二苯甲酰甲烷合成工藝的優(yōu)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(jīng)濟效益、安全、節(jié)能環(huán)保及成本分析做詳細的闡述。

關鍵詞：固體NaOH；堿性催化劑；經(jīng)濟效益；高效安全；節(jié)能環(huán)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(yōu)良的熱穩(wěn)定性能和抗初期著色能力。其工業(yè)化生產(chǎn)使過去廣泛使用的鉛鹽、鎘鹽穩(wěn)定劑被復合鈣、鋅穩(wěn)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(huán)境和人類健康。

安徽某化工股份公司年產(chǎn)4000T二苯甲酰甲烷，本產(chǎn)品工藝技術較成熟，產(chǎn)品質量穩(wěn)定，但原工藝使用固體甲醇鈉做催化劑，生產(chǎn)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(xù)的混合溶劑的分離處理難度大，環(huán)保廢水處理量大等問題。本次開展實驗室小試及后續(xù)的工業(yè)化生產(chǎn)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(yōu)化與完善該工藝，為新工藝的工業(yè)化生產(chǎn)提供良好的技術支撐。

原工業(yè)化生產(chǎn)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(yè)化生產(chǎn)摩爾比為苯乙酮：苯甲酸甲酯：固體甲醇鈉=1：1.2：1.29，產(chǎn)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(chǎn)品一次收率、綜合收率及產(chǎn)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(chǎn)品及二次母液回收后精制產(chǎn)品進行質量檢測，各項指標符合要求，通過對上述實驗的數(shù)據(jù)分析，我們發(fā)現(xiàn)方案四，一次收率及綜合收率最高，且質量符合要求。根據(jù)方案四的配比，我們在大生產(chǎn)中試驗三批。一次平均收率在78.9%，綜合收率在85%，產(chǎn)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(yōu)選方案進行工業(yè)化大生產(chǎn)，達到并超過原有工藝的收率，且質量符合要求。根據(jù)小試及大生產(chǎn)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(chǎn)品質量穩(wěn)定，收率接近原有工藝水平。該方案確實可行。

新大生產(chǎn)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(xù)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(chǎn)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(jīng)濟效益分析

根據(jù)實驗室小試及工業(yè)化大生產(chǎn)的驗證，證明新工藝產(chǎn)率穩(wěn)定可靠，且生產(chǎn)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(chǎn)時間，減少鹽酸用量，減少環(huán)保廢水產(chǎn)生量，降低環(huán)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(chǎn)成本對比分析情況，按照年產(chǎn)4000噸計算。初步估算經(jīng)濟效益如下：

（1）原工藝產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)測算每噸電耗下降15度，全年節(jié)約5.1萬元。每年節(jié)約設備維護保養(yǎng)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(huán)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(huán)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(huán)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(yōu)化研究，經(jīng)過實驗的驗證，最終確定小試實驗的最佳優(yōu)選方案為方案四。再選擇方案四進行工業(yè)化大生產(chǎn)。根據(jù)大生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(huán)保的壓力及環(huán)保處理費用，簡化生產(chǎn)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(jīng)測算全年生產(chǎn)成本下降600萬元以上，取得良好的環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和社會效益。