CN103408581B - N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷连续生产反应装置及方法 - Google Patents

Abstract

N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷连续生产反应装置及方法，属于硅烷偶联剂技术领域。本发明设计塔式连续反应装置，由反应塔（2）顶部喷淋而下的乙二胺和氯丙基三甲氧基硅烷的混合液，在上升的乙二胺汽化液的过量保护下在反应塔（2）内的下落过程中完成反应，并由自动控制反应釜（3）内反应液量的转料泵（12）自动泵入到连续沉降分液器中进行连续分液。所得清液经精馏即得N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷。本发明装置配合工艺，可连续反应，连续分液，实现生产。并有效的降低了乙二胺的消耗，纯度高，收率高。保证反应的连续性提高了生产效率，又能保证分出来的清液里完全没有乙二胺盐酸盐。

Description

N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷连续生产反应装置及方法

技术领域

N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷连续生产反应装置及方法，属于硅烷偶联剂技术领域。

背景技术

硅烷偶联剂是一类含硅原子的有机化合物，能增强有机物与无机化合物之间的亲和力，可强化提高复合材料的物理化学性能，有工业味精之称。N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷就是一种非常有代表性的硅烷偶联剂。但其实际生产和应用仍存在较多问题。

长期以来N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的生产大多是间歇式反应，单釜间歇生产，反应周期长，能耗高，效率低下，需要较高的人力劳动，操作情况复杂。在间歇式生产中原料乙二胺与氯丙基三甲氧基硅烷的摩尔比需要达到12~30:1，乙二胺消耗较大，产品纯度却只有97%左右，杂质较多，收率也只有80%左右。而且每釜生产的工艺条件需工作人员人为控制，无法避免的会出现工艺差别，进而影响产品质量，产品质量良莠不齐。在下游应用中需不断对不同批次进行实验以调整配合比例。不断地重复浪费人力物力。

且传统的生产工艺反应完成后又由于N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的产物本身互不溶性没有油和水那么明显，在沉降釜中分层困难，过程较慢。需在较长时间静止后由釜底先放出下层副产乙二胺盐酸盐，之后再放出反应上清液；而上下层分隔时间需要操作人员人为控制，若静止时间不足的话，还会存在中间的乙二胺盐酸盐和上清液的混合层，这不但浪费较长的时间还给操作人员造成较高的操作难度，分盐处理不好可能出现两种情况：一是清液里含有乙二胺盐酸盐会对精馏造成影响，精馏釜残增多，增加了消耗；二是乙二胺盐酸盐里含有清液，这对清液也是一种损失，最终产品消耗增加。因为要较长时间静置，又要对产物分批处理，不能连续分液，直接减缓生产效率，降低产量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种连续生产、连续分液的N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷连续生产反应装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷连续生产反应装置，其特征在于：包括预混料釜、连续塔式反应器、冷凝器、气液分离器、乙二胺汽化釜、连续沉降分液器，连续塔式反应器包括装有填料的反应塔和反应塔下方装有控温夹层的反应釜，预混料釜通过溢流口与反应塔顶部连接，反应塔塔节三分之一处设置有乙二胺蒸气进气口，乙二胺蒸气进气口通过管路与乙二胺汽化釜连接，反应塔顶端通过集气管路连接冷凝器，冷凝器再通过串有气液分离器的管路连接反应釜，反应釜底部连接连续沉降分液器；所述的反应釜设有反应液液位计、转料泵及液位自控系统。

所述的连续沉降分液器包括并联的一号沉降釜和二号沉降釜，所述一号沉降釜顶部设有进液口，底部设有胺盐出口，在沉降釜釜体的中间位置设有玻璃视镜，沉降釜釜体的一侧开有清液出口，清液出口高于玻璃视镜下沿，一号沉降釜釜体一侧釜顶至玻璃视镜所在高度间设有清液液位计；所述二号沉降釜与一号沉降釜结构相同。

优选的，所述清液出口与玻璃视镜水平中心线平齐。

所述的反应塔顶端设置有乙二胺与氯丙基三甲氧基硅烷混合液分散喷入装置。能够控制物料的喷入速率还能使物料形成小液滴。

所述的反应釜设有反应液液位计及转料泵，并设有液位自控系统。当釜液位到达反应釜总容量时，转料泵即会自动开启将反应液泵入沉降釜中，当泵出量为总容量一半时，转料泵即自行停止工作；

塔顶部连接的冷凝器，将未反应的乙二胺蒸汽冷凝回流至反应釜内；釜底由泵将生成的目标产物及副产乙二胺盐酸盐泵入沉降釜中。

一种利用上述装置进行N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷连续生产的方法，其特征在于，具体步骤为：

1）乙二胺的汽化：将原料乙二胺泵入乙二胺汽化釜内，并升温至120℃，控制压力0.05~0.1MPa，乙二胺汽化液按流量120~180Kg/h送入反应塔；

2）预混料：分别将乙二胺和氯丙基三甲氧基硅烷泵入预混料釜内混匀为混合液，混合液通过溢流口送入反应塔内，乙二胺和氯丙基三甲氧基硅烷泵入速率分别为30~60Kg/h、100Kg/h；

3）塔式连续反应：将混合液从反应塔顶不断喷入，形成分散下落的物料小液滴，同时不停地自塔节下部三分之一处充入乙二胺汽化液形成上升的气流，上升的气流与下落的物料小液滴形成逆流，使物料小液滴在气流冲击中充分接触，并减少下落速度，至落至塔底反应釜中时已经是反应完全的N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷反应液；塔式连续反应过程中，反应塔顶部温度控制在113~125℃，底部温度控制在145~155℃；

4）釜底连续出料：反应釜通过自控系统调节转料泵，保持釜内液位在总容量与二分之一总容量之间；

5）沉降釜静置分盐：将反应釜中的反应液泵送入连续沉降分液器，静置4~8h后分液得到上部清液；

6）精馏：所得清液经精馏即得目标产物N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷。

优选的，所述的沉降釜静置分盐为当泵送入一号沉降釜满液位时，即转入二号沉降釜；一号沉降釜在反应液泵入二号沉降釜的同时静置后分盐，打开釜底阀门将下层乙二胺盐酸盐缓慢放出，由玻璃视镜观察物料分界面，当分界面低于清液出口时关闭釜底阀门，将上层清液由清液出口放出，之后继续向一号沉降釜送入反应液，同样方法将二号反应釜分液。

本发明方法在工艺上是一种连续投料连续产出的方式。

与现有技术相比，本发明的N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷连续生产反应装置及方法所具有的有益效果是：

1）本发明装置配合工艺，装置合理紧凑，可连续反应，连续分液，实现生产。所得产品质量稳定，简化下游应用步骤。并大大降低操作人员的劳动强度和劳动量；

2）本发明有效的降低了原料乙二胺与氯丙基三甲氧基硅烷的摩尔比，总量达到5~10:1，并有效的降低了乙二胺的消耗，本装置和方法中以气态的乙二胺氛围代替传统的液态环境中过量液态乙二胺造成的乙二胺氛围，气态的乙二胺氛围下不仅大大降低了乙二胺的消耗，所能提供的较高温度同时增加了反应速率，乙二胺氛围的过量保护和较高的反应速率才使得反应在下降过程中完成得以实现。本发明以吨产品计乙二胺消耗理论值只有为0.54，实际值不超过0.56；目标产物N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的纯度在98~99%，且收率达到90%。

3）改传统釜底分盐方式为沉降釜分盐，这样既能保证反应的连续性提高了生产效率，又能保证分出来的清液里完全没有乙二胺盐酸盐为后续精馏提供良好的保障。

附图说明

图1是N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷连续生产塔式反应装置示意图。

其中：1、预混料釜；2、反应塔；3、反应釜；4、冷凝器；5、气液分离器；6、乙二胺汽化釜；7、一号沉降釜；8、二号沉降釜；9、溢流口；10、流量计；11、反应液液位计；12、转料泵；13、胺盐出口；14、玻璃视镜；15、清液出口；16、清液液位计；17、乙二胺进料口；18、蒸汽管路；19、冷却水管路；20、尾气吸收管线；21、γ-氯丙基三甲氧基硅烷进料口；22、紧急泄压和尾气吸收出口。

具体实施方式

图1是本发明N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷连续生产塔式反应装置的最佳实施例，下面通过具体实施例并结合附图1对本发明做进一步说明，其中实施例1为最佳实施例。

参照附图1：本发明的N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷连续生产反应装置，包括预混料釜1、反应塔2、反应釜3、冷凝器4、气液分离器5、乙二胺汽化釜6、一号沉降釜7、二号沉降釜8；预混料釜1顶部开有乙二胺进料口17和γ-氯丙基三甲氧基硅烷进料口21，预混料釜1上部溢流口9管路连接到反应塔2顶端设置的乙二胺与氯丙基三甲氧基硅烷混合液分散喷入装置，反应塔2顶端有集气管路连接到冷凝器4，反应塔2装在反应釜3顶部，冷凝器4出口由带有气液分离器5的管路连接回反应釜3顶部，将未反应的乙二胺蒸汽冷凝回流至反应釜3内；反应塔2塔节三分之一处设置有乙二胺蒸气进气口并通过带有流量计10的管路连接乙二胺汽化釜6，乙二胺汽化釜6顶部设有乙二胺进料口17；反应釜底部通过串有转料泵12的管路连接并联的一号沉降釜7和二号沉降釜8。反应釜3釜底由转料泵12将生成的目标产物及副产乙二胺盐酸盐泵入沉降釜中。

反应釜3、预混料釜1和乙二胺汽化釜6装有控温夹层，控温夹层连接有蒸汽管路18和冷却水管路19。

一号沉降釜7和二号沉降釜8的下半部装有冷却夹层并连有冷却水管路19。

反应塔2内装有填料。

一号沉降釜7和二号沉降釜8顶部均有进液口，底部有胺盐出口13，在沉降釜釜体的中间位置均设有玻璃视镜14，沉降釜釜体的一侧在玻璃视镜14的等高位置开有清液出口15，沉降釜釜体一侧釜顶至玻璃视镜14所在高度间设有清液液位计16。

反应塔顶端的混合液分散喷入装置能够控制物料的喷入速率还能使物料形成小液滴。

反应釜设有反应液液位计11及转料泵12，两者设有自控系统，即当釜液位到达设定值，转料泵即会将物料泵入沉降釜中，当泵出量为总量一半时，转料泵即停止工作。

预混料釜1、冷凝器4、气液分离器5、一号沉降釜7和二号沉降釜8顶部连接有尾气吸收管线20。

乙二胺汽化釜6顶部设有紧急泄压和尾气吸收出口22。

各管路上装有相配套的控水阀门或蒸汽阀门。反应塔2、气液分离器5、乙二胺汽化釜6、一号沉降釜7、二号沉降釜8装有相应的压力表、温度计配套设施。

实施例1：

1、乙二胺的汽化：由泵将原料乙二胺泵入乙二胺汽化釜6内，升温至120℃，控制釜压力0.06MPa，打开塔乙二胺汽化液进口阀门经流量计10控制流量150Kg/h；观察气液分离器5出现乙二胺回流，打开反应釜3回流阀门；给反应釜3缓慢升温至150℃；控制顶部温度为121℃，底部温度为150℃；

2、预混料：由泵分别将乙二胺和400Kg氯丙基三甲氧基硅烷泵入预混料釜1内，混合液由溢流口9进入反应塔2内，乙二胺和氯丙基三甲氧基硅烷泵入速率分别为45Kg/h、100Kg/h；

3、釜底连续出料：观察反应液液位计11，当液位到达总容量设定值100格，转料泵12即会将物料泵入一号沉降釜7中，当液位到达50格时，转料泵12即停止工作；

4、沉降釜静置分盐：观察一号沉降釜7的清液液位计16，当一号沉降釜7的清液液位计16到达9格（10格为总容量）时即转入二号沉降釜8；一号沉降釜7静置后分盐，打开釜底阀门将下层乙二胺盐酸盐缓慢放出，由釜上玻璃视镜14观察物料分界面，当分界面低于清液出口15时关闭釜底阀门，将上层清液由清液出口15放出。

5、精馏：取上层清液减压精馏收集130~150℃/1.3KPa馏分403Kg，经气相色谱分析，纯度达99%，收率达90%，过程乙二胺的消耗为0.55（以吨产品计）。

实施例2：

1、乙二胺的汽化：由泵将原料乙二胺泵入乙二胺汽化釜6内，升温至120℃，控制釜压力0.07MPa，打开塔乙二胺汽化液进口阀门经流量计10控制流量145Kg/h；观察气液分离器5出现乙二胺回流，打开反应釜3回流阀门；给反应釜3缓慢升温至150℃；控制顶部温度为120~122℃，底部温度为150~152℃；

2、预混料：由泵分别将乙二胺和400Kg氯丙基三甲氧基硅烷泵入预混料釜1内，混合液由溢流口9进入反应塔2内，乙二胺和氯丙基三甲氧基硅烷泵入速率分别为48Kg/h、100Kg/h；

3、釜底连续出料：观察反应液液位计11，当液位到达总容量设定值100格，转料泵12即会将物料泵入一号沉降釜7中，当液位到达50格时，转料泵12即停止工作；

4、沉降釜静置分盐：观察一号沉降釜7的清液液位计16，当一号沉降釜7的清液液位计16到达9格（10格为总容量）时即转入二号沉降釜8；一号沉降釜7静置后分盐，打开釜底阀门将下层乙二胺盐酸盐缓慢放出，由釜上玻璃视镜14观察物料分界面，当分界面低于清液出口15时关闭釜底阀门，将上层清液由清液出口15放出。

5、精馏：取上层清液减压精馏收集130~150℃/1.3KPa馏分402.8Kg，经气相色谱分析，纯度达98.8%，收率达90%，过程乙二胺的消耗为0.55（以吨产品计）。

实施例3：

1、乙二胺的汽化：由泵将原料乙二胺泵入乙二胺汽化釜6内，升温至120℃，控制釜压力0.08MPa，打开塔乙二胺汽化液进口阀门经流量计10控制流量155Kg/h；观察气液分离器5出现乙二胺回流，打开反应釜3回流阀门；给反应釜3缓慢升温至150℃；控制顶部温度为122~123℃，底部温度为152~153℃；

2、预混料：由泵分别将乙二胺和400Kg氯丙基三甲氧基硅烷泵入预混料釜1内，混合液由溢流口9进入反应塔2内，乙二胺和氯丙基三甲氧基硅烷泵入速率分别为42Kg/h、100Kg/h；

3、釜底连续出料：观察反应液液位计11，当液位到达总容量设定值100格，转料泵12即会将物料泵入一号沉降釜7中，当液位到达50格时，转料泵12即停止工作；

4、沉降釜静置分盐：观察一号沉降釜7的清液液位计16，当一号沉降釜7的清液液位计16到达9格（10格为总容量）时即转入二号沉降釜8；一号沉降釜7静置后分盐，打开釜底阀门将下层乙二胺盐酸盐缓慢放出，由釜上玻璃视镜14观察物料分界面，当分界面低于清液出口15时关闭釜底阀门，将上层清液由清液出口15放出。

5、精馏：取上层清液减压精馏收集130~150℃/1.3KPa馏分402.9Kg，经气相色谱分析，纯度达98.5%，收率达90%，过程乙二胺的消耗为0.56（以吨产品计）。

实施例4：

1、乙二胺的汽化：由泵将原料乙二胺泵入乙二胺汽化釜6内，升温至120℃，控制釜压力0.05MPa，打开塔乙二胺汽化液进口阀门经流量计10控制流量120Kg/h；观察气液分离器5出现乙二胺回流，打开反应釜3回流阀门；给反应釜3缓慢升温至150℃；控制顶部温度为115~117℃，底部温度为145~147℃；

2、预混料：由泵分别将乙二胺和400Kg氯丙基三甲氧基硅烷泵入预混料釜1内，混合液由溢流口9进入反应塔2内，乙二胺和氯丙基三甲氧基硅烷泵入速率分别为60Kg/h、100Kg/h；

3、釜底连续出料：观察反应液液位计11，当液位到达总容量设定值100格，转料泵12即会将物料泵入一号沉降釜7中，当液位到达50格时，转料泵12即停止工作；

4、沉降釜静置分盐：观察一号沉降釜7的清液液位计16，当一号沉降釜7的清液液位计16到达9格（10格为总容量）时即转入二号沉降釜8；一号沉降釜7静置后分盐，打开釜底阀门将下层乙二胺盐酸盐缓慢放出，由釜上玻璃视镜14观察物料分界面，当分界面低于清液出口15时关闭釜底阀门，将上层清液由清液出口15放出。

5、精馏：取上层清液减压精馏收集130~150℃/1.3KPa馏分402.4Kg，经气相色谱分析，纯度达98.2%，收率达89，过程乙二胺的消耗为0.56（以吨产品计）。

实施例5：

1、乙二胺的汽化：由泵将原料乙二胺泵入乙二胺汽化釜6内，升温至120℃，控制釜压力0.1MPa，打开塔乙二胺汽化液进口阀门经流量计10控制流量180Kg/h；观察气液分离器5出现乙二胺回流，打开反应釜3回流阀门；给反应釜3缓慢升温至150℃；控制顶部温度为123~125℃，底部温度为153~155℃；

2、预混料：由泵分别将乙二胺和400Kg氯丙基三甲氧基硅烷泵入预混料釜1内，混合液由溢流口9进入反应塔2内，乙二胺和氯丙基三甲氧基硅烷泵入速率分别为30Kg/h、100Kg/h；

3、釜底连续出料：观察反应液液位计11，当液位到达总容量设定值100格，转料泵12即会将物料泵入一号沉降釜7中，当液位到达50格时，转料泵12即停止工作；

4、沉降釜静置分盐：观察一号沉降釜7的清液液位计16，当一号沉降釜7的清液液位计16到达9格（10格为总容量）时即转入二号沉降釜8；一号沉降釜7静置后分盐，打开釜底阀门将下层乙二胺盐酸盐缓慢放出，由釜上玻璃视镜14观察物料分界面，当分界面低于清液出口15时关闭釜底阀门，将上层清液由清液出口15放出。

5、精馏：取上层清液减压精馏收集130~150℃/1.3KPa馏分403Kg，经气相色谱分析，纯度达98.3%，收率达89.2%，过程乙二胺的消耗为0.56（以吨产品计）。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷连续生产反应装置，其特征在于：包括预混料釜（1）、连续塔式反应器、冷凝器（4）、气液分离器（5）、乙二胺汽化釜（6）、连续沉降分液器，连续塔式反应器包括装有填料的反应塔（2）和反应塔（2）下方装有控温夹层的反应釜（3），预混料釜（1）通过溢流口（9）与反应塔（2）顶部连接，反应塔（2）塔节三分之一处设置有乙二胺蒸气进气口，乙二胺蒸气进气口通过管路与乙二胺汽化釜（6）连接，反应塔（2）顶端通过集气管路连接冷凝器（4），冷凝器（4）再通过串有气液分离器（5）的管路连接反应釜（3），反应釜（3）底部连接连续沉降分液器；所述的反应釜（3）设有反应液液位计（11）、转料泵（12）及液位自控系统；

所述的反应塔（2）顶端设置有乙二胺与氯丙基三甲氧基硅烷混合液分散喷入装置。

2.根据权利要求1所述的N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷连续生产反应装置，其特征在于：所述的连续沉降分液器包括并联的一号沉降釜（7）和二号沉降釜（8），所述一号沉降釜（7）顶部设有进液口，底部设有胺盐出口（13），在沉降釜釜体的中间位置设有玻璃视镜（14），沉降釜釜体的一侧开有清液出口（15），清液出口（15）高于玻璃视镜（14）下沿，一号沉降釜（7）釜体一侧釜顶至玻璃视镜（14）所在高度间设有清液液位计（16）；所述二号沉降釜（8）与一号沉降釜（7）结构相同。

3.根据权利要求2所述的N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷连续生产反应装置，其特征在于：所述清液出口（15）与玻璃视镜（14）水平中心线平齐。

4.一种利用权利要求1~3任一项所述装置进行N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷连续生产的方法，其特征在于，具体步骤为：

1）乙二胺的汽化：将原料乙二胺泵入乙二胺汽化釜（6）内，并升温至120℃，控制压力0.05~0.1MPa，乙二胺汽化液按流量120~180Kg/h送入反应塔（2）；

2）预混料：分别将乙二胺和氯丙基三甲氧基硅烷泵入预混料釜（1）内混匀为混合液，混合液通过溢流口（9）送入反应塔（2）内，乙二胺和氯丙基三甲氧基硅烷泵入速率分别为30~60Kg/h、100Kg/h；

3）塔式连续反应：将混合液从反应塔（2）顶不断喷入，形成分散下落的物料小液滴，同时不停地自塔节下部三分之一处充入乙二胺汽化液形成上升的气流，上升的气流与下落的物料小液滴形成逆流，使物料小液滴在气流冲击中充分接触，并减少下落速度，至落至塔底反应釜（3）中时已经是反应完全的N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷反应液；塔式连续反应过程中，反应塔（2）顶部温度控制在113~125℃，底部温度控制在145~155℃；

4）釜底连续出料：反应釜（3）通过液位自控系统调节转料泵（12），保持釜内液位在总容量与二分之一总容量之间；

5）沉降釜静置分盐：将反应釜中的反应液泵入连续沉降分液器，静置4~8h后分液得到上部清液；

6）精馏：所得清液经精馏即得目标产物N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷。

5.根据权利要求4所述的N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷连续生产的方法，其特征在于：所述的沉降釜静置分盐为当泵入一号沉降釜（7）满液位时，即转入二号沉降釜（8）；一号沉降釜（7）在反应液泵入二号沉降釜（8）的同时静置后分盐，打开釜底阀门将下层乙二胺盐酸盐缓慢放出，由玻璃视镜（14）观察物料分界面，当分界面低于清液出口（15）时关闭釜底阀门，将上层清液由清液出口（15）放出，之后继续向一号沉降釜（7）送入反应液，同样方法将二号沉降釜（8）分液。