发明内容
(甲基)丙烯酸与丁醇发生的酯化反应是可逆的平衡反应,在强酸催化存在下,丁醇与(甲基)丙烯酸发生一级均相酯化反应,生成酯和水。由于反应物(甲基)丙烯酸与生成物(甲基)丙烯酸酯沸点非常接近,难以分离回收。必须想办法使连续加入的(甲基)丙烯酸实现几乎完全的转化。为此,一般控制醇酸摩尔配比在1∶1和2.5∶1之间,同时调整反应温度和压力,并连续脱除反应生成的水分以打破反应平衡;采用多级反应器串联操作,改变反应液浓度;另外,选择适宜的反应停留时间和合理催化剂配比对提高转化率也是十分必要的。
在已知的酯化工艺中,醇与(甲基)丙烯酸的摩尔配比是影响反应转化率的关键因素,比值高虽然可以提高(甲基)丙烯酸转化率,但后续的醇分离成本将加大;比值过低,(甲基)丙烯酸将不能完全转化。由于(甲基)丙烯酸难以循环回收,使物耗增加。通常采用的醇酸摩尔配比在1∶1至2.5∶1之间。显然,在保证酸转化率的前提下,醇酸配比比值越低则过程越经济。通过选择综合性能优良的催化剂并优化工艺配置,可以显著提高过程的经济性能。
一般来讲,随着采用的催化剂或催化剂的组合不同,酯化反应适宜的操作条件、反应速度、平衡关系以及最终的转化率和选择性都将有所不同,而这对于工业化生产又是至关重要的。同为强酸的酯化催化剂,通过适当搭配就可使反应过程达到最佳状态;另外,通过适当增加反应器级数,改变反应物浓度环境,以及强化传质传热都对提高转化率和选择性具有显著影响。
一种制备(甲基)丙烯酸重酯的方法,原料液(甲基)丙烯酸、丁醇加入到反应器中,通过搅拌器搅拌,补充热量,反应温度控制在90~95℃,真空度为0.06~0.04MPa,在共沸精馏塔顶部加入正丁醇,发生均相酯化反应,生成(甲基)丙烯酸酯和水;共沸精馏塔上部设有蒸汽提升器,排出物经冷凝器后进分层器,有机相返回共沸精馏塔顶部,生成水经分层器、水相接收器排出,共沸精馏用正丁醇从分层器加入,相关设备还有真空泵、原料罐以及仪表。其特征在于,在复合强酸催化剂存在条件下,(甲基)丙烯酸与丁醇发生均相酯化反应,反应物料通过依次设置的3台串联操作的反应器,连续脱除每台反应器中产生的水分;所述复合强酸是指选自苯磺酸、对甲苯磺酸、甲磺酸和硫酸中的两种或两种以上复合物,所述复合强酸若选用其中两种酸作为催化剂时,其配合比为1∶5~5∶1;若选用三种酸作为催化剂时,其中每一种酸所占浓度为10%~60%(wt),复合强酸催化剂其在反应物料中浓度为0.7%~1.5%(wt),最佳浓度为0.9%~1.2%(wt),其中“wt”表示以重量计的浓度。
反应器停留时间是影响反应转化率和选择性的另一关键因素,增加反应时间将增加转化率,但选择性将下降。另外,停留时间的增加意味着设备投资增大或产能降低。本发明通过增加反应器级数(采用三级反应器串联)改变反应物浓度,同时通过加强搅拌强化反应器内的传质传热,加快反应速度,进一步缩短停留时间。本发明的反应停留时间为2~9小时,最佳停留时间为3~5小时。由于反应物料通过依次设置的3台串联操作的带搅拌的反应器,并连续脱除每台反应器中产生的水分。这样可使酯化反应的(甲基)丙烯酸转化率达到98.5%以上,产品选择性大于97.5%,明显高于一般的同类酯化反应工艺。
本发明提供的方法,可以制备(甲基)丙烯酸丁酯,同样也可以用来使丙烯酸或(甲级)丙烯酸与高级链烷醇(通常含4个以上碳原子)发生酯化反应,制备(甲基)丙烯酸重酯,如制备(甲基)丙烯酸辛酯。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作出进一步地详细描述。
采用丙烯酸和丁醇为原料,以苯磺酸、对甲苯磺酸、甲磺酸和硫酸为反应催化剂,进行了丙烯酸重酯酯化反应试验,并对试验结果进行了比对。
试验前首先按丁醇/丙烯酸1.2/1的摩尔比(重量比为1.233/1)配置好原料液,然后按1%的浓度向配置好的原料液中加入催化剂;将塔顶分层器内加入正丁醇,用来脱除反应过程中产生的水。试验时将含有催化剂的原料液按规定流量连续的加入反应系统中,试验结束后对塔顶有机相、塔顶水相及各反应器的反应产物取样分析。
具体步骤如下:
(1)按1%的浓度向配置好的原料液中加入不同配比的催化剂;
(2)向塔顶分层器10内加入正丁醇;
(3)向塔顶冷凝器9中通入冷却水;
(4)启动真空泵14,调节真空度至0.055MPa;
(5)向第一反应器1内加入原料至溢流口处,并启动搅拌器4;
(6)启动第一反应器1的加热系统及管线、塔体保温系统,并调节至规定温度;
(7)待塔顶有凝液后,通过流量计12按规定流量向塔进料;
(8)当第一反应器1内物料溢流至第二反应器2内时,启动搅拌器5及第二反应器加热系统,并调节至规定温度;
(9)当第二反应器2内物料溢流至第三反应器3内时,启动搅拌器6及第三反应器加热系统,并调节至规定温度;
(10)加料结束后,停止所有加热系统,待各反应器温度降至常温时,停止搅拌及真空系统工作,然后各反应器出料、计量,取样分析分层器及各反应器内物料组成。
实施例1:
以单一硫酸为催化剂。物料平衡情况见表1-1所示;工艺参数见表1-2所示;分析结果见表1-3所示;丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率见表1-4所示。
表1-1物料平衡表
表1-2工艺参数
表1-3各物流分析结果
表1-4丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率
实施例2:
以单一苯磺酸为催化剂。物料平衡情况见表2-1所示;工艺参数见表2-2所示;分析结果见表2-3所示;丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率见表2-4所示。
表2-1物料平衡表
表2-2工艺参数
表2-3各物流分析结果
表2-4丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率
实施例3:
以单一对甲苯磺酸为催化剂。物料平衡情况见表3-1所示;工艺参数见表3-2所示;分析结果见表3-3所示;丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率见表3-4所示。
表3-1物料平衡表
表3-2工艺参数
表3-3各物流分析结果
表3-4丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率
实施例4:
以单一甲磺酸为催化剂。物料平衡情况见表4-1所示;工艺参数见表4-2所示;分析结果见表4-3所示;丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率见表4-4所示。
表4-1物料平衡表
表4-2工艺参数
表4-3各物流分析结果
表4-4丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率
实施例5:
以苯磺酸/对甲苯磺酸(3/1)为催化剂。物料平衡情况见表5-1所示;工艺参数见表5-2所示;分析结果见表5-3所示;丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率见表5-4所示。
表5-1物料平衡表
表5-2工艺参数
表5-3各物流分析结果
表5-4丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率
实施例6:
以苯磺酸/对甲苯磺酸(1/1)为催化剂。物料平衡情况见表6-1所示;工艺参数见表6-2所示;分析结果见表6-3所示;丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率见表6-4所示。
表6-1物料平衡表
表6-2工艺参数
表6-3各物流分析结果
表6-4丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率
实施例7:
以苯磺酸/对甲苯磺酸(1/3)为催化剂。物料平衡情况见表7-1所示;工艺参数见表7-2所示;分析结果见表7-3所示;丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率见表7-4所示。
表7-1物料平衡表
表7-2工艺参数
表7-3各物流分析结果
表7-4丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率
实施例8:
以苯磺酸/甲磺酸(3/1)为催化剂。物料平衡情况见表8-1所示;工艺参数见表8-2所示;分析结果见表8-3所示;丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率见表8-4所示。
表8-1物料平衡表
表8-2工艺参数
表8-3各物流分析结果
表8-4丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率
实施例9:
以苯磺酸/甲磺酸(1/1)为催化剂。物料平衡情况见表9-1所示;工艺参数见表9-2所示;分析结果见表9-3所示;丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率见表9-4所示。
表9-1物料平衡表
表9-2工艺参数
表9-3各物流分析结果
表9-4丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率
实施例10:
以苯磺酸/甲磺酸(1/3)为催化剂。物料平衡情况见表10-1所示;工艺参数见表10-2所示;分析结果见表10-3所示;丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率见表10-4所示。
表10-1物料平衡表
表10-2工艺参数
表10-3各物流分析结果
表10-4丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率
实施例11:
以对甲苯磺酸/甲磺酸(3/1)为催化剂。物料平衡情况见表11-1所示;工艺参数见表11-2所示;分析结果见表11-3所示;丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率见表11-4所示。
表11-1物料平衡表
表11-2工艺参数
表11-3各物流分析结果
表11-4丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率
实施例12:
以对甲苯磺酸/甲磺酸(1/1)为催化剂。物料平衡情况见表12-1所示;工艺参数见表12-2所示;分析结果见表12-3所示;丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率见表12-4所示。
表12-1物料平衡表
表12-2工艺参数
表12-3各物流分析结果
表12-4丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率
实施例13:
以对甲苯磺酸/甲磺酸(1/3)为催化剂。物料平衡情况见表13-1所示;工艺参数见表13-2所示;分析结果见表13-3所示;丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率见表13-4所示。
表13-1物料平衡表
表13-2工艺参数
表13-3各物流分析结果
表13-4丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率
实施例14:
以苯磺酸/对甲苯磺酸/甲磺酸(1/1/1)为催化剂。物料平衡情况见表14-1所示;工艺参数见表14-2所示;分析结果见表14-3所示;丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率见表14-4所示。
表14-1物料平衡表
表14-2工艺参数
表14-3各物流分析结果
表14-4丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率
实施例15:
以苯磺酸/对甲苯磺酸/甲磺酸(2/1/1)为催化剂。物料平衡情况见表15-1所示;工艺参数见表15-2所示;分析结果见表15-3所示;丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率见表15-4所示。
表15-1物料平衡表
表15-2工艺参数
表15-3各物流分析结果
表15-4丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率
实施例16:
以苯磺酸/对甲苯磺酸/甲磺酸(1/2/1)为催化剂。物料平衡情况见表16-1所示;工艺参数见表16-2所示;分析结果见表16-3所示;丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率见表16-4所示。
表16-1物料平衡表
表16-2工艺参数
表16-3各物流分析结果
表16-4丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率
实施例17:
以苯磺酸/对甲苯磺酸/甲磺酸(1/1/2)为催化剂。物料平衡情况见表17-1所示;工艺参数见表17-2所示;分析结果见表17-3所示;丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率见表17-4所示。
表17-1物料平衡表
表17-2工艺参数
表17-3各物流分析结果
表17-4丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率
实施例18:
以苯磺酸/对甲苯磺酸/甲磺酸(2/2/1)为催化剂。物料平衡情况见表18-1所示;工艺参数见表18-2所示;分析结果见表18-3所示;丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率见表18-4所示。
表18-1物料平衡表
表18-2工艺参数
表18-3各物流分析结果
表18-4丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率
实施例19:
以苯磺酸/对甲苯磺酸/甲磺酸(1/2/2)为催化剂。物料平衡情况见表19-1所示;工艺参数见表19-2所示;分析结果见表19-3所示;丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率见表19-4所示。
表19-1物料平衡表
表19-2工艺参数
表19-3各物流分析结果
表19-4丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率
实施例20:
以苯磺酸/对甲苯磺酸/甲磺酸(2/1/2)为催化剂。物料平衡情况见表20-1所示;工艺参数见表20-2所示;分析结果见表20-3所示;丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率见表20-4所示。
表20-1物料平衡表
表20-2工艺参数
表20-3各物流分析结果
表20-4丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率
实施例21:
以单一硫酸为催化剂增加反应时间。物料平衡情况见表21-1所示;工艺参数见表21-2所示;分析结果见表21-3所示;丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率见表21-4所示。
表21-1物料平衡表
表21-2工艺参数
表21-3各物流分析结果
表21-4丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率
实施例22:
以单-对甲苯磺酸为催化剂减少反应时间。物料平衡情况见表22-1所示;工艺参数见表22-2所示;分析结果见表22-3所示;丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率见表22-4所示。
表22-1物料平衡表
表22-2工艺参数
表22-3各物流分析结果
表22-4丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率
实施例23:
以苯磺酸/对甲苯磺酸/甲磺酸(2/2/1)为催化剂减少配比。物料平衡情况见表23-1所示;工艺参数见表23-2所示;分析结果见表23-3所示;丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率见表23-4所示。
表23-1物料平衡表
表23-2工艺参数
表23-3各物流分析结果
表23-4丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率
实施例24:
以苯磺酸/对甲苯磺酸/甲磺酸(1/2/2)为催化剂减少配比。物料平衡情况见表24-1所示;工艺参数见表24-2所示;分析结果见表24-3所示;丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率见表24-4所示。
表24-1物料平衡表
表24-2工艺参数
表24-3各物流分析结果
表24-4丁醇与丙烯酸配比、选择性、转化率及收率
各种催化剂试验结果汇总
不同催化剂合成丙烯酸丁酯试验结果汇总见表25-1,各种催化剂在不同反应时间下的选择性、转化率、收率对比见图2、图3、图4。
在“物流分析结果”表格中,各组分表示如下:
BA——丙烯酸丁酯 AA——丙烯酸
BuOH——丁醇 BPB——丁氧基丙酸丁酯
BP——丙酸丁酯 BUA——乙酸丁酯
IBP——丙酸异丁酯
结论
(1)本发明所选各种催化剂均具有较好的选择性和转化率,各催化剂相比,固体酸(苯磺酸和对甲苯磺酸)催化性能略低于液体酸(硫酸和甲磺酸),但固体酸和液体酸组成的复合催化剂,催化性能较好。
(2)随着反应时间的延长,各催化剂的选择性均呈下降趋势。如果反应时间过长,过量的丁醇与丙烯酸丁酯进一步反应生成丁氧基丙酸丁酯,使选择性下降,影响丙烯酸丁酯的收率。
(3)当反应时间达到4h后,继续反应对丙烯酸转化率提高不大。
(4)当反应时间低于3h时,选择性较高,但转化率较低。
(5)当正丁醇与丙烯酸配比(重量比)小于1.1时,丙烯酸丁酯收率下降。
(6)加强传质、传热有力于反应进行,可有效缩短反应时间。