CN104151268A - 一种固定床反应器中连续合成n-氨乙基吗啉的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种固定床反应器中连续合成N-氨乙基吗啉的方法，属于化工技术领域。以吗啉、一乙醇胺为原料，HZSM-5为催化剂，在固定床反应器中经非均相催化反应连续合成N-氨乙基吗啉产品。这项“绿色”发明技术具有催化剂性能高效稳定、原料消耗低及产品方案灵活可调的特点，且所用催化剂及连续分离技术效果好。该工艺流程简洁合理、操作方便、污染少、原料易得、成本较低、便于连续化生产，具有较好的工业化应用前景。
Description
技术领域
本发明属于化工技术领域，具体涉及一种以吗啉、一乙醇胺为原料，HZSM-5为催化剂，在固定床反应器中经非均相催化反应连续合成N-氨乙基吗啉的方法。
背景技术
N-氨乙基吗啉是一种重要的医药中间体、有机合成原料、配位剂与特种溶剂，主要用于合成抗抑郁药—吗氯贝胺。吗氯贝胺是新一代单氨氧化酶抗抑郁药，该药能选择性对单胺氧化酶A型产生抑制作用，具有可逆性、可选择性，且能改善睡眠质量，在抗抑郁、抗氧化等方面疗效显著，对警戒或短、长记忆没有影响，并可减弱对识别功能的影响。它的疗效确切，临床安全性好，作用谱广，没有早期的单胺氧化酶抑制剂如异丙肼、苯乙肼等在使用时发生的“奶酪”反应，高血压危险和严重肝损害等副作用，优于现在临床应用的其他抗抑郁药，尤其适用于伴有心、肾疾病的老年抑郁症患者。
N-氨乙基吗啉合成工艺主要有N-氯乙基吗啉氨解法、N-羟乙基吗啉氨解法、4-(2-羟乙基）吗啉氯化氨解法、吗啉基乙腈还原法、吗啉溴乙胺法。
N-氯乙基吗啉氨解法以N-氯乙基吗啉为原料，在氨氛围中进行氨解反应合成N-氨乙基吗啉，反应方程式如下：
该工艺是早期的研究者合成N-氨乙基吗啉产品的一种探索，由于原料N-氯乙基吗啉需要经过多部反应另行合成，原子经济性低，污染性较大。该工艺没有实际应用价值。
N-羟乙基吗啉氨解法将N-羟乙基吗啉在特定的氨化剂作用下直接转化为N-氨乙基吗啉，反应方程式如下：
该工艺是对N-氯乙基吗啉氨解法的一种改进工艺，但由于N-羟乙基吗啉和邻苯二甲酰亚胺两种合成原料均较为特殊，需另行多步合成，原子经济性低，合成路线长，成本高，因而该工艺也没实际应用价值。
4-(2-羟乙基）吗啉氯化氨解法以4-（2-羟乙基）吗啉为原料，先用氯化剂氯化生成4-（2-氯乙基）吗啉，再在密封加热的条件下在氨氛围中进行氨解反应生成N-氨乙基吗啉。反应方程式如下：
该方法也是早期合成N-氨乙基吗啉的工艺路线，中间体4-（2-氯乙基）吗啉的合成需使用氯化剂，对环境造成很大的污染，同时该方法原子经济性低。也不适合工业化生产。
吗啉基乙腈还原法以吗啉基乙腈为原料，镍为催化剂，在70～80℃的温度和106.4kPa压力下用氢气还原合成N-氨乙基吗啉，反应方程式如下：
该工艺原料吗啉基乙腈制备比较困难，同时使用了有毒基团氰基，使得吗啉基乙腈的合成对环境污染太大，高压反应过程对设备的要求较高。该工艺也没实际应用价值。
吗啉溴乙胺法以吗啉为原料，在溴乙胺的作用下进行取代反应直接合成N-氨乙基吗啉，反应方程式如下：
该工艺是目前国内研究较多的N-氨乙基吗啉合成工艺，工艺中使用的溴乙胺原料由乙醇胺和氢溴酸反应制得，由乙醇胺合成溴乙胺的收率约70％，缩合反应合成N-氨乙基吗啉的收率为60～65％。该工艺具有一定的实际应用价值，但存在缺点是：溴乙胺原料成本较高，整个工艺过程的原子经济性不高，既浪费资源，又污染环境。
专利CN1356324采用酸性催化剂，加入脱水剂进行脱水反应制备N－甲酰吗啉。催化剂为硫酸、盐酸、磷酸、三氟化硼乙醚、硫酸锆、离子交换树脂、杂多酸中的一种或几种，脱水剂为环己烷、苯、甲苯、二甲苯、乙腈、氯仿中的一种或几种，在反应温度50～200℃，吗啉与甲酸的摩尔比为0.7～1.5时，N－甲酰吗啉的收率可达99％。
专利CN1345723以吗啉和甲酸为原料，吗啉和甲酸投料的摩尔比为吗啉∶甲酸＝1∶(0.8～1.2)，反应温度为50～140℃，反应在带水剂存在下进行，带水剂为芳烃类溶剂油、脂肪类溶剂油、芳烃类和脂肪类溶剂油的混合物或酯类溶剂油中的任何一种，带水剂的加入量为带水剂在原料总量中的重量百分含量＝5.0～50.0％。该发明的优点在于反应温度低，反应稳定易于控制，反应副产物少，收率高，更突出的优点是能得到高纯度的N－甲酰吗啉产品。
专利CN1687042以原料吗啉和甲酸酯连续或者间接地送入反应器中，在不断搅拌的情况下，控制反应温度在-20℃～60℃；放入陈化器进行陈化10～35小时；经陈化的反应液在脱醇塔中蒸出反应生成的醇，脱醇塔的釜液进入脱轻塔，脱轻塔在低真空情况下操作，脱掉剩余的醇类、酯类和吗啉等轻组份；在脱轻过程中通入汽提气，进行汽提，当轻组份的含量达到要求后，脱轻塔釜液送入产品塔；产品塔在高真空度情况下蒸出产品N-甲酰吗啉。用反应陈化和真空蒸馏及汽提蒸馏相结合的精制方式，在较高吗啉转化率下制得高纯度N-甲酰吗啉。
专利CN1721415涉及一种合成农用杀菌剂烯酰吗啉、氟吗啉的主要原料 N-乙酰吗啉的制备方法，其特征是，反应在含苯环或脂环类类带水剂中进行，以醋酐和吗啉为原料，以强酸作为催化剂，反应精馏合成乙酰吗啉，吗啉和醋酐的摩尔比为1.8～2.5∶1，带水剂用量为原料总重量的10～50％，反应时间为3～9小时，催化剂用量为原料总重量的1～7％，在沸腾温度下加热回流，冷凝回流一定时间后分水，当分水器中不再有水出现时停止反应，经脱酸脱水、过滤后进行真空精馏精制，该工艺生产能力大，成本低，三废污染少，本工艺合成过程的转化率最高可达98％(以吗啉计)，收率达95％以上。
发明内容
本发明的目的是提供一种以吗啉、一乙醇胺为原料，HZSM-5为催化剂，在固定床反应器中经非均相催化反应连续合成N-氨乙基吗啉的新方法。
反应方程式如下：
与前述合成方案相比，该工艺具有工艺简洁、催化剂与产品分离方便、便于连续化生产等特点。原料易得，催化剂廉价、无污染可以循环使用，且具有较好的反应稳定性。
本发明为连续操作，该生产工艺主要有原料吗啉、一乙醇胺和水的混合溶液，经气化、反应、冷却、粗品精馏，原料回收套用。具体按照下述步骤进行：首先，原料吗啉、一乙醇胺和水的混合溶液经预热汽化在气相状态下进入反应器，反应器采用层式反应器或绝热固定床反应器；汽化后的原料混合溶液在反应器中发生烷基化脱水反应，然后冷却，收集粗品，再经减压精馏，得到纯的N-氨乙基吗啉，回收的原料其经处理后可进行套用。
其中原料液为吗啉：一乙醇胺：水的摩尔比为1∶1～1.2∶1～1.5，优选1∶1∶1，催化剂HZSM-5中Si/Al摩尔比为20～50，优选Si/Al=30，催化剂HZSM-5装填量为反应液总重量的2%～5%，优选3%，反应温度为290～330℃，优选300℃，床层质量空速为2～6h-1，优选4h-1，
反应过程中所采用的固定床管式反应器，不同摩尔比的吗啉、一乙醇胺和水的混合溶液通过双柱塞微量泵定量进样，进入绝热式固定床反应器。绝热式固定床反应器为实验室自主组装，不锈钢反应管的温度由温控仪控制，反应区域的温度通过反应管底部的热电耦进行测定。反应后经冷凝管冷凝后，用广口瓶收集，气相色谱分析。
固定床管式反应器包括：进样器、加热管、电热耦、催化剂床层、冷凝器、收集器等，其中固定床管式反应器的加热管中间装有电热藕，可以测定反应温度，其外层覆盖一层保温层，有利于保持加热管中的恒温状态，加热管的中间装有催化剂，催化剂的上部和下部各装填了40目的石英砂以充当支撑物，中段填充烷基化催化剂，上段填充适量的瓷环以利于原料混合溶液的气化。原料吗啉、一乙醇胺和水的混合溶液的汽化及烷基化反应过程在反应管中同时进行，原料混合溶液的汽化主要发生在反应管的上段，烷基化反应则主要发生在中段。
在非均相催化过程中，通过反应条件的优化，使脱水过程中反应步骤尽量停留在生成N-氨乙基吗啉阶段，减少副产的生成。在此条件下，过程中原料单程转化率≥80％（相对于起始原料吗啉计），选择性(吗啉原料转化为目的产物)≥95％，N-氨乙基吗啉产品纯度达到99.0％以上。
本发明与现有技术相比优点显著：一、本发明原料中加入一乙醇胺和水为溶剂，明显提高了原料液的pH值，减少了催化剂活性中心的流失，使反应更趋于稳定；二、本发明采用分子筛催化剂，该催化剂活性高，强度高，不易坍塌，催化剂的制备与回收都不会对环境造成污染；三、催化加氢过程在固定床反应器中实现，过程连续，显著提高了反应效率，缩短了操作时间。
附图说明
图 1为本发明N-氨乙基吗啉的反应工艺流程图；
图 2为本发明所使用的固定床反应器结构装置图，其中1进样器，2石英砂，3催化剂，4保温层，5加热管， 6冷凝器，7电热藕，8收集器。
具体实施方式
为了进一步说明本发明，给出如下实施例，但并不限制本发明。
本发明为连续操作，该生产工艺主要有原料吗啉、一乙醇胺和水的混合溶液，经气化、反应、冷却、粗品精馏，原料回收套用，反应工艺流程图如图1所示。
本发明反应过程中所采用的固定床管式反应器，其结构装置图见说明书附图 2 所示，不同摩尔比的吗啉、一乙醇胺和水的混合溶液通过双柱塞微量泵定量进样，进入绝热式固定床反应器。绝热式固定床反应器为实验室自主组装，不锈钢反应管的温度由温控仪控制，反应区域的温度通过反应管底部的热电耦进行测定。反应后经冷凝管冷凝后，用广口瓶收集，气相色谱分析。
固定床管式反应器包括：进样器1、加热管5、电热耦7、催化剂3、冷凝器6、收集器8等，其中固定床管式反应器的加热管中间装有电热藕7，可以测定反应温度，其外层覆盖一层保温层4，有利于保持加热管中的恒温状态，加热管的中间装有催化剂3，催化剂3的上部和下部各装填了40目的石英砂2以充当支撑物，中段填充烷基化催化剂，上段填充适量的瓷环以利于原料混合溶液的气化。原料吗啉、一乙醇胺和水的混合溶液的汽化及烷基化反应过程在反应管中同时进行，原料混合溶液的汽化主要发生在反应管的上段，烷基化反应则主要发生在中段。
实施例1
将吗啉/一乙醇胺/水的摩尔比为1∶1∶1.1的混合溶液通过双柱塞微量泵定量进样，进入绝热式固定床反应器中进行烷基化脱水反应，催化剂为HZSM-5（Si/Al为20），其中催化剂装填量为反应液总重量的2%，反应温度290℃，床层质量空速为2h-1，反应结束后，经冷却，收集粗品，再经减压精馏，得到纯的N-氨乙基吗啉产品，通过气相色谱分析，N-氨乙基吗啉产品纯度达到99.0％，过程中原料单程转化率为82％（相对于起始原料吗啉计），选择性(吗啉原料转化为目的产物)为95％。
实施例2
将吗啉/一乙醇胺/水的摩尔比为1∶1.05∶1.1的混合溶液通过双柱塞微量泵定量进样，进入绝热式固定床反应器中进行烷基化脱水反应，催化剂为HZSM-5（Si/Al为25），其中催化剂装填量为反应液总重量的2.5%，反应温度300℃，床层质量空速为3h-1，反应结束后，经冷却，收集粗品，再经减压精馏，得到纯的N-氨乙基吗啉产品，通过气相色谱分析，N-氨乙基吗啉产品纯度达到99.1％，过程中原料单程转化率为85％（相对于起始原料吗啉计），选择性(吗啉原料转化为目的产物)为96％。
实施例3
将吗啉/一乙醇胺/水的摩尔比为1∶1.1∶1.2的混合溶液通过双柱塞微量泵定量进样，进入绝热式固定床反应器中进行烷基化脱水反应，催化剂为HZSM-5（Si/Al为30），其中催化剂装填量为反应液总重量的3%，反应温度310℃，床层质量空速为4h-1，反应结束后，经冷却，收集粗品，再经减压精馏，得到纯的N-氨乙基吗啉产品，通过气相色谱分析，N-氨乙基吗啉产品纯度达到99.2％，过程中原料单程转化率为85％（相对于起始原料吗啉计），选择性(吗啉原料转化为目的产物)为96％。
实施例4
将吗啉/一乙醇胺/水的摩尔比为1∶1.15∶1.3的混合溶液通过双柱塞微量泵定量进样，进入绝热式固定床反应器中进行烷基化脱水反应，催化剂为HZSM-5（Si/Al为35），其中催化剂装填量为反应液总重量的4%，反应温度320℃，床层质量空速为4h-1，反应结束后，经冷却，收集粗品，再经减压精馏，得到纯的N-氨乙基吗啉产品，通过气相色谱分析，N-氨乙基吗啉产品纯度达到99.1％，过程中原料单程转化率为83％（相对于起始原料吗啉计），选择性(吗啉原料转化为目的产物)为95％。
实施例5
将吗啉/一乙醇胺/水的摩尔比为1∶1.2∶1.4的混合溶液通过双柱塞微量泵定量进样，进入绝热式固定床反应器中进行烷基化脱水反应，催化剂为HZSM-5（Si/Al为40），其中催化剂装填量为反应液总重量的4.5%，反应温度320℃，床层质量空速为5h-1，反应结束后，经冷却，收集粗品，再经减压精馏，得到纯的N-氨乙基吗啉产品，通过气相色谱分析，N-氨乙基吗啉产品纯度达到99.3％，过程中原料单程转化率为82％（相对于起始原料吗啉计），选择性(吗啉原料转化为目的产物)为96％。
实施例6
将吗啉/一乙醇胺/水的摩尔比为1∶1.2∶1.5的混合溶液通过双柱塞微量泵定量进样，进入绝热式固定床反应器中进行烷基化脱水反应，催化剂为HZSM-5（Si/Al为50），其中催化剂装填量为反应液总重量的5%，反应温度330℃，床层质量空速为6h-1，反应结束后，经冷却，收集粗品，再经减压精馏，得到纯的N-氨乙基吗啉产品，通过气相色谱分析，N-氨乙基吗啉产品纯度达到99.1％，过程中原料单程转化率为81％（相对于起始原料吗啉计），选择性(吗啉原料转化为目的产物)为95％。
Claims (5)
1.一种固定床反应器中经非均相催化反应连续合成N-氨乙基吗啉的方法，其特征在于按照下述步骤进行：将原料吗啉、一乙醇胺和水的混合溶液经预热汽化在气相状态下进入反应器，反应器采用层式反应器或绝热固定床反应器；汽化后的原料混合溶液在反应器中发生烷基化脱水反应，然后冷却，收集粗品，再经减压精馏，得到纯的N-氨乙基吗啉，回收的原料其经处理后可进行套用。
2.根据权利要求1所述的一种固定床反应器中经非均相催化反应连续合成N-氨乙基吗啉的方法，其特征在于其中原料液为吗啉：一乙醇胺：水的摩尔比为1∶1～1.2∶1～1.5，，催化剂HZSM-5中Si/Al摩尔比为20～50，催化剂HZSM-5装填量为反应液总重量的2%～5%，，反应温度为290～330℃，床层质量空速为2～6h-1。
3.根据权利要求2所述的一种固定床反应器中经非均相催化反应连续合成N-氨乙基吗啉的方法，其特征在于其中原料液为吗啉：一乙醇胺：水的摩尔比为1∶1∶1，催化剂HZSM-5中Si/Al摩尔比为Si/Al=30，催化剂HZSM-5装填量为反应液总重量的3%，反应温度为300℃，床层质量空速为4h-1。
4.根据权利要求1所述的一种固定床反应器中经非均相催化反应连续合成N-氨乙基吗啉的方法，其特征在于反应过程中所采用的固定床管式反应器，不同摩尔比的吗啉、一乙醇胺和水的混合溶液通过双柱塞微量泵定量进样，进入绝热式固定床反应器；
绝热式固定床反应器为实验室自主组装，不锈钢反应管的温度由温控仪控制，反应区域的温度通过反应管底部的热电耦进行测定；反应后经冷凝管冷凝后，用广口瓶收集，气相色谱分析。
5.根据权利要求1所述的一种固定床反应器中经非均相催化反应连续合成N-氨乙基吗啉的方法，其特征在于固定床管式反应器包括：进样器、加热管、电热耦、催化剂床层、冷凝器、收集器等，其中固定床管式反应器的加热管中间装有电热藕，可以测定反应温度，其外层覆盖一层保温层，有利于保持加热管中的恒温状态，加热管的中间装有催化剂，催化剂的上部和下部各装填了40目的石英砂以充当支撑物，中段填充烷基化催化剂，上段填充适量的瓷环以利于原料混合溶液的气化；原料吗啉、一乙醇胺和水的混合溶液的汽化及烷基化反应过程在反应管中同时进行，原料混合溶液的汽化主要发生在反应管的上段，烷基化反应则主要发生在中段。
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