CN108003018B - 一种在超临界条件下制备环戊醇的方法及其设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在超临界条件下制备环戊醇的方法及其设备，该方法以环戊烯和乙酸水溶液为原料，在管道式反应器中，使反应物在超临界状态下反应生成乙酸环戊酯，乙酸环戊酯接着再与甲醇在超临界条件下进行酯交换反应生成环戊醇，其中环戊烯的转化率可以达到92％以上，环戊醇的选择性达到95％以上。本发明无需添加除水以外的其它溶剂和催化剂，反应过程中生成的主要副产物乙酸甲酯可以直接进行销售增加收益，且剩余的水和甲醇可以回收套用，具有绿色、环保、无污染和选择性高等特点。

Description

一种在超临界条件下制备环戊醇的方法及其设备
技术领域
本发明涉及一种间接水合制备环戊醇的方法，特别涉及一种在超临界条件下间接水合制备环戊醇的方法。
背景技术
环戊醇为无色粘稠液体，溶于乙醇，微溶于水，具有芳香性气味，主要用于药物、染料和香料的生产，是制备环戊酮、卤代环戊烷、治疗水肿及高血压的药物环戊甲噻嗪及新型非巴比妥静脉麻醉药开他敏不可缺少的原料，也可在药物和香料合成中用作溶剂。
自然界中环戊醇仅存在于少量植物中且含量低，提取较困难。在诸多环戊醇的合成方法中，己二酸及其衍生物热解法技术相对成熟，约占世界总产量的90％以上。基本流程是将己二酸与化学计量的氢氧化钡均匀混合，解热、蒸馏，环戊酮产率达到75％～80％。该方法工艺简单，但己二酸价格较高，而且产生大量的污染物，限制了该工艺进一步的发展并处于淘汰的境地。
近年来，以C5馏分为原料生产环戊烯进而合成环戊醇的研究引起了人们广泛的关注，随着C5产量的急剧上升(一般为乙烯产量的10％)，其中占C5馏分15％～21％的双环戊二烯的产量也随之提升，将双环戊二烯馏分经解聚、选择性加氢后，可以得到价格低廉的环戊烯，这为以环戊烯为原料生产环戊醇产品奠定了丰厚的资源基础。环戊烯制备环戊醇的方法一般采用间接水合法和直接水合法。间接水合法虽然具有较高的转化率和较好的选择性，但由于制备过程中需要使用浓硫酸，对设备的腐蚀严重，且浓硫酸回收困难，对环境污染严重。直接水合法虽然不存在这些问题，但该方法受制于热力学平衡转化率和水/油传质，转化率过低，原料的回收和产品的精制需消耗大量的能源且生产设备较为复杂，目前的研究离工业生产还有一段距离。
目前对于环戊醇的合成研究主要是在原有的环戊醇直接水合法和间接水合法的基础上对催化剂和溶剂体系进行改进和优化：秦技强等人通过试验筛选出了性能良好的水合催化剂Amberlyst 36和溶剂体系：邻硝基苯酚+丁醇，采用直接水合法合成了环戊醇，虽然最终环戊烯的选择性大于99％，但是单程收率只有8％，且溶剂体系的添加量过大，回收成本过高；中国专利CN1676507A公开了一种酸性阳离子交换树脂作为催化剂，三乙胺为助剂，环戊烯直接水合法合成环戊醇的工艺，该工艺通过添加苯酚溶剂将环戊烯的单程转化率由8.9％提高到25.7％，但选择性也由99％下降到93％左右。苯酚的加入虽然使得转化率有所提升，但是其存在诸多缺点：1)苯酚不稳定，易于发生烷基化、醚化、氧化等副反应。2)苯酚烷基化、醚化反应的产物均为高沸点化合物，后处理困难。3)苯酚毒性大，易带来环境污染问题。
中国专利CN102399133A公开了一种间接水合法由环戊烯制备环戊醇的方法，环戊烯与醋酸通过固定床催化进行加成反应生成醋酸环戊酯，加成反应产物进行精馏分离，得到精制醋酸环戊酯，再与甲醇在CaO的存在下进行酯交换反应生成环戊醇和醋酸甲酯，该方法虽然有较高的转化率和选择性，但是工艺过程复杂、能耗高，技术中需经过加成反应、中间产品精制、酯交换、过滤、精馏分离，才能得到产品环戊醇；中国专利CN106674003A中对间接水合法进行了改进，环戊烯与醋酸先通过改性磺酸基阳离子交换树脂固定床反应器催化酯化反应，生成的醋酸环戊酯反应液直接进入下一步催化精馏反应装置，在催化精馏塔中实现醋酸环戊酯的水解反应，生成的环戊醇从塔顶采出。该法优点在于简化工艺过程，提高了环戊醇的收率，但是该工艺在整个反应过程中使用了大量的阳离子交换树脂催化剂，且催化精馏反应的时空产率低，对设备要求较高，工业生产成本较大。
日本专利JP2009035522A中采用超临界或近临界环境中，无其它催化剂和溶剂存在的情况下，以环戊烯和水为原料在管状反应器中进行直接水合反应生成环戊醇。该方法的优点是超临界状态下水不仅是一种良好的有机溶剂，同时其反应活性也大大增强可以和环戊烯直接水合生成环戊醇，所以反应体系中不需要添加除水以外的其它溶剂和催化剂，相比于之前的传统方法超临界方法更加绿色环保。但是，该方法中采用超临界条件下直接水合法制备环戊醇的收率极低，最好收率只有0.29％(mol％)，无法应用到工业化大生产中。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种适合工业化制备环戊醇的新方法，该方法克服了现有技术中间接水合法需要采用浓硫酸或其他昂贵催化剂的缺点，同时保证了较高的收率。
一种在超临界条件下制备环戊醇的方法，包含以下步骤：
(1)以环戊烯和乙酸水溶液为原料，在超临界条件下发生加成反应生成乙酸环戊酯；
(2)乙酸环戊酯与甲醇在超临界条件下进行酯交换反应生成环戊醇和乙酸甲酯。
步骤(1)和(2)中，所述超临界条件可以选择任何一种原料或者其混合物的超临界条件。
本发明以环戊烯和乙酸水溶液为原料，使反应物在超临界状态下反应生成乙酸环戊酯，乙酸环戊酯接着再与甲醇在超临界条件下进行酯交换反应生成环戊醇，在超临界状态下水具有较高解离度，可以有效地促进反应的发生。
本发明所述方法的机理可以由以下反应式表示：
Figure BDA0001524924290000031
进一步的，步骤(1)反应完成后得到的反应液不进行处理，直接与甲醇进行步骤(2)所述的酯交换反应。
进一步的，步骤(1)与步骤(2)所述的超临界条件相同或者相似。两个步骤的超临界条件相同或者相似，可以使操作过程更加简便，对设备的要求也更低。
作为优选，步骤(1)和步骤(2)中，所述的超临界条件的温度为380～500℃，优选为400℃～450℃。作为进一步的优选，步骤(1)和步骤(2)中，所述的超临界条件的压力15MPa～35MPa，优选20Mpa～30Mpa，更优选22Mpa～28Mpa。其中，超临界条件的温度和压力的提高有利于环戊烯转化率的提升，但是温度和压力不易过高，过高会导致环戊醇选择性的降低。
进一步的，步骤(1)中，乙酸水溶液和环戊烯的摩尔比为2:1～15:1，优选为5:1～12:1，更优选为6:1～10:1。
进一步的，步骤(1)中乙酸水溶液的质量百分比浓度为75％～99％，优选87％～97％，更优选90％～95％。
进一步的，步骤(2)中甲醇与步骤(1)中乙酸的摩尔比为5:1～0.5:1，优选为3:1～1:1，更优选为2:1～1:1。
进一步的，步骤(1)和步骤(2)的反应都在管道式反应器中进行，在每个管道式反应器中停留时间为10min～30min，优选为15min～25min。
本发明还提供了一种实现所述方法的反应设备，包括：
两个串联的管道式反应器，分别用于进行所述的加成反应和酯交换反应；
反向压力控制器，用于将所述管道式反应器中的反应物料加压至指定压力；
预热器，用于将进入所述管道式反应器中的反应物料升温至指定温度；
对反应物料进行计量的高压计量泵；以及
对反应产物进行降温处理的冷凝器。
本发明中，两个串联的管道式反应器可以直接串联，也可以在两者之间加入其它的处理设备，作为优选，采用直接串联的方式进行连接，这样，第一个管道式反应器得到的反应液与预热的甲醇混合后直接进入第二个管道式反应器进行反应。
本发明中，所述的反向压力控制器可以为1个，也可以为2个，优选为采用一个反向压力控制器对两个管道式反应器的压力同时进行控制，此时，第二个超临界管道式反应器的末端连接冷凝器，冷凝器的另一端连接所述反向压力控制器，所述反向压力控制器的另一端连接出料装置。
本发明中，高压计量泵一端连接进料装置，另一端连接预热器，所述的高压计量泵为3个，所述的预热器为1～3个，预热器优选为3个，分别对不同的反应物料进行加热；预热器的另一端连接超临界管道式反应器，将不同的反应物料分别打入各自的管道式反应器。
本发明与传统制备方法相比的区别在于：1)本发明的转化率大大提高，收率达到92％以上；2)本发明的反应体系无需添加任何催化剂进行催化，在高温高压条件下，水达到超临界状态后具有较强的酸性，能够作为加成反应的催化剂；3)本发明的原子利用率更高，反应过程中生成的主要副产物乙酸甲酯也可以作为产品销售；4)本发明优选的管道式反应器，可以进行连续化反应，适合放大和工业化生产。
附图说明
图1为本发明所用的超临界管式反应的装置图，其中，1-3.高压计量泵；4-6.预热器；7-8.超临界管道式反应器；9.冷凝器；10.高精度反向压力控制器。
具体实施方式
以下的实施例将对本发明进行更加全面的描述。
本发明的超临界条件下制备环戊醇的方法，包含以下步骤：
(1)以环戊烯、乙酸水溶液原料，在超临界条件下发生加成反应生成乙酸环戊酯；
(2)乙酸环戊酯与甲醇在超临界条件下进行酯交换反应生成环戊醇和乙酸甲酯。
进一步的，可以通过控制投料比使得环戊烯反应较为完全，同时控制反应原料中水的含量，这样步骤(1)反应完成后产物无需进行精馏等处理即进行步骤(2)所述的酯交换反应。
进一步的，为了便于控制工艺条件，简化工艺流程，步骤(1)与步骤(2)所述的超临界条件优选相同或者相似。
进一步的，步骤(1)所述的超临界条件的温度优选380～500℃，更优选400℃～450℃。
进一步的，步骤(1)所述的超临界条件的压力优选15MPa～35MPa，更优选20Mpa～30Mpa，尤其优选22Mpa～28Mpa。
步骤(1)和(2)所述超临界条件可以选择任何一种原料或者其混合物的超临界条件，优选水的超临界条件，在水的超临界条件下，水的解离度更佳，能够达到更佳的催化效果。
进一步的，步骤(1)中乙酸水溶液和环戊烯的摩尔比为2:1～15:1，优选5:1～12:1，更优选6:1～10:1，反应时间停留10min～30min，优选15min～25min。
进一步的，步骤(1)中乙酸水溶液浓度为75％～99％，优选87％～97％，更优选90％～95％。
进一步的，步骤(2)中甲醇与乙酸的摩尔比为5:1～0.5:1，优选3:1～1:1，更优选2:1～1:1，反应时间停留10min～30min，优选15min～25min。
反应中，停留时间过短，转化率不够，停留时间过长增加副产物影响选择性。
进一步的，步骤(1)和步骤(2)可以在任何适用于超临界条件下进行工业生产的连续或者非连续装置中进行，优选在管道式反应器中进行。
本发明的反应设备包括：3个高压计量泵，1-3个预热器，2个管式反应器，1个冷凝器，1-2个反向压力控制器；其中，所述高压计量泵一端连接进料装置，另一端连接预热器；所述预热器的另一端连接管式反应器；所述2个管式反应器串联，管式反应器串联末端连接冷凝器；所述冷凝器的另一端连接反向压力控制器；所述反向压力控制器的另一端连接出料口。
如果两步反应的超临界条件相同，则1个预热器，1个反向压力控制器也可以。
如果要对步骤(1)加成反应生成物进行处理，两个管式反应器之间可以加入处理装置。
管式反应器上可以装有预热装置以便对反应器进行预热。
以下将通过具体实施例对本发明进行更加全面的描述：
实施例1
实验装置图如图1所示，其中，高压计量泵1和预热器4相连接，向超临界管道式反应器7中通入乙酸水溶液A；高压计量泵2和预热器5相连接，向超临界管道式反应器7中通入环戊烯B。高压计量泵3和预热器6相连接，将甲醇C加热后与超临界管道式反应器7出口的反应产物混合，然后通入超临界管道式反应器8进行反应，超临界管道式反应器8的出口依次连通冷凝器9和压力控制器10，压力控制器10的另一端将物料送入处理装置(例如精馏装置)进行分离纯化，操作过程如下：
开高压计量泵1，以5.49ml/min恒定流速泵入90％乙酸水溶液A(质量百分比浓度)，开高压计量泵2，以1.00ml/min恒定流速泵入环戊烯B，开高压计量泵3，以5.43ml/min恒定流速泵入甲醇C。将预热器4和5的温度设定为280℃，将预热器6的温度设定为350℃，超临界管道式反应器7和8的温度设定为400℃，调节冷凝器9后的高精度反向压力控制器10，压力均控制在25±1Mpa，反应停留时间均为20min，总停留时间40min。反应完成后，收集反应液，并用液相色谱分析，运用标准曲线法计算出环戊烯的转化率为91.09％，计算出环戊醇的选择性为94.71％。
实施例2-7
根据实施例1，通过改变泵1和3的流量，以改变甲醇、乙酸和环戊烯的摩尔比，保持停留时间、预热器和反应器温度以及反向压力等条件不变，反应结束后得到如下结果(表1)：
表1、原料配比对反应的影响
Figure BDA0001524924290000071
表1的结果表明，在甲醇和乙酸过量的流速比之下，环戊烯都具有较好的转化率和选择性，甲醇用量的提高，可以在一定程度上提高选择性，不过用量达到一定程度后，对转化率和选择性的影响则不再明显。
实施例8-11
根据实施例1，只改变反应的停留时间，保持泵的流速、预热器和反应器温度以及反向压力等条件不变，反应结束后得到如下结果(表2)：
表2、停留时间对反应的影响
实施例 停留时间/min<sup>a</sup> 环戊烯转化率/％ 环戊醇选择性/％
8 10 73.34 96.32
9 15 85.07 96.05
10 25 92.25 93.62
11 30 92.18 92.06
a管道式反应器7和8的停留时间都相同，该停留时间指的是单独一个管道式反应器的停留时间。
表2的结果表明，停留时间的增加会提高环戊烯的转化率和环戊醇的选择性。
实施例12-16
根据实施例1，只改变管道式反应器的温度，保持泵的流速、停留时间、预热器温度以及反向压力等条件不变，反应结束后得到如下结果(表3)：
表3、温度对反应的影响
实施例 温度/℃<sup>a</sup> 环戊烯转化率/％ 环戊醇选择性/％
12 380 87.56 96.04
13 420 91.11 94.25
14 440 91.28 94.06
15 460 92.33 92.17
16 480 92.19 85.53
a管道式反应器7和8的反应温度相同。
表3的结果表明，温度过低时，环戊烯的转化率较低，温度过高时，环戊醇的选择性则降低。
实施例17-22
根据实施例1，只调节冷凝器后的高精度反向压力控制器，改变反应的压力，保持泵的流速、停留时间以及预热器和反应器温度等条件不变，反应结束后得到如下结果(表4)：
表4、反应压力对反应的影响
实施例 压力/Mpa 环戊烯转化率/％ 环戊醇选择性/％
17 16±1 82.34 94.65
18 19±1 89.07 94.94
19 22±1 91.27 94.26
20 28±1 92.08 93.14
21 31±1 92.23 90.28
22 34±1 92.15 86.31
表4的结果表明，压力过低时，环戊烯的转化率较低，压力过高时，环戊醇的选择性则降低。

Claims (18)

1.一种在超临界条件下制备环戊醇的方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)以环戊烯和乙酸水溶液为原料，在超临界条件下发生加成反应生成乙酸环戊酯；
(2)乙酸环戊酯与甲醇在超临界条件下进行酯交换反应生成环戊醇和乙酸甲酯；
步骤(1)和步骤(2)中，所述的超临界条件的温度为380～500℃；
步骤(1)和步骤(2)中，所述的超临界条件的压力为15MPa～35MPa。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)反应完成后得到的反应液不进行处理，直接与甲醇进行步骤(2)所述的酯交换反应。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)与步骤(2)所述的超临界条件相同或者相似。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)中，所述的超临界条件的温度为400℃～450℃。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)中，所述的超临界条件的压力为20MP a～30MP a。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)中，所述的超临界条件的压力为22MP a～28MP a。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，乙酸水溶液和环戊烯的摩尔比为2:1～15:1。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，乙酸水溶液和环戊烯的摩尔比为5:1～12:1。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，乙酸水溶液和环戊烯的摩尔比为6:1～10:1。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中乙酸水溶液的浓度为75％～99％。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中乙酸水溶液的浓度为87％～97％。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中乙酸水溶液的浓度为90％～95％。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中甲醇与步骤(1)中乙酸的摩尔比为5:1～0.5:1。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中甲醇与步骤(1)中乙酸的摩尔比为3:1～1:1。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中甲醇与步骤(1)中乙酸的摩尔比2:1～1:1。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)的反应都在管道式反应器中进行，在每个管道式反应器中停留时间为10min～30min。
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)的反应都在管道式反应器中进行，在每个管道式反应器中停留时间为15min～25min。
18.一种权利要求1～4、7～17任一项所述的方法，其特征在于，实现所述方法的反应设备包括：
两个串联的管道式反应器，分别用于进行所述的加成反应和酯交换反应；
反向压力控制器，用于将所述管道式反应器中的反应物料加压至指定压力；
预热器，用于将进入所述管道式反应器中的反应物料升温至指定温度；
对反应物料进行计量的高压计量泵；以及
对反应产物进行降温处理的冷凝器。
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