一种分子筛催化乳酸一步法制备丙交酯的生产装置及方法

本发明属于丙交酯，尤其涉及一种分子筛催化乳酸一步法制备丙交酯的生产装置及方法。

背景技术：

1、随着社会和经济的发展，基于石油基的不可降解塑料应用越来越广泛；同时所产生的各类废弃对自然环境的污染日趋严重；另外通用塑料对非再生石油资源的需求，已影响到人类的可持续发展。开发基于生物质的可降解塑料，取代传统的石油基塑料，成为高分子材料领域的研究重点。聚乳酸是一种生物基的可降解高分子聚酯材料，具有高的力学强度和良好的加工性能，适合于挤出、注塑、吸塑等加工手段；废弃后在自然环境中可降解为二氧化碳和水，对环境污染小。目前，聚乳酸(pla)已成为产业化规模最大的可降解材料，全世界的年产量达到30万吨以上。

2、聚乳酸的合成工艺分为两种：1.通过乳酸一步法直接缩聚合成聚乳酸；专利(cn1298764c，乳酸直接缩聚制备高分子量聚乳酸的方法)中使用分子筛原位脱水缩短反应周期，同时采用多元醇进行扩链，制备聚乳酸。该工艺需要高真空度和较高的温度，对设备要求高；目前产业化应用很少。2.通过乳酸制备单体丙交酯，然后丙交酯开环聚合两步法，制备聚乳酸，或者丙交酯可与其他单体共聚合制备共聚物。该工艺容易得到高分子量的聚乳酸或者共聚物，是目前产业化生产的主要方法。该工艺经过乳酸的低聚、裂解、纯制、聚合等共四个工序，工艺较为复杂。在专利(cn101747314b分子筛催化裂解法合成l-丙交酯的工艺方法)中，采用乳酸单体与zno减压反应，生成低聚产物，在zsm-5分子筛参与下裂解生产丙交酯；zsm-5的采用，缩短反应时间，提高生产效率。另外，低聚、裂解制备丙交酯的常规两步方法(cn101492441a苯甲酸亚锡作为催化剂的用途)，是在高真空、高于180℃高温条件进行，低聚和裂解过程，所需时间均超过6小时，生产周期较长。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种分子筛催化乳酸一步法制备丙交酯的生产装置及生产方法，该生产装置能够实现一步法制备丙交酯，且转化率高。

2、本发明提供了一种分子筛催化乳酸一步法制备丙交酯的生产装置，包括反应塔，反应塔的上部设有进料口和出汽口，反应塔的底部设有出料口；所述反应塔中设有多层分子筛催化剂，每层分子筛催化剂负载在载体上，所述载体选自玻璃纤维布或不锈钢网；

3、所述反应塔的进料口通过计量泵与计量罐底部的出料口连接；进料口用于导入乳酸和甲苯；

4、所述反应塔的出料口连接至第二冷凝器的管程入口；第二冷凝器的管程出口通过管道连接至第二油水分离器的物料入口；经过第二油水分离器分离得到甲苯清液和水；所述甲苯清液导入减压蒸馏塔，减压蒸馏塔减压得到丙交酯和甲苯。

5、优选地，所述反应塔的出汽口通过管道连接至第一冷凝器的管程入口；第一冷凝器的管程出口与第一油水分离器连接；第一油水分离器分离的甲苯收集口与甲苯储罐连接；甲苯储罐的底部出料口通过计量泵与5a分子筛固定床的进料口连接，5a分子筛固定床的出料口通过管道连接至反应塔；

6、所述减压蒸馏塔的甲苯出口连接至第三冷凝器的管程入口，第三冷凝器的管程出口通过管道连接至所述甲苯储罐。

7、所述反应塔优选采用离心泵使得反应物料在所述反应塔内循环。

8、优选地，所述分子筛催化剂为h-beta分子筛；h-beta分子筛的硅铝摩尔比为5～360:1；分子筛催化剂层设置3～5层，相邻两层分子筛催化剂层的间距和反应塔的高度比为1：5～50。

9、优选地，所述第一冷凝器为列管式冷凝器；所述第二冷凝器为板式冷凝器；所述第三冷凝器为列管式冷凝器。

10、优选地，所述载体为表面涂覆环氧树脂和固化剂的玻璃纤维布或不锈钢网。

11、优选地，所述分子筛催化剂为h-beta分子筛；h-beta分子筛的硅铝摩尔比为5～360:1。

12、本发明提供了一种采用上述技术方案所述生产装置制备丙交酯的方法，包括以下步骤：

13、a)、对载体进行预处理后涂敷分子筛催化剂，加热固化成型为分子筛催化剂；

14、b)、将乳酸和甲苯通过进料口进入反应塔，乳酸在催化剂作用下酯化反应，反应塔底物从出料口经过第二冷却器冷凝后，进行油水分离，得到甲苯清液和水；将甲苯清液进行减压蒸馏，得到甲苯和丙交酯；甲苯输送至甲苯储罐后再经分子筛固定床干燥，返回至反应塔继续循环使用；

15、反应产生的甲苯-水共沸物从反应塔上部的出汽口输送至第一冷却器后进行油水分离，得到水和甲苯；甲苯收集至甲苯储罐后再经分子筛固定床干燥，返回至反应塔继续循环使用。

16、优选地，所述酯化反应的温度为110～160℃；甲苯采用全回流比；反应塔顶的压力为常压。

17、优选地，所述乳酸的浓度为80～105wt％。

18、优选地，待反应塔底物从出料口经过第二冷却器冷凝后，导入相应量的甲苯和乳酸，继续进行乳酸催化反应；待此操作多次重复，停止反应后，导入30～50wt％浓度的乳酸溶液至反应塔；水解结束后分子筛可重新催化，进行步骤b)酯化反应。

19、本发明提供了一种分子筛催化乳酸一步法制备丙交酯的生产装置，包括反应塔，反应塔的上部设有进料口和出汽口，反应塔的底部设有出料口；所述反应塔中设有多层分子筛催化剂，所述每层分子筛催化剂负载在载体上；所述反应塔的进料口通过计量泵与计量罐底部的出料口连接；进料口用于导入乳酸和甲苯；所述反应塔的出料口连接至第二冷凝器的管程入口；第二冷凝器的管程出口通过管道连接至第二油水分离器的物料入口；经过第二油水分离器分离得到甲苯清液和水；所述甲苯清液导入减压蒸馏塔，减压蒸馏塔减压得到丙交酯和甲苯。本发明提供的生产装置通过在反应塔中设置多层分子筛催化剂，甲苯作为溶剂将酯化过程中产生的水带走，提高了丙交酯的转化效率，实现了一步法制备丙交酯。5a分子筛固定床干燥甲苯后也能提高丙交酯的产率和生产效率。整个生产过程能耗低，适于规模化生产。该装置不需要使用脱水釜和裂解装置。实验结果表明：丙交酯的转化率为32％～63％，纯度96％以上。

技术特征：

1.一种分子筛催化乳酸一步法制备丙交酯的生产装置，包括反应塔，反应塔的上部设有进料口和出汽口，反应塔的底部设有出料口；所述反应塔中设有多层分子筛催化剂，每层分子筛催化剂负载在载体上；

2.根据权利要求1所述的生产装置，其特征在于，所述分子筛催化剂为h-beta分子筛；h-beta分子筛的硅铝摩尔比为5～360:1。

3.根据权利要求1所述的生产装置，其特征在于，所述反应塔的出汽口通过管道连接至第一冷凝器的管程入口；第一冷凝器的管程出口与第一油水分离器连接；第一油水分离器分离的甲苯收集口与甲苯储罐连接；甲苯储罐的底部出料口通过计量泵与5a分子筛固定床的进料口连接，5a分子筛固定床的出料口通过管道连接至反应塔；

4.根据权利要求3所述的生产装置，其特征在于，所述第一冷凝器为列管式冷凝器；所述第二冷凝器为板式冷凝器；所述第三冷凝器为列管式冷凝器。

5.根据权利要求1所述的生产装置，其特征在于，所述载体为表面涂覆环氧树脂和固化剂的玻璃纤维布或不锈钢网。

6.一种采用权利要求1～5任一项所述生产装置制备丙交酯的方法，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述酯化反应的温度为110～160℃；甲苯采用全回流比；反应塔顶的压力为常压。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述分子筛催化剂为h-beta分子筛。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述乳酸的浓度为80～105wt％。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，待反应塔底物从出料口经过第二冷却器冷凝后，导入相应量的甲苯和乳酸，继续进行乳酸催化反应；待此操作多次重复，停止反应后，导入30～50wt％浓度的乳酸溶液至反应塔；水解结束后分子筛可重新催化，进行步骤b)酯化反应。

技术总结
本发明提供一种分子筛催化乳酸一步法制备丙交酯的生产装置及方法，装置包括反应塔，上部设进料口和出汽口，底部设有出料口；反应塔中设有负载在载体上的分子筛催化剂；反应塔的进料口通过计量泵与计量罐底部的出料口连接；进料口用于导入乳酸和甲苯；反应塔的出料口连接至第二冷凝器的管程入口，管程出口连接至第二油水分离器的物料入口；分离得到的甲苯清液导入减压蒸馏塔，得到丙交酯和甲苯。分子筛催化剂涂层固定，解决分子筛回收与磨损反应器内壁的问题，固定床提高丙交酯产率，减压蒸馏塔实现丙交酯快速分离，整个过程实现低聚物和分子筛循环利用。

技术研发人员：段然龙,刘焱龙,边新超,孙小红,陈学思,张宝,王天昶
受保护的技术使用者：中国科学院长春应用化学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1