催化反应精馏法合成DMAC的研究

刘兴敦

吉林成大弘晟能源有限公司 吉林 桦甸 132401

摘 要：采用催化反应精馏法，以冰醋酸和二甲胺为原料，在催化剂氯化锌的作用下合成N,N-二甲基乙酰胺（DMAC）。主要考察了催化剂用量、反应温度、原料配比、回流比等因素的影响，确定了最佳工艺条件。结果表明：在优化工艺条件下，冰醋酸的转化率和DMAC的反应收率分别达到97％和96％以上，纯度达到99.9％以上，DMAC收率高且产品质量好。

关键词：冰醋酸；二甲胺；DMAC；催化反应精馏

N,N-二甲基乙酰胺（DMAC）是一种高沸点、强极性、非质子化有机溶剂，与俗称“溶剂王”和“万能溶剂”的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）为同系物，对多种树脂尤其对聚氨基甲酸酯树脂、聚氨酯树脂、聚酰亚氨树脂等有良好的溶解能力，具有更优异的溶解能力和稳定性，且挥发性低、不易水解、不易变色、腐蚀性低和毒性小。

DMAC可广泛应用于石油加工和有机合成工业领域，国内外主要用作合成纤维、塑料薄膜、涂料、制药、催化剂等的溶剂。目前，国内的腈纶行业和氨纶行业对DMAC的消耗需求占主要部分，并且随着化工行业的发展，DMAC将会有更加广阔的发展空间和市场应用前景。本文以冰醋酸和二甲胺为原料，采用催化反应精馏法常压合成DMAC。该工艺具有工艺过程简洁合理、产品质量高、产生的污染物少且易处理等特点。

1试验部分

1.1反应原理

以冰醋酸和二甲胺为原料，冰醋酸和二甲胺中和生成二甲胺醋酸盐，然后在催化剂作用下分解脱水生成DMAC和水。该反应是一个以醋酸为酰化剂的N-酰化反应，醋酸中酰基C原子上带有部分正电荷，同二甲胺中的N原子上的未共用电子对相互作用，形成二甲胺醋酸盐，再分解脱水转化成酰胺。其反应方程式如下：

1.2原料及仪器

原料：冰醋酸（工业级）；二甲胺（工业级）；氯化锌。

仪器：GC2010气相色谱仪；卡尔费休水分测定仪。

1.3试验方法

在装有气体导入管、温度计和搅拌的四口烧瓶中，加入计量好的冰醋酸，启动搅拌，通入二甲胺气体，生成醋酸胺盐。然后，将醋酸胺盐和催化剂加入到反应精馏装置中，通入二甲胺气体并加热升温，进行醋酸胺盐脱水反应生成DMAC。当反应温度为170℃且反应精馏塔塔顶温度达到140℃以上时，开始由反应精馏塔塔顶收集反应产物，并取样分析产物中DMAC含量，同时连续加入醋酸胺盐进行连续催化反应精馏合成DMAC，控制进料和出料平衡。反应产物再经精馏分离得到DMAC产品。

2结果与讨论

2.1催化剂用量的影响

本工艺以氯化锌为催化剂，以二甲胺和冰醋酸生成的醋酸胺盐为原料，在反应温度为170℃和二甲胺气量为300ml/min等条件下，考察了不同催化剂用量对催化反应精馏合成DMAC的影响，结果见图1。

图1 催化剂用量对DMAC合成反应的影响

由图1可知，催化剂用量较低时，醋酸胺盐脱水生成DMAC的速度较慢，有较多的醋酸胺盐受热分解生成二甲胺和醋酸，不利于合成DMAC反应的进行，而随着催化剂用量的增加，醋酸胺盐脱水反应速度加快，醋酸胺盐热分解量也减少，醋酸转化率和DMAC选择性增加。当催化剂浓度为3%时，醋酸的转化率和DMAC的选择性最高，再增加催化剂用量，副反应和DMAC逆反应被强化，使醋酸转化率和DMAC选择性下降。因此，就该反应而言，催化剂用量为3％较优。

2.2反应温度的影响

本工艺以二甲胺和冰醋酸生成的醋酸胺盐为原料，在催化剂用量为3%，二甲胺气量为300 ml/min和反应时间为4h等条件下，考察了不同反应温度对DMAC合成反应的影响，结果见图2。

图2 反应温度对DMAC合成反应的影响

由图2可知，反应温度对反应有很大的影响，醋酸胺盐在较高的温度下容易脱水生成DMAC，使醋酸胺盐受热可逆反应受到抑制。在170℃时有最优点，此温度下DMAC选择性和反应收率较高，再提高反应温度，DMAC选择性开始有下降趋势。可见，醋酸胺盐在170℃常压下脱水效果较佳，能够得到较高的转化率和选择性，并且符合DMAC精馏分离的温度条件，从而在保证醋酸胺盐有较好的反应效果同时，使反应和分离两个过程有机地结合在一起，奠定了本工艺采用反应精馏技术的基础，可以实现醋酸胺盐经催化反应精馏合成DMAC。

2.3原料配比的影响

本工艺以二甲胺和冰醋酸生成的醋酸胺盐为原料，在催化剂用量为3％和反应温度为170℃等条件下，考察了不同二甲胺气量对醋酸胺盐连续催化反应精馏合成DMAC的影响。

图3 二甲胺气量对DMAC合成反应的影响

由图3可知，二甲胺气量对醋酸转化率有较大的影响而对DMAC选择性影响不大。二甲胺气量较低时，醋酸转化率和DMAC反应收率较低，随着二甲胺气量的增加，醋酸转化率也增加，即过量的二甲胺能够很好的与醋酸胺盐受热分解产生的醋酸再成盐和脱水生成DMAC。当二甲胺：醋酸胺盐＞1：1时，能使醋酸转化率达到96%以上，反应产物中醋酸含量小于2%，而二者配比由1.3：1提高到1.8：1，醋酸转化率没有明显提高。可见，在二甲胺：醋酸胺盐=（1.1～1.3）：1范围内，醋酸胺盐脱水反应效果较优，具有合理的转化率，产物中醋酸含量也较少，且破坏了DMAC和醋酸的共沸组成（DMAC84.1%，醋酸15.9%），可以保证产物在精馏提纯时醋酸和DMAC较易分离，不会因组分的共沸问题而增加分离难度，能够获得高品质的DMAC产品。因此，二甲胺气量在（1.10～1.30）：1范围内时较优。

2.4回流比R的影响

本工艺以二甲胺和冰醋酸生成的醋酸胺盐为原料，在催化剂用量为3%，反应温度为170℃，二甲胺气量300ml/min等条件下，考察了催化反应精馏回流比对DMAC合成反应的影响。

表1 催化反应精馏回流比对合成DMAC的影响

回流比	醋酸转化率（%）	DMAC反应收率（%）
1：1	94.48	93.44
2：1	95.63	94.67
4：1	97.01	96.04
6：1	97.08	96.11
8：1	97.15	订阅方式： ①在线订阅（推荐）：www.sdchem.net.cn ②邮局订阅：邮发代号24-109 投稿方式： ①在线投稿（推荐）：www.sdchem.net.cn 　　作者只需要简单注册获得用户名和密码后，就可随时进行投稿、查稿，全程跟踪稿件的发表过程，使您的论文发表更加方便、快捷、透明、高效。 ②邮箱投稿：sdhgtg@163.com sdhg@sdchem.net 　　若“在线投稿”不成功，可使用邮箱投稿，投稿邮件主题：第一作者名字/稿件题目。 投稿时请注意以下事项： 　　①文前应有中英文“题目”、“作者姓名”、“单位”、“邮编”、“摘要”、“关键词”； 　　②作者简介包括：姓名、出生年、性别、民族、籍贯或出生地、工作单位、职务或职称、学位、研究方向； 　　③论文末应附“参考文献”，执行国标GB/T7714-2005标准，“参考文献”序号应与论文中出现的顺序相符； 　　④注明作者的联系方式，包括电话、E-mail、详细的通讯地址、邮编，以便联系并邮寄杂志。 　　 　 联系电话：0531-86399196     传真：0531-86399186 欢迎投稿   答复快捷   发表迅速                                                                                   山东化工稿件修改细则 传真：0531-86399780　 QQ：1462476675　 微信号：sdhg-bjb 采编部电话：0531-86399196　 Email: sdhg@sdchem.net　 sdhgtg@163.com 备案号：鲁ICP备2021036540号-5