CN114940666B - 一种n-甲基吗啉氧化物水溶液高产率合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种N‑甲基吗啉氧化物水溶液高产率合成方法,包括如下步骤:将N‑甲基吗啉加水稀释至一定浓度;通过两个计量输送泵分别从原料储罐中将双氧水和N‑甲基吗啉同时泵入微通道反应器中;在微通道反应器内反应,反应温度为50‑100℃,压力为0.1Mpa‑1.4Mpa,反应停留时间为0.5min‑3min;反应后将物料转至处理装置中进行除杂处理,得到所述N‑甲基吗啉氧化物水溶液。本发明将双氧水和N‑甲基吗啉在微通道反应器中混合反应,无需额外添加催化剂,即可高产率的获得N‑甲基吗啉氧化物;产物N‑甲基吗啉氧化物水溶液的色度较常规工艺低,产物品质得以提高。

Description

一种N-甲基吗啉氧化物水溶液高产率合成方法
技术领域
本发明涉及N-甲基吗啉氧化物制备技术领域,尤其涉及一种N-甲基吗啉氧化物水溶液的高产率合成方法。
背景技术
N-甲基吗啉氧化物简称NMMO,是杂环叔胺氧化物,常温下,呈结晶固体或液体,无毒,弱碱性,吸湿性强。广泛用于有机合成过程中作溶剂使用;用于聚酯塑料的发泡催化剂,具有优良的性能;是一种对纤维素有极强溶解性的特殊的优良溶剂。市场上普遍以50%的NMMO水溶液存在,目的是为了好运输,并且产品性质能够保持稳定。
目前,合成NMMO的方法有很多种,国内外比较成熟的合成方法主要有双氧水过氧化法和分子氧-醛催化氧化法两种。其中双氧水过氧化法因为其反应条件温和、产品质量高等优点而被广泛应用,现在我国普遍使用这种方法来制备NMMO。现有双氧水氧化法大多使用催化剂促进反应正向进行,釜式反应物料在反应釜中反应时间长、搅拌混合效果差、传热效果差,反应时间长,容易产生副产物,影响产品色泽和质量,并且反应剧烈,稍有不慎会发生喷料,有安全隐患。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种N-甲基吗啉氧化物水溶液的合成方法,提高产物的产率,并且可降低产物色度,以解决现有技术存在的上述技术问题。
本发明是采用如下技术方案实现的:
一种N-甲基吗啉氧化物水溶液高产率合成方法,包括如下步骤:
S1,将N-甲基吗啉加水稀释至一定浓度;
S2,通过两个计量输送泵分别从原料储罐中将双氧水和N-甲基吗啉同时泵入微通道反应器中;
S3,在微通道反应器内反应,反应温度为50-100℃,压力为0.1Mpa-1.4Mpa,反应停留时间为0.5min-3min;
S4,反应后将物料转至处理装置中进行除杂处理,得到所述N-甲基吗啉氧化物水溶液。
本发明人意外的发现,将双氧水和N-甲基吗啉在微通道反应器中混合反应,无需额外添加催化剂,即可高产率的获得N-甲基吗啉氧化物;尤其意外的发现,产物N-甲基吗啉氧化物水溶液的色度较常规工艺低,产物品质得以提高。基于上述发现,完成本发明。
进一步的,所述双氧水和N-甲基吗啉的摩尔比为0.9-2:1。
进一步的,所述N-甲基吗啉水溶液的质量浓度为50-99%。
进一步的,所述微通道反应器的材质为碳化硅、不锈钢或哈氏合金。
进一步的,所述微通道反应器的持液量为20-500mL。
作为优选的技术方案,一种N-甲基吗啉氧化物水溶液高产率合成方法,包括如下步骤:
S1,将N-甲基吗啉加水稀释至浓度为50-75%;
S2,通过两个计量输送泵分别从原料储罐中将双氧水和N-甲基吗啉同时泵入微通道反应器中,双氧水和N-甲基吗啉的摩尔比为0.9-1.3:1;
S3,在微通道反应器内反应,反应温度为50-80℃,压力为0.1Mpa-1.0Mpa,反应停留时间为0.5min-3min;
S4,反应后将物料转至处理装置中进行除杂处理,得到所述N-甲基吗啉氧化物水溶液。
发明人进一步意外的发现,当采用上述优选的技术方案,即调节双氧水和N-甲基吗啉的摩尔比、微通道反应温度、压力、停留时间在一个特定的范围,N-甲基吗啉氧化物水溶液的色度可低至10Hazen单位左右,而采用常规双氧水过氧化法釜式反应制备的N-甲基吗啉氧化物水溶液色度在60Hazen单位左右,该优选技术方案可出乎意料的显著提升产率及产品品质。尤其是当本产品作为纤维素的溶剂制备天丝纤维,溶剂色度越低,制成的天丝纤维品质越高,越有利于纤维后期的染色等工艺加工。
作为更优选的技术方案,一种N-甲基吗啉氧化物水溶液高产率合成方法,包括如下步骤:
S1,将N-甲基吗啉加水稀释至浓度为65-75%;
S2,通过两个计量输送泵分别从原料储罐中将双氧水和N-甲基吗啉同时泵入微通道反应器中,双氧水和N-甲基吗啉的摩尔比为1.1-1.3:1;
S3,在微通道反应器内反应,反应温度为65-75℃,压力为0.1Mpa-0.3Mpa,反应停留时间为1.5min-2.5min;
S4,反应后将物料转至处理装置中进行除杂处理,得到所述N-甲基吗啉氧化物水溶液。
发明人进一步意外的发现,当采用上述更优选的技术方案,即调节双氧水和N-甲基吗啉的摩尔比、微通道反应温度、压力、停留时间在一个特定的范围,N-甲基吗啉氧化物水溶液的收率可以达到95%以上,同时产物的色度低至10Hazen单位以内,出乎意料的显著提升了产率及产品品质。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:本发明替代了传统的釜式滴加的工艺条件,通过采用微通道反应器的新工艺,极大地缩短了反应时间;微通道反应器传热传质效率极高,传统的滴加反应需加入催化剂加速反应,利用微通道反应器制备的过程中无需加入固体催化剂,并借助反应器内流体的局部涡流碰撞提高反应效率,节省了后续催化剂得回收工艺,极大缩短反应时间。利用微通道反应器进行反应可以准确控制反应温度、停留时间,并实现生产连续化、安全化;微通道反应器减少设备需求,操作简易,节约人力,减少占地和投资,适于工业化生产。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例,但不用来限制本发明的范围,本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本发明中的仪器或原料未注明生产厂商的,均为常规商业化仪器或原料。
本发明实施例中涉及的检测指标如未提及,均采用本领域常规检测方法进行检测。
实施例1
步骤1)将N-甲基吗啉加水稀释至含量为50%;
步骤2)通过两个计量输送泵分别从原料储罐中将双氧水和含量为50%的N-甲基吗啉同时泵入微通道反应器中,双氧水和N-甲基吗啉的摩尔比为0.9:1;
步骤3)在微通道反应器内反应,反应温度为50℃,压力为1Mpa,反应停留时间为0.5min;
步骤4)反应后将物料转至处理装置中进行除杂处理,得到NMMO水溶液。
其中,微通道反应器的材质为不锈钢,持液量为80mL。
实施例2
步骤1)将N-甲基吗啉加水稀释至含量为70%;
步骤2)通过两个计量输送泵分别从原料储罐中将双氧水和含量为70%的N-甲基吗啉同时泵入微通道反应器中,双氧水和N-甲基吗啉的摩尔比为1.2:1;
步骤3)在微通道反应器内反应,反应温度为70℃,压力为0.2Mpa,反应停留时间为2min;
步骤4)反应后将物料转至处理装置中进行除杂处理,得到NMMO水溶液。
其中,微通道反应器的材质为哈氏合金,持液量为20mL。
实施例3
本实施例的一种高效率合成NMMO水溶液的方法,包括以下步骤:
步骤1)将N-甲基吗啉加水稀释至含量为90%;
步骤2)通过两个计量输送泵分别从原料储罐中将双氧水和含量为90%的N-甲基吗啉同时泵入微通道反应器中,双氧水和N-甲基吗啉的摩尔比为2:1;
步骤3)在微通道反应器内反应,反应温度为100℃,压力为0.8Mpa,反应停留时间为3min;
步骤4)反应后将物料转至处理装置中进行除杂处理,得到NMMO水溶液。
其中,微通道反应器的材质为碳化硅,持液量为200mL。
实施例4
步骤1)将N-甲基吗啉加水稀释至含量为99%;
步骤2)通过两个计量输送泵分别从原料储罐中将双氧水和含量为99%的N-甲基吗啉同时泵入微通道反应器中,双氧水和N-甲基吗啉的摩尔比为1.5:1;
步骤3)在微通道反应器内反应,反应温度为120℃,压力为1.4Mpa,反应停留时间为1min;
步骤4)反应后将物料转至处理装置中进行除杂处理,得到NMMO水溶液。
其中,微通道反应器的材质为碳化硅,持液量为500mL。
对比例
步骤1)将200g含量为90%的N-甲基吗啉置于四口烧瓶中,加入2g碱性离子树脂作为催化剂,水浴加热至50℃;
步骤2)将270g含量为30%的双氧水置于恒压漏斗中,滴加至步骤1的四口烧瓶中,反应温度设为60℃,反应时间为7h;
步骤3)反应后,产物经沉淀过滤出去催化剂,经除杂处理得到NMMO水溶液,收率为75%。
各实施例和对比例性能测试的方法或仪器如下:
收率:根据实际产品产量与理论计算的产品产量的比值计算。pH值:pH计。色度:色度测定仪,按照国家标准GB/T 3143测定色度。检测结果见表1:
表1 NMMO水溶液检测指标
从上述检测结果可以看出:本发明方法制备的NMMO水溶液具有优于常规方法的更高的收率和更低的色度,尤其是实施例2的具体实施方式,收率高达98.5%,色度仅9Hazen单位,具有十分优异的应用前景。
本领域的技术人员应理解,上述实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明,在没有背离所述原理下,本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (4)

1.一种N-甲基吗啉氧化物水溶液高产率合成方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1,将N-甲基吗啉加水稀释至浓度为50-75%;
S2,通过两个计量输送泵分别从原料储罐中将双氧水和N-甲基吗啉同时泵入微通道反应器中,双氧水和N-甲基吗啉的摩尔比为0.9-1.3:1;
S3,在微通道反应器内反应,反应温度为50-80℃,压力为0.1Mpa-1.0Mpa,反应停留时间为0.5min-3min;
S4,反应后将物料转至处理装置中进行除杂处理,得到所述N-甲基吗啉氧化物水溶液。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1,将N-甲基吗啉加水稀释至浓度为65-75%;
S2,通过两个计量输送泵分别从原料储罐中将双氧水和N-甲基吗啉同时泵入微通道反应器中,双氧水和N-甲基吗啉的摩尔比为1.1-1.3:1;
S3,在微通道反应器内反应,反应温度为65-75℃,压力为0.1Mpa-0.3Mpa,反应停留时间为1.5min-2.5min;
S4,反应后将物料转至处理装置中进行除杂处理,得到所述N-甲基吗啉氧化物水溶液。
3.如权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述微通道反应器的材质为碳化硅、不锈钢或哈氏合金。
4.如权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述微通道反应器的持液量为20-500mL。
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