一种酸性功能化离子液体的规模化制备方法及反应系统与流程

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本发明属于酸性功能化离子液体的制备技术领域，具体涉及一种酸性功能化离子液体的规模化制备方法及用于制备酸性功能化离子液体的反应系统。


背景技术：

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室温离子液体(room temperature ionic liquid，rtil，简称为离子液体）是在室温或室温附近温度下呈液体状态的、完全由有机阳离子与无机或有机阴离子组成的盐类。具有液态温度范围广、蒸汽压极低、溶解性好、电化学窗口宽、热稳定性和抗氧化性高等优点，且离子液体的组成和性质具有较大的可调控性。这些其它液体物质无法比拟的独特性质给大部分传统化学化工过程提供了新的思路和改造的空间，使离子液体在当今化学工程的绿色化进程中显示了巨大的潜力和应用前景，也成为推动离子液体研究不断向前发展的动力之一。迄今为止，已合成的离子液体达到数百种，并且在材料、化工、生物质、电化学等诸多领域展现了良好的应用前景，其市场需求正在不断扩大。
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很显然，离子液体的制备技术是离子液体研究的重要方向之一，是将离子液体推向实际应用的关键环节。由于离子液体的制备过程通常伴随强烈的放热，加之离子液体粘度较大，在其合成过程中为及时散热和增强传质，一般可采取使用有机溶剂、合成原料之一过量等措施。最早的关于离子液体的制备技术，人们仅限于一步合成法和两步合成法。目前，利用这两种合成方法已经合成了好多种类的离子液体，其合成技术已经比较成熟。但是这两些合成方法均存在合成反应周期较长，产物提纯比较困难等问题。随着技术的不断进步，近年来研究人员开始尝试将微波、超声波等过程强化手段应用于离子液体的制备，其主要目的在于改善传热和传质，从而加速反应，缩短反应时间，最大限度地提高原料利用率。但是利用这些手段制备离子液体的最大能力不超过500g/h，这个规模仍远不能满足商业化应用的需求。
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在非常规方法合成技术方面，离子液体大规模制备技术也有报道。其中比较有代表性的是微反应技术（chem. eng. technol.,2009, 32, 1717，chem. eng. process, 2007, 46, 840）和stt(spinning tube-in-tube)过程强化技术（org. process res. dev., 2009, 13, 64）。它们突出的优点在于拥有很高的传质和传热效率。德国亚琛工业大学的研究人员在微反应中试装置上验证了1-乙基-3-甲基咪唑硫酸单乙酯离子液体的连续化制备，实现了20公斤/天的制备规模。美国的科研人员gonzalez教授等将stt技术用于烷基咪唑类离子液体的连续化制备。与传统批次制备方法相比，该制备过程仅需3~4h，离子液体的产量可以达到每天十几公斤。然而，这些技术也仅仅验证了烷基咪唑类等第一代和第二代离子液体的连续化制备，对于结构特殊或者具有专有功能的离子液体的连续化制备并没有普适性。


技术实现要素：

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针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种酸性功能化离子液体的规模化
制备方法，本发明以廉价易得的原料，安全性高的操作，实现酸性功能化离子液体的规模化生产；本发明的另一目的在于提供用于酸性功能化离子液体的规模化制备的反应系统，实现了物料的回收和循环使用。
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本发明是通过以下技术方案实现的：一种酸性功能化离子液体的规模化制备方法，以磺酸内酯、烷基咪唑或吡啶为反应原料，甲苯为反应溶剂，在一定的温度下反应合成磺酸基烷基咪唑嗡盐或磺酸基烷基吡啶嗡盐，将反应液送入结晶釜，室温下析出嗡盐晶体；经过滤、干燥工段得到嗡盐晶体。然后将嗡盐、质子酸、甲苯按比例再投入反应釜中，在一定的温度下反合成离子液体；最后离子液体粗品经过分层、脱除溶剂等工艺过程得到酸性功能化离子液体。
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制备方法的具体步骤如下：（1）嗡盐合成：以磺酸内酯、烷基咪唑或吡啶为反应原料，甲苯为反应溶剂，反应生成磺酸基烷基咪唑嗡盐或磺酸基烷基吡啶嗡盐，反应完成后室温下析出嗡盐晶体；（2）嗡盐分离：室温下分离嗡盐晶体与液相，固相脱除残留的溶剂，液相处理后作为嗡盐合成的原料继续使用；（3）离子液体合成：嗡盐晶体与质子酸在甲苯中反应合成离子液体；（4）离子液体分离：步骤（3）的反应液静止分层，上层有机相作为离子液体合成的原料重复使用，下层离子液体相脱除残留的溶剂，即得到离子液体产品。
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本发明的进一步改进方案为：所述的磺酸内酯为磺酸丁内酯或丙磺酸内酯。
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进一步的，所述烷基咪唑为1-甲基咪唑、1-乙基咪唑或1-丁基咪唑。
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进一步的，所述质子酸为硫酸、盐酸或对甲苯磺酸。
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进一步的，步骤（1）中所述反应的温度为65～70℃。
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进一步的，步骤（2）中所述脱除残留的溶剂的温度为50～60℃，真空度为-0.095～-0.1mpa。
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进一步的，步骤（3）中所述反应的温度为60～110℃。
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进一步的，步骤（4）中所述脱除残留的溶剂的温度为75～80℃、真空度为-0.095～-0.1mpa。
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本发明的更进一步改进方案为：用于如上所述一种酸性功能化离子液体的规模化制备方法的反应系统，包括嗡盐合成区、嗡盐分离区、离子液体合成区和离子液体分离区四个工艺单元；所述嗡盐合成区包括分别通过管道与反应釜r1连通的储罐v1、储罐v2以及储罐v3，所述管道上分别设有计量泵p1、计量泵p2以及计量泵p3，所述反应釜r1通过管道与结晶釜r2相连，所述储罐v1通过管道与结晶釜r2相连；所述嗡盐分离区包括通过管道与所述结晶釜r2相连的过滤器l1，通过管道与过滤器l1相连的蒸馏釜t1以及干燥器e1，所述干燥器e1通过管道与所述蒸馏釜t1，所述蒸馏釜t1通过管道与所述储罐v1相连；所述离子液体合成区包括反应釜r3，所述反应釜r3通过管道与所述储罐v1相连；所述离子液体分离区包括通过管道与所述反应釜r3相连的分液罐v4、通过管道与分液罐v4相连的蒸发器e2以及通过管道与蒸发器e2相连的储罐v5，所述分液罐v4与蒸发器e2分别通过管道与所述反应釜r3相连。
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用于制备酸性功能化离子液体的工艺流程为：
（1）嗡盐合成：将计量的储罐v3中磺酸内酯和储罐v1中甲苯，送入反应釜r1混合，升温至工艺要求，再将储罐v2 中的烷基咪唑或吡啶计量送入反应釜r1；反应完成后将反应液送入结晶釜r2。
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（2）嗡盐分离：将计量的甲苯从储罐v1由泵送入结晶釜r2，温度降低至室温析出嗡盐晶体；结晶釜r2中的悬浮液流入过滤器l1中，过滤后的液体送入蒸馏釜t1中蒸馏收集甲苯回用，固体投入干燥器e1中干燥，待用；（3）离子液体合成：将干燥后的嗡盐投入反应釜r3中，再按比例投入质子酸和甲苯，工艺条件下进行反应。
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（4）离子液体分离：当反应釜r3中反应结束，将反应液送入分液罐v4，静置分层，分液罐v4下层的离子液体粗品送入蒸发器e2中，成品离子液体从蒸发器底部流入储罐v5；分液罐v4的上层有机相和蒸发器e2蒸发出来的有机相送入反应釜r3中重复使用。
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本发明的再进一步改进方案为：所述反应釜r1、结晶釜r2、反应釜r3以及蒸发器e2均为搪瓷材质；所述蒸发器e2为刮板薄膜蒸发器与现有技术相比，本发明的有益效果为：1、本发明所需要的反应原料，廉价易得。
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2、使用本发明的反应系统，实现工艺安全操作可靠性高。
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3、本发明的设备材质均为搪瓷，避免金属元素进入最终产品中，从而保证了产品质量。
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4、本发明以磺酸内酯、烷基咪唑或吡啶为反应原料，甲苯为反应溶剂，在一定的温度下反应合成磺酸基烷基咪唑嗡盐或磺酸基烷基吡啶嗡盐，将反应液送入结晶釜，室温下析出嗡盐晶体；经过滤、干燥工段得到嗡盐晶体。然后将嗡盐、质子酸、甲苯按比例再投入反应釜中，在一定的温度下反合成离子液体；最后离子液体粗品经过分层、脱除溶剂等工艺过程得到酸性功能化离子液体，本发明的反应转化率和产品收率高，有效提高了产物的分离。
附图说明
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图1为本发明的酸性功能化离子液体的反应系统图；图中只画出解释工艺过程的必要设备，而其它明显需要的设施，如仪表、气体汇流设备、泵、阀门、中间罐等省略。
具体实施方式
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实施例1采用计量泵将储罐v3中140kg磺酸丁内酯和储罐v1中150l甲苯送入反应釜r1混合，升温至60
o
c，再将储罐v2 中的82kg 1-甲基咪唑计量送入反应釜r1；在60
o
c反应24h，反应完成后反应液流入结晶釜r2中，再向结晶釜r2中补加100l甲苯，将温度降低至室温析出晶体。将结晶釜r2悬浮液流入过滤器l1中，过滤后的液体送入蒸馏釜t1中蒸馏收集甲苯回用、固体投入干燥器e1中干燥，在50～60℃，真空度为-0.095~
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0.1mpa下干燥12h，待用。
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将干燥后的嗡盐投入反应釜r3中，投入200l甲苯，开启搅拌，分批加入190kg对甲苯磺酸，在100~110
o
c下反应6~12小时。反应结束，反应液流入分液器v4中静置分层，下层离子液体粗品送入刮板薄膜蒸发器e2中，其蒸发温度为75～80℃、真空度为-0.095~
ꢀ-
0.1mpa。成品离子液体从蒸发器底部流入储罐v5；蒸发出来的甲苯和分液器v4的上层甲苯送入反应釜r3中重复使用。得到358kg离子液体，收率为91.8%。
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实施例2嗡盐合成单元反应原料为140kg磺酸丁内酯和82kg1-甲基咪唑，其他工艺条件同实施例1，得到390kg离子液体，收率为90.3%。
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实施例3离子液体合成单元反应原料为磺酸基丁基咪唑嗡盐和硫酸，98%浓硫酸投料量为100kg，其他工艺条件同实施例1得到284kg离子液体，收率为89.9%。