CN111039843A - N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺和合成系统及应用 - Google Patents

N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺和合成系统及应用 Download PDF

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CN111039843A CN201911319708.2A CN201911319708A CN111039843A CN 111039843 A CN111039843 A CN 111039843A CN 201911319708 A CN201911319708 A CN 201911319708A CN 111039843 A CN111039843 A CN 111039843A
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付哲
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Abstract

本发明提供了一种N‑乙烯基吡咯烷酮的合成工艺和合成系统及应用，涉及N‑乙烯基吡咯烷酮生产技术领域。该N‑乙烯基吡咯烷酮的合成工艺通过采用微通道反应器合成N‑乙烯基吡咯烷酮，最大限度消除乙炔安全隐患，强化反应过程中的气液传质传热，缩短反应时间，提高N‑乙烯基吡咯烷酮的选择性，同时实现连续化生产。本发明还提供一种N‑乙烯基吡咯烷酮的合成系统，包括微通道反应器。本发明还提供了上述N‑乙烯基吡咯烷酮的合成工艺或N‑乙烯基吡咯烷酮的合成系统的应用，鉴于上述N‑乙烯基吡咯烷酮的合成工艺或N‑乙烯基吡咯烷酮的合成系统所具有的优势，使得其在N‑乙烯基吡咯烷酮生产领域具有良好的工业应用前景。

Description

N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺和合成系统及应用
技术领域
本发明涉及N-乙烯基吡咯烷酮生产技术领域，尤其是涉及一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺和合成系统及应用。
背景技术
N-乙烯基吡咯烷酮(简称NVP)主要用于生产聚乙烯吡咯烷酮。NVP的合成是聚乙烯吡咯烷酮产业链的关键部分。
乙炔法(又称Reppe法)是目前工业上生产NVP的主要工艺。乙炔法指通过乙炔和2-吡咯烷酮在一定温度、压力下，并以吡咯烷酮钾等强碱为催化剂发生亲和加成反应从而生成NVP。从早期的学术研究到现在成熟的工业生产，NVP的合成一般都采用高压釜进行。而采用高压釜生产有一些问题仍需解决，首先该反应是气液两相反应，反应速率受气液传质控制，反应过程中很大程度上依赖于搅拌转速，反应速率低直接导致反应时间很长(3～5h)；其次该过程属于间歇操作，操作可控性和产品均一性相对较差。另外，由于乙炔的易燃易爆性，乙炔的安全是工业生产时亟需解决的关键问题。一方面，乙炔氧化爆炸的范围比其他气体都宽，和空气混合物的爆炸极限范围在2.2～82％(V)，并且所需点火能量小，含7.7％乙炔的混合气，最低引爆能量为1.9×10-5J(仅为未熄灭的烟火能量级)；另一方面乙炔极易发生分解爆炸，引起乙炔分解爆炸的典型因素有受热、加压、静电、铜、银、铁锈等等。
为了解决这些问题，过去十几年里人们开发设计了几种新型反应器。目前的新型反应器虽在一定程度上提高了乙炔使用安全性和加快了气液传质，但反应时间仍较长(1.5h)，工业放大时仍需考虑乙炔安全问题。
有鉴于此，特提出本申请以解决上述技术问题中的至少一个。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺，通过利用微通道反应器，实现了乙炔使用的本质安全，强化反应过程中的气液传质传热，缩短反应时间，提高N-乙烯基吡咯烷酮的选择性，同时实现连续化生产。
本发明的第二目的在于提供一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统，包括微通道反应器。
本发明的第三目的在于提供上述N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺或N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统的应用。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺，包括以下步骤：
提供氮气和乙炔的混合气体A以及含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液；
将混合气体A和含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液混合，得到气液混合物B，使气液混合物B中的2-吡咯烷酮与乙炔在微通道反应器内发生反应，得到N-乙烯基吡咯烷酮；
优选地，所述N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺包括以下步骤：
提供氮气和乙炔的混合气体A以及含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液；
将混合气体A和含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液混合，然后将得到的气液混合物B后预热，再将气液混合物B通入微通道反应器内使气液混合物B中的2-吡咯烷酮与乙炔发生反应，将得到的反应混合物分离，得到N-乙烯基吡咯烷酮。
进一步的，在本发明上述技术方案的基础上，所述微通道反应器包括壳体和若干个单通道，若干个所述单通道位于所述壳体内部且沿壳体长度方向设置；
所述单通道的内径为0.5-3.0mm，优选为0.5-1.5mm。
进一步的，在本发明上述技术方案的基础上，所述单通道内设有内构件；
优选地，所述内构件为圆柱体结构，所述内构件上沿所述单通道长度方向开设有若干个通孔。
进一步的，在本发明上述技术方案的基础上，所述单通道的数量为30-50个；
优选地，所述单通道的长度为30-100m；
优选地，所述壳体的内径为160-240mm；
优选地，所述单通道以螺旋盘管的方式置于所述壳体内部；
优选地，所述单通道形成的螺旋盘管的外径为20-50mm。
进一步的，在本发明上述技术方案的基础上，混合气体A和含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液混合时，混合气体A和含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液的气液体积流量比为(500-1000):1，优选为(600-800):1；
优选地，所述微通道反应器内的反应温度为140-180℃，反应压力为0.6-1.2MPa。
进一步的，在本发明上述技术方案的基础上，乙炔占混合气体A中的体积分数为40-90％，优选为50-70％；
优选地，含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液主要由碱金属氢氧化物和2-吡咯烷酮制得；
优选地，所述碱金属氢氧化物为氢氧化钾，氢氧化钾和2-吡咯烷酮的质量比为(1-5):100，优选为(2.5-3.5):100。
进一步的，在本发明上述技术方案的基础上，预热的温度为120-135℃；
优选地，将得到的反应混合物先冷却，然后再分离。
本发明还提供了一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统，包括微通道反应器；
优选地，所述N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统包括微混合器、微加热器、微通道反应器、微冷却器和气液分离器；
所述微混合器与所述微加热器连接，所述微加热器与所述微通道反应器连接，所述微通道反应器与所述微冷却器连接，所述微冷却器与所述气液分离器连接；
优选地，所述微混合器分别与液体储罐和气体储罐连接；
优选地，所述气液分离器通过吸收器与气体储罐连接。
进一步的，在本发明上述技术方案的基础上，所述微通道反应器包括壳体和若干个单通道，若干个所述单通道位于所述壳体内部且沿壳体长度方向设置；
所述单通道的内径为0.5-3.0mm；
优选地，所述单通道内设有内构件；
优选地，所述内构件为圆柱体结构，所述内构件上沿所述单通道长度方向开设有若干个通孔；
优选地，所述单通道的数量为30-50个；
优选地，所述单通道的长度为30-100m；
优选地，所述壳体的内径为160-240mm；
优选地，所述单通道以螺旋盘管的方式置于所述壳体内部。
本发明还提供了上述N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺或N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统在N-乙烯基吡咯烷酮生产中的应用。
与现有技术相比，本发明提供的N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺和N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统和应用具有以下技术效果：
(1)本发明提供了一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺，通过采用微通道反应器合成N-乙烯基吡咯烷酮，最大限度消除乙炔安全隐患，强化气液传质传热，缩短反应时间，提高N-乙烯基吡咯烷酮的选择性，同时实现连续化生产，工艺流程利于工业化应用，该N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺可有效改善现有合成工艺中存在安全性低、反应时间长、难以连续生产等问题。
(2)本发明提供了一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统，包括微通道反应器。由于微通道反应器的利用，可最大限度消除生产过程中的乙炔安全隐患，强化反应过程的气液传质传热，缩短反应时间，提高N-乙烯基吡咯烷酮的选择性，同时实现了连续化生产，有利于工业化应用。
(3)本发明提供了N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺或N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统的应用，鉴于上述N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺或N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统所具有的优势，使得其在N-乙烯基吡咯烷酮生产领域具有良好的工业应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种实施方式下的微反应器的侧视图；
图2为本发明提供的一种实施方式下的单通道侧视图；
图3为本发明提供的一种实施方式下的内构件的剖面结构示意图；
图4为本发明提供的另一种实施方式下的内构件的剖面结构示意图；
图5为本发明提供的再一种实施方式下的内构件的剖面结构示意图；
图6为本发明提供的一种实施方式下的N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统结构简图；
图7为本发明提供的另一种实施方式下的N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统结构简图。
图标：10-微混合器；20-微加热器；30-微通道反应器；31-壳体；32-单通道；33-内构件；40-微冷却器；50-气液分离器；60-吸收器；70-气体储罐；80-液体储罐。
具体实施方式
下面将结合实施对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的第一个方面，提供了一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺，包括以下步骤：
提供氮气和乙炔的混合气体A以及含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液；
将混合气体A和含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液混合，得到气液混合物B，使气液混合物B中的2-吡咯烷酮与乙炔在微通道反应器内发生反应，得到N-乙烯基吡咯烷酮。
具体的，由于乙炔属于易燃易爆气体，混合气体A中的氮气可起到对乙炔进行稀释的作用，从而降低乙炔潜在的风险。
含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液中的催化剂的种类此处不作具体限定，只要能确保在其催化作用下乙炔和2-吡咯烷酮反应生成N-乙烯基吡咯烷酮即可。典型但非限制性的催化剂的种类可为吡咯烷酮钾、吡咯烷酮钠或吡咯烷酮锂等。
为了尽量降低乙炔爆炸的风险，本发明将反应选择在微通道反应器中进行。这主要是由于微通道反应器的特征尺度在亚微米和毫米之间，小尺寸通道具有阻火器效应，并且反应所需物料少；而且传递距离短，质量和热量可实现快速传递和精确控制，使得反应可安全连续进行。
本发明提供的N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺，通过采用微通道反应器合成N-乙烯基吡咯烷酮，最大限度消除乙炔安全隐患，强化气液传质传热，缩短反应时间，提高N-乙烯基吡咯烷酮的选择性，同时实现连续化生产，工艺流程利于工业化应用。该N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺可有效改善现有合成工艺中存在安全性低、反应时间长、难以连续生产等问题。
作为本发明的一种可选实施方式，N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺包括以下步骤：
提供氮气和乙炔的混合气体A以及含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液；
将混合气体A和含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液混合，然后将得到的气液混合物B后预热，再将气液混合物B通入微通道反应器内使气液混合物B中的2-吡咯烷酮与乙炔发生反应，将得到的反应混合物分离，得到N-乙烯基吡咯烷酮。
将混合气体A和含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液混合，然后将得到的气液混合物后预热，主要的目的是气液混合物达到一定的温度，有利于后续在微通道反应器内的反应。
通过对N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺的进一步限定，使得所制得N-乙烯基吡咯烷酮的选择性更高，实现N-乙烯基吡咯烷酮的连续化安全生产。
微通道反应器的来源可自制或者市售可得。作为本发明的一种可选实施方式，微通道反应器30包括壳体31和若干个单通道32，若干个单通道32位于壳体31内部且沿壳体31长度方向设置，具体如图1和2所示。
单通道的内径为0.5-3.0mm，典型但非限制性的单通道的内径为0.3mm、0.5mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.8mm、2.0mm、2.2mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.8mm或3.0mm。
作为本发明的一种可选实施方式，若干个单通道在壳体内均匀排布，壳体内单通道的数量为30-50个。典型但非限制性的单通道的数量为30、32、35、38、40、42、45、48或50。
作为本发明的一种可选实施方式，单通道的长度为30-100m。典型但非限制性的单通道的长度为30m、40m、50m、60m、70m、80m、90m或100m。
单通道32可以为空管，也可以在单通道32内设置一些内构件33。作为本发明的一种可选实施方式，单通道32内设有内构件33。
内构件的结构可以有多种类型，例如如图3、图4和图5所示。作为本发明的一种可选实施方式，内构件33为圆柱体结构，内构件33上沿单通道32长度方向开设有若干个通孔。
内构件33设置在单通道32内可以增大气体与液体的接触面积，促进传质传热的进行。需要说明的是，内构件33是固定设置在单通道32内，不会随着气液混合物B的流动而发生位置的改变。内构件33上设置的通孔的横截面积形状不作具体限定。
作为本发明的一种可选实施方式，壳体的内径为160-240mm。壳体典型但非限制性的内径为160mm、170mm、180mm、190mm、200mm、210mm、220mm、230mm或240mm。
作为本发明的一种可选实施方式，单通道以螺旋盘管的方式置于壳体内部。
单通道以螺旋盘管的方式进行设置，可有效减少壳体的长度。
作为本发明的一种可选实施方式，单通道形成的螺旋盘管的外径为20-50mm。典型但非限制性的螺旋盘管的外径为20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm或50mm。
作为本发明的一种可选实施方式，混合气体A和含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液混合时，混合气体A和含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液的气液体积流量比为(500-1000):1，优选为(600-800):1；典型但非限制性的气液体积流量比为500:1、550:1、600:1、650:1、700:1、750:1、800:1、850:1、900:1、950:1或1000:1。
通过合理选择混合气体A和含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液的气液体积流量比，使得混合气体A相对含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液过量，此时气体成为连续相，液体在壁面形成极薄的一层液膜或者是分散的微液滴。在此气液比下气体和极薄的液膜间或微液滴的气液传递方式，可强化传质传热。
作为本发明的一种可选实施方式，微通道反应器内的反应温度为140-180℃，反应压力为0.6-1.2MPa。
微通道反应器内典型但非限制性的反应温度为140℃、142℃、144℃、145℃、146℃、148℃、150℃、152℃、154℃、155℃、156℃、158℃、160℃、162℃、164℃、165℃、166℃、168℃、170℃、172℃、174℃、175℃、176℃、178℃或180℃。微通道反应器内典型但非限制性的反应压力为0.60MPa、0.62MPa、0.65MPa、0.68MPa、0.70MPa、0.72MPa、0.75MPa、0.78MPa、0.80MPa、0.82MPa、0.84MPa、0.85MPa、0.86MPa、0.88MPa、0.90MPa、0.92MPa、0.94MPa、0.95MPa、0.96MPa、0.98MPa、1.0MPa、1.02MPa、1.05MPa、1.08MPa、1.10MPa、1.12MPa、1.15MPa、1.18MPa或1.2MPa。
通过对微通道反应器内反应温度以及反应压力的限定，使得气液混合物B中的2-吡咯烷酮与乙炔可反应的更加充分。
作为本发明的一种可选实施方式，乙炔占混合气体A中的体积分数为40-90％，优选为50-70％。
乙炔占混合气体A中的体积分数典型但非限制性的为40％、42％、45％、48％、50％、52％、55％、58％、60％、62％、65％、68％、70％、72％、75％、78％、80％、82％、85％、88％或90％。
通过对混合气体A中乙炔体积分数的限定，可实现反应所需的不同乙炔浓度。由于采用微通道反应器合成N-乙烯基吡咯烷酮，最大限度消除乙炔安全隐患，使得乙炔的使用体积分数可扩展至90％。
需要说明的是，乙炔在与氮气混合之前，可采用溶剂溶解储存，使用时先通过气液气液分离器和干燥柱，保障与氮气混合时的乙炔纯度大于99.9％。
作为本发明的一种可选实施方式，含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液主要由碱金属氢氧化物和2-吡咯烷酮制得。
优选地，碱金属氢氧化物包括氢氧化锂、氢氧化钠或氢氧化钾中的任意一种或至少两种的组合。
作为本发明的一种可选实施方式，碱金属氢氧化物为氢氧化钾，氢氧化钾和2-吡咯烷酮的质量比为(1-5):100，优选为(2.5-3.5):100。典型但非限制性的氢氧化钾和2-吡咯烷酮的质量比为1:100、1.5:100、1.8:100、2:100、2.5:100、2.8:100、3.0:100、3.5:100、3.8:100、4.0:100、4.5:100、4.8:100或5.0:100。
氢氧化钾与2-吡咯烷酮可生成吡咯烷酮钾，而吡咯烷酮钾正好作为2-吡咯烷酮与乙炔反应的催化剂。通过对氢氧化钾和2-吡咯烷酮的质量比的限定，使得两者反应过程中2-吡咯烷酮过量，从而生成含有吡咯烷酮钾的2-吡咯烷酮溶液。
作为本发明的一种可选实施方式，预热的温度为120-135℃；典型但非限制性的预热的温度为120℃、142℃、144℃、145℃、146℃、148℃、150℃、152℃、154℃、155℃、156℃、158℃或160℃。
作为本发明的一种可选实施方式，将得到的反应混合物先冷却，然后再分离。
将得到的反应混合物冷却，以便于后续分离的进行。
根据本发明的第二个方面，还提供了一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统，该N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统包括微通道反应器。
本发明提供了一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统，包括微通道反应器，由于微通道反应器的利用，可最大限度消除生产过程中的乙炔安全隐患，强化气液传质传热，缩短反应时间，提高N-乙烯基吡咯烷酮的选择性，同时实现了连续化生产，有利于工业化生产应用。
作为本发明的一种可选实施方式，该N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统包括微混合器10、微加热器20、微通道反应器30、微冷却器40和气液分离器50；
微混合器10与微加热器20连接，微加热器20与微通道反应器30连接，微通道反应器30与微冷却器40连接，微冷却器40与气液分离器50连接，具体如图6所示。
N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统中，微混合器10主要是用于实现混合气体A和含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液的混合。经微混合器10混合后得到的气液混合物输送至微加热器20，对气液混合物进行预热，从而有利于后续反应的进行。经微加热器20处理后的气液混合物B输送至微通道反应器30内，以使气液混合物B中的2-吡咯烷酮与乙炔发生反应生成N-乙烯基吡咯烷酮，将含有N-乙烯基吡咯烷酮的反应混合物输送至微冷却器40进行冷却，冷却后再输送至气液分离器50进行分离，即可得到N-乙烯基吡咯烷酮。
该N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统，包括微混合器、微加热器、微通道反应器、微冷却器和气液分离器，通过将微混合器与微加热器连接，微加热器与微通道反应器连接，微通道反应器与微冷却器连接，微冷却器与气液分离器连接，实现了N-乙烯基吡咯烷酮的连续化生产，同时，由于微通道反应器的利用，可最大限度消除乙炔安全隐患，强化气液传质传热，缩短反应时间，提高N-乙烯基吡咯烷酮的选择性。
作为本发明的一种可选实施方式，微混合器10分别与液体储罐80和气体储罐70连接，具体图7所示。
液体储罐80主要是用于存储含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液，气体储罐70主要用于存储乙炔。
作为本发明的一种可选实施方式，气液分离器50通过吸收器60与气体储罐70连接。
由于本发明混合气体A和含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液优选在较大的气液体积流量比下进行反应(即混合气体A中的乙炔相对于2-吡咯烷酮过量)，反应结束后还会有部分气体剩余。通过气液分离器50可将反应混合物中的部分气体与N-乙烯基吡咯烷酮分离开，分离出的部分气体(乙炔)输送至吸收器60，吸收器60内的溶剂可将乙炔吸收，吸收器60内的乙炔可通过管道输送至气体储罐70循环使用。从气液分离器50分离出的液体中除了含有N-乙烯基吡咯烷酮，还含有未反应完的2-吡咯烷酮，故通常需要对其进一步提纯，才能得到纯度较高的N-乙烯基吡咯烷酮或N-乙烯基吡咯烷酮纯品。
气液分离器50、吸收器60和气体储罐70的连接，在保障乙炔安全性的基础上，实现乙炔的循环利用。
微通道反应器的来源可自制或者市售可得。作为本发明的一种可选实施方式，微通道反应器30包括壳体31和若干个单通道32，若干个单通道32位于壳体31内部且沿壳体31长度方向设置，具体如图1和2所示。
单通道的内径为0.5-3.0mm，典型但非限制性的单通道的内径为0.3mm、0.5mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.8mm、2.0mm、2.2mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.8mm或3.0mm。
作为本发明的一种可选实施方式，若干个单通道在壳体内均匀排布，壳体内单通道的数量为30-50个。典型但非限制性的单通道的数量为30、32、35、38、40、42、45、48或50。
单通道32可以为空管，也可以在单通道32内设置一些内构件33。作为本发明的一种可选实施方式，单通道32内设有内构件33，具体如图2所示。
内构件的结构可以有多种类型，例如如图3、图4和图5所示。作为本发明的一种可选实施方式，内构件33为圆柱体结构，内构件33上沿单通道32长度方向开设有若干个通孔。
内构件33设置在单通道32内可以增大气体与液体的接触面积，促进传质传热的进行。需要说明的是，内构件33是固定设置在单通道32内，不会随着气液混合物B的流动而发生位置的改变。
作为本发明的一种可选实施方式，单通道的长度为30-100m。典型但非限制性的单通道的长度为30m、40m、50m、60m、70m、80m、90m或100m。
作为本发明的一种可选实施方式，壳体的内径为160-240mm。壳体典型但非限制性的内径为160mm、170mm、180mm、190mm、200mm、210mm、220mm、230mm或240mm。
作为本发明的一种可选实施方式，单通道以螺旋盘管的方式置于壳体内部。
单通道以螺旋盘管的方式进行设置，可有效减少壳体的长度。
作为本发明的一种可选实施方式，单通道形成的螺旋盘管的外径为20-50mm。典型但非限制性的螺旋盘管的外径为20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm或50mm。
通过对上述微通道反应器具体结构的限定，使得其结构更适合于2-吡咯烷酮与乙炔的反应，有利于N-乙烯基吡咯烷酮的生成以及连续性安全生产。
根据本发明的第三个方面，还提供了上述N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺或N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统在N-乙烯基吡咯烷酮生产中的应用。
鉴于上述N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺或N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统所具有的优势，使得其在N-乙烯基吡咯烷酮生产领域具有良好的工业应用前景。
下面结合具体实施例和对比例，对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供了一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺，包括以下步骤：
(a)将0.6kg氢氧化钾和20kg 2-吡咯烷酮置于反应装置中进行减压蒸馏，保持压力20mbar，温度120℃，反应2h后结束，得到含催化剂(吡咯烷酮钾)的2-吡咯烷酮溶液，其中水含量低于500ppm；
将乙炔和氮气以流量比为1:1的比例混合，得到混合气体A；
(b)将混合气体A和含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液混合，得到气液混合物；其中，混合气体A的流量为0.67Nm3/h，含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液的流量为1.11L/h，混合气体A和含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液的气液体积流量比为600:1；
将气液混合物B进行预热，预热至130℃，然后输送至微通道反应器进行反应，微通道反应器内的反应温度为160℃，反应压力为1MPa，反应结束后，得到反应混合物；
将反应混合物快速冷却后，然后进行分离，得到N-乙烯基吡咯烷酮。
本实施例中微通道反应器包括壳体和37个单通道，37个单通道位于壳体内部且沿壳体长度方向设置；
单通道为贯通空管，内无任何内构件。单通道的内径为2.0mm，管长为100m，壳体的内径为160mm，单通道以螺旋盘管的方式置于壳体内部，单通道形成的螺旋盘管的外径为20mm，单通道形成的螺旋盘管的长度为1.6m。
实施例2
本实施例提供了一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺，具体工艺步骤以及相关参数与实施例1相同。
本实施例中微通道反应器，除了在单通道内进出口分别设置有长度为5cm、外径为2mm的圆柱形内构件外，圆柱形内构件设置有通孔，内构件的剖面结构如图4所示，其余结构与实施例1中的微通道反应器结构相同。
实施例3
本实施例提供了一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺，步骤(b)中混合气体A的流量为0.89Nm3/h，含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液的流量为1.11L/h，混合气体A和含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液的气液体积流量比为800:1，其余步骤以及工艺参数与实施例1相同。
实施例4
本实施例提供了一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺，步骤(b)中混合气体A的流量为0.56Nm3/h，含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液的流量为0.56L/h，混合气体A和含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液的气液体积流量比为1000:1，其余步骤以及工艺参数与实施例1相同。
实施例5
本实施例提供了一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺，步骤(b)中混合气体A的流量为0.50Nm3/h，含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液的流量为1.11L/h，混合气体A和含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液的气液体积流量比为450:1，其余步骤以及工艺参数与实施例1相同。
实施例6
本实施例提供了一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺，步骤(b)中混合气体A的流量为1.221Nm3/h，含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液的流量为1.11L/h，混合气体A和含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液的气液体积流量比为1050:1，其余步骤以及工艺参数与实施例1相同。
实施例7
本实施例提供了一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺，步骤(b)中单通道的内径为0.5mm，其余步骤以及工艺参数与实施例4相同。
实施例8
本实施例提供了一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺，步骤(b)中单通道的内径为3.0mm，其余步骤以及工艺参数与实施例4相同。
实施例9
本实施例提供了一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺，步骤(b)中单通道的内径为4.0mm，其余步骤以及工艺参数与实施例4相同。
实施例10
本实施例提供了一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺，包括以下步骤：
(a)将0.8kg氢氧化钾和20kg 2-吡咯烷酮置于反应装置中进行减压蒸馏，保持压力20mbar，温度120℃，反应2h后结束，得到含催化剂(吡咯烷酮钾)的2-吡咯烷酮溶液，其中水含量低于500ppm；
将乙炔和氮气以流量比为7:3的比例混合，得到混合气体A；
(b)将混合气体A和含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液混合，得到气液混合物；其中，混合气体A的流量为0.72Nm3/h，含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液的流量为0.9L/h，混合气体A和含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液的气液体积流量比为800:1；
将气液混合物B进行预热，预热至120～125℃，然后输送至微通道反应器进行反应，微通道反应器内的反应温度为150℃，反应压力为1.2MPa，反应结束后，得到反应混合物；
将反应混合物快速冷却后，然后进行分离，得到N-乙烯基吡咯烷酮。
本实施例中微通道反应器包括壳体和50个单通道，50个单通道位于壳体内部且沿壳体长度方向设置；
在单通道内进出口分别设置有长度为5cm、外径为0.5mm的圆柱形内构件外，圆柱形内构件设置有通孔，内构件的剖面图如图5所示。单通道的内径为0.5mm，管长为50m，壳体的内径为160mm，单通道以螺旋盘管的方式置于壳体内部，单通道形成的螺旋盘管的外径为20mm，单通道形成的螺旋盘管的长度为1.6m。
实施例11
本实施例提供了一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统，主要包括微混合器、微加热器、微通道反应器和气液分离器；
液体储罐和气体储罐均与微混合器连接，微混合器与微加热器连接，微加热器与微通道反应器连接，微通道反应器与微冷却器连接，微冷却器与气液分离器连接，气液分离器通过吸收器与气体储罐连接。
该实施例提供的N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统可应用于上述实施例1-10提供的N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺中。
对比例1
本对比例提供了一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺，采用US4873336A实施例5的方法在高压釜中制备N-乙烯基吡咯烷酮，其中KOH和2-吡咯烷酮质量比为1.2:100，反应温度160℃，乙炔分压0.68MPa(未给总压)，反应8h，得到N-乙烯基吡咯烷酮。
对比例2
本对比例提供了一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺，除了将微反应器替换为管式反应器，该管式反应器内径25mm，管长50m，为单管管式反应器，其余步骤以及工艺参数与实施例1相同。
为了说明上述实施例和对比例的技术效果，特设以下实验例。
实验例1
对各实施例和对比例中的2-吡咯烷酮的单程转化率、N-乙烯基吡咯烷酮的选择性以及理论反应时间进行检测，具体结果见表1。需要说明的是，
Figure BDA0002326804690000181
Figure BDA0002326804690000182
Figure BDA0002326804690000183
其中：2-P指2-吡咯烷酮；NVP指N-乙烯基吡咯烷酮；mol指物质的量；气体实际体积流量和液体实际体积流量均指反应温度、压力下的流量。
表1
Figure BDA0002326804690000184
其中，a-实际反应时间
由表1中数据可以看出，本发明各实施例提供的N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺或N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统得到的N-乙烯基吡咯烷酮的选择性均在96％以上，理论反应时间均为分钟级别。
具体的，实施例3-6均为实施例1的对比实验，五者不同之处在于混合气体A和含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液所采用的气液体积流量比不同。从表中数据可以看出，气液体积流量比过大或者过小主要影响着2-吡咯烷酮的单程转化率。
实施例7-9均为实施例1的对比实验，四者不同之处在于单通道的内径的大小。从表中数据可以看出，其他条件相同时，单通道的内径主要影响反应时间进而影响选择性。随着单通道的内径的增大，N-乙烯基吡咯烷酮的选择性逐渐降低。故单通道的内径存在着优选的数值范围。
对比例1所采用的是间歇反应器，虽然其2-吡咯烷酮的单程转化率比本发明各实施例中2-吡咯烷酮的单程转化率略高，但是其选择性和反应时间明显劣于本发明的2-吡咯烷酮的选择性和反应时间。由此可见，本发明提供的N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺或N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统可有效缩短反应时间，提高N-乙烯基吡咯烷酮的选择性，同时实现连续化生产，具有良好的技术效果。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺，其特征在于，包括以下步骤：
提供氮气和乙炔的混合气体A以及含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液；
将混合气体A和含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液混合，得到气液混合物B，使气液混合物B中的2-吡咯烷酮与乙炔在微通道反应器内发生反应，得到N-乙烯基吡咯烷酮；
优选地，所述N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺包括以下步骤：
提供氮气和乙炔的混合气体A以及含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液；
将混合气体A和含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液混合，然后将得到的气液混合物B后预热，再将气液混合物B通入微通道反应器内使气液混合物B中的2-吡咯烷酮与乙炔发生反应，将得到的反应混合物分离，得到N-乙烯基吡咯烷酮。
2.根据权利要求1所述的N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺，其特征在于，所述微通道反应器包括壳体和若干个单通道，若干个所述单通道位于所述壳体内部且沿壳体长度方向设置；
所述单通道的内径为0.5-3.0mm，优选为0.5-1.5mm。
3.根据权利要求2所述的N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺，其特征在于，所述单通道内设有内构件；
优选地，所述内构件为圆柱体结构，所述内构件上沿所述单通道长度方向开设有若干个通孔。
4.根据权利要求2所述的N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺，其特征在于，所述单通道的数量为30-50个；
优选地，所述单通道的长度为30-100m；
优选地，所述壳体的内径为160-240mm；
优选地，所述单通道以螺旋盘管的方式置于所述壳体内部；
优选地，所述单通道形成的螺旋盘管的外径为20-50mm。
5.根据权利要求1所述的N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺，其特征在于，混合气体A和含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液的气液体积流量比为(500-1000):1，优选为(600-800):1；
优选地，所述微通道反应器内的反应温度为140-180℃，反应压力为0.6-1.2MPa。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺，其特征在于，乙炔占混合气体A中的体积分数为40-90％，优选为50-70％；
优选地，含有催化剂的2-吡咯烷酮溶液主要由碱金属氢氧化物和2-吡咯烷酮制得；
优选地，所述碱金属氢氧化物为氢氧化钾，所述氢氧化钾和2-吡咯烷酮的质量比为(1-5):100，优选为(2.5-3.5):100。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺，其特征在于，预热的温度为120-135℃；
优选地，将得到的反应混合物先冷却，然后再分离。
8.一种N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统，其特征在于，包括微通道反应器；
优选地，所述N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统包括微混合器、微加热器、微通道反应器、微冷却器和气液分离器；
所述微混合器与所述微加热器连接，所述微加热器与所述微通道反应器连接，所述微通道反应器与所述微冷却器连接，所述微冷却器与所述气液分离器连接；
优选地，所述微混合器分别与液体储罐和气体储罐连接；
优选地，所述气液分离器通过吸收器与气体储罐连接。
9.根据权利要求8所述的N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统，其特征在于，所述微通道反应器包括壳体和若干个单通道，若干个所述单通道位于所述壳体内部且沿壳体长度方向设置；
所述单通道的内径为0.5-3.0mm；
优选地，所述单通道内设有内构件；
优选地，所述内构件为圆柱体结构，所述内构件上沿所述单通道长度方向开设有若干个通孔；
优选地，所述单通道的数量为30-50个；
优选地，所述单通道的长度为30-100m；
优选地，所述壳体的内径为160-240mm；
优选地，所述单通道以螺旋盘管的方式置于所述壳体内部；
优选地，所述单通道形成的螺旋盘管的外径为20-50mm。
10.权利要求1-7任一项所述的N-乙烯基吡咯烷酮的合成工艺或权利要求8或9所述的N-乙烯基吡咯烷酮的合成系统在N-乙烯基吡咯烷酮生产中的应用。
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