相转移催化法合成一缩二丙二醇的工艺研究

论文摘要

一缩二丙二醇（Dipropylene Glycol,DPG）是环氧丙烷的重要工业衍生物之一,广泛应用于增塑剂和不饱和聚酯树脂生产,以及化妆品和香水制造等领域,伴随着世界消费水平的增长,人们对高品质DPG产品的需求越来越高,由于高品质的DPG技术一直被国外所垄断,因此目前我国尚无该产品的工业化生产。DPG传统的合成方法主要采用环氧丙烷在酸或碱性条件下开环后与丙二醇缩合制得,比较成熟的工艺主要有液体酸或固体甲醇钠催化法,传统的液体酸或碱催化法DPG收率为61.5%～67.3%,产物选择性69%～75%,且存在腐蚀设备、污染环境以及后续处理困难等一系列缺点。环境友好型固体酸或固体碱虽然能克服液体酸或碱的诸多缺点,但是固体酸、碱催化反应中往往存在严重的固-液相界面效应,导致反应周期明显增长、反应能耗较高等诸多不利因素,因而大多只能停留在实验室研究阶段,极大地阻碍了该法的工业化进程。伴随着相转移催化法的广泛应用,相转移催化剂（PTC）能使非均相反应在温和的条件下进行,使反应速度大大提高,克服酸或碱催化固-液相界面效应大的瓶颈,因此它将会是一种较有工业化应用前景的催化合成方法。鉴于国内对高品质DPG的需求主要依赖于进口,国内的企业有必要加强该产品的合成新工艺的开发,尽快开发一条生产出质优价廉、同时适用于我国国情的工艺路线,加快实现目前国内该产品工业化生产进程,因此研究开发高品质DPG的绿色合成工艺不仅具有广阔的发展前景和现实的应用价值,而且具有学术意义,可为环氧丙烷的利用开辟新途径。本文以合成高品质DPG为目标,在研究传统液体酸和固体甲醇钠催化法合成DPG产品的基础上,将相转移催化法用于DPG绿色合成,以消除酸碱催化法中存在的界面效应影响,并合成出具有高产率、高品质、无污染的DPG产品。采用正交实验和单因素实验优化了液体硫酸催化合成DPG反应较适宜工艺条件为:85%硫酸用量4%wt,反应温度42℃,PG与PO的摩尔比0.7:1,1,2-丙二醇加料方式为滴加,滴加速度30 g·h-1,反应时间4～4.5h,DPG的收率可达65.3%,PO转化率可达71.5%。采用自制的SO 4 2? /Fe2O3型固体酸,通过均匀设计建立了PG与PO的摩尔配比x （1）、催化剂用量x （2）、反应时间x （3）和反应温度x （4）和目标函数的响应方程,回归分析达到显著水平。回归响应方程为:基于响应方程的优化分析得到固体酸催化法合成DPG的最佳工艺条件为:反应温度为150℃,1,2-丙二醇与环氧丙烷摩尔比为0.9:1,固体酸催化剂为原料总重量4%的,反应时间为14h,DPG的收率可达68.7%。通过正交实验和单因素实验法确定了固体甲醇钠催化法最佳的合成DPG反应条件:以分散型的固体甲醇钠颗粒（4%wt）为催化剂,反应温度100℃,PG与PO的摩尔比1.2:1, PO的加料速度90g·min-1,反应时间8h,DPG收率为70.3%,PO转化率可达80.5%。经进一步纯化处理,DPG产品的纯度可达99.8%。通过对反应机理的研究,建立了甲醇钠催化法合成反应的动力学模型,其宏观动力学模型为:分别将相转移催化法用于固体酸和固体甲醇钠的合成工艺,并采用单因素实验对工艺条件进行了优化。以四丁基溴化铵TBAB为相转移催化剂的PTC-固体酸催化法,适宜催化剂用量为总原料摩尔数的4%,反应时间8h,反应温度120℃,搅拌速度460r·min-1,其DPG的收率为77.9%;采用PTC-固体甲醇钠催化法时相转移催化剂为18-冠-6聚醚,催化剂用量为总原料摩尔数的3%,反应时间4h,反应温度70℃,搅拌速度460 r·min-1,DPG的收率可达82.2%。可以看出相转移催化法是一种高品质DPG的绿色催化合成方法,它既保留了固体酸的高选择性、环境友好性以及后续处理简易性的优点,同时又具有固体甲醇钠催化时的高收率、简易操作的特点,具有较好的工业化前景。采用GC/MS联机和IR对DPG产品的含量和结构进行了分析和表征,采用比表面积测定仪、IR以及SEM对固体酸催化剂进行了表征,采用数字熔点仪、元素分析仪和1HNMR对自制相转移催化剂进行了表征。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 1 文献综述
• 1.1 绿色化学的兴起
• 1.1.1 环境友好型固体酸的开发与应用
• 1.1.2 固体酸开发研究现状
• 1.1.2.1 固体酸催化剂国内外生产研究现状
• 1.1.2.2 固体酸催化剂应用研究
• 1.1.3 相转移催化法的研究与开发
• 1.1.3.1 相转移催化法反应机理
• 1.1.3.2 常用的相转移催化剂
• 1.1.3.3 相转移催化反应的应用
• 1.2 环氧丙烷衍生物的开发
• 1.2.1 环氧丙烷生产技术的发展
• 1.2.2 聚醚多元醇
• 1.2.3 丙二醇醚
• 1.2.4 一缩二丙二醇的生产工艺研究
• 1.2.4.1 DPG 简介
• 1.2.4.2 DPG 生产市场简介
• 1.2.4.3 DPG 合成方法
• 1.2.4.4 DPG 的应用
• 1.3 课题的目的、意义及主要研究内容
• 2 酸催化合成一缩二丙二醇的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要试剂及仪器
• 2.2.2 DPG 传统工艺合成法-液体酸催化法
• 2.2.2.1 反应原理
• 2.2.2.2 液体酸催化合成方法
• 2.2.3 环境友好型固体酸催化法
• 2.2.3.1 催化合成原理
• 2.2.3.2 固体酸催化剂的制备实验
• 2.2.3.3 固体酸的催化合成 DPG 实验
• 2.2.3.4 催化剂的循环使用
• 2.2.4 分析与表征方法
• 2.2.4.1 残余环氧丙烷含量测定
• 2.2.4.2 DPG 含量分析
• 2.2.4.3 DPG 结构表征
• 2.2.4.4 固体酸的结构表征以及酸度分析
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 液体酸催化法反应规律的研究
• 2.3.1.1 催化剂的筛选
• 2.3.1.2 确定较适宜的反应条件
• 2.3.1.3 PG 和PO的摩尔配比对反应规律的影响
• 2.3.1.4 反应温度对反应规律的影响
• 2.3.1.5 PG 进料速度对反应规律的影响
• 2.3.1.6 催化剂用量对反应规律的影响
• 2.3.1.7 液体酸催化法最佳反应条件的确定
• 2.3.2 固体酸催化法合成一缩二丙二醇的反应规律的研究
• 2.3.2.1 固体酸催化剂的选择
• 2.3.2.2 固体酸催化剂的制备研究
• （1） 焙烧温度的影响
• （2） 浸渍液浓度的影响
• （3） 浸渍时间的影响
• （4） 催化剂重复使用对DPG 收率的影响
• 4^2-/Fe₂O₃的分析与表征'>2.3.2.3 固体酸 SO₄^2-/Fe₂O₃的分析与表征
• 2.3.2.4 均匀设计法确定固体酸催化法的最优工艺条件
• （1） 均匀实验设计与结果
• （2） 实验数据的回归分析
• （3） 最优条件分析
• （4） 影响因素分析
• 2.3.2.5 固体酸催化法合成 DPG 的最优条件确定
• 2.4 本章小结
• 3 碱催化合成一缩二丙二醇及其动力学研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原料与仪器
• 3.2.2 反应原理
• 3.2.3 合成方法
• 3.2.3.1 无水甲醇钠的制备
• 3.2.3.2 DPG 合成步骤
• 3.2.4 产品的精制
• 3.2.4.1 中和吸附法对 DPG 提纯
• 3.2.4.2 离子交换色谱柱法对 DPG 精制
• 3.2.5 自制甲醇钠的分析
• 3.2.5.1 总碱含量的测定
• 3.2.5.2 游离碱含量分析
• 3.2.5.3 甲醇钠含量
• 3.2.6 DPG 分析
• 3.2.6.1 含量分析
• 3.2.6.2 结构表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 适宜催化剂筛选
• 3.3.2 自制甲醇钠与分析纯甲醇钠对比实验
• 3.3.3 确定较适宜的反应条件
• 3.3.4 最优条件筛选
• 3.3.4.1 反应时间对反应规律的影响
• 3.3.4.2 环氧丙烷滴加速度对反应规律的影响
• 3.3.4.3 催化剂用量对反应规律的影响
• 3.3.4.4 固体甲醇钠催化法合成 DPG 最佳工艺条件的确定
• 3.3.5 醇钠法合成DPG 宏观反应动力学方程的推导
• 3.3.5.1 反应机理分析
• 3.3.5.2 反应动力学方程的导出
• 3.3.6 动力学方程实验验证方法
• 3.3.6.1 反应级数确定的方法
• 3.3.6.2 反应速率常数确定的方法
• 3.3.6.3 反应级数的确定
• 3.3.6.4 反应速率常数的确定
• 3.3.7 产品的表征
• 3.3.7.1 DPG 产品的质谱分析
• 3.3.7.2 DPG 产品的气相色谱分析
• 3.3.7.3 DPG 产品的红外结构表征
• 3.3.7.4 自制DPG 产品与DPG 工业品性能的比较
• 3.4 本章小结
• 4 相转移催化法合成一缩二丙二醇的研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验原料和仪器设备
• 4.2.2 PTC-固体酸催化合成 DPG
• 4.2.2.1 催化合成原理
• 4.2.2.2 催化合成实验
• 4.2.3 PTC-固体甲醇钠催化合成 DPG
• 4.2.3.1 催化合成机理
• 4.2.3.2 催化合成实验
• 4.2.4 相转移催化剂大环聚醚的合成
• 4.2.4.1 冠醚的合成
• 4.2.4.2 冠醚的精制
• 4.2.4.3 冠醚的结构表征
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 相转移催化法反应规律的研究
• 4.3.1.1 催化剂的选择
• 4.3.1.2 PTC 催化剂用量的确定
• 4.3.1.3 反应时间的确定
• 4.3.1.4 反应温度的确定
• 4.3.1.5 搅拌速度的影响
• 4.3.2 最佳反应条件的确定
• 4.3.3 相转移催化法的优势
• 4.3.4 相转移催化剂分析检测和结构表征
• 4.3.4.1 相转移催化剂冠醚外观
• 4.3.4.2 冠醚的熔点
• 4.3.4.3 冠醚元素分析测试结果
• 4.3.4.4 聚醚的HNMR 结构表征
• 4.4 本章小结
• 5 结论
• 6 本文创新点
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文