α-甲基丙烯酰氯生產(chǎn)條件探索

鄧勝友

(重慶長風(fēng)化學(xué)工業(yè)有限公司,重慶 400001)

α-甲基丙烯酰氯在有機(jī)合成反應(yīng)中，是一種良好的中間體，其化學(xué)性質(zhì)活潑，結(jié)構(gòu)中含碳碳不飽和雙鍵及酰氯基團(tuán)，能發(fā)生多種類型的化學(xué)反應(yīng)，合成較多種類的有機(jī)物：

(1)與異丙胺反應(yīng)生成N-異丙基甲基丙烯酰胺，其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用是近期的研究熱點。

(2) 合成丙烯酸-3-氯丙酯類化合物，是合成陽離子型聚丙烯酰胺聚合物的中間體，其可以和叔胺如三甲胺等反應(yīng)生成含季銨鹽結(jié)構(gòu)的丙烯酸酯類單體。

(3) 合成甲基丙烯酸三氟乙酯，用于涂料、紡織整染及紙張制造領(lǐng)域，改善其耐用性、抗水性等功能。

1 生產(chǎn)原料及產(chǎn)品

1.1 α-甲基丙烯酸

無色結(jié)晶或透明液體，有刺激性氣味,純度≥98.0%。

1.2 α-甲基丙烯酰氯

無色透明澄清液體，熔點： -60℃，沸點： 95～96℃(lit.)， 易分解不適宜長期存放,陰涼處避光保存,廣泛用于有機(jī)合成領(lǐng)域。

產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)：純度≥98.0%，聚合物≤1.0%，阻聚劑≤1.0%

1.3 催化劑、阻聚劑

工業(yè)品

2 工藝路線選擇

合成α-甲基丙烯酰氯產(chǎn)品有多種合成工藝路線

2.1 α-甲基丙烯酸與氯化亞砜反應(yīng)

氯化亞砜作為典型的酰氯化試劑，工藝成熟，但反應(yīng)過程中需要量大，成本高，產(chǎn)生HCL和SO2兩種有毒刺激性氣體，特別是SO2吸收困難，對環(huán)境污染嚴(yán)重。

2.2 α-甲基丙烯酸與三氯化磷(或五氯氧磷)反應(yīng)

三氯化磷作為酰氯化試劑，反應(yīng)生成的副產(chǎn)物亞磷酸后處理困難，分離難度大,精餾產(chǎn)品收率低。

五氯氧磷作為酰氯化試劑，需固體投料，且極易吸潮。

2.3 以固體光氣作為酰氯化試劑，替代氯化亞砜、三氯化磷

CH2C(CH3)COOH+ CL-CCL2OCOOCl2C-CL———CH2C(CH3)COCl+CO2+HCL

一般采用溶劑溶解固體光氣，以α甲基丙烯酸為原料，在催化劑、阻聚劑存在下，反應(yīng)的粗品經(jīng)蒸餾后得到產(chǎn)品，過程引入溶劑，存在分離殘存問題，蒸餾釜?dú)埦酆衔锒唷?/p>

2.4 以液態(tài)光氣替代固體光氣

CH2C(CH3)COOH+COCl2———CH2C(CH3)COCl+CO2+HCL

合成產(chǎn)品過程中尾氣CO2、HCL采用吸收、堿處理等工序處理容易，副產(chǎn)鹽酸，反應(yīng)粗品經(jīng)蒸餾得產(chǎn)品。

以前生產(chǎn)采用固體光氣法生產(chǎn)α-甲基丙烯酰氯產(chǎn)品，由于質(zhì)量、成本、效益等原因，現(xiàn)采用第四種工藝合成路線，該方法反應(yīng)產(chǎn)物粗品純度高，收率高，操作比較簡單，釜?dú)埉a(chǎn)生量少。

3 生產(chǎn)工程條件探索及討論

3.1 工藝流程路線

采用以下流程路線，進(jìn)行主體設(shè)備為500L搪瓷反應(yīng)釜生產(chǎn)，針對重大危險源光氣，采用即產(chǎn)即用生產(chǎn)工藝，系統(tǒng)光氣持有量低，達(dá)到安全余量標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)系統(tǒng)不儲存光氣,見圖1。

尾氣處理系統(tǒng)由多級鹽酸吸收、7501破壞處理、多級稀堿處理工序組成，具有強(qiáng)健的處理能力，保證達(dá)標(biāo)排放。

圖1 甲基丙烯酰氯合成流程示意圖

3.2 原料配比

根據(jù)固體光氣法工藝數(shù)據(jù)，采用光氣法生產(chǎn)甲基丙烯酰氯，通過小試、中試后，放大形成批量生產(chǎn)能力，經(jīng)數(shù)十批次的穩(wěn)定生產(chǎn)，取得理想的結(jié)果，同比原工藝數(shù)據(jù)如表1。

表1 原料配比對結(jié)果的影響

原料在相同的物質(zhì)的量比下，光氣法比固體光氣法純度由85%提升至94%，粗品聚合物由15%下降至5%，有機(jī)堿DMF用量下降為甲基丙烯酸的1%。

圖2 甲基丙烯酰氯粗品含量圖

圖2中 保留時間2＇954為甲基丙烯酰氯峰，含量94.247%；保留時間3＇659為甲基丙烯酸峰，含量0.03%；保留時間4＇204為聚合物峰，含量4.77%；其余雜質(zhì)總量為：0.954%。

3.3 反應(yīng)溫度

產(chǎn)物甲基丙烯酰氯易分解，生成有HCL和CO2，通過中試多批次重復(fù)生產(chǎn)，粗品的主含量保持在較好水平，針對500L設(shè)備情況，為控制反應(yīng)溫度，采用調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)量，和適宜的光氣加入量來達(dá)到最佳反應(yīng)溫度，其溫度控制在40～50℃(最佳在40～45℃)，反應(yīng)物粗品的主含量在91%～95%之間。如圖3所示：

圖3 甲基丙烯酰氯粗品含量分布圖

3.4 反應(yīng)時間與粗品組成

原料物質(zhì)的量比為1∶1.5時，反應(yīng)時間為7h，粗品主含量為94%，原料含量小于0.5%，聚合物5%；隨著反應(yīng)時間的延長，主含量降至91%，聚合物上升至8%；保持反應(yīng)時間的連續(xù)性，是保障粗品純度的關(guān)鍵因素之一。

3.5 催化劑的量及循環(huán)次數(shù)

按原料羧酸1%的量添加DMF催化劑，反應(yīng)粗品含量穩(wěn)定在94%左右。

對于催化劑的循環(huán)利用，進(jìn)行了多批次的試驗，分離回收上批次粗品下層催化劑物料，用于下批次生產(chǎn)，補(bǔ)加阻聚劑后進(jìn)行光化，通過連續(xù)三次循環(huán)，粗品主含量穩(wěn)定94%左右；循環(huán)套用催化劑，既降低生產(chǎn)成本，又減少了廢催化劑的產(chǎn)生量，產(chǎn)生雙向正效益。

3.6 阻聚劑的選擇及加入量

原料及產(chǎn)物分子結(jié)構(gòu)中含有碳碳雙鍵，反應(yīng)過程容易聚合成水溶性聚合物，為保證反應(yīng)順利進(jìn)行，獲得較好的目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性，和產(chǎn)品的收率，在反應(yīng)體系加入了阻聚劑。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，選擇了對叔丁基鄰苯二酚、對苯二酚、2、6-二叔丁基二甲酚阻聚劑進(jìn)行了生產(chǎn)比較：

表2 三種阻聚劑加入量及生產(chǎn)粗品含量

選用以上的阻聚劑，粗品指標(biāo)結(jié)果大致相同，這樣在實際生產(chǎn)中可以根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇使用。

3.7 光氣靜態(tài)分布器增強(qiáng)反應(yīng)效果

500L光化釜內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，攪拌運(yùn)行下，釜內(nèi)物料軸向高度有限，為增加原料間的反應(yīng)效果，依據(jù)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)原理，光氣從設(shè)備底部通入、設(shè)置了氣體靜態(tài)分布器，氣態(tài)光氣分散細(xì)小氣泡，增加了物料間接觸表面積，延長了氣態(tài)光氣在釜內(nèi)的停留時間，強(qiáng)化了反應(yīng)效果。

3.8 蒸餾的收率及殘渣量

采用微負(fù)壓蒸餾的方式分離粗品，配置內(nèi)裝高效填料的分離柱，在攪拌狀態(tài)下，控制蒸餾釜內(nèi)溫<110℃，真空度為-0.01～0.05MPa，收集95～98℃餾分，產(chǎn)品主含量>99%，收率90%，殘渣量7%。兩種生產(chǎn)法蒸餾效果對比見表3。

表3 兩種生產(chǎn)法蒸餾效果對比

圖4 甲基丙烯酰氯成品含量圖

圖4中 保留時間3＇077為甲基丙烯酰氯峰，含量99.47%；保留時間3＇608為甲基丙烯酸峰，含量0.03%；保留時間4＇789為聚合物峰，含量0.01%，其余雜質(zhì)總量為：0.47%

3.9 安全控制系統(tǒng)(報警連鎖)

由于采用光氣法合成工藝，酰化劑為劇毒介質(zhì)的光氣，為達(dá)到裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行，從源頭把關(guān)、過程控制、后續(xù)保障等著手，系統(tǒng)設(shè)置了相應(yīng)的報警聯(lián)鎖系統(tǒng)：

(1)液位：設(shè)置上下限聲光報警、上上限、下下限聯(lián)鎖為光氣液位，分別聯(lián)鎖光氣氣態(tài)進(jìn)氣閥和液態(tài)出口閥。

(2)溫度：設(shè)置上下限聲光報警的有光氣氣化溫度、趕氣溫度，蒸餾釜溫，產(chǎn)品儲存溫度。設(shè)置上下限聲光報警、上上限聯(lián)鎖的有光化釜溫度，聯(lián)鎖液態(tài)出口閥。

(3)壓力：設(shè)置上下限聲光報警、上上限聯(lián)鎖的有光氣緩沖罐壓力，聯(lián)鎖液態(tài)出口閥；設(shè)置上限聲光報警、上上限聯(lián)鎖的光化釜壓力，聯(lián)鎖液態(tài)出口閥。

(4)攪拌、泵運(yùn)行狀態(tài)：攪拌停止聲光報警、聯(lián)鎖的有光化釜、蒸餾釜，分別聯(lián)鎖光氣液態(tài)出口閥和夾套蒸汽進(jìn)口閥。泵停止聲光報警有鹽酸吸收循環(huán)泵、水破壞循環(huán)泵、堿破壞循環(huán)泵。

4 結(jié)論

(1) 用光氣作酰化劑，在DMF、阻聚劑的條件下，合成甲基丙烯酰氯工藝條件

a.配比：光氣∶甲基丙烯酸=1.5∶1(mol)

甲基丙烯酸：DMF∶阻聚劑=1∶1%：0.1%(質(zhì)量比)

b.工藝參數(shù)：光化、趕氣溫度 40～50℃

蒸餾 溫度 95～98℃ 真空度 -0.01～0.05MPa

(2)光氣法能獲得99%高純度，外觀好的甲基丙烯酰氯產(chǎn)品，且蒸餾分離簡單容易，產(chǎn)品收率達(dá)90%，三廢少，成本低。

(3)生產(chǎn)雖使用光氣為原料，但裝置采用安全儀表控制，保證了裝置安全運(yùn)行，符合綠色化學(xué)的要求，適用于間歇或半連續(xù)化生產(chǎn)。