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羟基乙酸乙酯是一种重要的化工产品,但目前而言其生产规模较小,且大多为间歇操作,工艺流程复杂。本文以羟基乙腈水溶液为原料,经硫酸水解、乙醇醇析后采用反应精馏法制备羟基乙酸乙酯,工艺简单,可实现连续化生产。 首先分析了羟基乙腈水溶液中各组分的含量,再以其为原料在过量硫酸条件下水解为羟基乙酸和硫酸铵的混合物,研究了硫酸浓度和投料方式对水解过程的影响。实验结果表明,直接采用98%的硫酸往羟基乙腈水溶液滴加的投料方式,当硫酸和羟基乙腈的摩尔比在0.55~0.65的范围,羟基乙腈可基本完全水解,同时含水量低,后续处理方便。对于羟基乙腈水解得到的混合物,首先用适量氨水中和未完全反应的硫酸,再经减压蒸馏脱除绝大部分的水,得到羟基乙酸和硫酸铵黏稠状的混合物。然后采用乙醇醇析法分离羟基乙酸和硫酸铵,考察了该过程中醇析次数、醇析温度和乙醇用量的影响,得到在醇析3次,实验温度范围55~60℃,乙醇和羟基乙酸的质量比6∶1的条件下,羟基乙酸的收率和硫酸铵的脱除率均在96%以上。 羟基乙酸和硫酸铵的混合物经乙醇多次醇析后得到羟基乙酸和乙醇的液体混合物,以及较为纯净的硫酸铵固体,硫酸铵可作肥料等用途,液体混合物即作为反应精馏制备羟基乙酸乙酯的原料。以该液体混合物为原料在自制的反应精馏塔上制备羟基乙酸乙酯,研究了反应精馏塔的稳定时间,讨论了回流比、塔釜加热量、进料流量和催化剂用量的影响。实验结果表明,反应精馏塔在150 min左右达到稳定,塔顶宜采用较小回流比的操作方式,塔釜温度应控制在85~95℃的范围,合适的进料流量范围为1.5~3 mL·min-1,每个反应器催化剂的装填量在30~40g为宜,得到羟基乙酸的最大转化率达96%,对应的羟基乙酸乙酯的最大收率为95%。同时,正交实验结果说明回流比的影响较小,进料流量的影响最大。此外,以正己烷为夹带剂,采用恒沸精馏的方式研究了对塔顶馏出的含水乙醇的分离过程,讨论了夹带剂用量和回流比的影响,得到的无水乙醇可再次用于反应精馏过程。 通过实验测定了羟基乙酸和乙醇的酯化反应动力学,根据动力学数据用Aspen Plus软件模拟了反应精馏过程,并讨论了回流比、进料位置和醇酸摩尔比的影响,模拟结果和实验优化操作条件较为吻合,并得到反应精馏塔的温度分布和各个组分的浓度分布。