的催化性能做了很多研究，逐渐开发出来很多种催化剂。总结出来，合成对羟基苯甲酸丁酯的催化剂主
11、要有固体酸催化剂、磺酸催化剂、无机盐及氧化催化剂及维生素C9，10催化剂等分为以下几种： （1）硫酸：催化合成对羟基苯甲酸丁酯，该方法可得到纯度较高的对羟基苯甲酸丁酯，但由于浓硫酸具有很强的腐蚀性，会严重腐蚀反应设备，而且对环境的污染较大； （2）固体酸催化剂：与浓硫酸作为催化剂相比,这些新型催化剂具有后处理简单方便，容易分离、无废液排放，对环境危害小，无腐蚀性，可重复使用等优点,因此将越来越受到人们的关注。新成果包括结晶硫酸铁,浓硫酸（微波辐照）固体超强酸La3+-SO42-/TiO2-Fe2O3催化剂,TiSiW12O40/TiO2,SO42-/膨润土,磷钨、硅钨杂多酸，SO42-/TiO
12、2凹凸捧土等新型催化剂。但固体酸催化剂的制备工艺相对较为复杂，在一定程度上限制了其应用； （3）磺酸催化剂：磺酸催化剂具有价格便宜、容易制备、性能稳定，方便运输、保管和使用等优点，此外难溶于有机溶液，能够循环利用，对设备腐蚀性小，不存在副反应，收率高，是一种发展前途非常广阔的新型催化剂；（4）无机盐及氧化物催化：Levis酸属于无机物，它们价格实惠，容易制备。由于Levis酸的金属原子中有一些空轨道，它们可以和羧酸中的羰基氧配位，因此具备了催化酯化的能力。使用这类催化剂，对设备几乎没有腐蚀性，环境污染也小，催化剂的使用量少，它可以作为某些酯化反应的良好催化剂。但由于无机盐容易潮解，会影响其催化
13、的效果，且操作较为复杂；（5）维生素： 维生素具有一定的酸性，能催化合成了缩醛（酮）和乳酸酯，是第一次利用维生素为催化剂的实例。维生素C价格便宜，来源广泛，催化活性较好，并且制备工艺较为简单,没有毒、没有污染、没有腐蚀性,在尼泊金酯合成中有较广阔的应用前景，同时这项研究为国内维生素C的应用提供了新的领域。对近年来国内外对催化合成对羟基苯甲酸丁酯的催化剂进行了分析与比较，同时根据近年来绿色化学的不断深入和环保工作的不断重视，这更是引发了化工行业中相关催化剂的研究探索。在很多文献中都提到了不少新型催化剂，它们都属于环境友好型催化剂（如氨基磺酸、强酸性阳离子交换树脂、固体超强酸、杂多酸和维生素C等）
14、，对环境无害无毒，此外，其中有一部分还可循环使用，这更激励不少学者们更加深入和深刻对它们进行研究和筛选，希望可以找到合成对羟基苯甲酸丁酯的最理想的催化剂。3.2 合成工艺3.2.1 传统工艺传统的合成工艺是间歇操作，即将对羟基苯甲酸，正丁醇和浓硫酸分别加入反应釜，开动搅拌，加热回流，至反应完全为止，停止通入蒸汽，冷却，结晶，过滤滤饼用5碳酸钠溶液和水洗至中性，烘干后得到对羟基苯甲酸丁酯产品。如图所示： 图3.1 工艺流程简图3.3 路线及工艺选择3.3.1 合成路线 通过阅读大量的文献可以看出，目前对羟基苯甲酸丁酯的合成路线几乎均采用传统的直接酯化法合成。其他的合成路线都尚在开发研究阶段，还不
15、能满足工业生产需要。本文以正丁醇和对羟基苯甲酸为原料，采用浓硫酸为催化剂合成对羟基苯甲酸丁酯。因为别的新型催化剂还在实验室中进行进一步深入研究，尚且不能应用到现实工业生产中。这里选用浓度为98的硫酸进行催化反应，并用环己烷作为带水剂。3.3.2 合成工艺本设计采用传统合成工艺，即反应在反应釜内进行，然后过滤结晶制得对羟基苯甲酸丁酯通过酯化反应制得，采用的技术路线会直接影响产品的产率及纯度。文献中提到的现有的生产技术路线几乎都是先反应再分离提纯的间歇生产路线，通过阅读大量资料发现使用反应釜十分适合对羟基苯甲酸丁酯的合成。本研究拟采用反应釜来合成对羟基苯甲酸丁酯。3.4 设计部分3.4.1 产品介
16、绍对羟基苯甲酸丁酯商品名称：尼泊金丁酯分子式C11H14O3CAS：94-26-8物化性能：白色晶体，有特殊气味，易溶于醇，醚等，难溶于水。用途：主要用于有机合成中间体，医药、食品、化妆品等的防腐剂和杀菌剂。包装:：25kg/纸板桶，内衬聚乙烯袋对羟基苯甲酸丁酯又称尼泊金酯，是目前世界上用途最广、用量最大、应用频率最高的一系列防腐剂，具有高效、低毒、广谱、易配伍等优点，广泛应用于日化、医药、食品、饲料及各种工业防腐方面，也是有机合成中间体。食品防腐、杀菌是其主要用途，是我国重点发展的替代苯甲酸钠等食品防腐剂的产品之一，在对羟基苯甲酸酯类中以丁酯的抗菌作用最强。虽然我国的尼泊金酯研究开发应用较晚
17、，但目前已成为防腐、灭菌等研究的热门课题之一，其中以对羟基苯甲酸丁酯的合成研究最受人关注。目前我国使用的防腐剂仍以苯甲酸钠为主，而一些发达国 家已经禁止使用苯甲酸钠作为食物防腐剂。尼泊金酯与传统的苯甲酸、山梨酸等 防腐剂相比，具有高效、低毒、易配伍、使用 pH 范围宽等特点，是我国重点发 展的食品防腐剂之一。 尼泊金酯杀菌、抑菌作用随着醇烃基碳原子数的增加而增加，如尼泊金辛酯 对酵母菌发育的抑制作用是丁酯的50倍，比乙酯强 200 倍左右；而在水中的溶 解度则随着醇烃基碳原子数的增加而降低；另外，碳链愈长，毒性愈小，用量愈 少。通常的作法是将几种产品混合使用，提高溶解度，并通过增效作用提高其防
18、 腐能力。 就目前而言， 国内生产的产品都是一些低碳醇酯， 如尼泊金甲酯、 乙酯、 丙酯与丁酯等，对一些长碳链酯，如庚酯、辛酯、壬酯等，国内尚未生产。因此， 对该类产品的系列化研究非常重要。目前，在精细化工领域研究、开发新型尼泊 金酯异常活跃，根据我国今后精细化工的发展方向，预计尼泊金酯类将有很大的发展。3.4.2 原料简介（1）正丁醇无色、有特殊气味的液体，分子量为74.12，沸点为117.7?，熔点-88.9?，相对密度（相对于水）为0.81；微溶于水，易溶于乙醇，醚等多种溶剂。是多种涂料的溶剂和制增塑剂邻苯二酸丁二酯的原料，也用于制造丙烯酸丁酯，醋酸丁酯等，还用于制造表面活性剂。（2）对
19、羟基苯甲酸（俗称：尼泊金酸）分子式：C7H6O3结构式：CAS号:99-96-7分子量：138.13密度：1.443g/cm3熔点：199性状：无色至白色棱柱结晶体。易溶于乙醇，能溶于乙醚，丙酮等，微溶于水，不溶于二氧化碳。有毒，有刺激性，应密封避光保存。是用途广泛的有机合成原料，特别是其酯类，包括对羟基苯甲酸甲酯，乙酯，丙酯等，可做食品添加剂，还广泛用于食品、化妆品、药品的防腐、防霉剂和杀菌剂等方面。（3）环己烷（cyclohexane） C6H1284.16有汽油气味的无色流动性液体。不溶于水，可与乙醇、乙醚、丙酮、苯等多种有机溶剂混溶，在甲醇中的溶解度为100份甲醇可溶解57份环己烷（2
20、5）。密度（25）：0.7739 g/cm3 ; 熔点（）：6.5 ; 沸点（）：80.7;闪点（）：-18（闭式）; 折射率：1.4264主要用于制备环己醇和环己酮，也用于合成尼龙6。在涂料工业中广泛用作溶剂。是树脂、脂肪、石蜡油类、丁基橡胶等的极好溶剂。3.4.3 工艺流程设计 采用直接酯化法值得对羟基苯甲酸丁酯，方法简单，流程短，工艺技术纯熟，节约设备成本和能耗。采用浓硫酸作为催化剂，在反应釜中进行，同时使用环己烷作为带水剂。具体工艺流程图如下：图3.2工艺流程示意图（1）反应机理浓硫酸催化酯化反应的机理如下：（2）催化剂说明以浓硫酸催化酯化反应制备尼泊金酯工艺需要加环己烷作为共沸脱水剂
21、。这一方法可以解决对羟基苯甲酸能够获得较高的酯化率，且生产工艺也比较纯熟，技术比较成熟。但是存在的缺点是：会伴随氧化、硫化等副反应的发生,这使产品颜色较深,纯度不是很高；后处理比较复杂；会造成一定的环境污染。因此，在使用过程中应注意环境污染问题。3.4.4工艺流程简述在反应釜中加入1085.85Kg对羟基苯甲酸、1748.11Kg正丁醇、105.32Kg浓硫酸和66.16 Kg环己烷，在105下回流反应4小时。待反应液停止后，将反应液马上送进结晶釜中，冷却，结晶，过滤，然后用5%的NaHCO3将滤饼中和至7-8，送至干燥塔烘干，得到产品；同时将含有正丁醇的滤液送至蒸馏塔回收丁醇。第四章 能量衡
22、算4.1 物料衡算（1）原理物料衡算的理论基础是质量守恒定律，对于连续稳定过程，物料衡算的方程是：M=M出 （4-1）即：初始输入量=最终输出量对不连续过程，物料衡算的方程为： M=M出+M累积 （4-2）初始输入量+生成输入量=最终输出量+消耗量（2）方法本设计属于间歇式反应，采用第二种计算方法。（3）a 收集数据：? 原料，产品规格 过程单位时间的物流量 有关消耗定额 有关转化率，选择性，单程收率b画物料流程图，确定衡算对象，根据题目要求它可以是总物料某个组分某个元素等；c 确定衡算范围，根据题目要求它可以是一个系统一个车间某个设备，某个设备的局部等；d 确定衡算基准：根据题目要求它可以是
23、单位质量单位时间等；e 列出输入输出物料平衡表物料衡算它是指进入一个装置（或设备）的主物料的量（包括损失量）和系统内部积累起来的物料的量。对于有化学反应的系统，可表示为：物料输入量=物料输出量生产量+物料消耗量积累量。当系统处于稳定状态时为：物料输入量=物料输出量本流程涉及的化工操作包括反应釜、分离提纯和精馏等。表4.1 原料及产品的物性数据名称密度（kg/m3） 摩尔质量（g/mol） 沸点（）纯度（%）25比热容 J/（mol.K）对羟基苯甲酸1443无99.8180.64正丁醇81074.12117.599.9174.181168194.23356.51699.7334.27水10001
24、8.01100420碳酸氢钠98%表4.2 反应参数表酸醇比酯化浓硫酸用量环己烷总收率温度用量转化率01:04.105占酸质量1.06%与对羟基苯甲酸摩尔量一致83.84%一年生产对羟基苯甲酸300吨，按年工作日300天计算，则对羟基苯甲酸丁酯每天的产量为 300300=1 t/d设计每批物料反应时间为4h，每天生产8h则每天刚好分2批进行生产，每批产量为：1/2=0.5 t4.1.1反应釜物料衡算（1）对羟基苯甲酸：每批产物的物质的量为：0.5 106 99.7% / 194.23= 2566.54 molS = np /（nA，in - nA，out） 100%即85.3% = 2566.
25、54/（nA，in - nA，out） 100%所以对羟基苯甲酸反应实际耗量：nA，in - nA，out=3008.84 mol3008.84 138.13 10-3=415.61KgXA = （nA，in - nA，out）/nA，in 100%即98% = 3008.84 / nA，in 100%所以：nA，in = 3070.24 mol对羟基苯甲酸的进料量为： 3070.24138.12 / 99.8%10-3= 424.91Kg对羟基苯甲酸的出料量为：（3070.24-3008.84）138.1310-3 = 8.48Kg（2） 正丁醇：因为进料酸醇比为：1:3.5所以正丁醇的进料量为：3070.24?3.5?74.12/ 99.9%10-3= 797.28Kg正丁醇反应实际耗量：74.12（424.91-8.48）/138.12=223.47Kg所以正丁醇的出料
