一种叔碳酸缩水甘油酯的连续精制工艺
技术领域
本发明属于有机化合物制备领域,涉及一种叔碳酸缩水甘油酯的连续精制工艺。
背景技术
叔碳酸缩水甘油酯中含有环氧基团,与胺类、羧酸和醇类反应活性大,可以增强对金属附着力,同时还有空间位阻保护酯键,具有优异的耐酸、耐碱和耐候性,能够改善颜料承载性、光泽,降低溶解粘度,因此,广泛应用于制备高固含和水性涂料,环氧树脂的活性稀释漆,卷材和工业金属涂料的颜料浆,以及环氧树脂固化剂等。
US5880297报道了一种处理叔碳酸缩水甘油酯重产物的方法,通过刮板式薄膜蒸发器对含重组分的叔碳酸缩水甘油酯进行蒸馏精制,该方法可以将重组分的含量由9.67%降低到4.65%,同时降低了色度和环氧当量值,提高了产品的质量。但该方法中存在催化剂析出风险,容易损坏关键蒸馏设备刮板式薄膜蒸发器。
CN102924407A报道了一种一元羧酸缩水甘油酯的精制方法,采用碱洗分离操作、水洗分离操作和蒸馏除水等操作,能保证产品的收率达到99%以上。但该方法采用碱洗和水洗的精制方法,不能连续操作,产生的有机废水和废碱液量大,耗时长,混合和静置的时间长,工艺效率低。
CN201710243812.2报道了一种叔碳酸缩水甘油酯粗产品的分离提纯精制工艺,将叔碳酸缩水甘油酯粗产品加入到蒸馏塔中,升温后从塔底部通入水蒸气,塔顶冷凝收集轻组分,塔底物料经分相器分离出含盐的水相以及含叔碳酸缩水甘油酯的油相,油相经蒸馏或碱洗得到精制后的产品叔碳酸缩水甘油酯。该方法轻组分环氧氯丙烷在高温水性环境中会有水解成3-氯-1,2-二丙醇的风险,同时,该方法使用碱洗,存在大量废碱液,污染环境。
CN201510175645.3报道了一种叔碳酸缩水甘油酯的连续精制方法,使用连续碱洗、连续分相分离和连续水洗、连续分相,分离实现了产品的分离过程的连续操作。该方法采用碱洗和水洗的操作,产生大量有机废水和废碱液,不环保,而且设备复杂,建设成本高。
CN201520225361.6公开了一种用于叔碳酸缩水甘油酯的连续碱洗装置,通过管道顺次连接的连续碱洗釜和连续分相器,连续碱洗釜用于对叔碳酸缩水甘油酯粗品进行连续碱洗处理,连续分相器用于对碱洗后的叔碳酸缩水甘油酯粗品进行分离处理。该装置需要使用碱液进行操作,仍旧有废碱液产生,污染环境。
发明内容
本发明目的是针对现有技术中存在的上述缺点,提供一种叔碳酸缩水甘油酯的连续精制工艺,向脱除金属卤化物后的含叔碳酸缩水甘油酯清液中加入离子液体,溶解季铵盐催化剂,防止其在后续的精馏脱除轻组分和短程蒸馏产品时在设备内部析出,造成设备和工艺故障,并能够实现对叔碳酸缩水甘油酯产品进行连续精制的操作,避免了季铵盐类催化剂析出对设备和工艺的影响,同时整套分离工艺无有机废水,绿色环保,操作劳动强度小,得到的产品纯度高,易实现连续化工业生产。
为实现以上发明目的,本发明采用的技术方案如下:
一种叔碳酸缩水甘油酯的连续精制工艺,包括以下步骤:
1)叔碳酸缩水甘油酯粗反应液采用连续固液分离方法脱除金属卤化物,得清液;
2)步骤1)清液中加入离子液体,精馏脱除轻组分后,再通过短程蒸馏得精制后叔碳酸缩水甘油酯。
进一步地,步骤1)中,所述连续固液分离,包括过滤或离心方式,设备为卧式螺旋沉降离心机、碟片离心机和过滤洗涤干燥三合一体机中的至少一种,优选卧式螺旋沉降离心机;
所述连续固液分离,操作过程中温度与叔碳酸缩水甘油酯粗反应液一致,为50~100℃,优选60~90℃,更优选70~80℃。
进一步地,步骤1)中,所述叔碳酸缩水甘油酯粗反应液,其组成包括:环氧氯丙烷55~75wt%、叔碳酸缩水甘油酯25~45wt%、金属卤化物5~10wt%、季铵盐催化剂0.2~2wt%和缩水甘油(环氧丙醇)0.2~2wt%;
所述金属卤化物为氯化钠、氯化钾、溴化钠和溴化钾中的至少一种;
所述季铵盐催化剂为四甲基氯化铵、三乙基苄基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵、四甲基溴化铵、四乙基溴化铵和四丁基溴化铵中的至少一种。
进一步地,步骤1)中,所得清液中金属卤化物含量极低,为10~100ppm;通过连续固液分离脱除的金属卤化物中含湿量为30~60wt%。
进一步地,步骤2)中,所述离子液体为沸点高于叔碳酸缩水甘油酯沸点(278℃)的离子液体,优选为沸点在350~600℃的离子液体;
更优选地,所述离子液体为能够与叔碳酸缩水甘油酯任意比例混溶的离子液体;最优选能够与叔碳酸缩水甘油酯任意比例混溶,且叔碳酸缩水甘油酯粗反应液中的季铵盐催化剂溶解度为30~60g(25℃)的离子液体;
优选地,所述离子液体同时包含有机阳离子和有机阴离子;
所述有机阳离子为四甲基铵正离子、三乙基苄基铵正离子、十六烷基三甲基铵正离子、四乙基铵正离子和四丁基铵正离子中的至少一种;
所述有机阴离子为(C2F5SO2)2N-、(CF3SO2)2N-、CF3COO-、CH3COO-和BF4 -中的至少一种。
所述离子液体制备方法为:将有机阳离子卤化物、有机阴离子碱金属盐类、水混合,在25~45℃搅拌10~48h后静置分液,取下层油状液体溶于有机溶剂中,水洗,水相滴加0.1wt%硝酸银溶液至无沉淀生成,且pH为7.8~8.2,得到的有机相75~90℃真空干燥8~48h,得到离子液体;
所述有机阳离子卤化物与有机阴离子碱金属盐类物质的量比为1:1.1~1.2,加入水的质量与有机阴离子碱金属盐类的质量相同;所述有机溶剂为四氯化碳或二氯甲烷。
进一步地,步骤2)中,所述离子液体的加入量为体系中含有的叔碳酸缩水甘油酯总量的2~10wt%,优选3~8wt%。
进一步地,步骤2)中,所述精馏,采用的精馏塔理论塔板数为10~20,优选12~18。
所述精馏塔采用连续进料方式;精馏塔的塔顶温度为10~40℃,优选20~30℃;塔顶压力为1~5KPa(A),优选2~4KPa(A)。
进一步地,步骤2)中,所述轻组分为环氧氯丙烷和缩水甘油;其中,所述环氧氯丙烷的纯度大于90%,达到回用指标。
进一步地,步骤2)中,所述短程蒸馏,压力为0.01~1KPa(A),优选0.02~0.1KPa(A),温度为130~200℃,优选150~180℃。
所述短程蒸馏在短程蒸发器中进行,短程蒸发器包含内置冷凝器,内置冷凝器的管程中为30~60wt%的乙二醇水溶液,温度为-60~10℃,优选-25~5℃;
优选地,所述短程蒸发器的气相出口设置两级冷凝器,第一级冷凝器的管程中为循环水冷媒,温度为28~40℃,优选30~38℃,第二级冷凝器的管程中为30~60wt%的乙二醇水溶液,温度为-60~10℃,优选-25~5℃。
本发明涉及叔碳酸缩水甘油酯的连续精制工艺,制得的叔碳酸缩水甘油酯纯度达到99%以上,收率达90%以上。
本发明技术方案,其有益效果在于:
1、采用连续过滤设备对叔碳酸缩水甘油酯粗反应液进行固液分离,得到的清液中金属卤化物离子的含量极低(10~100ppm)。
2、向固液分离后的清液中加入离子液体,选用的离子液体对季铵盐催化剂有较好的溶解性,同时与叔碳酸缩水甘油酯混溶,而季铵盐催化剂不溶于叔碳酸缩水甘油酯,离子液体的加入避免了在精馏脱除环氧氯丙烷等轻组分的过程中,季铵盐催化剂在设备上析出而导致工艺故障,适于连续化生产叔碳酸缩水甘油酯。
3、采用精馏工艺,塔顶脱除环氧氯丙烷轻组分和副产缩水甘油,同时塔底得到较高纯度叔碳酸缩水甘油酯重组分,为制备高纯度的叔碳酸缩水甘油酯产品提供了条件。
4、依据分子蒸馏原理,采用短程蒸馏叔碳酸缩水甘油酯,热敏物料叔碳酸缩水甘油酯受热时间短,操作工艺简单,设备少,产品能耗小,产品纯度能够达到99%以上。
5、精制过程无废水、废碱液产生,环境友好,可用于叔碳酸缩水甘油酯的规模化连续生产。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步的阐述,本发明并不局限于下述实施例。本发明扩展到任何在说明书中披露的新特征或任何新的组合,以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
实施例1
一种叔碳酸缩水甘油酯的连续精制工艺,步骤如下:
原料叔碳酸缩水甘油酯粗反应液,其组成为:环氧氯丙烷63.5wt%、叔碳酸缩水甘油酯29wt%、氯化钠6wt%、三乙基苄基氯化铵1.2wt%和缩水甘油0.3wt%;
1)使用卧式螺旋沉降离心机在3000rpm转速条件下,将71℃的叔碳酸缩水甘油酯粗反应液进行固液分离,脱除金属卤化物,得到清澈的上清液,其中氯化钠含量为12ppm,脱除的氯化钠固体中含湿量为56wt%;
2)将三乙基苄基氯化铵(C13H22ClN)和(C2F5SO2)2NNa按照物质的量的比为1:1.1加入到反应釜中,同时加入去离子水,其质量与加入的(C2F5SO2)2NNa的质量相等,在温度为35℃条件下搅拌18h后静置,分液,将下层油状液体溶于少量的四氯化碳,加入去离子水进行洗涤,每次洗涤后的水相滴入0.1wt%硝酸银溶液,直至没有白色AgCl沉淀生成,且用在线pH计测试其pH为7.8~8.2,得到的有机相在双锥真空干燥器内75℃真空干燥48h,得到离子液体[C13H22N][C2F5SO2)2N],其沸点为493℃,三乙基苄基氯化铵在离子液体[C13H22N][C2F5SO2)2N]中的溶解度为39g(25℃);
3)向所得的上清液中加入步骤2)制备得到的离子液体后,离子液体加入量为体系中含有的叔碳酸缩水甘油酯总量的4wt%,使用连续式精馏塔,塔板数为13,塔顶温度25℃,塔顶压力为3KPaA,塔顶蒸出轻组分环氧氯丙烷(纯度为92.89%)和副产缩水甘油组分;得到的塔底液体中轻组分环氧氯丙烷的含量为0.42wt%,缩水甘油的含量为0.13wt%,将此塔底液体通过泵连续转入短程蒸发器中,短程蒸发器内置冷凝器,管程中为45wt%的乙二醇水溶液,温度为-10℃,短程蒸发器顶部的第一级冷凝器的管程中循环水的温度为30℃,第二级冷凝器的管程中45wt%的乙二醇水溶液的温度为-15℃,控制产品分离压力为0.02KpaA,分离温度为150℃,得到精制后叔碳酸缩水甘油酯,纯度为99.33%,收率为91.82%。
实施例2
一种叔碳酸缩水甘油酯的连续精制工艺,步骤如下:
原料叔碳酸缩水甘油酯粗反应液,其组成为:环氧氯丙烷59.3wt%、叔碳酸缩水甘油酯32wt%、氯化钾7wt%、四甲基氯化铵1.3wt%和缩水甘油0.4wt%;
1)使用卧式螺旋沉降离心机在2500rpm转速条件下,将71℃的叔碳酸缩水甘油酯粗反应液进行固液分离,脱除金属卤化物,得到清澈的上清液,其中氯化钾含量为23ppm,脱除的氯化钾固体中的含湿量为57.5wt%;
2)将四甲基氯化铵(C4H12ClN)和(C2F5SO2)2NK按照物质的量的比为1:1.2加入到反应釜中,同时加入去离子水,其质量与加入的(C2F5SO2)2NK的质量相等,在温度为25℃条件下搅拌48h后静置,分液,将下层油状液体溶于少量的二氯甲烷,加入去离子水进行洗涤,每次洗涤后的水相滴入0.1wt%硝酸银溶液,直至没有白色AgCl沉淀生成,且用在线pH计测试其pH为7.8~8.2,得到的有机相在双锥真空干燥器内85℃真空干燥24h,得到离子液体[C4H12N][C2F5SO2)2N],其沸点为407℃,四甲基氯化铵在离子液体[C4H12N][C2F5SO2)2N]中的溶解度为48g(25℃);
3)向所得的上清液中加入步骤2)制备得到的离子液体后,离子液体加入量为体系中含有的叔碳酸缩水甘油酯总量的4.5wt%,使用连续式精馏塔,塔板数为13,塔顶温度25℃,塔顶压力为3KPaA,塔顶蒸出轻组分环氧氯丙烷(纯度为94.11%)和副产缩水甘油组分;得到的塔底液体中轻组分环氧氯丙烷的含量为0.47wt%,缩水甘油的含量为0.14wt%,将此塔底液体通过泵连续转入短程蒸发器中,短程蒸发器内置冷凝器,管程中为45wt%的乙二醇水溶液,温度为-10℃,短程蒸发器顶部的第一级冷凝器的管程中循环水的温度为30℃,第二级冷凝器的管程中45wt%的乙二醇水溶液的温度为-15℃,控制产品分离压力为0.04KPaA,分离温度为160℃,得到精制后叔碳酸缩水甘油酯,纯度为99.52%,收率为92.07%。
实施例3
一种叔碳酸缩水甘油酯的连续精制工艺,步骤如下:
原料叔碳酸缩水甘油酯粗反应液,其组成为:环氧氯丙烷55.2wt%、叔碳酸缩水甘油酯35wt%、氯化钾8wt%、四甲基氯化铵1.6wt%和缩水甘油0.2wt%;
1)用碟片离心机在4000rpm转速条件下,将75℃的叔碳酸缩水甘油酯粗反应液进行固液分离,脱除金属卤化物,得到清澈的上清液,其中氯化钾含量为5.9ppm,脱除的氯化钾固体中的含湿量为45.7wt%;
2)离子液体[C4H12N][C2F5SO2)2N]制备同实施例2;
3)向所得的上清液中加入步骤2)制备得到的离子液体后,离子液体加入量为体系中含有的叔碳酸缩水甘油酯总量的6wt%,使用连续式精馏塔,塔板数为13,塔顶温度20℃,塔顶压力为2KPaA,塔顶蒸出轻组分环氧氯丙烷(纯度为93.27%)和副产缩水甘油组分;得到塔底液体中轻组分环氧氯丙烷的含量为0.22wt%,缩水甘油的含量为0.05wt%,将此塔底液体通过泵连续转入短程蒸发器中,短程蒸发器内置冷凝器,管程中为50wt%的乙二醇水溶液,温度为-10℃,短程蒸发器顶部的第一级冷凝器的管程中循环水的温度为30℃,第二级冷凝器的管程中50wt%的乙二醇水溶液的温度为-15℃,控制产品分离压力为0.10KPaA,分离温度为180℃,得到精制后叔碳酸缩水甘油酯,纯度为99.08%,收率为91.24%。
实施例4
一种叔碳酸缩水甘油酯的连续精制工艺,步骤如下:
原料叔碳酸缩水甘油酯粗反应液,其组成为:环氧氯丙烷60.3wt%、叔碳酸缩水甘油酯31wt%、氯化钾7wt%、四甲基溴化铵0.8wt%和缩水甘油0.9wt%;
1)用碟片离心机在6000rpm转速条件下,将78℃的叔碳酸缩水甘油酯粗反应液进行固液分离,脱除金属卤化物,得到清澈的上清液,其中氯化钾含量为3.3ppm,氯化钾固体中的含湿量为42.3wt%;
2)将四甲基溴化铵(C4H12BrN)和(C2F5SO2)2NK按照物质的量的比为1:1.1加入到反应釜中,同时加入去离子水,其质量与加入的(C2F5SO2)2NK的质量相等,在温度为30℃条件下搅拌24h后静置,分液,将下层油状液体溶于少量的二氯甲烷,加入去离子水进行洗涤,每次洗涤后的水相滴入0.1wt%硝酸银溶液,直至没有浅黄色AgBr沉淀生成,且用在线pH计测试其pH为7.8~8.2,得到的有机相在双锥真空干燥器内80℃真空干燥20h,得到离子液体[C4H12N][C2F5SO2)2N];
3)向所得的上清液中加入步骤2)制备得到的离子液体后,离子液体加入量为体系中含有的叔碳酸缩水甘油酯总量的7wt%,使用连续式精馏塔,塔板数为16,塔顶温度30℃,塔顶压力为4KPaA塔顶蒸出轻组分环氧氯丙烷(纯度为91.78%)和副产缩水甘油组分;得到的塔底液体中轻组分环氧氯丙烷的含量为0.45wt%,缩水甘油的含量为0.29wt%,将此塔底液体通过泵连续转入短程蒸发器中,短程蒸发器内置冷凝器,管程中为40wt%的乙二醇水溶液的温度为-10℃,短程蒸发器顶部的第一级冷凝器的管程中循环水的温度为30℃,第二级冷凝器的管程中40wt%的乙二醇水溶液的温度为-15℃,控制产品分离压力为0.05KPaA,分离温度为160℃,得到精制后叔碳酸缩水甘油酯,纯度为99.17%,收率为91.79%。
实施例5
一种叔碳酸缩水甘油酯的连续精制工艺,步骤如下:
原料叔碳酸缩水甘油酯粗反应液,其组成为:环氧氯丙烷66.6wt%、叔碳酸缩水甘油酯27wt%、氯化钠5wt%、四乙基溴化铵0.7wt%和缩水甘油0.7wt%;
1)用过滤洗涤干燥三合一体机在20rpm转速条件下,将70℃的叔碳酸缩水甘油酯粗反应液进行固液分离,脱除金属卤化物,得到清澈的上清液,其中氯化钠含量为78ppm,脱除的氯化钠固体中的含湿量为55.3wt%;
2)将四乙基溴化铵(C8H20BrN)和(C2F5SO2)2NNa按照物质的量的比为1:1.15加入到反应釜中,同时加入去离子水,其质量与加入的(C2F5SO2)2NNa的质量相等,在温度为45℃条件下搅拌10h后静置,分液,将下层油状液体溶于少量的四氯化碳,加入去离子水进行洗涤,每次洗涤后的水相滴入0.1wt%硝酸银溶液,直至没有浅黄色AgBr沉淀生成,且用在线pH计测试其pH为7.8~8.2,得到的有机相在双锥真空干燥器内90℃真空干燥8h,得到离子液体[C8H20N][C2F5SO2)2N],其沸点为458℃,四乙基溴化铵在离子液体[C8H20N][C2F5SO2)2N]中的溶解度为43g(25℃);
3)向所得的上清液中加入步骤2)制备得到的离子液体后,离子液体加入量为体系中含有的叔碳酸缩水甘油酯总量的5.5wt%,使用连续式精馏塔,塔板数为15,塔顶温度30℃,塔顶压力为4KPaA,塔顶蒸出轻组分环氧氯丙烷(纯度为95.02%)和副产缩水甘油组分;得到的塔底液体中轻组分环氧氯丙烷的含量为0.41wt%,缩水甘油的含量为0.24wt%,将此塔底液体通过泵连续转入短程蒸发器中,短程蒸发器内置冷凝器,管程中为60wt%的乙二醇水溶液的温度为-10℃,短程蒸发器顶部的第一级冷凝器的管程中循环水的温度为30℃,第二级冷凝器的管程中60wt%的乙二醇水溶液的温度为-15℃,控制产品分离压力为0.05KPaA,分离温度为160℃,得到精制后叔碳酸缩水甘油酯,纯度为99.20%,收率为90.86%。
实施例6
一种叔碳酸缩水甘油酯的连续精制工艺,步骤如下:
原料叔碳酸缩水甘油酯粗反应液,其组成为:环氧氯丙烷57.7wt%、叔碳酸缩水甘油酯33wt%、氯化钠7.5wt%、四乙基溴化铵0.7wt%和缩水甘油1.1wt%;
1)用过滤洗涤干燥三合一体机在40rpm转速条件下,将70℃的叔碳酸缩水甘油酯粗反应液进行固液分离,脱除金属卤化物,得到清澈的滤液,其中氯化钠含量为59ppm,脱除的氯化钠固体中的含湿量为54.3wt%;
2)离子液体[C8H20N][C2F5SO2)2N]制备同实施例5;
3)向所得的滤液中加入步骤2)制备得到的离子液体后,离子液体加入量为体系中含有的叔碳酸缩水甘油酯总量的7wt%,使用连续式精馏塔,塔板数为15,塔顶温度30℃,塔顶压力为4KPaA,塔顶蒸出轻组分环氧氯丙烷(纯度为93.37%)和副产缩水甘油组分;得到的塔底液体中轻组分环氧氯丙烷的含量为0.42wt%,缩水甘油的含量为0.23wt%,将此塔底液体通过泵连续转入短程蒸发器中,短程蒸发器内置冷凝器,管程中为60wt%的乙二醇水溶液的温度为-10℃,短程蒸发器顶部的第一级冷凝器的管程中循环水的温度为30℃,第二级冷凝器的管程中60wt%的乙二醇水溶液的温度为-15℃,控制产品分离压力为0.02KPaA,分离温度为150℃,得到精制后叔碳酸缩水甘油酯,纯度为99.21%,收率为90.22%。
对比例1
叔碳酸缩水甘油酯的连续精制工艺,与实施例6不同之处在于:步骤2)中采用甘油替换离子液体[C8H20N][C2F5SO2)2N],连续式精馏塔塔顶蒸出的环氧氯丙烷纯度为90.49%,得到的塔底液体中轻组分环氧氯丙烷的含量为0.52wt%,缩水甘油的含量为3wt%,精制后叔碳酸缩水甘油酯产品纯度为97.02%,收率为91.02%。可见,采用甘油替换离子溶剂后,虽然同样对催化剂有一定溶解作用,但对比例1中的甘油不但会增加副产缩水甘油,同时还会降低产品的纯度,不能实现本发明精制效果。
对比例2
叔碳酸缩水甘油酯的精制工艺(间歇式),步骤如下:
原料叔碳酸缩水甘油酯粗反应液,其组成为:环氧氯丙烷58.9wt%、叔碳酸缩水甘油酯31.7wt%、氯化钠6.8wt%、四乙基溴化铵1.4wt%和缩水甘油1.2wt%;
1)使用2L袋式过滤器,其内装填的滤袋的规格为0.5微米,将73℃的叔碳酸缩水甘油酯粗反应液进行固液分离,过滤压力0.3MPaG,得到清澈的上清液,其中氯化钠含量为375ppm;滤除的氯化钠固体中的含湿量为65.5wt%,当袋式过滤器中的滤饼大于1L,前后压降大于0.2MPa,停车并人工清理过滤器滤袋内滤饼;
2)将所得的上清液通过间歇精馏塔进行减压精馏,理论板数为20,塔顶温度30℃,塔顶压力为4KPaA,塔顶蒸出轻组分环氧氯丙烷(纯度为93.17%)和副产缩水甘油组分;得到的塔底液体中轻组分环氧氯丙烷的含量为0.40wt%,缩水甘油的含量为0.25wt%,同时塔底有催化剂四乙基溴化铵固体析出,将此固液两相的塔底液体通过泵打入1微米的袋式过滤器进行过滤,所得清液进入粗产品罐;
将粗产品罐中的液体通过泵打入刮板蒸发器中进行产品蒸馏(其中因催化剂固体颗粒在刮板蒸发器中继续析出而对设备造成损害),控制产品分离压力为0.02KPaA,分离温度为150℃,得到的产品纯度为99.09%,收率为84.47%。