（化学工艺专业论文）26二甲基哌嗪合成新工艺研究.pdf

摘要 本文介绍了2 ，6 一二甲基哌嗪的物理化学性质、国内外研究状况以及相关用 途。本研究在查阅国内外文献和前人研究的基础上，选定以工业品l ，2 丙二胺 为原料常压气固相催化法一步合成2 ，6 二甲基哌嗪的工艺路线。对合成催化剂 进行了一系列的筛选，确定了以铜、铬、铁三组分浸渍的丫一a 1 2 0 3 所得的负载型 催化剂为合成最佳催化剂，最后对合成催化剂的制备工艺进行了优化，并对最佳 制备工艺条件下所得催化剂进行了表征。通过单因素实验和正交实验对合成过程 的影响因素进行了研究，确定了合成2 ，6 一二甲基哌嗪的最佳工艺条件。本文为 2 ，6 二甲基哌嗪的放大研究和工业化生产提供了理论依据和实验基础。 结果表明： 1 采用工业品1 ，2 丙二胺为原料，合成2 ，6 _ 二甲基哌嗪的转化率和选择 性都较高。浸渍法制备的c u c r f e y - a 1 2 0 3 的负载型催化剂作为脱氨环化反应 的催化剂具有较好的活性和选择性。 2 催化剂的制备条件为：以1 0 m o l l c u 2 + 0 5 m o l l c r 2 + 0 5 m o l l f e 3 + 溶液在 室温下浸渍3 6 h ；在1 1 0 。c 条件下干燥3 h ；在4 0 0 。c 下焙烧5 h ；最后在氢气氛下 3 0 0 还原3 h 以备使用。 3 合成实验所确定的最佳工艺条件为：原料液浓度为4 0 ( 质量分数) ，反 应温度为3 2 0 ，反应空速为4 9 0 7 4 h 。在此工艺条件下l ，2 丙二胺转化率为 9 8 8 4 ，2 ，6 - 二甲基哌嗪收率为8 8 6 2 。 4 对合成2 ，6 二甲基哌嗪催化剂进行研究，通过x p s 、s e m 、b e t a 比表 面积测定的对比，得出催化剂失活的主要原因是积碳堵塞，在工业生产中可以用 移动床反应器将催化剂输出到反应器外进行活化，再返回使用，这样可以保证催 化剂在高活性下操作。 关键词：2 ，6 一二甲基哌嗪催化合成 2 s t u d y o nt h en e w s y n t h e s i st e c h n o l o g y o f2 ，6 d i m e t h y p i p e r a z i n e ， a b s t r a c t t h ep a p e rg i v e st h ep h y s i c o c h e m i c a l p r o p e r t i e s ，t h ed o m e s t i ca n do v e r s e a s a c t u a l i t i e sa n da p p l i c a t i o n sa b o u t2 , 6 一d i m e t h y p i p e r a z i n e b a s e do na r t i c l e sa l lo v e rt h e w o r l da n dp r e v i o u sr e s e a r c h e s ，t h ep r o c e s sf r o mt e c h n i c a lg r a d e1 , 2 - p r o p a n e d i a m i n e t op r o d u c e2 , 6 - - d i m e t h y p i p e r a z i n ei no n e - s t e pb yg a s s o l i dp h a s ec a t a l y t i ca tn o r m a l p r e s s u r ew a ss e l e c t e d a f t e ras e r i e so fc a t a l y s ts c r e e n i n gt e s t s ，t h es u p p o r t e dc a t a l y s t 7 - a 1 2 0 3i m p r e g n a t e dw i t hc u 、c r 、f ew a si d e n t i f i e da st h eb e s to n ef o rt h e s y n t h e s i s ，t h e ni t sp r e p a r i n gc o n d i t o n sw e r eo p t i m i z e d ，a n dt h ec a t a l y s ta tt h eo p t i m u m t e c h n o l o g yc o n d i t i o n s w a sc h a r a c t e r i z e d t h r o u g h s i n g l e f a c t o r a n do r t h o g o n a l e x p e r i m e n t s ，t h ei n f l u e n c ef a c t o r sa b o u tt h ep r o c e s sw e r er e s e a r c h e d ，t h eo p t i m u m p r o c e s sc o n d i t i o n so fp r e p a r i n g2 , 6 一d i m e t h y p i p e r a z i n ew e r ed e s i g n e d t h ea r t i c l e p r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s ea n da ne x p e r i m e n t a lf o u n d a t i o nf o rt h ep i l o tm a g n i f i c a t i o n a n dt h ei n d u s t r i a l i z a t i o na b o u t2 , 6 - d i m e t h y p i p e r a z i n e t h er e s u l t ss h o wt h a t ： i s t a r t i n gf r o mt e c h n i c a lg r a d e1 , 2 一p r o p a n e d i a m i n e ，b o t ho ft h ec o n v e r s i o na n d t h es e l e c t i v i t yt ot h es y n t h e s i so f 2 。6 一d i m e t h y p i p e r a z i n ea r eh i g h e r t h ec u | c i 垤e f 丫- a 1 2 0 3s u p p o r t e dc a t a l y s tp r e p a r e db yi m p r e g n a t i o nf o rd e a m i n a t i o na n dc y c l i z a t i o n s h o w sp r e f e r a b l ea c t i v i t ya n ds e l e c t i v i t y 2 p r e p a r a t i o nc o n d i t i o n sf o rt h ec a t a l y s t ：i m p r e g n a t e df o r3 6h o u r si nt h em i x s o l u t i o no f1 0 m o l l c u 2 + o 5 m o l l c r 2 + o 5 m o l l f e 3 + a t2 5 d i r i e df o r3h o u r sa t 110 ，b a k e df o r5h o u r sa t4 0 0 ，t h e na c t i v a t i e df o r3h o u r sw i t hh y d r o g e n 3 o p t i m u mt e c h n o l o g yc o n d i t i o n se s t a b l i s h e db yt h es y n t h e t i ce x p e r i m e n t s ：t h e c o n c e n t r a t i o no fr a wm a t e r i a l4 0 ( m a s s ) ，t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e3 2 0 ，a n dt h e a i r s p e e d4 9 0 7 4h r - i u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s t h ec o n v e r s i t i o no f1 , 2 - p r o p a n e d i a m i n e i s9 7 2 8 ，t h ey i e l do f 2 ，6 一d i m e t h y p i p e r a z i n ea c h i e v e s5 0 8 7 4 r e s e a r c ho fc a t a l y s tf o rp r e p a r i n g2 , 6 一d i m e t h y p i p e r a z i n e ：b yc o m p a r i s o n so f x p s ，s e m ，b e t as p e c i f i cs u r f a c ed e t e r m i n a t i o n ，i tc o n c l u d e st h a tt h em a i nr e a s o nt o d e a c t i v a t i o no ft h ec a t a l y s ti sd e p o s i t i o no fc a r b o n i no r d e rt oe n s u r eh i g h - a c t i v i t yo f t h ec a t a l y s ti ni n d u s t r yp r o d u c t i o n ，t h ec a t a l y s tc a nb et r a n s p o r t e dt ot h eo u t s i d eo ft h e m o v i n gb e dr e a c t o r , a c t i v a t e da n dr e u s e d k e yw o r d s ：2 , 6 - d i m e t h y p i p e r a z i n e ；c a t a l y t i c ；s y n t h e s i s 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。 本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研 究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它 相关数据库。 保密论文待解密后适 学位论文作者签名：教师签名；乏! 丝 蕊年d , qll 娲年rfl b 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：灏z 名 厕年9 毛al1 日 土上- 刖罱 有机脂肪胺及其衍生物是一类重要的化工原料，广泛应用于医药、农药、日 用化学品及石油化工等众多领域且需求量巨大，因此，对此类化合物的合成及应 用进行研究是非常必要的。半个世纪以来，国内外在此领域已进行了广泛的研究， 取得了令人瞩目的成绩，特别是随着制药工业的发展，生产药物中间体目前已成 为国际化工界的一大新兴产业，杂环药物中间体的生产，将成为二十世纪最有前 途的新兴产业之一。2 ，6 一二甲基哌嗪( c 6 h 1 4 n 2 ) ( 环胺杂环化合物) 是一种重要 的医药化工中间体，以2 ，6 - - - 甲基哌嗪为原料合成的药物主要有抗菌素、安定 镇痛药和驱虫药等。它还可以制造染料助剂、表面活性剂、硫化促进剂和防腐抗 氧剂等。同时，2 ，6 - - - 甲基哌嗪具有顺式和反式两种异构体：顺式2 ，6 一二甲 基哌嗪是合成氟诺酮类药物斯帕沙星( s p a r f l o x a c o n ) 的重要中间体：反式2 ，6 - - 甲基哌嗪是合成半合成抗生素利福霉素的重要中间体。由于2 ，6 一二甲基哌嗪生 产过程复杂、难度大，该产品的生产技术一直为少数发达国家所垄断，主要生产 商有美国、德国、瑞典和日本等国的化学公司，日本是最大的生产基地，国际市 场需求量大概2 5 0 0 吨年，而国外生产2 ，6 一二甲基哌嗪为1 5 0 0 吨年左右，空 缺还很大，每年日本出口中东地区的2 ，6 - - 甲基哌嗪销售量大约4 5 0 吨。近年 来，我国对顺式及反式2 ，6 一二甲基哌嗪的需求不断增加，我国每年大约需要该 产品1 0 0 吨左右，而国内还没有2 ，6 - - - - - 甲基哌嗪生产厂家，国内用户主要依靠 进口，市售2 ，6 - - - 甲基哌嗪的价格一直较高，市场潜力巨大，发展前景诱人。 本文在前人研究的基础上，选择了以工业品l ，2 一丙二胺为原料常压气固相 催化一步法合成2 ，6 一二甲基哌嗪的新工艺路线。首先，以浸渍法制备新型催化 剂，对催化剂活性组分和助催化剂进行了选择，并对催化剂制备工艺进行优化， 得出最佳催化剂制各条件。随后，进行了工艺条件的优化，得出了该过程的最佳 工艺参数。最后，对以l ，2 一丙二胺气固相催化合成2 ，6 一二甲基哌嗪经济前景 进行了分析。 本论文具有以下创新点： 1 研究合成2 ，6 - - - 甲基哌嗪新工艺的新型催化剂。 2 研究合成2 ，6 - - - 甲基哌嗪新型催化剂的制备方法和最佳制备工艺条件。 3 研究以易得、廉价的1 ，2 一丙二胺为原料，气固相催化一步法合成2 ，6 一 二甲基哌嗪新工艺。 4 本研究通过单因素实验和正交实验得到该合成过程的最佳工艺条件为： 原料液中1 ，2 一丙二胺的浓度为4 0 ( 质量分数) ，反应温度为3 2 0 ，反应空速 为4 9 0 7 4 h 。在最佳工艺条件下，l ，2 一丙二胺的转化率可达9 8 8 4 ，2 ，6 - - - 甲基哌嗪收率为8 8 6 2 ，2 ，6 一二甲基哌嗪的纯度为9 8 3 ，达到该种产品工业 级的要求。 2 第一章文献综述 1 12 ，6 一二甲基哌嗪的物理化学性质 2 ，6 一二甲基哌嗪，分子式c 6 h 1 4 n 2 ，结构式：h 心奠h ，分子量为1 1 4 1 9 ， r _ c h l 其缺点是合成时需要选择性和活性极高的催化剂使顺反比增加，后处理需要 采用先进的层析分离，使最终产物达到要求。 2 以羟基丙腈和异丙醇胺为原料，在氢化还原的同时发生分子间缩合， 再经脱水、环合得目的产物1 。 口，o 球中p ，一# 2 一 i 啦小口，拉球+ 严一p 峨断“峨n n h 2o h 毗一d q j 3 其缺点是原料难得，对设备要求高，操作复杂，难以工业化。 3 以丙酮醇酯为原料，与氨气、氢气于高压下反应直接得目的产物n 引。 盱 一弋 矾瑚 q 1 3 其缺点是原料难得，对设备要求过高，对环境污染比较大，不易工业化。 随着核磁共振技术的普及，人们研究了2 ，6 一二甲基哌嗪中2 个甲基的立体 取向和不对称合成。其合成方法较多，但大多数工艺产品质量达不到要求，或工 5 艺条件苛刻难以工业化。在工业上比较可行的工艺是以q 一溴丙酰溴为原料与苄 ，9 胺反应得化合物 翻譬文n 唧删5 然后再按两条不同的路线分别合成顺式及反 式2 ，6 一二甲基哌嗪川。 1 顺式2 ，6 一二甲基哌嗪的合成原理 以q 一溴丙酰溴为原料与苄胺反应得化合物a ，化合物a 与俚一氨基丙酸乙酯缩 合得化合物b ，于高温下，化合物b 发生分子内缩合得顺式2 ，6 一二甲基一4 一苄 基哌嗪一3 ，5 一二酮c ，再经l 认l h 4 还原、氢解脱苄基即得顺式2 ，6 一二甲基哌 嗪。反应方程式如下： 田誉b r 一国萨( ， 1 3 1 ( 瑚1 3 2 c 2 h 5 i=j(13ro 5 矗 o c 2 h 5 ( a ) 匙c b h，挫3 f 匙几删，挫 uu 田1 ( e d ) 2 反式2 ，6 一二甲基哌嗪的合成原理 将化合物a 氨化得a 一氨基丙酰苄胺f ，再用l i a l h 4 还原后与q 一溴丙酸乙酯缩 合得化合物g ，化合物g 与高温条件下发生分子内缩合得一对顺、反一2 ，6 一二 甲基异构体混合物h ，经色谱分离后分别得i 、j ，最后经还原、氢化脱苄基分别 得顺式2 ，6 一二甲基哌嗪e 及反式2 6 一二甲基哌嗪k 。反应方程式如下： 6 尸飞隙 0丫 一 一 c土x 簟 a 靠b r 删，一卜s 申舯r c 零0 2 c 2 h 5f = - _嘲2h2 y 删5 ( f ) 刚i t g ， + 冷一套龇 九hh n + 一5 之龇 ：1 2 ：黝l i a 阳i i 山l j )：2 1 ；l 纠i a w i h ( i ( i )h ) )ij )( )i ( ) ( h ) 琴 q l 尸洲y 其中这条合成路线的缺点是生产过程复杂，路线过长，最终收率只有5 0 左右。而且生产过程中要用到许多有毒、有害的化工原料，生产厂家在环境治理 中投资成本过高，经济效益差，企业利润微薄，工业化生产的价值不大。 近年来国外研究热点是以1 ，2 一丙二胺和环氧丙烷为原料合成目的产物。此 合成路线首先以环氧丙烷和l ，2 一丙二胺为原料反应得到n 俨羟丙基l ，2 一丙二 胺，在合成中不可避免的生成四种异构体，合成反应方程式如下： n 心n h 2 i 铡盔m 糊一盘4 - 游? 晶吨n h 掣p 甲 c b b c 地 i c 均c 盹 骱譬 硎，划，麓 妣节；+ u b 鞴1 n h0 h， 缸靠鼬m 删r 讯撑 然后将n 伊羟丙基1 ，2 一丙二胺溶于二氧六环中配成溶液，以一定的空速通 入装有催化剂的固定床反应器中进行高压加氢合成反应，得到目的产物。它们环 合后分别得到2 ，6 一二甲基哌嗪和2 ，5 - - - 甲基哌嗪。此路线需经两步反应完成， 原料利用率不高，总收率 8 0 ，两种产物的分离技术难度大、费用高、对设备 要求苛刻。此工艺路线的关键技术在于对催化剂的研究及产品提纯工艺研究，开 发具有高选择性、高活性、长寿命的催化剂以及产品纯化是这条工艺路线成败的 7 关键。 1 4 2 国内研究现状 国内对2 ，6 - z 甲基哌嗪的研究现今处于初始阶段，自2 0 0 1 年中国科学院 大连化学物理研究所张伟，徐杰等n 钔人申请了用二异丙醇胺和氨水为原料液相法 在釜式反应器中间歇合成2 ，6 - - - 甲基哌嗪的专利后，再无报道。专利中生产同 样用到苯、甲苯、二甲苯等有机溶剂，考虑到溶剂对环境的污染，溶剂回收消耗， 过程的经济性等问题，还是不能满足当前所提倡的绿色化工政策n 引。因此，为了 响应绿色化工政策，开辟一条绿色、环保、节能、无污染的合成2 ，6 一二甲基哌 嗪的工艺路线迫在眉捷，促进国内外相关产业的发展。 1 5 符合国家产业政策和技术政策情况 为保证人民生活与健康水平，医药工业、农药工业是我国需要大力发展的两 大支柱工业。2 ，6 - - - 甲基哌嗪作为这两大支柱重点工业的原料，对其进行开发 研究，符合我国医药行业发展方向，符合我省十一五规划中关于优先发展高新技 术产业的决策，符合我省深入实施“科教兴省的战略。我们抓住西部大开发的 历史机遇，加强技术创新，加速科技成果转化。有利于加快高新技术产业的发展， 构建我省技术创新技术，促进产业结构调整和经济结构优化。有助于推动我省经 济、社会持续协调发展。为实现我省“十一五”规划的目标任务提供动力和支持。 本项目属于新型技术开发研究，具有明显的“三高 特征。 综上所述，2 ，6 - - - 甲基哌嗪国内外销售市场可观，缺口较大，特别是国内 市场供不应求，国家每年要花费大量外汇用于进口，于此，进行2 ，6 一二甲基哌 嗪合成新工艺研究，上马规模生产厂家很有必要。从原料上看，石油化工的发展， 给2 ，6 一二甲基哌嗪生产带来充足的原料来源，立足国内资源，对2 ，6 一二甲基 哌嗪进行开发研究，有规模、有计划地建立2 ，6 一二甲基哌嗪生产厂家，加速生 产有广泛用途且有很大发展前景的2 ，6 - - - 甲基哌嗪，以满足市场需要势在必行。 8 第二章实验部分 2 1 合成路线选择 经过查阅大量文献可归纳出合成2 ，6 一二甲基哌嗪工艺路线如下仃1 ： 本文创新性地提出采用工业级l ，2 一丙二胺为原料，常压下气固相催化一步 法合成2 ，6 一二甲基哌嗪新工艺。其优点为：原料易得、投资少、成本低、操作 条件温和、对设备要求低、易于实现大规模的工业化和产业化。此合成路线的关 键技术在于对催化剂的研究，开发具有高选择性、高活性、长寿命的催化剂是这 条合成路线成败的关键。合成过程中可能发生的反应方程式如下： 反应温度，最适 宜的工艺条件为原料液中l ，2 一丙二胺浓度4 0 ( 质量分数) ，反应温度3 2 0 * ( 2 ，原 料液流率为3 0 m l m i n 。利用方差分析法进行分析，其分析结果见表4 - 9 。 表4 - 9 方差分析表 经方差分析可知，空速、反应温度、原料液的配比浓度影响都不显著 ( q = o 0 5 ) 。 4 6 重复性实验 在上述确定的最优工艺条件下，进行了四次重复性实验，结果见表4 - 1 0 。 从表4 一l o 可见，在最优工艺条件为原料液中1 ，2 一丙二胺浓度为4 0 ( 质量 分数) ，反应温度为3 2 0 。c ，反应空速为4 9 0 7 4 h 1 下，l ，2 一丙二胺的转化率可达 9 8 8 4 ，2 ，6 - - - 甲基哌嗪收率为8 8 6 2 。 表4 1 0 重复性实验结果 反应条件：反应器内装有催化剂8 8 m l ，4 0 原料水溶液，反应温度3 2 0 ( 2 ，进料速率3 m i m i n ，常压 4 7 催化剂的寿命实验和失活再生 催化剂的稳定性通常以使用寿命表示，指催化剂在使用条件下维持一定活性 水平的时间( 单程寿命) ，或者每次下降后经再生而又恢复到许可活性水平的累 计时间( 总寿命) 。催化剂的稳定包括对高温热效应的耐热稳定性，对摩擦、冲 击、重力作用的机械稳定性和对毒质毒化作用的抗毒稳定性。此外，还有对结焦 积炭的抗衰变稳定性和对反应气氛的化学稳定性。 一个好的催化剂，不仅需要有优良的活性，而且还要有较长的寿命。理论上 讲，催化剂的存在只改变反应的动力学性质，其自身并不消耗和变化，它们的使 用是没有寿命限制的。然而，物质总是在不断运动变化之中，催化剂也不例外， 任何一种催化剂在参与了化学反应之后，它的某些物理和化学性质已经发生了变 化，长期使用的结果使这些变化积累起来，就造成了催化剂活性或选择性的显著 下降直至完全丧失，这就是催化剂的失活现象咖1 。造成催化剂失活的原因是多方 面的，如：催化剂中毒、烧结、热失活、结焦和堵塞等。为了确保我们的催化剂 能用于工业化生产，对其进行寿命实验是非常必要的。因此，我们使用 1 0 m o l l c u 2 + 0 5 m o f l c r 2 + 0 5 m o l l f e 3 + h , - a 1 2 0 3 催化剂进行了初步的寿命实验， 结果如表4 - - 1 1 所示。 结果发现在反应的初期，催化剂的活性较好，原料的转化率和2 ，6 一二甲基 哌嗪的选择性均较高；但是随着反应的进行，原料转化率逐渐降低，2 ，6 一二甲 基哌嗪的选择性也逐渐降低，可以预期随着反应的继续进行，催化剂的活性会进 4 9 一步下降。因此，在此条件下催化剂的寿命较差，不能满足工业生产的需求，必 须进行某些改进。 表4 - 1 1 催化剂寿命实验 反应条件：反应器内装有催化剂8 8 m e ，4 0 原料水溶液，反应温度3 2 0 ( 2 ，进料速度3 m l m i n ，常压。 为了解决这个问题，我们首先尝试用水蒸气对失活的催化剂进行再生。具体 的操作是，在反应条件下，以水代替原料通过计量泵进入汽化室，充分汽化后再 进入反应器，对失活的催化剂在高温高压下进行再生1 2h ，目的是通过水蒸 气与附着在催化剂表面的积碳等反应对其进行处理并尽可能地带走催化剂表面 的其它附着物，然后停止通水蒸气，再用氢气还原1 h 即可。我们使用经过水蒸 气再生的催化剂在最佳反应条件下再次进行了寿命实验，发现虽然在反应的初始 阶段催化剂的活性较失活后有所恢复，但随着反应的进行，其活性下降地更快。 整个催化剂的失活过程与再生催化剂的活性变化过程如图4 - 1 所示。从图中催化 剂活性变化的趋势我们可以认为这种再生方法是不可行的。此外，我们还使用烧 炭的方法对催化剂进行了再生，结果催化剂的活性下降更快，这可能是由于在高 温下催化剂发生了烧结现象，进一步加速了它的失活。 5 0 1 0 0 0lz3哇5 67日91 0 1 l 1 z 1 3l 哇 反应时间h 图4 - 1 催化剂的失活过程与再生催化剂的活性变化 为了找出催化剂失活的原因，我们采用x p s 、s e m 和b e t 等先进的催化 剂表征手段，对还原后新鲜的催化剂和失活的催化剂进行了对比研究。失活样品 的s 和s e m 图如下： b i n d i n 9e n e r g y ( e v ) 图4 2 失活催化剂的x p s 谱图 踞 两 伯 图4 - 3 失活催化剂的s e m 谱图 使用b e t 法对失活催化剂比表面积进行测定得失活的催化剂比表面积为 2 1 3 8 m 2 g 。 通过图3 - 7 与图铲2 的对比，我们可以发现失活催化剂表面的碳元素有所 增加，说明催化剂表面有积碳现象，这也是催化剂失活的另一原因。 从失活前后催化剂的s e m 图( 图3 - 9 和4 3 ) 可以直观地观察催化剂表面 孔的减少和表面负载物的减少，这为解释催化剂失活的原因提供了有力的证据。 为了使催化剂在高转化率和高选择性下运行，在工业生产中可以用移动床反应器 将催化剂输出到反应器外进行活化，再返回使用，周期性循环，这样可以保证催 化剂在高活性下操作。 4 8 产物的分离表征 将反应得到的2 ，6 _ - - i 甲基哌嗪反应液经减压蒸馏后得到黄色的2 ，6 一二甲 基哌嗪晶体，熔点为9 6 一- 9 8 。c ，再经过异丙醇和石油醚反复重结晶，可以得到 白色的2 ，6 - - 甲基哌嗪晶体，熔点为1 1 2 1 1 4 的产品，其与顺式2 ，6 一二 甲基哌嗪的熔点十分接近( 文献值1 1 3 , - - - 1 1 4 。c ) 。因此，可以认为得到的主要产 品是顺式2 ，6 一二甲基哌嗪。在此基础上我们用德国b r u k e r 公司e q u i n o x 一5 5 5 2 型傅立叶红外光谱对产品进行了定性分析，与产品标准谱图比较。标准谱图，标 准样谱图，产品谱图结果分别见图4 - 4 、图4 _ 5 、图4 - 6 。 图4 _ 42 ，6 _ 二甲基哌嗪标准谱图 1 “ _ ， 图4 - 52 ，6 _ 二甲基哌嗪标准样谱图 图4 - 62 ，6 - - 甲基哌嗪实验样品谱图 由红外分析谱图可知，实验样品谱图有水峰，除此以外实验样品谱图与标准 谱图很好的吻合，可以认为实验所得产品为2 ，6 一二甲基哌嗪。 定量分析用上海科创色谱仪器有限公司生产的g c 9 0 0 a 型气相色谱仪( f i d ) 分析产品含量。2 ，6 - - - 甲基哌嗪的含量为9 8 3 。色谱图见图4 7 。 8 4 0 0 0 m y 6 6 0 0 0 4 8 0 0 0 3 0 0 0 0 1 己0 0 0 6 0 0 0 4 9 小结 0 0 01 己32 4 53 6 84 9 1 图4 72 ，6 - - 甲基哌嗪色谱检测图 6 13 【m n 】 通过单因素实验和正交实验，我们确定了最佳的工艺条件：原料液中l ，2 一 n - 胺浓度4 0 ( 质量分数) ，反应温度3 2 0 。c ，反应空速为4 9 0 7 4 h - 1 。在此条件 下，我们又进行了三次重复性实验，1 ，2 一丙二胺的转化率可达9 8 8 4 ，2 ，6 一 二甲基哌嗪收率为8 8 6 2 。 第五章经济前景分析 在化工生产过程中，对工艺路线、工艺装置、和生产规模做出决策的依据通 常是评价的经济指标，主要有投资、成本和赢利等。关于这些指标的计算，在开 发之初，都只能做粗略的估算，虽然估算值的精度不高，但作为经济评价的依据 依然是有用的。 5 1 投资估算 5 1 1 预算依据 技术依据：2 ，6 - - - 甲基哌嗪合成工艺实验研究 ( 1 ) l ，2 一丙二胺转化率 1 9 8 ( 2 ) 2 ，6 一二甲基哌嗪收率 1 8 8 价格依据：原料及产品价格取2 0 0 7 年市场价格，动力、水、电、汽按西安 地区价格，设备按同类型最近市场价格估价。 生产规模及生产制度： 生产规模：年产3 0 0 吨2 ，6 - - - 甲基哌嗪 年工作日：3 3 0 天 操作方式：连续生产 产品规格：工业一级2 ，6 - - - 甲基哌嗪 5 1 2 工艺装置投资估算 工艺装置投资估算又称为“工艺界区投资估算 ，是指直接将原料转变为产 品的生产区域以内的一切设施建设的投资估算。一般包括工艺设备、测控仪表及 生产管线等。仿建装置是仿照已经生产的工艺装置来建设的装置。这类装置的建 设投资，可依据原有装置建设投资估算。而对于新开发的工艺装置，其投资估算 没有现成的工艺装置可以仿照，只能依据工艺技术方案中所采用的设备和要求配 套的设施进行估算b ”睛习嘲1 洲矧。主要生产装置费用，见表5 - 1 。 5 5 表5 - 1 主要生产装置费用 ( 万元) 5 1 3 公用工程及罐区投资估算 供水能力6 m 3 m 水源，6 t h 的中压( 1 6 - - - 2 o m p a ) 蒸汽，3 3 k v a 的电力装置， 其它费用，见表5 - 2 。 表5 - 2 公用工程费用( 万元) 辅助项目：运输、借用车辆，费用计入原料成本。管理用房2 0 0 m 2 ，建筑费 用3 0 万元。 5 1 4 其它基建费用 其它基建费用，见表5 - 3 。 技术服务费：5 0 万元，技术转让费：4 4 万元，工程设计费：6 万元。投资 估算共5 0 9 1 万元 5 6 表5 - 3 其它基建费( 万元) 名称费用 筹建费 工人培训费 生产器具购置费 办公用具费 竣工现场清理费 道路建设与场地绿化费 小计2 5 7 5 2 成本估算 5 2 1 原料成本估算 原料成本估算见表5 4 。 表5 - 4 原料消耗及原料成本 运费按原料费的6 计入原料费，原料费1 0 0 8 1 0 6 = 1 0 ，6 8 4 8 万元 5 2 2 动力消耗 动力消耗见表5 - 5 。 5 2 3 编制及人工成本 编制及人工成本见表5 - 6 。 5 7 5 o o o 5 2 l 2 2 4 l l 表5 - 5 动力消耗 表5 - 6 人员编制 平均每人每月工资，包括附加工资按1 5 0 0 元计，年工资总额5 4 万元。 5 2 4 成本估算 成本估算见表5 7 。 表5 7 成本估算( t y 元t ) 序号项目费用元厂r备注 l 原料费用1 0 6 8 4 8 万元厂r 2 公用工程消耗6 3 7 6 元厂r 设备费3 5 3 4 万，设备残值取 3人工费用0 1 8 万元厂r 1 0 ，按1 5 年折旧，建筑费5 5 7 4 设备折旧7 0 6 8 元厂r 万，按4 0 年折旧。 5 建筑折旧4 6 4 2 元厂r 6 技术成本1 6 7 元厂r 合计1 1 0 2 0 5 8 2 元厂r 7企业管理费6 6 1 2 3 5 元厂r按前6 项和之6 工厂成本4 1 4 2 2 4 9 元厂r 8 销售成本5 8 4 0 9 1 元厂r按前7 项和之5 计 总成本1 6 4 0 8 1 5 7 元，t 5 3 年成本、年收入、利税 ( 1 ) 年成本：16 4 3 4 8 6 9 元厂r 3 0 0 = 4 9 2 2 4 5 万元年 ( 2 ) 年产品量及年销售收入： 2 ，6 一二甲基哌嗪3 0 0 0 万元r i x 3 0 0 t = 9 0 0 0 万元年 ( 3 ) 上缴国税及其它费税9 0 0 0 万元x1 0 = 9 0 0 万元( 抵税后) 其它费税( 按总销售额的5 计) ：9 0 0 0 万元x5 = 4 5 0 万元 ( 4 ) 年企业盈利：9 0 0 0 - - 4 9 2 2 4 5 9 0 0 4 5 吨7 2 7 5 5 万元年。 5 9 第六章结论 通过前面的实验和讨论，我们可以得出以下结论： 1 本研究实验表明，以1 ，2 一丙二胺为原料常压气固相催化一步法合成2 ， 6 一二甲基哌嗪的工艺路线是可行的。 2 确定了以c u 2 + 为主催化活性组分，c r 2 + 、f e 3 + 为助催化活性组分，a 1 ：0 3 为 载体，采用浸渍法制备的催化剂对1 ，2 一丙二胺气固相催化一步法合成2 ，6 一二 甲基哌嗪具有较高的转化率和收率。 3 催化剂制备最佳工艺条件为：l m o l l 的c u ( n 0 3 ) 2 、0 5m o l l 的c r ( n 0 3 ) 2 、 0 5m o l l 的f e ( n 0 3 ) 3 水溶液室温下浸渍r a l 2 0 3 3 6 h ，在1 1 0 ( 2 下干燥3 h ，然后 在4 0 0 下焙烧5 h 得到氧化型催化剂。在使用前，在3 0 0 下通氢气还原3 h 得 到还原型催化剂。 4 合成实验所确定的适宜工艺条件为：原料液浓度4 0 ( 质量分数) ，反应 温度3 2 0 ，反应空速为4 9 0 7 4 h 1 下。在此工艺条件下，1 ，2 一丙二胺的转化率 可达9 8 8 4 ，2 ，6 - 二甲基哌嗪收率为8 8 6 2 。 5 实验所确定的工艺路线简单，控制、操作可靠稳定：实验所用的原材料 易得，环境友好。 6 以实验获得的数据为依据进行的经济前景预测和分析表明该产品具有较 好的经济效益和社会效益，可以此研究为工作基础，作2 ，6 一二甲基哌嗪的放大 研究。 7 存在的问题和建议：催化剂寿命，还需要进行考核与研究，以更好地满 足工业化要求；研究反应的机理，加深认识，建立合理的动力学简化模型，求出 生成2 ，6 一二甲基哌嗪的速率方程。 参考文献 1 李子彬，俸培宗等编著中国化工产品大全( 上卷) 北京：化学工业出版 社，1 9 9 4 2 戚建军，郭惠元司氟沙星合成路线图解 j 中国医药工业杂志，1 9 9 5 ， 2 6 ( 1 2 ) ：5 6 2 5 6 3 3 魏文德主编有机化工原料大全北京：化学工业出版社，1 9 9 9 4 王多禄，许正双，陈立功，等哌嗪合成研究 j 天津大学学报，1 9 9 7 ， 3 2 ( 4 ) ：5 0 0 5 0 3 5 李勇，蔡振云哌嗪的合成工艺评述 j 化学应用与研究，1 9 9 8 ，1 0 ( 1 ) ： 1 6 一2 0 6 g b 8 3 6 2 8 归1 9 6 0 ，( c a1 9 6 2 ；5 6 ：3 4 9 0 b ) s 7 g b 9 0 2 5 7 旺1 9 6 2 ，( c a1 9 6 3 ；5 8 ：9 1 0 3 c ) s 】 8 b r i t1 9 6 0 ：8 3 9 3 1 7 ( c a1 9 6 1 ；5 5 ：4 3 6 5 i ) 9 b r i t1 9 6 2 ：9 0 2 5 7 0 ( c a1 9 6 3 ；5 8 ：9 1 0 3 e ) 1 0 us1 9 5 9 ：2 9 1 1 4 0 7 ( c a1 9 6 0 ；5 4 ：3 4 6 5 e ) 1 1 b r i t1 9 4 6 ：5 9 8 9 8 4 ( c a1 9 4 8 ；4 2 ：6 3 7 7 d ) 1 2 佐佐木正有机合成化学，1 9 5 9 ；1 7 ( 3 ) ：1 3 1 13 c i g n a r e l l ag ，g a l l og g s y n t h e s i so f t r a n s - 2 ，6 - d i m e t h y l p i p e r a z i n e 【j 】j h e t r o c y c lc h e m ，1 9 7 4 ，l1 ：9 8 5 1 4 c i g n a r e l l ag jme dc h e m ，1 9 6 4 ，7 ( 2 ) ：2 4 1 1 5 张伟，徐杰等c n l 4 0 8 7 1 0 a 2 0 0 1 1 6 王延吉，赵新强绿色催化过程与工艺北京：北京大学出版社，2 0 0 2 1 7 戚建军，郭惠元2 ，6 一二甲基哌嗪合成路线图解 j 中国医药工业杂志， 1 9 9 7 ，2 8 ( 1 1 ) ：5 2 4 - 2 5 2 1 8 甄开吉催化作用基础北京：科学出版社，2 0 0 5 1 9 陈甘棠化学反应工程北京：化学工业出版社，1 9 9 0 2 0 g r e g gsj , s i n gksw a d s o r p t i o ns u r f a c ea r e aa n dp o r o s i t y 。l o n d o n ： 6 1 a c a d e m i cp r e s s ，l9 8 2 2 1 张绍辉，傅亨x 射线晶体结构分析导论武汉：武汉大学出版社，1 9 8 9 2 2 刘粤惠，刘平安x 射线衍射分析原理与应用北京：化学工业出版社，2 0 0 3 2 3 张克立固体无机化学武汉：武汉大学出版社，2 0 0 5 2 4 常建华，董绮功波谱原理及解析北京：科学出版社，2 0 0 1 2 5 王丽华哌嗪及其共生物的气相色谱分析研究【j 理化检验：化学分册1 9 9 8 ， 3 4 ( 6 ) ：2 4 9 2 5 2 2 6 邓贤勇无水哌嗪的气相色谱分析【j 】四川化工，1 9 9 4 ，3 ：2 9 3 0 2 7 孙传经气相色谱分析原理与技术北京：化学工业出版社，1 9 8 1 2 8 汪正范色谱定性与定量北京：化学工业出版社，2 0 0 0 2 9 许国旺等现代实用气相色谱法北京：化学工业出版社，2 0 0 4 3 0 b a i k e ra ，k i j e n s i kj c a t a l y t i cs y n t h e s i so fh i g h e ra l i p h a t i ca m i n e s f r o mt h ec o r r e s p o n d i n ga l c o h o l s c a t a l r e v 一s c i e n g ，1 9 8 5 ，2 7 ( 4 ) ： 6 5 3 6 9 7 31 h a m m e r s c h m id tw ，b a ik e ra ，w o k a u na ，e ta 1 c o p p e rc a t a ly z e ds