高纯丙烯酸羟乙酯的新生产工艺

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(4) 酯交换法 1984 年,捷克研究者采用四甲 铵氢氧化物为催化剂,获得只含 0.1%~0.3%乙二醇 二甲基丙烯酸酯的高纯度甲基丙烯酸羟乙酯。国内, 张吉林用价格较便宜的甲基丙烯酸甲酯与乙二醇反 应,在十六烷基三甲基氢氧化铵催化下,用对苯二酚 作阻聚剂,合成甲基丙烯酸羟乙酯,产率为 92.3%。
(2) 一步法 该反应速度很快,但到最后转化 率提高非常慢,且随时间的延长,聚合物增多。为了 保证反应完全,氯乙醇应适当过量,氯乙醇用量少会 造成反应液太粘稠,而使反应及分离均较困难。 温 度对反应影响较大,温度提高,反应速率加快,但在 加压升温条件下,易发生聚合,故反应温度不宜过 高。由于市场没有商品丙烯酸钠出售,因此此法未被 工业化广泛应用。
表 2 丙烯酸羟乙酯国际质量通用指标
纯度 双酯一 双酯二 水分 酸度 色度 阻聚剂 (%) (%) (%) (%) (%) /APHA ×10-6
≥97.5 -
≤0.5 ≤0.15 ≤0.5 ≤15 200~400
4 高纯丙烯酸羟乙酯生产工艺
4.1 高纯丙烯酸羟乙酯的各项指标控制 提升丙烯酸羟乙酯产品的品质,就其各项控制
2 几种合成工艺路线的评定
(1) 开环反应法 从经济角度考虑是合理的,
作者简介:顾 骏 男 1970 年生 工程硕士 工程师 主要从事丙烯酸及其衍生物产品研发及项目设计工作
第2期
顾 骏:高纯丙烯酸羟乙酯的新生产工艺
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是目前制备(甲基)丙烯酸羟烷基酯的通用方法。特 点是反应快、转化率高,一般为 97%~99%;反应温度 低,副反应特别是聚合反应减少,反应收率可高达 95%左右。后处理简单,易于通过精馏得到高纯度的 产品,适于大规模生产。其不利之处在于环氧烷烃易 燃易爆,对生产设备及操作条件要求严格,技术水平 要求高。
上海化工
第 35 卷
含量等 5 个指标,对于生产高档汽车油漆等的特殊 客户以及大部分国外客户对产品质量的要求相对较 高,尤其个别客户对双酯二指标要求低于 0.5%。
通过上述处理工艺只是将反应液利用薄膜蒸发 器进行一次闪蒸,由于其分离效率有限,从而制约了 产品的品质。得到的产品质量情况见表 1。
表 1 简单蒸馏得到的丙烯酸羟乙酯产品质量情况
(6) 二元醇碳酸酯与(甲基)丙烯酸反应 此反 应的优点是反应中生成的二氧化碳易于除去。缺点 是反应时间较长,反应温度较高,长时间和高温导致 副反应的增加,从而使产率下降。
(7) 氯醇法 该方法反应迅速,条件温和,无易
燃易爆问题。由于反应中有无机盐析出,因而反应比 较完全,操作与后处理均较方便。本反应通常在丙 酮、乙醇等有机溶剂中进行,为使(甲基)丙烯酸钠溶 解,宜用含水溶剂,有时亦用三乙胺盐,此时即使不 加水亦可形成均匀的溶液,使反应易于进行且产品 的收率与纯度均较高。但该法合成周期长,产品质量 不稳定,存在副产物 NaCl 的过滤问题和氯醇毒性大 的缺点。
1 丙烯酸羟乙酯合成的几种工艺路线
(1) 开环反应法[1,10] 此法是将环氧烷烃通入(甲基)丙烯酸中,在催化 剂和阻聚剂的作用下进行反应,直接生成丙烯酸羟 乙酯及少量副产物,直接法为一步合成。常用的催化 剂主要有 Fe 系、Cr 系,常用的阻聚剂主要是氮氧自 由基阻聚剂。 (2) 一步法[2,11] 丙烯酸、氯乙醇、氢氧化钠固体加热至 80 ℃左 右时开始反应,控制反应温度,保持 120 ℃反应 1.5 h,反应终点采用硝酸银法分析氯化钠含量而确定。 当反应达到一定转化率后,停止反应。冷却后用布氏 漏斗减压滤去反应生成的氯化钠及未反应的丙烯酸 钠。将得到的反应母液加入定量的二甘醇、对苯二 酚,减压蒸馏分出过量的氯乙醇,收集丙烯酸羟乙酯 馏分。 (3) 直接酯化法[3-4] 此法是二元醇与(甲基)丙烯酸在催化剂的作用 下反应,直接酯化法是双分子的可逆反应,需在酸催
(5) 酰氯酯化法 酰氯的酯化具有以下优点: ① 酰氯反应中生成的副产物为气体(HCl),易于除 去;② 酰氯反应性强,反应速率高,反应温度亦较 低;③ 酯化反应中生成的 HCl 可与去酸剂生成难 溶的铵盐除去,因而反应完全,收率较高。但是,酰氯 的成本远高于相应的羧酸,因而在工业上的应用有 很大的局限性。
纯度 双酯一 双酯二 水分 酸度 色度 阻聚剂 (%) (%) (%) (%) (%) /APHA ×10-6 92~95 0.8~2.0 2.0~6.0 ≤0.5 ≤1.0 15~30 400±40
由表 1 可见,得到的产品纯度不高,产品质量不 稳定,没有有效的手段来进一步降低水分和酸度,色 度情况也不稳定,在实际生产过程中产品质量受工 艺操作的影响波动很大。表 2 为丙烯酸羟乙酯国际 质量通用指标,通过对比,可以看出表 1 得到的产品 与国外指标的要求有很大差距。
采用上述提纯工艺路线来提取丙烯酸羟乙酯产 品只能得到质量一般的产品。主要原因在于反应所 得到的组分含有丙烯酸羟乙酯、乙二醇二丙烯酸酯 (以下简称:双酯一或 AE)、二乙二醇单丙烯酸酯(以 下简称:双酯二或 DE)、水分、未反应酸、重组分等。 产品质量指标主要有纯度、水分、酸度、色度、阻聚剂
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(3) 直接酯化法 低温下反应慢,往往提高反 应温度以提高反应速率;酯化产率较低,存在着单酯 和双酯的选择性问题。1966 年,前苏联的 Gareev G A 和 Ma karov M A 首次报道了用浓盐酸为催化 剂、苯为带水剂,合成丙烯酸羟乙酯,反应混合液经 中和、过滤、减压蒸馏得到产品,产率为 64%。国内, 高大彬曾用 001×7 强酸型阳离子交换树脂为催化 剂合成丙烯酸羟乙酯,转化率达到 90%以上,产品产 率为 78.2%,纯度为 98.1%。
关键词 丙烯酸羟乙酯 丙烯酸 环氧乙烷 催化剂 阻聚剂 生产工艺 中图分类号 TQ 225.24
丙烯酸羟乙酯是丙烯酸羟烷基酯的一种,丙烯 酸羟烷基酯包括甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟 丙酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯四种。丙烯酸羟 乙酯不论是从生产制备工艺还是物料特性上都具有 相当的代表性。丙烯酸羟乙酯作为丙烯酸特种酯是 一种无色透明的液体,具有碳碳双键和羟基两个官 能团。性质极其活泼,应用范围相当广泛,主要用于 纤维加工、涂料、光固化树脂、胶粘剂、纸张加工、橡 胶工业等。
表 3 丙烯酸羟乙酯实际生产产品质量
纯度 双酯一 双酯二 水分 酸度 色度 阻聚剂 (%) (%) (%) (%) (%) /APHA ×10-6 97.5~99.0 0.5~1.0 0.1~0.5 0.02~0.10 0.1~0.5 10~15 100~500
(2) 水分 一般水分是由原料以及催化剂阻聚剂等辅料带 入产品系统的,常规的蒸馏处理得到的产品水分一 般在 0.3%~0.5%。而需要将水分降至 0.15%甚至是 0.10%以下,需要在中间处理过程中增加一个脱水 单元。为此进行了氮气干燥、分子筛脱水、降膜蒸馏、 薄膜蒸发脱轻(轻组分,下同。)、精馏脱轻等试验工 作,根据实验结果最终选择以薄膜蒸发脱轻为最经 济有效的方法。经过薄膜蒸发脱水的物料水分基本 能稳定控制在 0.02%~0.10%,从而确保最终产品的 水分含量在指标要求范围之内。 (3) 酸度 酸度的控制要分两个方面:第一方面是在反应 最初的阶段,需要合适的烷酸比、适宜的反应滴加温 度来控制反应的最终酸度在要求范围之内,一般烷 酸比控制在 1.05~1.08 之间,反应温度控制在 75~80 ℃之间,且要求用尽可能短的反应时间。在适宜的烷 酸比及反应温度条件下,反应最后的物增加会使反应 液的纯度下降。在进行出口产品生产时,需要控制较 低的酸度(小于 0.5%甚至更低时),就要确保反应液 的酸度尽量要控制低一些,一般最好不要高于 0.3%。第二方面就是在脱轻单元,因为水分和酸相 对丙烯酸羟乙酯来说都是轻组分,所以通过脱轻单 元,在原先的反应酸度基础上,可以进一步降低产品 的最终酸度,以达到指标要求。 (4) 色度 产品的色度是评定一个产品品质优良的一个重 要指标。产品色度除了受产品本身色系的影响外,还 受产品内其他杂质的影响。一般来说,纯度越高,色 度就越好,所以由精馏塔系替代薄膜蒸发器后分离 效率提高了,产品的纯度和色度就相应变好了。另外 为了使丙烯酸羟乙酯产品有相对稳定的储存时间, 需要在产品内添加没有色度的阻聚剂 MQ(对羟基 苯甲醚)。 4.2 高纯丙烯酸羟乙酯生产过程的聚合问题 要达到上述产品质量品质,需要对原有生产工 艺路线进行彻底的改造,而改造需要特别注意的是 如何避免各个生产环节中聚合的发生。为此开展了 反应催化配方的优化工作、阻聚剂的筛选优化工作、 精馏提纯的小试中试以及工业化小规模等的试验工 作,经过了 2 年多时间的摸索,取得了较好的成效。
化下进行,常采用的催化剂为硫酸、盐酸、磺酸,还有 锡盐、有机钛酸酯、阳离子交换树脂等。工业上考虑 到设备的腐蚀,一般选用苯磺酸、对甲苯磺酸或阳离 子交换树脂作催化剂。
(4) 酯交换法[5-6] 二元醇与(甲基)丙烯酸甲酯进行酯交换反应, 酯交换法一般用(甲基)丙烯酸甲(乙)酯和二元醇进 行酯交换反应,常用的催化剂一般为醇钠、醇镁、氢 氧化钠、氢氧化钙、四甲基氢氧化铵、十六烷基三甲 基氢氧化铵等强碱和浓硫酸、磺酸等强酸。 (5) 酰氯酯化法[4,7] 二元醇与(甲基)丙烯酰氯反应,酰氯与醇在去 酸剂(如乙醇钠、碳酸钠、吡啶、三乙胺、甲基吡啶等 碱性物质)存在下发生酯化反应生成酯。这是一个不 可逆反应,酰氯的酯化反应极易进行,其酰化能力比 相应的酸酐强。 (6) 二元醇碳酸酯与(甲基)丙烯酸反应[1] 二元醇碳酸酯与(甲基)丙烯酸反应生成(甲基) 丙烯酸羟烷基酯。将 6.7 份碳酸乙二醇酯、0.7 份吡 啶、5 份丙烯酸、0.002 份对甲酚及 l.1 份碱性树脂加 入反应器中,并通入氮气,在 125 ℃下反应 12 h,过 滤得到含量为 93%的丙烯酸羟乙酯。 (7) 氯醇法[4,8,12] 羧酸盐可与活泼的卤化物 (或苄卤) 反应生成 酯。先将(甲基)丙烯酸转化为(甲基)丙烯酸钠,后者 再与氯醇反应,生成丙烯酸羟乙酯。
指标来分析,主要是提高纯度、降低水分含量、降低 酸度、改善色度等四个方面。
(1) 纯度 通过最初的 ASPEN 流程模拟计算,小试中试以 及工业化小规模的试验工作,积累了大量的数据和 经验。根据反应配方所决定的反应液品质以及产品 最终的质量要求,来决定精馏塔需要的理论板数。在 此基础上对装置提纯系统进行了彻底的改造,新增 了一套精馏塔系。通过实际生产的检验,得到了达到 出口质量指标的产品质量(见表 3)。产品纯度的提 高采用常规的精馏方法,关键是如何解决精馏过程 中聚合问题的发生。
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上海化工 Shanghai Chemical Industry
Vol.35 No.2 Feb. 2010
工作研究 高纯丙烯酸羟乙酯的新生产工艺
顾骏
上海华谊丙烯酸有限公司 (上海 200137)
摘 要 简要介绍了丙烯酸羟乙酯的几种反应合成路线,并对工业化生产采用的工艺路线进行简单评价。对上海华 谊丙烯酸有限公司原有丙烯酸羟乙酯的生产工艺特点进行评述,并进一步就高纯丙烯酸羟乙酯的提纯生 产工艺改良进行论证。
综上所述,目前工业化生产所采用的丙烯酸羟 乙酯的合成工艺还是以开环反应法为主,对于环氧 乙烷的危险性控制目前已经有较为完善的手段和措 施;对于生产设备、操作条件的高要求,目前的水平 已经完全能满足其需求。因此,该合成工艺方法为工 业化生产所大量使用。
3 丙烯酸羟乙酯提纯生产工艺路线的雏形
丙烯酸与环氧乙烷反应合成丙烯酸羟乙酯,同 时还生成一部分副产物,为了得到可以被工业生产 所利用的丙烯酸羟乙酯产品,需要对生成的反应混 合物进行分离。由于丙烯酸羟乙酯含有碳碳双键和 羟基官能团,其性质相当活泼,因此在提纯过程中极 易发生自身聚合问题,对化工连续长周期运行带来 很大的负面影响。采用高真空以降低操作温度、采用 薄膜蒸发器以缩短停留时间、采用高效阻聚体系以 及在工程上采取一系列的手段等措施都是为了避免 聚合问题的发生。丙烯酸羟乙酯提纯生产工艺路线 流程见图 1。
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