连续法制备2-乙烯基吡啶的放大实验

(淄博职业学院制药与生物工程系，山东淄博，255314)

2-乙烯基吡啶(2-VP)是合成丁苯吡胶乳的主要原料，其还可用于制备医药中间体、聚电解质、离子交换树脂和助剂等[1]。合成2-乙烯基吡啶有多种技术路线[2]，其中研究最多的方法有两种：一是将2-甲基吡啶(2-MP)与甲醛缩合生成2-羟乙基吡啶(2-HEP)，然后2-羟乙基吡啶再在碱性条件下脱水生成2-乙烯基吡啶的二步法：

二是在催化剂作用下，将2-甲基吡啶和甲醛反应直接得到2-乙烯基吡啶的一步法。二步法的缺点是流程长、收率低，而使用酸催化剂的一步法则是一个改进途径。

一步法在管式反应器中连续化反应比在高压釜中间歇反应需要的反应时间短，有利于抑制副反应，同时易于将反应产物快速冷却也可抑制副反应的发生。本文所述是以小试研究为基础，采用蛇管式反应器对一步法反应条件进行的放大实验研究。扩试中2-MP投料量为6-12kg/h，2-VP产量为1.2-2.4kg/h，是小试规模的50倍以上。

1 实验部分

1.1 流程

用氮气将甲醛罐内的物料压入混合罐A，同样将2-MP罐内的物料放入混合罐A，再加入催化剂搅拌均匀。然后将A罐物料压入计量罐B，空出A罐继续用于配料。用高压计量泵将B罐物料定量地打入预热器→一段反应器→二段反应器，在一定温度、压力和停留时间下反应后，经快冷器冷却并经过滤器过滤，然后通过薄膜调节阀送入贮罐。

用气相色谱法分析缩合产物中各主要成分的含量；用电阻体热电偶测温；用仪表调节电热丝电流；用压力变送器调节气动薄膜阀的控制压力。甲醛罐及混合罐A、计量罐B均带有夹套，用热水保温在约50℃，以防甲醛自聚。

1.2 原料与仪器

原料：2-MP(含量 97.6%—98.8%，北京第二制药厂出品)；甲醛(含HCHO约420 g/L—453g/L、CH3OH<1.0%、HCOOH 0.6 g/L—4.8g/L，吉化公司出品)；磷酸(含H3PO4>85%，北京红星化工厂出品)。

设备：设备、阀门和管线均采用不锈钢，高压定量泵-缩合油贮罐间的管线、阀门及设备均耐压120kg/cm2。反应器有两种可选用：一种为Φ8×1.5，长20m(带三个测温口)；另一种为Φ8×1.5，长10m(带三个测温口)。预热器为Φ8×1.5，长25m(出口处带测温口)。通过预热器、反应器之间的不同组合，结合流量控制来改变反应停留时间(反应时间)。

1.3 收率计算式

(1)

(2)

2-VP有效收率=(1)÷(2)

2 结果与讨论

2.1 反应温度的影响

在预热段→一段反应管→二段反应管组合反应系统中，按小试优化条件n(2-MP)/n(甲醛)=2.0～2.05、压力49MPa(50kg/cm2) 、H3PO4/2-MP=2.5%(w/w)，于温度200℃预热2.5min，不同温度反应4min，考察反应温度的影响，得到表1结果。

表1 反应温度的影响

由表1可见，反应温度增高时，开始2-VP单程和有效收率均增加，250℃达到峰值，收率开始下降。而且，210-250℃残渣率缓慢上升，高于250℃时则残渣率快速上升。结果与小试基本一致。

2.2 反应时间的影响

在其他反应条件与2.1相同的情况下，通过控制流量改变停留时间考察反应时间对2-VP收率的影响，得到表2所列结果。

表2 停留时间对反应的影响

由表2可见，增加反应时间时，停留时间5min(不计预热)达到2-VP收率峰值，停留时间再长则2-VP收率下降，说明副反应加剧。

2.3 预热温度对反应的影响

由于2-MP和甲醛反应的温度较高，而在管式反应器中反应物停留时间较短，因此需要对反应物料预热。由2-MP(25℃，液态)和2-VP(25℃，液态)燃烧热分别为-3431.4kJ/mol和-3904.3kJ/mol，甲醛(25℃，液态)的燃烧热为-570.9kJ/mol、溶解热为61.9kJ/mol等数据计算得：2-MP+甲醛→2-VP的反应热为-36.0kJ/mol，属于弱放热反应。所以，预热温度不宜过高，否则在反应段有可能要采取降温措施，使操作复杂化。

实验证明，将2-MP、甲醛和磷酸混合预热到210℃(预热时间取决于流量，为2.5-5.0min)，然后再在250℃反应为宜。而分别预热2-MP与甲醛-磷酸混合物再混合通入反应器的方法，由于甲醛在120-150℃就已成醣、碳化使预热器堵塞而失效。

2.4 催化剂H3PO4用量的影响

小试结果显示，采用磷酸做催化剂效果比用硫酸效果好。在其他条件与2.1相同的情况下，改变催化剂磷酸配比，考察磷酸用量对反应的影响，结果如表3所示。

表3 磷酸用量的影响

由表3可见，磷酸量增加时，2-VP单程收率与有效收率增加， H3PO4用量/2-MP=2.0(wt/%)时达峰值后，2-VP收率有所降低，而小试时当磷酸用量为2.5%时2-VP收率最高。

2.5 反应物配比的影响

小试时反应物较佳配比是n(2-MP)/n(甲醛)=2.0。考虑放大实验装置规模远大于小试装置，二者操作状况不太可能完全等同，因此本次扩试也对反应物配比对收率的影响进行了考察，结果见表4。

由表4可见，当n(2-MP)/n(甲醛)=2.5时，2-VP收率最高，且比小试结果高约2个百分点。

2.6 反应压力的影响

本放大实验对反应压力的影响进行了比小试更大范围的考察。反应条件按n(2-MP)/n(甲醛)=2.5、H3PO4/2-MP=2.0%(w/w) 、预热温度210℃、反应温度250℃，考察反应压力的影响，得到表5结果。

表4 反应物配比的影响

表5 反应压力的影响

由表5可见在44.1MPa以上，反应压力对收率的影响已不明显。因此，为便于调节，反应适宜的压力可选择在49±4.9MPa范围内。

3 结论

以小试结果为基础，对一步法由2-MP和甲醛合成2-VP进行了放大实验，确定的较佳反应条件为：n(2-MP)/n(甲醛)=2.5、H3PO4/2-MP=2.0%(w/w) 、预热温度210℃、反应温度250℃、反应时间5min、反应压力49±4.9MPa。要求2-MP纯度>96%(除水分外，杂质<0.4%)，甲醛为脱醇甲醛。放大实验结果较小试为优，且残渣少一半左右。该工艺投入千吨规模工业级运行，取得良好效果。