一步法合成乙二醇的工藝研究

尹進華,徐安陽,牛偉瑋,杜 蕾,陳學璽

(青島科技大學化工學院,山東青島266042)

一步法合成乙二醇的工藝研究

尹進華,徐安陽,牛偉瑋,杜 蕾,陳學璽

(青島科技大學化工學院,山東青島266042)

以二叔丁基過氧化物(DTBP)為引發劑,以甲醇和甲醛為原料,采用一步法合成了乙二醇。考察了引發劑用量、反應溫度、反應時間、甲醇與甲醛的質量比對一步法合成乙二醇的影響。確定一步法合成乙二醇的最優工藝條件為:反應溫度200℃、反應時間4 h、甲醇與甲醛的質量比2∶1、引發劑用量(以原料總質量計)3%,主要產物為乙二醇和二乙二醇,其中乙二醇含量達到6.51%。

甲醇;甲醛;乙二醇;引發劑

乙二醇(EG)是重要的石油化工基礎原料,用途十分廣泛[1,2],主要用于生產聚酯纖維、防凍液、非離子表面活性劑、增塑劑、不飽和聚酯樹脂、潤滑劑以及炸藥等。

目前,國外工業化生產乙二醇的主要方法是環氧乙烷直接水合法[3],我國乙二醇的生產也幾乎全部采用環氧乙烷直接水合法(即加壓水合法)工藝路線[4]。該法存在著技術依賴進口、原料單一、成本較高、污染較大的缺點。

1982年,美國Celanese公司開發了以甲醇和甲醛為原料,在引發劑的作用下縮合生成乙二醇的生產工藝[5]。該技術主要是用有機過氧化物如二叔丁基過氧化物(DTBP)、過氧化二異丙苯(DCP)作為引發劑[6],一次引發,經過自由基反應將甲醇和甲醛轉化成乙二醇,具有明顯的經濟優勢。但乙二醇含量最高僅7.71%,且分離成本高,未能實現工業化。

我國擁有豐富的煤和天然氣資源,隨著煤化工行業的迅速發展,甲醇、甲醛呈現過剩態勢。因此,尋找一條經濟合理的以甲醇、甲醛為原料合成乙二醇的清潔生產工藝路線,是解決國內乙二醇供需矛盾、實現可持續發展的有效途徑。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

叔丁醇,天津市博迪化工有限公司;甲醇,上海振興化工一廠;甲醛溶液(37.4%),煙臺三和化學試劑有限公司;碳酸氫鈉,上海虹光化工廠。所用試劑均為分析純。

磁力攪拌反應釜及控制儀,煙臺市招遠松嶺儀器設備有限公司;低溫冷卻循環泵,鞏義市英峪予華儀器廠;高壓輸液泵,北京創新通恒科技有限公司;GC-14型氣相色譜儀,日本島津。

1.2 方法

向反應釜中加入一定量的甲醇溶液、甲醛溶液、引發劑DTBP以及少量的碳酸氫鈉;設定好所需溫度,攪拌加熱;記下開始加熱時間,控制壓力,記下加熱到指定溫度的時間;根據需要在一定的溫度下反應一定時間;反應完畢,冷卻,取出反應液,置于樣品瓶中并編號;將各時間段的樣品進行氣相色譜分析,根據分析結果改變相應條件繼續實驗。

2 結果與討論

2.1 甲醇與甲醛的質量比對乙二醇含量及引發劑效率的影響

在反應時間為3 h、DTBP用量(以原料總質量計,下同)為3%、反應溫度為200℃、碳酸氫鈉用量為0. 028%的條件下,考察甲醇與甲醛質量比對乙二醇含量及引發劑效率(每摩爾引發劑引發產生的乙二醇的摩爾數)的影響,結果見圖1。

由圖1可知,隨著甲醇與甲醛質量比的增大,乙二醇含量和引發劑效率均先升高后降低,其中在甲醇與甲醛的質量比小于4∶1和大于10∶1時,變化尤其明顯;當甲醇與甲醛的質量比為(4～10)∶1時,變化趨緩;在甲醇與甲醛的質量比為2∶1時,引發劑效率和乙二醇含量最高。綜合考慮,確定最佳甲醇與甲醛的質量比為2∶1。

圖1 甲醇與甲醛的質量比對乙二醇含量和引發劑效率的影響Fig.1 Effect of mass ratio of methanol to formaldehyde on the content of EGand the efficiency of initiator

2.2 反應溫度對乙二醇含量及引發劑效率的影響

在甲醇與甲醛的質量比為2∶1、DTBP用量為3%、反應時間為3 h、碳酸氫鈉用量為0.028%的條件下,考察反應溫度對乙二醇含量及引發劑效率的影響,結果見圖2。

圖2 反應溫度對乙二醇含量和引發劑效率的影響Fig.2 Effect of reaction temperature on the content of EGand the efficiency of initiator

由圖2可知,隨著反應溫度的升高,乙二醇含量和引發劑效率均逐漸升高;反應溫度為200℃時,乙二醇含量和引發劑效率最高;當反應溫度超過220℃后,乙二醇含量和引發劑效率逐漸下降。因此,確定最佳反應溫度為200℃。

2.3 反應時間對乙二醇含量及引發劑效率的影響

在甲醇與甲醛的質量比為2∶1、DTBP用量為3%、反應溫度為200℃、碳酸氫鈉用量為0.028%的條件下,考察反應時間對乙二醇用量和引發劑效率的影響,結果見圖3。

圖3 反應時間對乙二醇含量和引發劑效率的影響Fig.3 Effect of reaction time on the content of EG and the efficiency of initiator

由圖3可知,乙二醇含量和引發劑效率隨反應時間的變化趨勢基本相同,在反應時間為4 h時有最大值。因此,確定最佳反應時間為4 h。

2.4 引發劑用量對乙二醇含量及引發劑效率的影響

在反應時間為4 h、反應溫度為200℃、甲醇與甲醛的質量比為2∶1、碳酸氫鈉用量為0.028%的條件下,考察引發劑用量(以原料總質量計,下同)對乙二醇含量及引發劑效率的影響,結果見圖4。

圖4 引發劑用量對乙二醇含量和引發劑效率的影響Fig.4 Effect of initiator dosage on the content of EG and the efficiency of initiator

由圖4可知,在一定范圍內,隨著引發劑DTBP用量的增加,乙二醇含量逐漸升高、引發劑效率逐漸降低。考慮到DTBP的價格較高,確定最佳引發劑DTBP用量為3%。

2.5 產物分析

對反應后產物進行色譜分析,結果見圖5。產物中主要物質的氣相色譜分析數據見表1。

圖5 產物的氣相色譜圖Fig.5 GC spectrum of the products

表1 氣相色譜分析數據Tab.1 Data of GCanalysis

由表1可知,反應產物主要為乙二醇和二乙二醇,其中乙二醇含量達到6.51%。引發劑DTBP轉化為叔丁醇,叔丁醇可進一步合成為引發劑DTBP。

3 結論

以DTBP為引發劑、以甲醇與甲醛為原料一步法合成乙二醇的最優工藝條件為:反應溫度200℃、反應時間4 h、甲醇與甲醛的質量比2∶1、引發劑DTBP用量(以原料總質量計)3%。反應產物主要為乙二醇和二乙二醇,其中乙二醇含量達到6.51%。

[1] 賀俊海,黃集鉞,石鳴彥,等.乙二醇合成技術研究[J].精細化工原料及中間體,2008,(11):28-31.

[2] 崔小明.乙二醇生產技術及國內外市場分析(續)[J].化工科技市場,2005,28(1):20-24.

[3] 沈景余.世界環氧乙烷、乙二醇生產現狀及技術進展[J].石油化工,1994,23(9):611-617.

[4] 金戈.中國乙二醇產能、需求及技術進展[J].化工文摘,2003, (8):23.

[5] Kollar John.Production of ethylene glycol by reaction of methanol,an organic peroxide and formaldehyde[P].USP 4 337 371, 1982-06-29.

[6] 游賢德.有機過氧化物[J].精細石油化工進展,2000,1(7):17-21.

Research on Synthesis of Ethylene Glycol from Methanol and Formaldehyde by One-Step Reaction

YIN Jin-hua,XU An-yang,NIU Wei-wei,DULei,CHEN Xue-xi
(College of Chemical Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao266042,China)

Using di-tertiary-butyl peroxide(DTBP)as the initiator,the synthetic conditions of ethylene glycol(EG)from methanol and formaldehyde by one-step reaction were optimized.The effects of reaction temperature,reaction time,mass ratio of methanol to formaldehyde,initiator dosage were discussed.The optimal conditions were obtained as follows:reaction temperature was 200℃,reaction time was 4 h,mass ratio of methanol to formaldehyde was 2∶1,initiator dosage was 3%.Main products were ethylene glycol with content of 6.51% and diethylene glycol.

methanol;formaldehyde;ethylene glycol;initiator

TQ 225.24 TQ 223.162

A

1672-5425(2010)06-0034-03

2010-03-05

尹進華(1980-),男,山東濰坊人,講師,從事清潔化工工藝的研究工作。E-mail:xuanyang0918@163.com。