連續(xù)法制備2-乙烯基吡啶的放大實驗

(淄博職業(yè)學(xué)院制藥與生物工程系，山東淄博，255314)

2-乙烯基吡啶(2-VP)是合成丁苯吡膠乳的主要原料，其還可用于制備醫(yī)藥中間體、聚電解質(zhì)、離子交換樹脂和助劑等[1]。合成2-乙烯基吡啶有多種技術(shù)路線[2]，其中研究最多的方法有兩種：一是將2-甲基吡啶(2-MP)與甲醛縮合生成2-羥乙基吡啶(2-HEP)，然后2-羥乙基吡啶再在堿性條件下脫水生成2-乙烯基吡啶的二步法：

二是在催化劑作用下，將2-甲基吡啶和甲醛反應(yīng)直接得到2-乙烯基吡啶的一步法。二步法的缺點是流程長、收率低，而使用酸催化劑的一步法則是一個改進途徑。

一步法在管式反應(yīng)器中連續(xù)化反應(yīng)比在高壓釜中間歇反應(yīng)需要的反應(yīng)時間短，有利于抑制副反應(yīng)，同時易于將反應(yīng)產(chǎn)物快速冷卻也可抑制副反應(yīng)的發(fā)生。本文所述是以小試研究為基礎(chǔ)，采用蛇管式反應(yīng)器對一步法反應(yīng)條件進行的放大實驗研究。擴試中2-MP投料量為6-12kg/h，2-VP產(chǎn)量為1.2-2.4kg/h，是小試規(guī)模的50倍以上。

1 實驗部分

1.1 流程

用氮氣將甲醛罐內(nèi)的物料壓入混合罐A，同樣將2-MP罐內(nèi)的物料放入混合罐A，再加入催化劑攪拌均勻。然后將A罐物料壓入計量罐B，空出A罐繼續(xù)用于配料。用高壓計量泵將B罐物料定量地打入預(yù)熱器→一段反應(yīng)器→二段反應(yīng)器，在一定溫度、壓力和停留時間下反應(yīng)后，經(jīng)快冷器冷卻并經(jīng)過濾器過濾，然后通過薄膜調(diào)節(jié)閥送入貯罐。

用氣相色譜法分析縮合產(chǎn)物中各主要成分的含量；用電阻體熱電偶測溫；用儀表調(diào)節(jié)電熱絲電流；用壓力變送器調(diào)節(jié)氣動薄膜閥的控制壓力。甲醛罐及混合罐A、計量罐B均帶有夾套，用熱水保溫在約50℃，以防甲醛自聚。

1.2 原料與儀器

原料：2-MP(含量 97.6%—98.8%，北京第二制藥廠出品)；甲醛(含HCHO約420 g/L—453g/L、CH3OH<1.0%、HCOOH 0.6 g/L—4.8g/L，吉化公司出品)；磷酸(含H3PO4>85%，北京紅星化工廠出品)。

設(shè)備：設(shè)備、閥門和管線均采用不銹鋼，高壓定量泵-縮合油貯罐間的管線、閥門及設(shè)備均耐壓120kg/cm2。反應(yīng)器有兩種可選用：一種為Φ8×1.5，長20m(帶三個測溫口)；另一種為Φ8×1.5，長10m(帶三個測溫口)。預(yù)熱器為Φ8×1.5，長25m(出口處帶測溫口)。通過預(yù)熱器、反應(yīng)器之間的不同組合，結(jié)合流量控制來改變反應(yīng)停留時間(反應(yīng)時間)。

1.3 收率計算式

(1)

(2)

2-VP有效收率=(1)÷(2)

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)溫度的影響

在預(yù)熱段→一段反應(yīng)管→二段反應(yīng)管組合反應(yīng)系統(tǒng)中，按小試優(yōu)化條件n(2-MP)/n(甲醛)=2.0～2.05、壓力49MPa(50kg/cm2) 、H3PO4/2-MP=2.5%(w/w)，于溫度200℃預(yù)熱2.5min，不同溫度反應(yīng)4min，考察反應(yīng)溫度的影響，得到表1結(jié)果。

表1 反應(yīng)溫度的影響

由表1可見，反應(yīng)溫度增高時，開始2-VP單程和有效收率均增加，250℃達到峰值，收率開始下降。而且，210-250℃殘渣率緩慢上升，高于250℃時則殘渣率快速上升。結(jié)果與小試基本一致。

2.2 反應(yīng)時間的影響

在其他反應(yīng)條件與2.1相同的情況下，通過控制流量改變停留時間考察反應(yīng)時間對2-VP收率的影響，得到表2所列結(jié)果。

表2 停留時間對反應(yīng)的影響

由表2可見，增加反應(yīng)時間時，停留時間5min(不計預(yù)熱)達到2-VP收率峰值，停留時間再長則2-VP收率下降，說明副反應(yīng)加劇。

2.3 預(yù)熱溫度對反應(yīng)的影響

由于2-MP和甲醛反應(yīng)的溫度較高，而在管式反應(yīng)器中反應(yīng)物停留時間較短，因此需要對反應(yīng)物料預(yù)熱。由2-MP(25℃，液態(tài))和2-VP(25℃，液態(tài))燃燒熱分別為-3431.4kJ/mol和-3904.3kJ/mol，甲醛(25℃，液態(tài))的燃燒熱為-570.9kJ/mol、溶解熱為61.9kJ/mol等數(shù)據(jù)計算得：2-MP+甲醛→2-VP的反應(yīng)熱為-36.0kJ/mol，屬于弱放熱反應(yīng)。所以，預(yù)熱溫度不宜過高，否則在反應(yīng)段有可能要采取降溫措施，使操作復(fù)雜化。

實驗證明，將2-MP、甲醛和磷酸混合預(yù)熱到210℃(預(yù)熱時間取決于流量，為2.5-5.0min)，然后再在250℃反應(yīng)為宜。而分別預(yù)熱2-MP與甲醛-磷酸混合物再混合通入反應(yīng)器的方法，由于甲醛在120-150℃就已成醣、碳化使預(yù)熱器堵塞而失效。

2.4 催化劑H3PO4用量的影響

小試結(jié)果顯示，采用磷酸做催化劑效果比用硫酸效果好。在其他條件與2.1相同的情況下，改變催化劑磷酸配比，考察磷酸用量對反應(yīng)的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 磷酸用量的影響

由表3可見，磷酸量增加時，2-VP單程收率與有效收率增加， H3PO4用量/2-MP=2.0(wt/%)時達峰值后，2-VP收率有所降低，而小試時當磷酸用量為2.5%時2-VP收率最高。

2.5 反應(yīng)物配比的影響

小試時反應(yīng)物較佳配比是n(2-MP)/n(甲醛)=2.0?？紤]放大實驗裝置規(guī)模遠大于小試裝置，二者操作狀況不太可能完全等同，因此本次擴試也對反應(yīng)物配比對收率的影響進行了考察，結(jié)果見表4。

由表4可見，當n(2-MP)/n(甲醛)=2.5時，2-VP收率最高，且比小試結(jié)果高約2個百分點。

2.6 反應(yīng)壓力的影響

本放大實驗對反應(yīng)壓力的影響進行了比小試更大范圍的考察。反應(yīng)條件按n(2-MP)/n(甲醛)=2.5、H3PO4/2-MP=2.0%(w/w) 、預(yù)熱溫度210℃、反應(yīng)溫度250℃，考察反應(yīng)壓力的影響，得到表5結(jié)果。

表4 反應(yīng)物配比的影響

表5 反應(yīng)壓力的影響

由表5可見在44.1MPa以上，反應(yīng)壓力對收率的影響已不明顯。因此，為便于調(diào)節(jié)，反應(yīng)適宜的壓力可選擇在49±4.9MPa范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

以小試結(jié)果為基礎(chǔ)，對一步法由2-MP和甲醛合成2-VP進行了放大實驗，確定的較佳反應(yīng)條件為：n(2-MP)/n(甲醛)=2.5、H3PO4/2-MP=2.0%(w/w) 、預(yù)熱溫度210℃、反應(yīng)溫度250℃、反應(yīng)時間5min、反應(yīng)壓力49±4.9MPa。要求2-MP純度>96%(除水分外，雜質(zhì)<0.4%)，甲醛為脫醇甲醛。放大實驗結(jié)果較小試為優(yōu)，且殘渣少一半左右。該工藝投入千噸規(guī)模工業(yè)級運行，取得良好效果。