丁内酯制备N_甲基吡咯烷酮的研究.docx

γ－丁内酯制备N-甲基吡咯烷酮的研究研究论文李晶，张军( 中国石化仪征化纤股份有限公司研究院，江苏仪征 211900)摘要:以γ－丁内酯和甲胺水溶液为原料合成了N-甲基吡咯烷酮(NMP)，利用气相色谱仪和全自动电位滴定仪对原料和产物进行了分析，考察了间歇反应的反应温度、反应时间、不同原料的配比等因素对 NMP 收率的影响，并搭建了连续化装置，在间歇反应条件的基础上进行了连续化实验，进一步优化了反应条件，为中试研究过程提供了基础数据。关键词: γ－丁内酯 N-甲基吡咯烷酮 制备中图分类号:TQ251．3文献标识码:A文章编号: 1006-334X(2014)01-0010-05N-甲基吡咯烷酮(NMP)又称1-甲基-2-吡咯烷酮或N-甲基-2-吡咯烷酮，它是一种无色透明油状弱碱性液体，微带有胺气味，具有沸点高(203℃)、极性强、溶解性好、不易挥发、毒性低、化学性质稳定等特点，能和大多数有机溶剂互溶，因此可以用作萃取剂，如乙炔提纯，芳烃分离，气体吸收及精制，聚合物如PPS、芳纶的溶剂，还可以用于聚合物合成以及医药、农业等各个领域［1－5］。NMP的合成目前主要有3种类型，一种是以吡咯烷酮和卤代烷烃为原料的吡咯烷酮法［6］;一种是在催化剂条件下合成NMP［7－10］;还有一种是以γ-置的规模相对较小，能耗较高，产品质量稳定性差，生产技术有待改进。笔者在前人工作的基础上［15－18］，采用自行设计的反应器，以γ-丁内酯(GBL)和单甲胺水溶液为原料制备N-甲基吡咯烷酮，并对N-甲基吡咯烷酮间歇合成过程中的工艺条件进行了研究，考察了反应过程中温度、反应时间、原料配比等因素对NMP产率的影响，研究了反应特性，并为工业化装置的优化控制提供了理论支撑。实验11．1原料及试剂甲胺水溶液(CH3NH2):工业级;γ-丁内酯(GBL):分析纯，国药集团化学试剂有丁内酯(GBL)和混合甲胺或者单甲胺为原料的GBL法［11－14］。其中吡咯烷酮法中有卤代烃参加，会对环境造成污染，同时收率也不高，所以现已不用此法进行工业生产。而含有催化剂合成的方法中，虽然温度和压力有所降低，但是存在催化剂本身的回收再利用问题，以及使用重金属催化剂带来的环境问题，使得其现在仍处于研发阶段，工业应用较少，而工业上应用较多的主要是γ-丁内酯无催化剂合成法。虽然现有10多家企业生产NMP，但是装限公司;盐酸标液(HCl):0．5mol/L;四甘醇二甲醚(ST):色谱级，Fluka公司生产。实验原理N-甲基吡咯烷酮(NMP)由γ-丁内酯(GBL)和1．2一甲胺缩合反应制得，反应方程式如下:反应分两步进行: 第一步在常温下即可反应，由GBL和甲胺氨解开环迅速反应生成中间产物4-羟基-N-甲基丁酰胺，为强放热反应; 第二步在一定的收稿日期:2014－01－16作者简介: 李晶(1984—) ，女，湖北随州人，助理工程师，现从事化工工艺及高分子聚合研究工作。第1期李 晶等．γ-丁内酯制备N-甲基吡咯烷酮的研究11温度和压力下，中间产物4-羟基-N-甲基丁酰胺环化脱水生成NMP，此步反应速度较慢，是反应的控制步骤。液冷却后由高压柱塞泵增压到反应压力，原料连续进入到管式反应器中，管式反应器长约10m，为1/8英寸直径的金属管，盘好叠放在高温油浴槽中，反应液经过冷却槽水浴冷却，由减压阀减压后进入收液罐，待到压力温度后，取样进行气相色谱分析。1．3实验方法及测试仪器1．3．1实验方法及实验装置图1是NMP间歇反应装置图，实验将甲胺水溶液与γ-丁内酯按照实验所需的配比加入到高压管式反应器中，拧紧反应器盖，将导管伸到反应器底部的阀门连接管与氮气源相连，交替打开进出气阀门，采用氮气进行3次置换，打开油浴加热器升温，当温度达到设定的反应温度后，将反应器浸入到油槽中，开始计时反应，当反应到所需时间后停止反应，取出反应器，冷却，打开反应器盖子，取出NMP合成样品进行气相色谱分析。图2是NMP连续化制备实验装置图。实验将甲胺水溶液与γ-丁内酯按照实验所需的配比混合加入到原料罐中，设置好所需的反应温度和进料流量，待原料图1间歇高压管式反应器实验流程图图2 1/8英寸毫升级连续化实验流程图1－进料罐;2－高压柱塞泵;3－压力表;4－加热油槽;5－盘管式反应器;6－冷却槽;7－减压阀;8－收液罐1．3．2测试仪器气相色谱仪:GC-2014C;全自动电位滴定仪:瑞士万通905。1．4分析测试1．4．1原料分析γ-丁内酯(GBL):采用气相色谱仪对GBL进行了纯度分析，在DB-FFAP色谱柱上，N2载气流速为30mL/min、气化室温度220℃、FID氢火焰检测器温度为220℃、柱温为180℃条件下，进样分析得出GBL纯度为99．9018%，色谱图见图3所示。图3GBL气相色谱图VcM/m×100，得出甲胺