N-甲酰吗啉是工业上一种优良的溶剂,分子式为C5H9NO2(英文名为N-Formylmorpholine,简称为NFM)。NFM具有沸点高、溶解性和热稳定性好、毒性和腐蚀性小等多个优点,目前已在芳烃抽提、丁烯提浓以及天然气脱硫等工艺中得到应用。NFM的合成方法有多种,根据酰化剂不同一般可以分为甲酸法、甲酸甲酯法、甲酰氯法、羰基酰化法以及吗啉烯胺氧化法等,其中甲酰氯法因为腐蚀及污染问题早已淘汰,甲酸甲酯法需要对甲醇进行回收,羰基酰化法需要价格昂贵的的催化剂等,而甲酸法则因为副反应少,原料易得,是比较适合我国国情一种工业化生产路线。目前,国内的甲酸法合成NFM过程均采用釜式反应器合成和减压精馏塔提纯相结合的间歇生产方式。该工艺过程中反应热利用不充分,后期NFM提纯时需要将带水剂进行蒸馏分离,增加了能耗,而且产品的质量不稳定。在分析现有工艺的优缺点基础上,本文提出了一种将反应精馏和共沸精馏耦合的新工艺来合成NFM。通过实验和模拟计算相结合的办法,考察了工艺的操作条件对产物收率的影响。确定了反应-共沸精馏合成NFM最佳的工艺条件。当进料摩尔比(吗啉﹕甲酸)为1.02,反应物在反应段的停留时间为3.0h,溶剂比(溶剂循环的体积量与甲酸每小时的进料体积之比)为8,塔顶温度为71.6℃,塔底温度111℃,精馏段和提馏段理论板数分别为18和6。在这个条件下,实验得到的NFM平均收率为99.45%。采用ECSS化工流程模拟软件对反应-共沸精馏塔进行了模拟计算,模拟结果与实验数据的吻合性较好。本文采用的平衡级数学模型和UNIFAC模型在一定的工艺条件范围内准确性较高,可以指导工艺设计和放大研究。采用闪蒸的办法来对粗NFM产物进行处理,实验得到了纯度在99.90%以上的NFM产品,闪蒸过程中NFM的单程收率约为99.0%。本工艺采用的产物分离方法简单、可行。本工艺开发成功,将提供一种新的能连续大规模生产NFM的工艺,与现有的合成NFM工艺相比,还具有一系列优点:能充分利用了反应热来精馏分离;所选用的共沸精馏溶剂RA-01能与水形成非均相共沸物,并且与产物NFM不互溶,溶剂回收可以在常温下经过分层处理完成,减少了分离的能耗等。本工艺也是反应精馏和共沸精馏的耦合技术,对复杂耦合工艺的研究具有重要的指导意义。