CN105198745A - 一种离子液体催化酯交换反应制备碳酸二苯酯的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种离子液体催化酯交换反应制备碳酸二苯酯的方法及装置,包括以下步骤:(1)苯酚与碳酸二甲酯在离子液体催化剂条件下酯交换反应得到碳酸苯甲酯;(2)在离子液体催化剂的催化条件下在歧化反应得到产物碳酸二苯酯;(3)在真空度5~7mmHg条件下减压蒸馏,得到纯度在99.6%以上的碳酸二苯酯产品。本发明采用液体离子催化剂,通过酯交换反应、歧化减压精馏两步法工艺实现,避免了使用剧毒的光气,对设备的腐蚀小;不使用贵金属作为催化剂,反应条件温和,对设备的要求较低,成本较低;本方法可使产物碳酸二苯酯的产率≥80%,纯度≥99.6%;本发明装置结构简单,易操作,可连续化生产,提高产率。
Description
技术领域
本发明涉及一种有机合成方法,具体涉及一种离子液体催化酯交换反应制备碳酸二苯酯的方法及装置。
背景技术
目前生产聚碳酸酯的传统方法是光气法,该法虽然工艺成熟,产品质量好,但由于使用了剧毒的光气,不符合绿色化学的内在要求,正在被逐渐淘汰。而以碳酸二苯酯和双酚A为原料生产聚碳酸酯的新工艺有望逐步取代光气法。该工艺因其突出的环保优势在聚碳酸酯的生产上极具竞争力。发达国家对聚碳酸酯产业链的相关先进制造技术和原材料封锁非常严密。“十五”和“十一五”期间,基于四川绵阳晨光化工研究院的研究成果,国内多家大中型企业就在规划聚碳酸酯大型生产装置,但进入实质性建设阶段的较少,究其原因就是在市场调研过程中发现国内缺少非光气法合成聚碳酸酯的关键原料碳酸二苯酯,我国尚无可靠的、批量的碳酸二苯酯产品供应来源。我国没有成熟的、拥有自主知识产权的碳酸二苯酯规模化生产技术,这一客观现实制约了我国聚碳酸酯产业的发展,这也使得开发生产碳酸二苯酯的相关工艺成为研究者关注的焦点问题。
作为一类环境友好的催化剂,酸性离子液体不仅具有液体酸的流动性好、酸性位密度大和酸强度高且分布均匀等优点,还具有固体酸的易分离、可循环使用的特性,已成功应用于某些酯交换反应。
发明内容
发明目的:本发明目的在于针对现有技术的不足,提供一种离子液体催化酯交换反应制备碳酸二苯酯的方法。
本发明的另一目的在于提供一种实现上述制备碳酸二苯酯方法的装置。
技术方案:本发明所述一种离子液体催化酯交换反应制备碳酸二苯酯的方法,包括以下步骤:
(1)苯酚与碳酸二甲酯在离子液体催化剂条件下进行加压酯交换反应-精馏后得到碳酸苯甲酯和甲醇,碳酸二甲酯与苯酚的投料比为1.0~5.0,催化剂添加量为苯酚与碳酸二甲酯总量的0.5wt%~2wt%,加压反应-精馏过程中压力为0.5~2.5MPa,反应时间为1~3h;具体反应机理如下:
(2)将步骤(1)中制备得到的碳酸苯甲酯,在离子液体催化剂作用下在歧化反应器中进行减压反应操作,歧化反应后得到产物碳酸二苯酯,催化剂添加量为投入碳酸苯甲酯量的0.5wt%~2wt%,减压反应过程中的真空度为0.05~0.07MPa,反应温度为160~200℃,反应时间为3~6h;具体反应机理如下:
(3)将步骤(2)得到的反应液在真空度5~7mmHg条件下减压蒸馏,收集得到碳酸二苯酯产品。
优选地,为达到较好的催化效果,步骤(1)和步骤(2)中所述离子液体催化剂为[MimN(CH2)4SO3H][HSO4]、[(C2H5)3N(CH2)4SO3H][HSO4]、[(CH3)3N(CH2)4SO3H][HSO4]、[MimN(CH2)4SO3H][TsO]、[PyN(CH2)4SO3H][HSO4]、[PyN(CH2)4SO3H][TsO]、[PyN(CH2)4SO3H][MsO]或[PyN(CH2)4SO3H][AcO]的一种或多种。
优选地,步骤(1)和步骤(2)中所述离子液体催化剂为[MimN(CH2)4SO3H][HSO4]。
优选地,为防止催化剂中毒和催化不足,步骤(1)和步骤(2)中所述离子液体催化剂的添加量为投料总量的1wt%。
优选地,为使反应充分进行,步骤(1)中所述加压反应-精馏在精馏塔中进行,所述精馏塔釜温度为200~250℃,塔顶温度为160~165℃,回流比为8~11。
优选地,步骤(1)中所述加压反应-精馏在精馏塔中进行,所述精馏塔釜温度为220℃,塔顶温度为163℃,回流比为10。
优选地,步骤(2)中所述歧化反应器真空度0.065MPa,反应温度190℃,反应时间为4h。
一种根据权利要求1所述离子液体催化酯交换反应制备碳酸二苯酯的装置,包括反应-精馏塔、再沸器、第一冷凝器、歧化反应器、第二冷凝塔、蒸馏塔、轻组分塔和产品塔;苯酚的原料罐以及碳酸二甲酯的原料罐出口与所述反应-精馏塔入口连接,所述反应-精馏塔塔顶出口与所述第一冷凝器入口连接,所述第一冷凝器出口分为两条支路,一条支路与废液回收罐入口连接,另一支路将部分回流液导回反应-精馏塔,所述反应-精馏塔塔釜出口与所述歧化反应器入口连接,所述歧化反应器顶部出口与所述第二冷凝器入口连接,所述第二冷凝器出口分为两个支路,一条支路与废液回收罐入口连接,另一条支路与所述歧化反应器入口连接,所述歧化反应器底部出口与所述蒸馏塔入口连接,所述蒸馏塔顶部出口与所述轻组分塔入口连接,所述轻组分塔塔底出口与所述产品塔入口连接。
优选地,为避免原料因降温而降低反应活性,所述歧化反应器与所述蒸馏塔之间连接第二再沸器。
优选地,为促进原料、催化剂的逆流接触,提高酯交换效率所述反应-精馏塔上设置苯酚原料和催化剂进口和碳酸二甲酯原料进口,所述苯酚原料和催化剂进口设置于所述反应-精馏塔的中上部,所述碳酸二甲酯原料进口设置于所述反应-精馏塔的中下部。
有益效果:(1)本发明通过离子液体催化剂,促使苯酚与碳酸二甲酯通过两步法制备碳酸苯甲酯,本方法通过酯交换反应和歧化反应实现,避免了使用剧毒的光气,且反应过程中无氯离子产生,因此对设备的腐蚀也小;不使用贵金属作为催化剂,反应条件相对温和,对设备的要求较低,成本较低;(2)本发明添加的离子催化剂催化效果较好,特别是添加1wt%的[MimN(CH2)4SO3H][HSO4]离子液体催化剂时,催化效果较好,可在同等条件下使加压酯交换反应-精馏过程中苯酚转化率≥99.8%;(3)本发明中通过设置加压酯交换反应-精馏、减压歧化反应-精馏两步法工艺,可使产物碳酸二苯酯的产率≥80%,纯度≥99.6%;(4)本发明装置结构简单,易操作,可连续化生产,提高产率。
附图说明
图1为实施例1中第一步酯交换反应塔釜液的气相色谱图;
图2为实施例1中歧化反应后的粗产品碳酸二苯酯溶于甲醇后的气相色谱图;
图3为实施例1中纯品碳酸二苯酯溶于甲醇后的气相色谱图;
图4为实施例1中碳酸二苯酯的1HNMR谱图;
图5为本发明装置流程图;
其中,1.反应-精馏塔,2.再沸器,3.第一冷凝器,4.歧化反应器,5.第二冷凝塔,6.蒸馏塔,7.轻组分塔,8.产品塔,9.第二再沸器。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明,但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1:采用[MimN(CH2)4SO3H][HSO4]离子液体催化酯交换反应制备碳酸二苯酯的方法,包括以下步骤:
(1)苯酚与碳酸二甲酯在[MimN(CH2)4SO3H][HSO4]离子液体催化剂条件下进行加压反应-精馏操过,酯交换反应后得到碳酸苯甲酯和甲醇,苯酚与碳酸二甲酯的投料比为4,催化剂添加量为苯酚与碳酸二甲酯总量的1wt%,加压反应-精馏过程中压力为1.5MPa,反应时间为1.5h,所述加压反应-精馏在精馏塔中进行,精馏塔釜温度为220℃,塔顶温度为163℃,回流比为10;具体反应机理如下:
(2)将步骤(1)中制备得到的碳酸苯甲酯,在离子液体催化剂的催化条件下在歧化反应器中进行减压反应操作,歧化反应后得到最终产物碳酸二苯酯,催化剂添加量为投入碳酸苯甲酯量的1wt%,减压反应过程中的真空度为0.065MPa,反应温度为190℃,反应时间为4h;具体反应机理如下:
(3)将步骤(2)得到的最终反应液在真空度6mmHg条件下蒸馏,收集得到碳酸苯甲酯产品。
图1为第一步酯交换反应塔釜液的气相色谱图,由图中可以看出,第一步酯交换反应成功合成了碳酸苯甲酯,苯酚转化率可达99.8%,碳酸苯甲酯选择性为88.8%,该步碳酸二苯酯的选择性达到9.8%,副产物苯甲醚的选择性小于1%。
图2为歧化反应后粗产品碳酸二苯酯溶于甲醇后的气相色谱图,由图中可以看出歧化反应成功合成了碳酸二苯酯,碳酸二苯酯产率可达82.8%。
图3为纯品碳酸二苯酯溶于甲醇后的气相色谱图,碳酸二苯酯纯度可达99.7%。
图4为纯品碳酸二苯酯的1HNMR谱图,由图上可看出成功合成了碳酸二苯酯,且结果与气相色谱测试结果一致。
本发明所述的离子液体催化酯交换反应制备碳酸二苯酯的装置,包括反应-精馏塔1、再沸器2、第一冷凝器3、歧化反应器4、第二冷凝塔5、蒸馏塔6、轻组分塔7和产品塔8;苯酚的原料罐以及碳酸二甲酯的原料罐出口与所述反应-精馏塔1入口连接,所述反应-精馏塔1塔顶出口与所述第一冷凝器3入口连接,所述第一冷凝器3出口分为两条支路,一条支路与废液回收罐入口连接,另一支路将部分回流液导回反应-精馏塔1,所述反应-精馏塔1塔釜出口与所述歧化反应器4入口连接,所述歧化反应器4顶部出口与所述第二冷凝器5入口连接,所述第二冷凝器5出口分为两个支路,一条支路与废液回收罐入口连接,另一条支路与所述歧化反应器4入口连接,所述歧化反应器4底部出口与所述第二再沸器9入口连接,所述第二再沸器9出口与所述蒸馏塔6入口连接,所述蒸馏塔6顶部出口与所述轻组分塔7入口连接,所述轻组分塔7塔底出口与所述产品塔8入口连接。
为促进原料、催化剂的逆流接触,提高酯交换效率所述反应-精馏塔上设置苯酚原料和催化剂进口a和碳酸二甲酯原料进口b,所述苯酚原料和催化剂进口设置于所述反应-精馏塔的中上部,所述碳酸二甲酯原料进口设置于所述反应-精馏塔的中下部。
实施例2:采用[(C2H5)3N(CH2)4SO3H][HSO4]离子液体催化酯交换反应制备碳酸二苯酯的方法,包括以下步骤:
(1)苯酚与碳酸二甲酯在[(C2H5)3N(CH2)4SO3H][HSO4]离子液体催化剂条件下进行加压反应-精馏操过,酯交换反应后得到碳酸苯甲酯和甲醇,苯酚与碳酸二甲酯的投料比为1,催化剂添加量为苯酚与碳酸二甲酯总量的0.5wt%,加压反应-精馏过程中压力为0.5MPa,反应时间为1h,所述加压反应-精馏在精馏塔中进行,精馏塔釜温度为200℃,塔顶温度为160℃,回流比为8;具体反应机理如下:
(2)将步骤(1)中制备得到的碳酸苯甲酯,在离子液体催化剂的催化条件下在歧化反应器中进行减压反应操作,歧化反应后得到最终产物碳酸二苯酯,催化剂添加量为投入碳酸苯甲酯量的0.5wt%,减压反应过程中的真空度为0.05MPa,反应温度为160℃,反应时间为3h;具体反应机理如下:
(3)将步骤(2)得到的最终反应液在真空度5mmHg条件下蒸馏,收集得到碳酸苯甲酯产品。
本实施例中的反应装置与实施例1中相同,本实施例第一步中苯酚转化率可达99.7%,产物碳酸二苯酯的产率为81.9%,最终产物碳酸二苯酯纯度可达99.6%。
实施例3:采用[(CH3)3N(CH2)4SO3H][HSO4]离子液体催化酯交换反应制备碳酸二苯酯的方法,包括以下步骤:
(1)苯酚与碳酸二甲酯在[(CH3)3N(CH2)4SO3H][HSO4]离子液体催化剂条件下进行加压反应-精馏操过,酯交换反应后得到碳酸苯甲酯和甲醇,苯酚与碳酸二甲酯的投料比为5,催化剂添加量为苯酚与碳酸二甲酯总量的2wt%,加压反应-精馏过程中压力为2.5MPa,反应时间为3h,所述加压反应-精馏在精馏塔中进行,精馏塔釜温度为250℃,塔顶温度为165℃,回流比为11;具体反应机理如下:
(2)将步骤(1)中制备得到的碳酸苯甲酯,在离子液体催化剂的催化条件下在歧化反应器中进行减压反应操作,歧化反应后得到最终产物碳酸二苯酯,催化剂添加量为投入碳酸苯甲酯量的2wt%,减压反应过程中的真空度为0.07MPa,反应温度为200℃,反应时间为6h;具体反应机理如下:
(3)将步骤(2)得到的最终反应液在真空度7mmHg条件下蒸馏,收集得到碳酸苯甲酯产品。
本实施例中的反应装置与实施例1中相同,本实施例第一步中苯酚转化率可达99.65%,产物碳酸二苯酯的产率为81.5%,最终产物碳酸二苯酯纯度可达99.63%。
实施例4与实施例1的实施方法和反应装置相同,其不同在于本实施例中离子液体催化剂为[MimN(CH2)4SO3H][TsO],本实施例第一步中苯酚转化率可达99.68%,产物碳酸二苯酯的产率为80.9%,最终产物碳酸二苯酯纯度可达99.62%。
实施例5与实施例1的实施方法和反应装置相同,其不同在于本实施例中离子液体催化剂为[PyN(CH2)4SO3H][HSO4]本实施例第一步中苯酚转化率可达99.67%,产物碳酸二苯酯的产率为80.6%,最终产物碳酸二苯酯纯度可达99.65%。
实施例6与实施例1的实施方法和反应装置相同,其不同在于本实施例中离子液体催化剂为[PyN(CH2)4SO3H][TsO]本实施例第一步中苯酚转化率可达99.62%,产物碳酸二苯酯的产率为81.1%,最终产物碳酸二苯酯纯度可达99.61%。
实施例7与实施例1的实施方法和反应装置相同,其不同在于本实施例中离子液体催化剂为[PyN(CH2)4SO3H][MsO]本实施例第一步中苯酚转化率可达99.63%,产物碳酸二苯酯的产率为81.3%,最终产物碳酸二苯酯纯度可达99.61%。
实施例8与实施例1的实施方法和反应装置相同,其不同在于本实施例中离子液体催化剂为[PyN(CH2)4SO3H][AcO]本实施例第一步中苯酚转化率可达99.64%,产物碳酸二苯酯的产率为81.0%,最终产物碳酸二苯酯纯度可达99.63%。
如上所述,尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明,但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下,可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (10)
1.一种离子液体催化酯交换反应制备碳酸二苯酯的方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)苯酚与碳酸二甲酯在离子液体催化剂条件下进行加压酯交换反应-精馏后得到碳酸苯甲酯和甲醇,碳酸二甲酯与苯酚的投料比为1.0~5.0,催化剂添加量为苯酚与碳酸二甲酯总量的0.5wt%~2wt%,加压反应-精馏过程中压力为0.5~2.5MPa,反应时间为1~3h;
(2)将步骤(1)中制备得到的碳酸苯甲酯,在离子液体催化剂条件下进行减压歧化反应后得到产物碳酸二苯酯,催化剂添加量为投入碳酸苯甲酯量的0.5wt%~2wt%,减压反应过程中的真空度为0.05~0.07MPa,反应温度为160~200℃,反应时间为3~6h;
(3)将步骤(2)得到的反应液在真空度5~7mmHg条件下减压蒸馏,收集得到碳酸二苯酯产品。
2.根据权利要求1所述离子液体催化酯交换反应制备碳酸二苯酯的方法,其特征在于步骤(1)和步骤(2)中所述离子液体催化剂为[MimN(CH2)4SO3H][HSO4]、[(C2H5)3N(CH2)4SO3H][HSO4]、[(CH3)3N(CH2)4SO3H][HSO4]、[MimN(CH2)4SO3H][TsO]、[PyN(CH2)4SO3H][HSO4]、[PyN(CH2)4SO3H][TsO]、[PyN(CH2)4SO3H][MsO]或[PyN(CH2)4SO3H][AcO]的一种或多种。
3.根据权利要求2所述离子液体催化酯交换反应制备碳酸二苯酯的方法,其特征在于步骤(1)和步骤(2)中所述离子液体催化剂为[MimN(CH2)4SO3H][HSO4]。
4.根据权利要求1所述离子液体催化酯交换反应制备碳酸二苯酯的方法,其特征在于步骤(1)和步骤(2)中所述离子液体催化剂的添加量为投料总量的1wt%。
5.根据权利要求1所述离子液体催化酯交换反应制备碳酸二苯酯的方法,其特征在于步骤(1)中所述加压反应-精馏在精馏塔中进行,所述精馏塔釜温度为200~250℃,塔顶温度为160~165℃,回流比为8~11。
6.根据权利要求1或5所述离子液体催化酯交换反应制备碳酸二苯酯的方法,其特征在于步骤(1)中所述加压反应-精馏在精馏塔中进行,所述精馏塔釜温度为220℃,塔顶温度为163℃,回流比为10。
7.根据权利要求1所述离子液体催化酯交换反应制备碳酸二苯酯的方法,其特征在于步骤(2)中所述歧化反应器真空度0.065MPa,反应温度190℃,反应时间为4h。
8.一种根据权利要求1所述离子液体催化酯交换反应制备碳酸二苯酯的装置,其特征在于包括反应-精馏塔、第一再沸器、第一冷凝器、歧化反应器、第二冷凝塔、蒸馏塔、轻组分塔和产品塔;苯酚的原料罐以及碳酸二甲酯的原料罐出口与所述反应-精馏塔入口连接,所述反应-精馏塔塔顶出口与所述第一冷凝器入口连接,所述第一冷凝器出口分为两条支路,一条支路与废液回收罐入口连接,另一支路将部分回流液导回反应-精馏塔,所述反应-精馏塔塔釜出口与所述歧化反应器入口连接,所述歧化反应器顶部出口与所述第二冷凝器入口连接,所述第二冷凝器出口分为两个支路,一条支路与废液回收罐入口连接,另一条支路与所述歧化反应器入口连接,所述歧化反应器底部出口与所述蒸馏塔入口连接,所述蒸馏塔顶部出口与所述轻组分塔入口连接,所述轻组分塔塔底出口与所述产品塔入口连接。
9.根据权利要求8所述离子液体催化酯交换反应制备碳酸二苯酯的装置,其特征在于所述歧化反应器与所述蒸馏塔之间连接第二再沸器。
10.根据权利要求8所述离子液体催化酯交换反应制备碳酸二苯酯的装置,其特征在于所述反应-精馏塔上设置苯酚原料和催化剂进口和碳酸二甲酯原料进口,所述苯酚原料和催化剂进口设置于所述反应-精馏塔的中上部,所述碳酸二甲酯原料进口设置于所述反应-精馏塔的中下部。
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