微反應器中乙炔法合成N-乙烯基吡咯烷酮的過程研究

閻麗芳，儲博釗，鐘思青，程易

（1 清華大學化學工程系，北京 100084；2 中國石油化工股份有限公司上海石油化工研究院，上海 201208）

德國化學家Walter Reppe于1939年首次發現了從乙炔合成- 乙烯基吡咯烷酮（-vinyl pyrrolidone，NVP）及其聚合物——聚乙烯吡咯烷酮（polyvinylpyrrolidone，PVP）的方法。此后，NVP 及PVP 的合成逐漸工業化并得到廣泛應用。PVP是一類非離子型水溶性高分子精細化學品，具有環境友好、生物相容、化學穩定和可食用的優良性能，被廣泛應用于醫藥、食品飲料、工業、紡織印染、造紙等領域。德國Badische Anilinund-Soda-Fabrik （BASF） 和 美 國International Special Products（ISP）公司較早地建立了PVP 及其單體NVP 的研發基礎，兩家公司的全球市場份額常年保持在80%左右，成為PVP行業的兩大巨頭。高端PVP 系列產品技術含量高，我國企業在這方面的競爭力一直相對較弱。作為合成PVP 的單體，NVP 的純度直接影響到PVP 的質量。因此，開發合成高純NVP 的技術是我國工業界重點關注的問題。

傳統且經濟的合成NVP技術是由Reppe提出的加壓乙炔法，即在采用堿金屬作為催化劑的條件下，2-吡咯烷酮（2-pyrrolidone，2-P）和乙炔的乙烯化反應，也被稱作Reppe法。其反應本質是均相催化的液相反應，反應速率取決于液相反應物中乙炔的溶解度。一般來說，低溫下乙炔在有機溶劑中的溶解度較高，比如在0℃、101.3kPa 下乙炔在丙酮中的物質的量分數為0.129。然而，當升高溫度時，受限于熱力學平衡和溶劑性質，乙炔的溶解度會急劇降低，如50℃、101.3kPa 時，降為0.0465。為了提高乙炔的溶解度，加快反應速率，該反應一般采用在加壓條件（約1MPa）下進行。20 世紀，研究人員對用于該反應的催化劑及助劑進行了大量的研究，以提高產物NVP 的選擇性和收率。盡管如此，該方法仍然面臨著兩大問題。首先是高壓釜內受限的氣-液傳質速率，以致間歇反應時間一般在3～10h；其次是高壓下乙炔的分解爆炸性帶來的體系安全問題。雖然Reppe提出了一些安全使用乙炔的有效措施，比如采用稀釋的乙炔氣體或是最小化反應器自由空間中的乙炔濃度，但是工業生產中乙炔的安全操作仍需更加重視，尤其是高壓反應。為了解決乙炔的安全問題，一些學者曾嘗試采用其他方法制備NVP，即-羥乙基吡咯烷酮在340～420℃經催化脫水反應制備NVP。該方法雖然能保證操作的相對安全，但是反應過程能耗較高，缺乏工業化生產理想的脫水催化劑，這限制了該工藝方法的發展。目前，加壓乙炔法仍然是國內外企業生產NVP的主流技術。另一條解決乙炔安全問題的途徑是新型反應器的設計，比如管式反應器、膜分散式反應器、板式反應器等，在盡可能減少氣相乙炔含量的同時提高乙炔溶解度。然而相關的報道屈指可數，缺乏對于NVP合成過程的深入研究。

近年來微反應技術由于能保障反應的本質安全，精確調控反應時間以及強化傳質、傳熱等優勢，得到了快速的發展。該技術被廣泛地應用于連續合成高附加值產品，比如特殊化學品、納米材料、藥物活性成分等。特別地，微反應技術十分適用于處理涉及危險性反應物或是強放熱反應，如加氫反應、氧化反應和氟化反應。比如，Wu 等采用“stop-flow”微管反應器，高效快速實現了一系列乙炔相關的反應過程。事實上，乙炔能和一系列的含氮化合物反應合成-乙烯基化合物，比如吲哚、咔唑等。如果能在微反應器中高效安全地合成NVP，將有助于開發通用靈活的微反應技術平臺實現一系列類似的過程。

本研究搭建了商用微反應器為核心的氣液微反應系統，采用液相循環方式實現了反應物2-P的高效轉化，全面探究了反應溫度、KOH 含量、內構件數量和原料乙炔純化對液相循環反應的影響，以期為連續高效合成NVP的工業化設計提供參考。

1 實驗方法與材料

1.1 實驗材料

標準氣體[50%（體積分數）乙炔和50%（體積分數）氮氣]和99.95%的純氮氣，南京天澤氣體有限公司；KOH 和NVP，上海阿拉丁有限公司；2-P和異丙醇，梯希愛（上海）化成工業發展有限公司。

1.2 催化劑制備

2-P的乙烯基化反應一般采用堿金屬的氫氧化物作為催化劑，常用KOH。但是在反應中，由于2-P 和KOH 反應生成的催化活性物質吡咯烷酮鉀遇水會發生開環反應，造成催化劑的失活，因此需采用減壓蒸餾的方法預先將水除去或者采用醇鉀以避免引入水分，其失活反應式如圖1所示。

圖1 催化劑的失活反應

催化劑制備具體步驟如下：稱取200g 的2-P（液體）和6g KOH（片狀固體）加入到蒸發瓶中，在120℃、20mbar（1mbar=0.1kPa）條件下減壓蒸餾2h；之后測定溶液的水含量，保證其小于500mg/kg。反應式如圖2所示。

圖2 催化劑的除水反應

實驗中采用日本三菱的卡爾費休測水儀進行水含量的測定，測量范圍10μg～100mg，靈敏度0.1μgHO。在減壓蒸餾結束后，迅速取樣1～2mL催化劑溶液，平行測定3次，確定水含量值。最終測定的水含量范圍為200～300mg/kg。

催化劑制備裝置如圖3所示。

圖3 減壓蒸餾裝置示意圖

1.3 NVP合成實驗

圖4為乙炔法合成NVP的微反應系統，液相反應物由恒流泵計量并連續泵入體系，50%（體積分數）的乙炔標準氣體經質量流量計進入微反應器。微反應器有8個串聯的通道，其中每個通道的橫截面尺寸都為12mm×1.5mm，通道內部有結構化內構件（如圖5 所示）。該反應器自帶換熱功能，可實現快速升溫、降溫。六通閥用于樣品的收集，其中取樣環為透明的PFA 管，可以觀察反應后的氣液流動情況。最后，利用重力來分離反應后的氣相和液相。連接在氣液分離器之后的背壓閥用于調節體系的壓力。

圖4 基于微反應器的乙烯基化反應流程圖

在單程反應中，為了檢查裝置的氣密性，純氮氣首先引入裝置，直至體系壓力達到2MPa 后關閉氮氣閥門。在確認裝置氣密性良好之后，緩慢減壓至反應壓力并升溫至反應溫度，隨后以一定的流量引入50%乙炔混合氣進行置換。在反應溫度和氣體流量達到穩定后，將新鮮制備的催化劑溶液（含反應物2-P）以一定的流量泵入反應體系中。反應物溶液被密封在廣口瓶中，并采用油浴方式保持80℃恒溫。

為了實現反應物的高效轉化，之前的工作已對單程反應的工藝條件進行了優化，如圖5 所示。其中氣體流量為50～400mL/min、液體流量為0.5～3mL/min、反應壓力0.4～1MPa、反應溫度150～180℃、KOH質量分數為1%～5%。

陳主任以為兩家私底下早已形成同盟，將索賠的事情商量好了，說：“如果沒造成財產損失，我看賠錢也就沒什么必要。”

圖5 單通道內的內構件示意圖

在單程反應的操作條件下，乙炔和2-P的物質的量之比的范圍為(0.08∶1)～(0.67∶1)，這意味著2-P是過量的。為了進一步提高液相反應物2-P的轉化率，滿足工業化需求，采用了循環液相反應物的方法，即延長了液相反應物的停留時間。

1.4 產物分析及計算

采用安捷倫GC7890B 氣相色譜儀（GC）對液體混合物進行定性及定量分析。色譜條件：采用Innowax毛細管柱（60m×320μm×320μm）和氫火焰檢測器（flame ionization detector，FID），氦氣為載氣，壓力為37.7kPa，總流量為127mL/min，分流比為30∶1，進樣口溫度250℃，進樣量0.2μL。分析過程中采用程序升溫，首先在50℃保持2min，然后以20℃/min 升溫速率至250℃，并保持3min。在GC圖譜中，各物質出峰位置具體如下：約2min為溶劑異丙醇，8.599min 為產物NVP，10.077min為反應物2-P，14.610min 為NVP 二聚體，各物質的峰無重疊，清晰可辨。

在此過程中采用的定量方法為外標法，首先配制了不同質量分數的NVP和2-P溶液，分別繪制了它們的標準曲線，如圖6。待測樣的各物質含量根據標準曲線進行計算，每次實驗取3次樣，對實驗結果求取平均值。

圖6 反應物和產物在GC中定量分析的標準曲線

由于副產物和單體NVP 具有相似的性質，本文采用了相同的標準曲線來計算副產物的含量。具體的定量計算方法如式(1)、式(2)所示。

式中，為物質的量，mol；為2-P 的轉化率，%；為NVP的選擇性，%。

在此過程中2-P 的乙烯化反應為主反應，見圖7。

圖7 2-P的乙烯化反應

2 結果與討論

為了實現液相反應物2-P的高轉化率，本文作者課題組早期工作已經對單程反應條件進行了一系列優化，單程反應可保證產物NVP 100%選擇性（反應溫度一般設定在150℃左右），但是由于微反應器體積有限，2-P的轉化率提高程度有限。

本文中采用循環液相反應物的方式來保證氣液間充足的接觸時間。

2.1 反應溫度

圖8 反應溫度對循環反應的影響

2-P和乙炔的乙烯基化反應是受氣液傳質限制的反應。在微反應器中兩相間的傳質可得到一定的強化，因此宏觀反應速率取決于2-P和乙炔在液相中的濃度。當第一次循環反應發生時，反應物2-P和乙炔被消耗，產物NVP的濃度逐漸增加。然而，當進行第二次反應時，由于反應物2-P 濃度降低，反應速率相應降低，相同反應時間下，2-P的轉化量減少（如圖9所示）。

圖9 液相循環反應中反應物和產物濃度變化示意圖

對于產物NVP 的選擇性來說[圖8(b)]，當反應溫度為150℃時，在4 次循環反應中，產物NVP 的選擇性一直保持在100%，即無副反應發生；而當溫度升高時，隨著循環次數的增加，產物NVP 的選擇性出現連續的下降。這是因為隨著循環的進行產物NVP 濃度逐漸升高，當NVP 濃度達到一定閾值后，發生副反應，NVP 單體濃度越高，越有利于副反應的發生。當溫度為170℃時，循環反應4次后，產物的選擇性在93%左右，溫度進一步升高到180℃，產物的選擇性直接降到90%以下。

考慮到NVP 的選擇性同時受到反應溫度和反應過程中NVP 濃度的影響，將反應溫度暫定為160℃或180℃，調控其他條件來提高轉化率或選擇性。

2.2 KOH含量

圖10 為催化劑前體KOH 含量對循環反應的影響。雖然KOH 含量增加，催化活性分子越多，反應速率越快，轉化的2-P越多，但是催化劑的高用量嚴重降低了產物NVP 的選擇性。當反應溫度為180℃時，隨著KOH質量分數從5%降低到3%，產物NVP的選擇性從88%提升至93.8%。另外，隨著循環次數的增加，反應的選擇性基本不變或略有下降，這可能得益于微反應器類似于平推流，返混極少且能精確調控停留時間。綜合考慮轉化率和選擇性，當反應溫度為160℃、KOH 質量分數為5%時反應結果較優，此時2-P 的轉化率為71.6%，NVP的選擇性為95.6%。

圖10 KOH含量對循環反應的影響

2.3 內構件數量

對于乙炔和2-P的氣液非均相反應過程，傳質阻力集中在相間傳質，強化氣液間傳質尤為重要。所用的微反應器基于流股分裂-重組的混合原理，即通過氣液兩相流體的多次分裂和重新組合，來提高二者間的混合速率。本文采用的商用微反應器的優勢在于其內構件易于拆卸清洗且操作簡單，且可以通過改變微反應器的內構件數量來考察不同氣液接觸形式對反應的影響（如圖11所示）。當內構件從2 層增加至3 層時，2-P 的轉化率得到提高。在前3次循環反應中，這種效果十分明顯，轉化率提升幅度從1%增加至7%。這是因為在3 層內構件下，氣液兩相多次分裂和重新組合的次數也在增加，同時3 層內構件時分離混合區域的尺度更小，傳質得到明顯強化。但是到了第4次循環反應，轉化率幾乎維持不變。這是由于第4 次循環反應時NVP濃度很高，2-P濃度很低，使宏觀反應速率大幅下降。而對于僅有2層內構件的情況來說，由于NVP 濃度相對較低，宏觀反應速率可能降低幅度不大，因此2-P的轉化率仍有一定的提高。在此過程中，產物的選擇性基本不受內構件數量的影響。通過該對比實驗間接驗證了反應體系氣-液混合的強化有助于提高反應性能，從而簡化工藝流程，減少循環次數。

圖11 內構件數量對循環反應的影響

2.4 反應體系水分

乙炔法合成NVP 的催化活性物質吡咯烷酮鉀鹽對水分敏感，極易發生開環反應從而造成催化劑的失活。此外，產物NVP 本身具有易水解性，即在酸性或者鹽類存在的條件下易發生水解反應，生成吡咯烷酮和乙醛。因此在反應之前對催化劑進行了預處理，將KOH 和反應物2-P 進行減壓蒸餾以除去在生成活性物質吡咯烷酮鉀鹽過程中的水分。

圖12為反應體系水分控制對循環反應的影響。在單程反應中，由于反應時間很短且2-P的轉化率本身較低，催化劑失活帶來的影響較小，因此水分的影響可忽略不計。而在循環過程中，隨著反應時間的延長，催化劑失活現象對反應結果有較大影響。控制體系水分之后，產物NVP 的選擇性確實有明顯提升[圖12(b)]。在第一次反應過程中，是否進一步除水對選擇性的影響并不明顯，除去水分后，選擇性僅僅提高了1.8%，隨著循環反應的進行，除水的重要性逐漸顯現，在循環反應4 次后，選擇性從83.7%提高至88.5%，提高了4.8%。此外，控制體系水分也有利于2-P 的轉化率的提高。除水之后，最終的轉化率從69.2%提高到75.6%。這是因為水分的脫除降低了催化劑的失活概率，從而保證了反應速率。因此，反應體系水分的嚴格控制對保證產物NVP選擇性有關鍵作用。

圖12 反應體系水分控制對循環反應的影響

2.5 不同反應器的性能對比

表1比較了2-P的乙烯基化反應在不同反應器中的反應結果。在傳統的高壓釜工藝中，不添加助劑，產物NVP的收率較低，僅為39.7%。為了將收率提高到50%，常常會添加羥端基聚醚或線性二元醇作為助劑。助劑作用顯著，可將收率從39.7%提高至62.7%，增長了23.0%。微反應器展現出了巨大的優勢，無需添加助劑即可實現NVP 68.4%的高收率，而且反應時間有一定的縮短。和膜分散式反應器相比，微反應器仍有一定的優勢，所需反應時間相對較短，收率高出10.6%。

表1 不同反應器反應性能的比較

3 結論

本研究搭建了以商用微反應器為核心的氣液微反應系統，采用液相循環方式實現了2-P的高效轉化和產物NVP的高選擇性，主要結論如下。

（1）在微反應器合成NVP 的過程中，采用液相循環方式實現了2-P 71.6%的高轉化率，NVP 95.6%的高選擇性。和高壓釜的半連續過程相比，收率有明顯提升，提高了28.7%（無助劑），反應時間有適當縮短。

（2）反應溫度對產物NVP 的選擇性有顯著影響，高溫條件（>170℃）會嚴重降低產物NVP 的選擇性，選擇性低于90%。

（3）KOH 含量對產物NVP 的選擇性有較為明顯的影響，催化劑的高含量會帶來NVP 的低選擇性。反應過程中，綜合考慮反應溫度和KOH含量，可保證產物選擇性在95%以上。

（4）通過比較采用不同數量內構件情況下的反應結果，揭示了氣-液混合對反應性能的顯著影響，間接驗證了微反應器中反應性能的提升來自于體系氣-液混合的強化。

（5）通過比較是否控制反應體系水分兩種情況，證明了反應體系水分對循環反應有明顯影響。反應體系水分的脫除有助于循環反應中轉化率和選擇性的提高。