一种精制α-吡咯烷酮蒸渣的装置及方法与流程

本发明属于精细化工废料中有效物质的提取技术领域，尤其是涉及一种精制α-吡咯烷酮蒸渣的装置及方法。

背景技术

α-吡咯烷酮，无色结晶，熔点24.6℃，沸点245℃，能溶于水、醇、醚、氯仿、苯、乙酸乙酯和二硫化碳等多数有机溶剂，主要用于合成重要的医药中间体n-乙烯基吡咯烷酮。目前生产n-乙烯基吡咯烷酮采用的最广泛的方法就是α-吡咯烷酮和乙炔在一定的温度和压力下，以碱为催化剂制备而成。目前此方法α-吡咯烷酮的转化率只有65％-80％，另外还会产生5-15％的杂质，导致n-乙烯基吡咯烷酮精制后塔釜会得到10-20％的蒸渣。

蒸渣组成十分复杂，含有几十到上百种组分，其中含量最多的组分是未反应的α-吡咯烷酮，故也称α-吡咯烷酮蒸渣，蒸渣中的其它杂质有1,4-丁二醇、γ-丁内酯、n-甲级吡咯烷酮、3-甲基吡咯烷酮、4-甲基吡咯烷酮和四甲基哌啶醇等，它们与α-吡咯烷酮的相对挥发度很小，直接精馏不可能得到高纯α-吡咯烷酮产品，且直接精馏得到的α-吡咯烷酮颜色为黄色，不能满足下游生产的需求。目前绝大多数n-乙烯基吡咯烷酮生产厂家选择将此部分蒸渣料直接焚烧，作为能源给生产装置供热。此方案不仅因蒸渣中大量氮化物的存在而对环境造成污染，更会造成蒸渣料中α-吡咯烷酮物料的损失。

公开的专利中有提到向含有杂质的α-吡咯烷酮中加水进行结晶，得到高纯α-吡咯烷酮产品。此方法只适用于α-吡咯烷酮中的杂质种类单一且含量较少，α-吡咯烷酮含量较高的情况。也有的将蒸渣加水溶解、充分搅拌后过滤，再将母液精馏的方式得到高纯α-吡咯烷酮。但此方法只适合于α-吡咯烷酮与乙烯基吡咯烷酮聚合物的分离，对性质和沸点与α-吡咯烷酮接近的液体蒸渣的分离效果不好。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种精制α-吡咯烷酮蒸渣的装置及方法，结构简单、易操作、提取的α-吡咯烷酮纯度高、品质好、提取率高、能耗低且适合大规模生产的精制α-吡咯烷酮蒸渣的装置。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种精制α-吡咯烷酮蒸渣的装置，包括精馏塔，精馏塔包括塔釜、下塔节和上塔节，其中下塔节侧壁上设置有蒸渣原料入口和选择性溶剂进料口；上塔节的上端连接有外回流精馏塔头，外回流精馏塔头一侧连接蛇形管冷凝器，蛇形管冷凝器上方设置第一抽真空口，下方设置冷凝液收集导流管，导流管下方连接馏分接收罐，馏分接收罐上部侧口设置第二抽真空口，中部侧口设置轻相冷凝液回流口，轻相冷凝液回流口上设置回流管，回流管通过管道与外回流精馏塔头相连。

进一步的，下塔节和上塔节内装有填料，填料是θ形、三角螺旋形或弹簧形散堆填料。填料尺寸为φ4×4mm、φ5×5mm。

进一步的，外回流精馏塔头顶端设置气相温度检测口。

进一步的，上塔节和下塔节高度与直径比为15-20:1。高径比过大会导致生产压降变大，生产成本变大。高径比过小会导致产出的α-吡咯烷酮产品品质不高。

进一步的，第二抽真空口处通过三通阀门控制抽真空和放空。

进一步的，轻相冷凝液回流口与外回流精馏塔头之间采用u型管进行液封，避免气相物料直接从回流管抽出造成物料损失。

进一步的，蒸渣原料入口、选择性溶剂进料口和轻相冷凝液回流口上均设置旋塞阀门。蒸渣原料和选择性溶剂均采用蠕动泵进料，蠕动泵进料流量稳定，能有效避免因流量的波动导致塔内出现液泛和其它的连锁反应。

进一步的，外回流精馏塔头外侧设置有真空夹套，上塔节和下塔节的外部采用聚氨酯保温管进行保温。

本发明还提供了精制α-吡咯烷酮蒸渣的方法，包括以下步骤：

(1)将馏分接收罐内加入选择性溶剂至轻相冷凝液回流口处液位，从蛇形管冷凝器和馏分接收罐同时抽真空，将选择性溶剂和α-吡咯烷酮蒸渣原料按1:1从选择性溶剂进料口以及蒸渣原料入口泵入精馏塔，进行真空精馏，在馏分接收罐收集馏分；将馏分接收罐内加入选择性溶剂至轻相冷凝液回流口处位置目的在于防止开车初始阶段，塔内无回流导致采出的α-吡咯烷酮产品品质不达标的情况出现，抽真空是指将系统内的操作压力抽真空至5-10kpa，防止热敏性物质在温度较高的环境下发生化学变化。

(2)待馏分接收罐中的液位高于轻相冷凝液回流口后，开启轻相冷凝液回流口处的旋塞阀门，将轻相选择性溶剂回流至精馏塔内，同时在保持界位高度不变的前提下，将无色重相馏分从馏分接收罐下口采出；保持馏分接收罐内界位高度不变需要调节馏分接收罐下口阀门开度，以一定的速率连续采出重相馏分α-吡咯烷酮；

(3)分析塔釜的釜液中α-吡咯烷酮含量小于1％时，开始α-吡咯烷酮蒸渣原料连续进料，同时釜液间歇采出，排出的釜液经分相后分离出的选择性溶剂返回精馏塔内继续使用。釜液指标合格后只连续进α-吡咯烷酮蒸渣，是因为选择性溶剂自始至终在系统内循环而未采出，所以不需要补充。

进一步的，α-吡咯烷酮蒸渣原料中α-吡咯烷酮的含量30-65％。

进一步的，选择性溶剂为脂肪烃类。优选的，选择性溶剂为c12-c14的饱和脂肪烃类。

进一步的，精制α-吡咯烷酮蒸渣的装置采用的操作方式是轻相全回流，重相全采出。

进一步的，精馏塔采用高真空共沸精馏法。

相对于现有技术，本发明所述的精制α-吡咯烷酮蒸渣的装置及方法具有以下优势：

(1)本发明所述的精制α-吡咯烷酮蒸渣的装置通过控制馏分接收罐界位高度的方式控制选择性溶剂的回流和α-吡咯烷酮产品的采出，控制手段简单，馏分组成稳定，无需额外增加回流泵或电磁继电器、摆锤单独控制系统的回流比；

(2)本发明采用选择性溶剂对α-吡咯烷酮蒸渣原料进行精制，利用选择性溶剂对α-吡咯烷酮的高选择性，可将蒸渣原料的α-吡咯烷酮含量降低到1％以下的水平，有效降低了蒸渣物料直接焚烧带来的环境污染，同时塔顶得到各项指标均高于国家标准要求的高品质α-吡咯烷酮产品；

(3)本发明通过采用高真空条件对α-吡咯烷酮蒸渣原料进行精制，通过降低系统操作温度的方式避免蒸渣物料内的热敏杂质在精制过程中发生化学反应，造成安全隐患的情况出现；

(4)本发明采用的选择性溶剂用量少，且选择性溶剂在物料精制过程中不采出，始终在系统内循环，无需做很多的储备，能够有效降低企业的生产成本。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的精制α-吡咯烷酮蒸渣的装置的结构示意图。

附图标记说明：

1-塔釜；2-下塔节；3-上塔节；4-蒸渣原料入口；5-选择性溶剂进料口；6-外回流精馏塔头；7-气相温度检测口；8-蛇形管冷凝器；9-馏分接收罐；10-冷凝液收集导流管；11-轻相冷凝液回流口；12-第一抽真空口；13-第二抽真空口。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，一种精制α-吡咯烷酮蒸渣的装置，包括精馏塔，精馏塔包括塔釜1、下塔节2和上塔节3，其中下塔节2侧壁上设置有蒸渣原料入口4和选择性溶剂进料口5；上塔节3的上端连接有外回流精馏塔头6，外回流精馏塔头6一侧连接蛇形管冷凝器8，蛇形管冷凝器8上方设置第一抽真空口12，下方设置冷凝液收集导流管10，导流管10下方连接馏分接收罐9，馏分接收罐9上部侧口设置第二抽真空口13，中部侧口设置轻相冷凝液回流口11，轻相冷凝液回流口11通过管道与外回流精馏塔头6相连。

上述下塔节2和上塔节3内装有填料，填料是θ形、三角螺旋形或弹簧形散堆填料。

上述外回流精馏塔头6顶端设置气相温度检测口7。

上述上塔节3和下塔节2高度与直径比为15-20:1。

上述第二抽真空口13处通过三通阀门控制抽真空和放空。

上述轻相冷凝液回流口11与外回流精馏塔头6之间为u型管进行连接。

上述蒸渣原料入口4、选择性溶剂进料口5和轻相冷凝液回流口11上均设置旋塞阀门。

上述外回流精馏塔头6外侧设置有真空夹套，上塔节3和下塔节2的外部采用聚氨酯保温管进行保温。

工作原理：

将馏分接收罐9内加入选择性溶剂至中部轻相液体回流口11位置，然后从蛇形管冷凝器8上方的第二抽真空口13和馏分接收罐9的第一抽真空口12同时抽真空，用蠕动泵按1:1体积比分别泵入α-吡咯烷酮蒸渣原料和选择性溶剂至塔釜总液位的2/3。蛇形管冷凝器8从入口通入冷凝介质，随后开启加热装置至馏分接收罐9内有馏分采出，随着馏分接收罐9液位逐渐升高至轻相冷凝液回流口11以上后，开启轻相冷凝液回流口11处的旋塞阀门，开始轻相回流，待轻重相界面升高至馏分接收罐9中部的轻相冷凝液回流口11与馏分接收罐9的下口间距的1/2时，开启馏分接收罐9底部的重相采出阀门，开始采出α-吡咯烷酮产品，通过控制阀门开度使馏分接收罐9内相界面位置保持不变，整个精制系统稳定运行。

以下实施例中所采用的精制α-吡咯烷酮蒸渣原料来源于河北某公司，经过简单脱轻处理后的物料，其中各组分含量(质量分数)分别为：α-吡咯烷酮62.62％，共沸杂质3.35％，重杂质34.03％。以下实施例均采用本发明所述精制α-吡咯烷酮蒸渣的装置。原料、馏分和釜液采用的检测装置均为fl9790ii型气相色谱仪，非极性60m毛细管柱。

实施例1

选用直径30mm，下塔节2和上塔节3的总高1.5m进行实验，向2l塔釜1中泵入蒸渣原料700ml，选择性溶剂正十二烷700ml，操作压力10kpa进行减压精馏。精馏塔的塔釜温度124.6℃，塔顶温度113.9℃，馏分接收罐9中进行上下分层，上层为溶剂相，下层为重相。采用上层溶剂相全回流，下层馏分全采出的操作方式，分相体积比轻相：重相＝10:1，气相色谱检测采出的下层馏分中α-吡咯烷酮含量99.91％，馏分中选择性溶剂残留量为87ppm，馏分颜色为无色、气味和透明度等其它指标均满足国家标准要求。继续采出至塔顶α-吡咯烷酮含量小于99.9％时，色谱检测塔釜α-吡咯烷酮含量0.78％，此时重相采出率61.66％。

实施例2

选用直径30mm，下塔节2和上塔节3的总高度为1.5m的精馏塔进行实验，向2l塔釜1中泵入蒸渣原料700ml，选择性溶剂正十三烷700ml，操作压力10kpa减压精馏，精馏塔的塔釜温度154.0℃，塔顶温度143.9℃，馏分接收罐9中进行上下分层，上层为溶剂相，下层为重相，分相体积比轻相：重相＝5.5:1，气相色谱检测采出的下层馏分中α-吡咯烷酮含量99.91％，馏分中选择性溶剂残留量为66ppm，馏分颜色为无色、气味和透明度等其它指标均满足国家标准要求。继续采出至塔顶α-吡咯烷酮含量小于99.9％时，色谱检测塔釜α-吡咯烷酮含量0.81％，此时重相采出率60.82％。

实施例3

选用直径50mm，下塔节2和上塔节3的总高度为2m的精馏塔进行实验，向5l塔釜1泵入蒸渣原料1500ml，选择性溶剂正十三烷1500ml，操作压力10kpa减压精馏，精馏塔的塔釜温度153.8℃，塔顶温度142.9℃，馏分接收罐9中进行上下分层，采上层溶剂相全回流，下层馏分全采出的操作方式，分相体积比轻相：重相＝5.2:1，气相色谱检测采出的下层馏分中α-吡咯烷酮含量99.92％，馏分中选择性溶剂残留量为67ppm，馏分颜色为无色、气味和透明度等其它指标均满足国家标准要求。继续采出至塔顶α-吡咯烷酮含量小于99.9％时，色谱检测塔釜α-吡咯烷酮含量0.84％，此时重相采出率60.88％。

对比例1

选用直径30mm，下塔节2和上塔节3的总高度为1.5m的精馏塔进行实验，2l塔釜泵入蒸渣原料1400ml，操作压力1-2kpa减压精馏，精馏塔的塔釜温度161.3℃，塔顶温度115.2℃，回流比50采出5％，馏分中α-吡咯烷酮95.44％，杂质含量4.56％；回流比5继续采出15％，馏分中α-吡咯烷酮92.88％，杂质含量7.12％，且馏分颜色均为黄色，产品纯度，颜色、气味均不满足下游生产需求。

对比例2

选用直径30mm，下塔节2和上塔节3的总高度为1.5m的精馏塔进行实验，2l塔釜泵入蒸渣原料700ml，选择性溶剂正十二烷700ml，操作压力10kpa减压精馏，精馏塔的塔釜温度124.6℃，塔顶温度113.9℃，回流比0.5采出馏分，分相体积比轻相：重相＝10:1，气相色谱检测采出的下层馏分中α-吡咯烷酮含量99.91％，馏分中选择性溶剂残留量为87ppm，当轻相馏分采出600ml，重相馏分采出60ml时，釜温升高至162.2℃，重相馏分中α-吡咯烷酮含量小于99.9％，重新泵入溶剂继续精馏，当釜液中α-吡咯烷酮含量小于1％时，共消耗溶剂6600ml。

由上述实施例可以看出，通过采用选择性溶剂高真空精馏的方法精制精制α-吡咯烷酮蒸渣的方法，可将α-吡咯烷酮蒸渣中α-吡咯烷酮的含量降低到1％以下，同时塔顶采出的α-吡咯烷酮馏分颜色为无色，纯度大于99.9％，达到制药行业的标准要求。且本发明选用的选择性溶剂具有选择性高，用量少的优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。