本發(fā)明屬于化工方法技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種堿金屬2-吡咯烷酮鹽的2-吡咯烷酮溶液的制備方法及其用途。
背景技術(shù)：
堿金屬2-吡咯烷酮鹽主要作為催化劑，用于2-吡咯烷酮與乙炔反應(yīng)制備乙烯基吡咯烷酮的催化劑。
專利號為：200810072060.9，描述了含均相催化劑吡咯烷酮鉀的2-吡咯烷酮與乙炔反應(yīng)制取乙烯基吡咯烷酮的方法，并未描述吡咯烷酮鉀的制備方法。
《化工科技市場》2004第5期《N-乙烯基吡咯烷酮的合成》一文中論述了2-吡咯烷酮與乙炔反應(yīng)制取乙烯基吡咯烷酮的催化劑為2-吡咯烷酮鉀鹽，2-吡咯烷酮鉀鹽的制法為2-吡咯烷酮與氫氧化鉀在真空或氮氣鼓泡下脫水制得，間歇生產(chǎn)。
專利號為：200880119517.5，描述了2- 吡咯烷酮與乙炔反應(yīng)的催化劑為堿金屬吡咯烷酮鹽，由2- 吡咯烷酮與堿金屬氫氧化物或堿金屬醇鹽反應(yīng)制得。
專利號為：200410061451.2和201110354299.7的兩篇專利分別描述了一種由2-吡咯烷酮在堿性下水解開環(huán)并酸化后制取4-氨基丁酸的方法。
2-吡咯烷酮與氫氧化鉀的反應(yīng)方程式如式3和式4所示：
式3的反應(yīng)產(chǎn)物為2-吡咯烷酮鉀鹽是目的產(chǎn)物，堿性強，催化活性好；式4的反應(yīng)產(chǎn)物為4-氨基丁酸鉀鹽，副產(chǎn)物，堿性弱，無催化活性。減少副反應(yīng)發(fā)生的辦法一般為快速脫水、快速分離產(chǎn)物。副產(chǎn)物4-氨基丁酸鉀鹽的生成量一般為40-50%，可以通過電位滴定的方法進行檢測。
在工業(yè)生產(chǎn)中，為了保證催化活性，提高2-吡咯烷酮鉀鹽含量，往往采取增加氫氧化鉀投料量的辦法來實現(xiàn)，不可避免的造成催化劑制造時的副產(chǎn)物的增加，2-吡咯烷酮與乙炔反應(yīng)時的聚合副產(chǎn)物增加，收率低，堵塞反應(yīng)器，頻繁停產(chǎn)。
使用堿金屬與2-吡咯烷酮反應(yīng)，制備2-吡咯烷酮鉀鹽催化劑，因反應(yīng)時間短，反應(yīng)速度快，副反應(yīng)少，催化活性高，收率高，是一個很好的選擇。但是在短時間內(nèi)會產(chǎn)生大量氫氣，并放出大量的熱量，將導(dǎo)致工業(yè)規(guī)模上的高安全要求，為了有效的進行堿金屬的分散和熱量的去除，工業(yè)間歇生產(chǎn)的實現(xiàn)存有一定難度。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明的目的在于設(shè)計提供一種堿金屬2-吡咯烷酮鹽的2-吡咯烷酮溶液的制備方法及其用途的技術(shù)方案，可以相應(yīng)的減少單位反應(yīng)器體積的堿金屬投料量，來控制溫度的升高和氫氣的發(fā)生量，可以簡單的微反應(yīng)器數(shù)量的重復(fù)增加就可以實現(xiàn)令人滿意的工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，其生產(chǎn)成本低，反應(yīng)過程安全、可靠。
所述的一種堿金屬2-吡咯烷酮鹽的2-吡咯烷酮溶液的制備方法，其特征在于包括以下步驟：
1）將2-吡咯烷酮進料容器、加熱器、過濾器、混合器、微反應(yīng)器、反應(yīng)液儲罐、堿金屬計量罐及連接系統(tǒng)氮氣置換，置換至氧含量小于0.5%；
2）將足夠量的2-吡咯烷酮裝入2-吡咯烷酮進料容器中，進料容器內(nèi)液體的溫度控制在28℃-35℃，用泵以80-100ml/min的流量經(jīng)加熱器將2-吡咯烷酮加熱至110-130℃，再經(jīng)過濾器、混合器、微反應(yīng)器返回2-吡咯烷酮進料容器，在投堿金屬前1.5-2.5分鐘，切換至反應(yīng)液儲罐中，使得2-吡咯烷酮與堿金屬的反應(yīng)液送至反應(yīng)液儲罐中；
3）將足夠量的堿金屬在煤油的保護下放入堿金屬計量罐中，堿金屬計量罐內(nèi)液體的溫度控制在105-115℃，堿金屬計量罐的氮氣密封壓力設(shè)定為0.35-0.45MPa，再通過壓力將熔融的堿金屬從堿金屬計量罐底部壓出送入混合器與2-吡咯烷酮混合后進入微反應(yīng)器反應(yīng)，堿金屬的進料量為0.8-2.2克/min，反應(yīng)后的液體經(jīng)氮氣置換脫出氫氣后送入反應(yīng)液儲罐中，得到0.1-10%的堿金屬2-吡咯烷酮鹽的2-吡咯烷酮溶液，氮氣密封保存。
所述的一種堿金屬2-吡咯烷酮鹽的2-吡咯烷酮溶液的制備方法，其特征在于所述的堿金屬為鈉、鉀或鈉鉀合金。
所述的一種堿金屬2-吡咯烷酮鹽的2-吡咯烷酮溶液的制備方法，其特征在于所述的2-吡咯烷酮，其分子結(jié)構(gòu)式為式1：
又名：吡咯酮、氮戊環(huán)酮、丁內(nèi)酰胺。
所述的一種堿金屬2-吡咯烷酮鹽的2-吡咯烷酮溶液的制備方法，其特征在于所述的堿金屬2-吡咯烷酮鹽，其分子結(jié)構(gòu)式為式2：
M:鈉、鉀、鈉鉀合金。
所述的一種堿金屬2-吡咯烷酮鹽的2-吡咯烷酮溶液的制備方法，其特征在于步驟2）中：用泵以85-95ml/min的流量經(jīng)加熱器將2-吡咯烷酮加熱至115-125℃，優(yōu)選用泵以88-90ml/min的流量經(jīng)加熱器將2-吡咯烷酮加熱至118-120℃。
所述的一種堿金屬2-吡咯烷酮鹽的2-吡咯烷酮溶液的制備方法，其特征在于步驟3）中：堿金屬計量罐的氮氣密封壓力設(shè)定為0.38-0.44MPa，優(yōu)選0.40-0.42MPa。
所述的一種堿金屬2-吡咯烷酮鹽的2-吡咯烷酮溶液的制備方法，其特征在于步驟3）中：堿金屬的進料量為0.9-1.8/min，優(yōu)選1.2-1.5克/min。
2-吡咯烷酮溶液在用于與乙炔反應(yīng)制備乙烯基吡咯烷酮中的應(yīng)用。
反應(yīng)中所產(chǎn)生的氫氣可以在脫氣裝置簡單的脫出。
本文的微反應(yīng)器體系為連續(xù)體系，參加反應(yīng)的物料的量是克或毫升級范圍，反應(yīng)器的通道寬度一般在1-10000μm，優(yōu)選10-1000μm， 更優(yōu)選50-150μm之間。材質(zhì)為不銹鋼，也可以選擇玻璃、陶瓷、塑料等材質(zhì)。
堿金屬與2-吡咯烷酮的混合是采用微孔膜進行混合的，在物料進入反應(yīng)器前，首先進入一個微孔膜混合器，微孔膜的孔徑一般在1-1000μm，優(yōu)選10-800μm， 更優(yōu)選10-100μm之間。材質(zhì)為不銹鋼，也可以選擇陶瓷、塑料等材質(zhì)。
反應(yīng)的溫度是通過堿金屬、2-吡咯烷酮的熔融溫度確定的，微反應(yīng)器體系的溫度要確保堿金屬、2-吡咯烷酮具有順暢的流動性，一般情況反應(yīng)溫度低于2-吡咯烷酮沸點為好。反應(yīng)溫度一般控制在65-240℃，優(yōu)選為: 80-200℃，更優(yōu)選為100-150℃。
反應(yīng)熱是通過過量的2-吡咯烷酮帶走的，堿金屬投料量大，反應(yīng)液從開始反應(yīng)到反應(yīng)結(jié)束時的溫升就大，一般控制反應(yīng)溫度上升的幅度為1-120℃，優(yōu)選為1-80℃，更優(yōu)選為1-50℃。也可以選擇用熱交換器移除熱量。
堿金屬2-吡咯烷酮鹽的濃度是通過控制堿金屬與2-吡咯烷酮的配比量實現(xiàn)的，反應(yīng)中2-吡咯烷酮相對于堿金屬是過量的，過量的多少可根據(jù)溶液的有無析出情況和反應(yīng)液溫度上升情況確定。
反應(yīng)壓力根據(jù)混合器、反應(yīng)器阻力，反應(yīng)液溫升等因素確定。
堿金屬與2-吡咯烷酮的反應(yīng)在沒有機械攪拌的情況下進行，原因在于微反應(yīng)器及前置的微孔混合器的混合效果是足夠的。
上述一種堿金屬2-吡咯烷酮鹽的2-吡咯烷酮溶液的制備方法及其用途，制備過程中無需其它的溶劑或助劑，無需處理第二溶劑，無需催化劑，無需助劑進行分散和混合，稍高于堿金屬熔點的較低的反應(yīng)溫度，極低的副反應(yīng)，在生產(chǎn)規(guī)模上是簡單的、經(jīng)濟的和安全的。
具體實施方式
以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
實施例1
將2-吡咯烷酮容器、加熱器、過濾器、混合器、微反應(yīng)器、反應(yīng)液儲罐及連接系統(tǒng)氮氣置換，置換至氧含量小于0.5%。
將足夠量的2-吡咯烷酮（熔點為24.6℃，常壓下的沸點為245℃，密度1.116（25/4℃））裝入進料容器中，進料容器內(nèi)液體的溫度控制在28℃以上，目的是保持2-吡咯烷酮處于液體狀態(tài)。用泵以90ml/min的流量經(jīng)加熱器將2-吡咯烷酮加熱至120℃，再經(jīng)過濾器、混合器、微反應(yīng)器返回進料儲罐，在投金屬鈉前2分鐘，切換至反應(yīng)液儲罐中，使得2-吡咯烷酮與鈉的反應(yīng)液送至反應(yīng)液儲罐中。
將鈉計量罐及鈉進料管線氮氣置換，置換至氧含量小于0.5%。將足夠量的鈉（熔點為97.82℃，相對密度(H2O)0.968）在煤油的保護下放入鈉計量罐中，計量罐內(nèi)液體的溫度控制在105℃以上，目的是保持金屬鈉處于熔融狀態(tài)。鈉計量罐的氮氣密封壓力設(shè)定為0.4MPa，因熔融的鈉比煤油重，可以通過壓力將熔融的金屬鈉從鈉計量罐底部壓出送入混合器與2-吡咯烷酮混合后進入微反應(yīng)器反應(yīng)，金屬鈉的進料量為1.0克/min，反應(yīng)后的液體經(jīng)氮氣置換脫出氫氣后送入反應(yīng)液儲罐中，得到約4.6%2-吡咯烷酮鈉鹽的2-吡咯烷酮溶液，氮氣密封保存。
實施例2
2-吡咯烷酮供料系統(tǒng)同實施例1，用鉀代替鈉。
將鉀計量罐及鉀進料管線氮氣置換，置換至氧含量小于0.5%。將足夠量的鉀（熔點63.25℃，密度0.86g/cm3）在煤油的保護下放入鉀計量罐中，計量罐內(nèi)液體的溫度控制在70℃以上，目的是保持金屬鉀處于熔融狀態(tài)。鉀計量罐的氮氣密封壓力設(shè)定為0.4MPa，因熔融的鉀比煤油略重，可以通過壓力將熔融的金屬鉀從鉀計量罐底部壓出送入混合器與2-吡咯烷酮混合后進入微反應(yīng)器反應(yīng)，金屬鉀的進料量為0.5克/min，反應(yīng)后的液體經(jīng)氮氣置換脫出氫氣后送入反應(yīng)液儲罐中，得到約1.6%2-吡咯烷酮鉀鹽的2-吡咯烷酮溶液，氮氣密封保存。