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摘要 二甲脲是一种重要的化工原料，同时也是一种重要的医药中间体，可用于20多种医药及中间体的合成，也可用于多种农药杀虫剂及除草剂的合成，二甲脲还可用作纤维处理剂。本文主要介绍了二甲脲的工业生产工艺，即由尿素和一甲胺合成，分析了其合成机理及工艺过程，并对二甲脲合成工艺进行改进，对比了改造前、后二甲脲的技术指标;同时简述了二甲脲的分析方法;最后对二甲脲的改进工艺进行了总结。
关键词：二甲脲工艺 改造 咖啡因
1 概述
1.1 二甲脲的理化性质
二甲脲英文名：1，3-dimethylurea，别名：N，N-dimethylurea、1，3-二甲基脲;其分子式：C3H8N2O，（CH3NH）2CO;分子量：88.11。
性状：不溶于醚，水中溶解度：765g/l（21.5℃），沸点：270℃，熔点：105℃，密度1.142g/cm3。
1.2 二甲脲的用途
二甲脲是一種重要的化工原料和医药中间体，是黄嘌呤系列产品（咖啡因、茶碱、氨茶碱、可可豆碱）合成路线的前步中间体。
咖啡因是一类精神药品，还广泛用于饮料行业，如美国的“可口可乐”和“百事可乐”饮料，在日本等国还部分作为复印纸显影用（感光促进剂）和海轮油漆用[1]。其生产工艺为二甲脲路线，主要工序有二甲脲合成、醋酐缩合、还原酰化、甲基化、精制等。二甲脲法收率高，成本低，消耗少，周期短，设备要求不高，操作简便，容易控制，适合于工业生产。
2 二甲脲的合成
二甲脲传统生产工艺是由尿素和一甲胺合成。
2.1 反应机理
合成工艺：一甲胺气通入熔融尿素反应得二甲脲成品 [2]。
2.2 工艺过程分析
甲胺溶液气化，甲胺蒸气冷却、预热，反应吸收，氨气吸收是一个前后平衡的统一整体。根据反应机理分析，反应物的反应温度和通胺总量必须保证。在此前提下，欲提高产量，需缩短反应周期，即提高单位时间内的通胺速度，则气化、冷却、预热和两个吸收的能力应同时提高，关键是反应吸收能力，即反应物在单位时间内吸收甲胺量增加一倍。而在目前工艺条件下，此量已是最大量，提高通胺速度，只能造成甲胺气的浪费。故应通过设备工艺调整予以解决。
2.3 合成原料
2.3.1 尿素
分子式：CO（NH2）2，分子量 60.06，CO（NH2）2 无色或白色针状或棒状结晶体，工业为白色略带微红色固体颗粒无臭无味。密度1.335g/cm3。熔点132.7℃。溶于水、醇，不溶于乙醚、氯仿。呈微碱性。可与酸作用生成盐。有水解作用。在高温下可进行缩合反应，生成缩二脲、缩三脲和三聚氰酸。加热至160℃分解，产生氨气同时变为氰酸。
生产方法：工业上用液氨和二氧化碳为原料，在高温高压条件下直接合成尿素，是一个可逆反应，因受化学平衡的限制，NH3和CO2合成只能部分转化为尿素。
尿素易溶于水，在20℃时100毫升水中可溶解105克，水溶液呈中性反应。尿素产品有两种。结晶尿素呈白色针状或棱柱状晶形，吸湿性强。粒状尿素为粒径1～2毫米的半透明粒子，外观光洁，吸湿性有明显改善。20℃时临界吸湿点为相对湿度80%，但30℃时，临界吸湿点降至72.5%，故尿素要避免在盛夏潮湿气候下敞开存放。
2.3.2 一甲胺
理化特性：一甲胺是无色气体，有鱼腥气味或氨的刺激气味。分子式C-H5-N，分子量31.06，相对密度0.699（-10.8/4℃），熔点-93.5℃，沸点-6.3℃，自燃点430℃，蒸气密度1.07，蒸气压202.62kPa（25℃）。蒸气与空气混合物爆炸限4.9～20.7% 。易溶于水，溶于乙醇、乙醚、苯和丙酮。在水溶液中一甲胺可分解成甲醇和氨，水溶液呈强碱性。腐蚀铜、铜合金、锌合金、铝和镀锌表面。当在冰和盐水混合和物中冷却时，会冒烟。遇明火、火花易燃烧、爆炸，可与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限5%～21%。加热分解或燃烧，生成氮氧化物。
2.4 工艺设备改造
2.4.1 第一次扩产改造，增大尿素投料量
在原有反应罐罐体和罐盖之间加装一段直径与筒体相同、高度300mm的搪玻璃筒体（带加热夹层，法兰连接），增加尿素1/2投料量，则产量等比增加。
2.4.2 第二次扩产改造，缩短反应周期
（1）增加1个反应罐
原工艺设置是4个反应罐串联，反应周期10h，每批料在罐通胺总时间为40h。增串一个反应罐（罐0#），不仅使吸收能力加大，前罐剩余甲胺气被充分吸收，使产品质量合格，而且在保证通胺总时间的前提下，反应时间缩短为8h。
（2）调整投尿素操作法
保留原1#罐尾气吸收管路，这样在0#罐投熔尿素期间1#～4#反应罐亦能正常通胺反应，投料结束，恢复5罐串联，使每批料减少生产周期1h。
（3）增加甲胺预热装置
通过利用增加1套甲胺溶液气化装置，与原装置并联，塔内填装新型不锈钢波纹填料（不破碎，不损耗，保证气液分离）。针对冬季甲胺溶液温度低（0℃左右）、气化时间长，而夏季冷却水温度高、气化塔冷却效果差的问题，将原气化塔上一节空段改为列管式换热器（F=4 m2），以气化前甲胺溶液为冷媒，正常蒸胺时，可将其预热40～60℃，而后进罐气化，既节省水气，又减少通胺结束后蒸残胺时间（每批0.5h）。
尾气吸收装置由原真空吸收改为直接正压吸收，结构简单，不耗电能，且根本消除过去因尾气循环设备出故障而对操作造成的影响。将付料给下步岗位的二甲脲计量器由常温敞口料槽（质量计量）改为密闭保温的计量罐（体积计量），节省付料时间，改善操作环境。
2.5 效果与讨论 由于不动主要设备，仅对个别设备进行调整，改造前后相比不仅产量倍增，而且二甲脲质量、收率同步提高，原料及水电汽单耗大幅下降，满足后步扩产需要，经济效益十分可观。
3 二甲脲的分析方法
传统的亚硝酸钠法分析二甲脲，只能分析其含量，并且因使用外指示剂法，颜色变化不很明显，致使分析结果误差较大。利用薄层色谱分离二甲脲，再用分光光度法测定，国内外已有报道，但樣品处理繁杂，且分析误差大。用气相色谱法测定取代脲，虽然样品处理简单了，但实验条件较难掌握，常有样品分解发生。新华制药厂根据生产需要，利用高效液相色谱分析法进行抽检。
3.1 高效液相色谱分析[3]
本方法利用普通的C18柱，采用高效液相色谱法，对二甲脲进行含量及杂质含量分析。分析二甲脲，经济实用并且有效。分析的精度、线性均良好。此方法所得分析结果与亚硝酸钠法分析结果保持一致，并可从谱图中直接得到一甲脲等杂质的相对百分含量，有助于生产上的分析、控制。新华制药厂根据生产需要，利用高效液相色谱分析法进行抽检。
3.2 紫外可见分光光度法测定二甲脲中的一甲脲[4]
本方法利用一甲脲衍生物的吸光特性，采用紫外可见分光光度法进行分析。在同期大批量生产过程中，经建立一甲脲的线性方程，就可简单、快速的分析出二甲脲样品中的一甲脲含量。
同时本方法适用于一甲脲与尿素通过合成反应的二甲脲中一甲脲杂质的测定。当生产工艺发生改变时，应重新验证方法的可行性。
TU-1800 SPC 紫外可见分光光度计的良好性能，保证了测试数据的精密度，操作性能的稳定可靠。
基本原理：一甲脲与对二甲胺基苯甲醛反应生成对二甲胺基-亚共胺基-甲脲。而二甲脲不与对二甲胺基苯甲醛反应。利用对二甲胺基-亚共胺基-甲脲在一定波长下特微吸收进行光度分析，可以测定二甲脲中一甲脲的含量。
参考文献
[1] 黄章才. 咖啡因工艺技术改造总结[J]. 化工生产与技术，1998， （3）：53-54.
[2] 史大鹏，石俊杰，孙晓波. 对咖啡因车间二甲脲工序的二次扩产改造[J]. 化工生产与技术，2001，8（2）：24-26.
[3] 刘胜高. 二甲脲的高效液相色谱分析[J]. 化工文摘，2007，（1）：59-60.
[4] 刘胜高. 紫外可见分光光度法测定二甲脲中的一甲脲[J]. 化工文摘，2005，6（3）：89-90.
关键词：二甲脲工艺 改造 咖啡因
1 概述
1.1 二甲脲的理化性质
二甲脲英文名：1，3-dimethylurea，别名：N，N-dimethylurea、1，3-二甲基脲;其分子式：C3H8N2O，（CH3NH）2CO;分子量：88.11。
性状：不溶于醚，水中溶解度：765g/l（21.5℃），沸点：270℃，熔点：105℃，密度1.142g/cm3。
1.2 二甲脲的用途
二甲脲是一種重要的化工原料和医药中间体，是黄嘌呤系列产品（咖啡因、茶碱、氨茶碱、可可豆碱）合成路线的前步中间体。
咖啡因是一类精神药品，还广泛用于饮料行业，如美国的“可口可乐”和“百事可乐”饮料，在日本等国还部分作为复印纸显影用（感光促进剂）和海轮油漆用[1]。其生产工艺为二甲脲路线，主要工序有二甲脲合成、醋酐缩合、还原酰化、甲基化、精制等。二甲脲法收率高，成本低，消耗少，周期短，设备要求不高，操作简便，容易控制，适合于工业生产。
2 二甲脲的合成
二甲脲传统生产工艺是由尿素和一甲胺合成。
2.1 反应机理
合成工艺：一甲胺气通入熔融尿素反应得二甲脲成品 [2]。
2.2 工艺过程分析
甲胺溶液气化，甲胺蒸气冷却、预热，反应吸收，氨气吸收是一个前后平衡的统一整体。根据反应机理分析，反应物的反应温度和通胺总量必须保证。在此前提下，欲提高产量，需缩短反应周期，即提高单位时间内的通胺速度，则气化、冷却、预热和两个吸收的能力应同时提高，关键是反应吸收能力，即反应物在单位时间内吸收甲胺量增加一倍。而在目前工艺条件下，此量已是最大量，提高通胺速度，只能造成甲胺气的浪费。故应通过设备工艺调整予以解决。
2.3 合成原料
2.3.1 尿素
分子式：CO（NH2）2，分子量 60.06，CO（NH2）2 无色或白色针状或棒状结晶体，工业为白色略带微红色固体颗粒无臭无味。密度1.335g/cm3。熔点132.7℃。溶于水、醇，不溶于乙醚、氯仿。呈微碱性。可与酸作用生成盐。有水解作用。在高温下可进行缩合反应，生成缩二脲、缩三脲和三聚氰酸。加热至160℃分解，产生氨气同时变为氰酸。
生产方法：工业上用液氨和二氧化碳为原料，在高温高压条件下直接合成尿素，是一个可逆反应，因受化学平衡的限制，NH3和CO2合成只能部分转化为尿素。
尿素易溶于水，在20℃时100毫升水中可溶解105克，水溶液呈中性反应。尿素产品有两种。结晶尿素呈白色针状或棱柱状晶形，吸湿性强。粒状尿素为粒径1～2毫米的半透明粒子，外观光洁，吸湿性有明显改善。20℃时临界吸湿点为相对湿度80%，但30℃时，临界吸湿点降至72.5%，故尿素要避免在盛夏潮湿气候下敞开存放。
2.3.2 一甲胺
理化特性：一甲胺是无色气体，有鱼腥气味或氨的刺激气味。分子式C-H5-N，分子量31.06，相对密度0.699（-10.8/4℃），熔点-93.5℃，沸点-6.3℃，自燃点430℃，蒸气密度1.07，蒸气压202.62kPa（25℃）。蒸气与空气混合物爆炸限4.9～20.7% 。易溶于水，溶于乙醇、乙醚、苯和丙酮。在水溶液中一甲胺可分解成甲醇和氨，水溶液呈强碱性。腐蚀铜、铜合金、锌合金、铝和镀锌表面。当在冰和盐水混合和物中冷却时，会冒烟。遇明火、火花易燃烧、爆炸，可与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限5%～21%。加热分解或燃烧，生成氮氧化物。
2.4 工艺设备改造
2.4.1 第一次扩产改造，增大尿素投料量
在原有反应罐罐体和罐盖之间加装一段直径与筒体相同、高度300mm的搪玻璃筒体（带加热夹层，法兰连接），增加尿素1/2投料量，则产量等比增加。
2.4.2 第二次扩产改造，缩短反应周期
（1）增加1个反应罐
原工艺设置是4个反应罐串联，反应周期10h，每批料在罐通胺总时间为40h。增串一个反应罐（罐0#），不仅使吸收能力加大，前罐剩余甲胺气被充分吸收，使产品质量合格，而且在保证通胺总时间的前提下，反应时间缩短为8h。
（2）调整投尿素操作法
保留原1#罐尾气吸收管路，这样在0#罐投熔尿素期间1#～4#反应罐亦能正常通胺反应，投料结束，恢复5罐串联，使每批料减少生产周期1h。
（3）增加甲胺预热装置
通过利用增加1套甲胺溶液气化装置，与原装置并联，塔内填装新型不锈钢波纹填料（不破碎，不损耗，保证气液分离）。针对冬季甲胺溶液温度低（0℃左右）、气化时间长，而夏季冷却水温度高、气化塔冷却效果差的问题，将原气化塔上一节空段改为列管式换热器（F=4 m2），以气化前甲胺溶液为冷媒，正常蒸胺时，可将其预热40～60℃，而后进罐气化，既节省水气，又减少通胺结束后蒸残胺时间（每批0.5h）。
尾气吸收装置由原真空吸收改为直接正压吸收，结构简单，不耗电能，且根本消除过去因尾气循环设备出故障而对操作造成的影响。将付料给下步岗位的二甲脲计量器由常温敞口料槽（质量计量）改为密闭保温的计量罐（体积计量），节省付料时间，改善操作环境。
2.5 效果与讨论 由于不动主要设备，仅对个别设备进行调整，改造前后相比不仅产量倍增，而且二甲脲质量、收率同步提高，原料及水电汽单耗大幅下降，满足后步扩产需要，经济效益十分可观。
3 二甲脲的分析方法
传统的亚硝酸钠法分析二甲脲，只能分析其含量，并且因使用外指示剂法，颜色变化不很明显，致使分析结果误差较大。利用薄层色谱分离二甲脲，再用分光光度法测定，国内外已有报道，但樣品处理繁杂，且分析误差大。用气相色谱法测定取代脲，虽然样品处理简单了，但实验条件较难掌握，常有样品分解发生。新华制药厂根据生产需要，利用高效液相色谱分析法进行抽检。
3.1 高效液相色谱分析[3]
本方法利用普通的C18柱，采用高效液相色谱法，对二甲脲进行含量及杂质含量分析。分析二甲脲，经济实用并且有效。分析的精度、线性均良好。此方法所得分析结果与亚硝酸钠法分析结果保持一致，并可从谱图中直接得到一甲脲等杂质的相对百分含量，有助于生产上的分析、控制。新华制药厂根据生产需要，利用高效液相色谱分析法进行抽检。
3.2 紫外可见分光光度法测定二甲脲中的一甲脲[4]
本方法利用一甲脲衍生物的吸光特性，采用紫外可见分光光度法进行分析。在同期大批量生产过程中，经建立一甲脲的线性方程，就可简单、快速的分析出二甲脲样品中的一甲脲含量。
同时本方法适用于一甲脲与尿素通过合成反应的二甲脲中一甲脲杂质的测定。当生产工艺发生改变时，应重新验证方法的可行性。
TU-1800 SPC 紫外可见分光光度计的良好性能，保证了测试数据的精密度，操作性能的稳定可靠。
基本原理：一甲脲与对二甲胺基苯甲醛反应生成对二甲胺基-亚共胺基-甲脲。而二甲脲不与对二甲胺基苯甲醛反应。利用对二甲胺基-亚共胺基-甲脲在一定波长下特微吸收进行光度分析，可以测定二甲脲中一甲脲的含量。
参考文献
[1] 黄章才. 咖啡因工艺技术改造总结[J]. 化工生产与技术，1998， （3）：53-54.
[2] 史大鹏，石俊杰，孙晓波. 对咖啡因车间二甲脲工序的二次扩产改造[J]. 化工生产与技术，2001，8（2）：24-26.
[3] 刘胜高. 二甲脲的高效液相色谱分析[J]. 化工文摘，2007，（1）：59-60.
[4] 刘胜高. 紫外可见分光光度法测定二甲脲中的一甲脲[J]. 化工文摘，2005，6（3）：89-90.