二苯甲酰甲烷合成工藝的優化與改進研究

張孝虎

摘 要：本課題的研究方向為，使用固體NaOH替代固體甲醇鈉作為堿性催化劑，由苯乙酮和苯甲酸甲酯進行縮合反應，得到二苯甲酰甲烷。本研究詳細對比了原工藝與新工藝的配比及轉化率；并對工藝改進后的經濟效益、安全、節能環保及成本分析做詳細的闡述。

關鍵詞：固體NaOH；堿性催化劑；經濟效益；高效安全；節能環保

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.13.023

1 概述

二苯甲酰甲烷屬于β—二酮類有機化合物，具有優良的熱穩定性能和抗初期著色能力。其工業化生產使過去廣泛使用的鉛鹽、鎘鹽穩定劑被復合鈣、鋅穩定劑所取代，極大地減少鉛在動植物和人體中的殘留，保護環境和人類健康。

安徽某化工股份公司年產4000T二苯甲酰甲烷，本產品工藝技術較成熟，產品質量穩定，但原工藝使用固體甲醇鈉做催化劑，生產成本高，安全技術要求高，存在儲存使用的安全隱患，能源消耗大，且后續的混合溶劑的分離處理難度大，環保廢水處理量大等問題。本次開展實驗室小試及后續的工業化生產試驗研究，選用固體氫氧化鈉替代固體甲醇鈉，通過不同配比的試驗研究，進一步優化與完善該工藝，為新工藝的工業化生產提供良好的技術支撐。

原工業化生產工藝為：以固體甲醇鈉做催化劑，苯乙酮與苯甲酸甲酯在二甲苯為溶劑下進行克萊森縮合反應，得到二苯甲酰甲烷。因固體甲醇鈉粉末易燃易爆，遇水極易分解，故在投加前溶劑必須先脫水，降溫至35℃后在氮氣保護下投加固體甲醇鈉，反應過程必須氮氣保護，使用固體甲醇鈉存在極大的安全隱患，且動力消耗大。

工業化生產摩爾比為苯乙酮：苯甲酸甲酯：固體甲醇鈉=1：1.2：1.29，產品平均一次收率在80%，母液回收后綜合收率在85.5%。

2 小試方案的設計及可行性論證

2.1 方案設計

（1）方案一：直接采用固體氫氧化鈉替代固體甲醇鈉，摩爾比參照原工藝不變，反應所得甲醇量減少一半，反應蒸出混合溶劑會有所降低，故對二甲苯溶劑投加量適當減少。反應溫度、滴加時間及保溫時間不變，考察產品一次收率、綜合收率及產品質量指標情況。

（2）方案二：摩爾比調整為苯乙酮：苯甲酸甲酯：固體氫氧化鈉=1：1.25：1.29；

方案三：調整為：1：1.3：1.29；方案四：調整為：1：1.35：1.29；方案五：調整為：1：1.25：1.35；上述方案每種各做三批。

（3） 反應方程式：

本次試驗投料量按方案一備料，其它試驗方案以本次為基準，苯乙酮投料量不變，其它按摩爾比進行調整。具體實驗步驟省略。

對上述實驗各批次的一次產品及二次母液回收后精制產品進行質量檢測，各項指標符合要求，通過對上述實驗的數據分析，我們發現方案四，一次收率及綜合收率最高，且質量符合要求。根據方案四的配比，我們在大生產中試驗三批。一次平均收率在78.9%，綜合收率在85%，產品質量符合要求。

2.2 可行性論證

通過實驗室的小試試驗證明，使用固體氫氧化鈉替代固體甲醇鈉，是完全可行的，并采用優選方案進行工業化大生產，達到并超過原有工藝的收率，且質量符合要求。根據小試及大生產的實際結果，證明采用固體氫氧化鈉替代固體甲醇鈉做堿性催化劑，所得產品質量穩定，收率接近原有工藝水平。該方案確實可行。

新大生產工藝為：

反應釜加入3000L二甲苯溶劑，投加固體氫氧化鈉215Kg，開啟攪拌，升溫至133℃，蒸出低餾份水份；再加入苯甲酸甲酯765Kg，繼續升溫至137℃，開始滴加苯乙酮500Kg，四小時滴加結束，保持反應溫度在137-139℃，隨著苯乙酮的滴加，料液漸漸變濃稠，反應過程移除副產物甲醇，使反應向正方向進行，蒸出甲醇、二甲苯混合溶劑。滴加結束后保溫2小時。待基本無餾出物時，反應結束。

新工藝與原工藝對比：溶劑用量減少500L，溶劑消耗下降5%；省去溶劑加熱負壓脫水過程，省去冷卻降溫過程；使用氫氧化鈉替代固體甲醇鈉做催化劑，省去氮氣保護；該步縮合反應工藝時間每批減少3小時；混合溶劑量減少約500L，酸化崗位鹽酸每批減少300Kg。苯甲酸甲酯每批多使用85Kg，多耗用的苯甲酸甲酯可回收，回收率80%，回收成本每噸500元。

3 經濟效益分析

根據實驗室小試及工業化大生產的驗證，證明新工藝產率穩定可靠，且生產成本下降明顯，新催化劑更加安全高效，混合溶劑量減少一半，降低混合溶劑的回收難度，縮短縮合生產時間，減少鹽酸用量，減少環保廢水產生量，降低環保運行費用，水、電、蒸汽能源消耗下降明顯。

原工藝與新工藝的生產成本對比分析情況，按照年產4000噸計算。初步估算經濟效益如下：

（1）原工藝產率按照85.5%計算，年消耗苯乙酮2506噸（單價1.6萬元/噸）、苯甲酸甲酯3200噸（自產單價1.5萬元/噸）、固體甲醇鈉1454噸（單價1萬元/噸）、二甲苯800噸（單價0.9萬元/噸）、鹽酸5000噸（單價0.04萬元/噸）。

原料成本2506*1.6+3200*1.5+1454*1+800*0.9+5120*0.04=11183.6萬元

（2）新工藝產率按照85%計算，年消耗苯乙酮2522噸、苯甲酸甲酯3600噸、固體氫氧化鈉1085噸（單價0.3萬元/噸）、二甲苯760噸、鹽酸3550噸。

原料成本：2522*1.6+3600*1.5+1081.5*0.3+760*0.9+3530*0.04=10574.9萬元。

過量苯甲酸甲酯回收成本增加：（3600-3200）*0.8*0.05=16萬元。

（3）能源成本分析。1）電耗每噸成本下降：新工藝調整后，不在進行氮氣保護，減少真空使用量及冷卻水用量，經測算每噸電耗下降15度，全年節約5.1萬元。每年節約設備維護保養費用2萬元。2）每噸成本蒸汽消耗下降0.3噸：全年下降4000*0.3*0.016=19.2萬元。

新工藝綜合全年獲利：11183.6-（10574.9+16-5.1-2-19.2）=619萬元。

4 環境效益分析

工藝改進后，縮合工序反應所得的混合溶劑量每年減少約3000噸，減少廢水約1000噸。降低了環保廢水處理壓力，減少混合溶劑的處理量，同時也有效提高工作效率，進一步的降低了污水的處理成本，取得了良好的環境效益。

5 結論

本論文以固體氫氧化鈉替代固體甲醇鈉作催化劑，直接進行小試的可行性驗證，在此基礎上做原料配比及反應條件的優化研究，經過實驗的驗證，最終確定小試實驗的最佳優選方案為方案四。再選擇方案四進行工業化大生產。根據大生產驗證結果，我們得出如下結論：使用固體氫氧化鈉替代固體甲醇鈉是可行的，得到產品質量符合要求，且收率基本達到預期目標。

使用固體氫氧化鈉，原料易得，成本低廉，且更加安全高效，反應得到的副產物甲醇減少一半，回收溶劑減少一半，大大降低了混合溶劑的處理量和難度，減少了廢水的處理量，鹽酸使用量減少近三分之一，減小了環保的壓力及環保處理費用，簡化生產操作，縮短工藝時間，提高勞動效率，進一步的減少原料成本。

采用新工藝后，經測算全年生產成本下降600萬元以上，取得良好的環境效益、經濟效益和社會效益。