碳酸二甲酯生产工艺概述

张淑新

淄博职业学院   

碳酸二甲酯是一种重要的有机合成中间体，具有低毒、环保性能优异的特点，分子结构中含有羰基、甲基和甲氧基等官能团，与光气和硫酸二甲酯相比更加安全、环保。该种化工产品生产工艺有多种，每种工艺各有其优缺点，作为生产工艺的相关人员需要对工艺类型，进行选择并挖掘其优势，使碳酸二甲酯的应用效果更加显著。

本文主要就碳酸二甲酯生产工艺中的三种（酯交换法、液相氧化羰基化法、气相氧化羰基化法）以及操作管理过程中的若干措施进行探讨。

1碳酸二甲酯

碳酸二甲酯（简称DMC），其具有多个不同的化学基团，被广泛应用于羰基化、甲基化、甲氧基化以及羰基甲基化等有机合成反应。由于其无毒可以替代光气作为甲基化剂或羰基化剂使用，使操作生产的安全性大大提高，也同时大大降低了对于环境的污染。该材料也可作为燃料系统中的添加剂，提高诸如汽油等燃料的辛烷值和含氧量从而提高此类燃料的抗爆性。碳酸二甲酯在生产过程中，因其无毒、稳定、绿色环保的特性而被广泛应用于相关分析化学反应中。

碳酸二甲酯作为一种新型化合物合成方法有多种，最常用的合成方法主要有酯交换法、甲醇和二氧化碳直接合成法、光气法三种。

2 碳酸二甲酯的生产工艺

2.1 酯交换法

酯交换法主要是指使用碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯同甲醇进行酯交换反应从而得到碳酸二甲酯的方法或生产工艺。此生产工艺在生成碳酸二甲酯的同时还会生成各种醇如乙二醇等以及各种酯的副产品。碳酸乙烯酯主要由二氧化碳和环氧乙烷的加成反应制成，该反应也是酯交换法的反应原理，相关人员根据反应进程的反应，将生产过程分成两道工序。这种反应是一种可逆反应，转换效率不如正常反应顺序的转化效率高。因此，应用此工艺的相关人员在这种类型的生产过程通过催化剂以及配比等调整以及观察实验，以提高该可逆反应的转化率。

在酯交换法的生产工艺中，相关的工作人员通过进行多次试验，最终探索出最佳的生产工艺条件。甲醇钠作为催化剂，实验室最高温度不超65℃，正常温度控制在60℃左右，环境压力控制在1.6 kpa～1.8kpa。在酯交换法中，用负载钾氟作为甲醇钠的替代品，其转化效果也非常好。该酯交换工艺的最终产物就是碳酸二甲酯，副产物主要是丙二醇。因此此种方法也可以看做是生产丙二醇工艺。尽管丙二醇的生产工艺有很多种，但是在我国现实环境中，考虑到该种工艺的经济性，还是被作为一种比较经济的工艺而被广泛应用。酯交换法在实际操作中，需要使用大量的二氧化碳气体，而相关联的废气有大量的二氧化碳，因此相关工作人员通过设计调整可以实现废气的重复利用，如此工艺不仅更加的环保也可以降低碳酸二甲酯的生产成本。

2.2 液相氧化羰基化法

液相氧化羰基化法是氧化羰基化法中的一种，这种生产碳酸二甲酯的工艺需要两步来进行，第一步是在有氧环境中，选用CuCl为催化剂，在催化剂作用下，氧气、CuCl、甲醇会发生反应生成Cu(OCH3)Cl和水。第二步，上一步所生成的化合物会和一氧化碳进行化学反应，从而生成碳酸二甲酯，与此同时第一步时的催化剂CuCl也会发生相应的化学反应而重新被还原出。该生产工艺在第一步时所产生的副产物是不可以被重复使用的废水。经多次调试最终测定，温度的最佳条件为，最高不超130℃，最低不能低于120℃。压力的最佳条件是要保持在 2MPa 以上，但是最高不能超过 3MPa。该碳酸二甲酯的生产工艺采用的是管式反应器循环工艺。此种生产工艺需要的工序相对较少，虽然在生产过程中需要使用CuCl作为催化剂，但是该催化剂在最后又被还原出来，所以不需要再进行分离这一过程，由此可见此催化剂的使用方法确实相对比较简单。在实践中发现氯化亚铜这一催化剂也存在诸如反应活性不足，有很强的腐蚀性等缺陷，经过研究发现负载型催化剂作为替代品可以改善这些缺陷，由此可见催化剂种类并不唯一，可提升空间较大，需要相关工作者做进一步的研究分析，以不断提高工艺水平。

2.3 气相氧化羰基化法

在氧化羰基化法中还有一种只需要一步就可以完成的方法那就是气相氧化羰基化法。该生产工艺是将甲烷、一氧化碳以及氧气放在一起发生化学反应，从而生成碳酸二甲酯和水。该化学反应不仅需要催化剂还需要其他试剂的参与。在这里使用的催化剂主要是活性炭，使用的试剂主要是氯化钾。在使用催化剂活性炭之前要把活性炭和氯化钾氧基铜结合在一起以提升活性炭的催化效果。该化学反应中的反应物都是以气体形式存在的，所以这种方法被称为气相氧化羰基化。在采用气相氧化羰基化工艺时，在化学反应前，碳酸二甲酯的合成是在固定床DMC合成器中完成的。在实验中此方法也可分做两步完成，首先将氧气、甲烷以及一氧化氮放在一起发生反应生成亚硝酸甲酯和水。然后把第一步的生成物同一氧化碳发生反应最终生成碳酸二甲酯。这一过程中第一步中的一氧化氮必须是可以再次被还原出来，可以借助催化剂钯的催化作用来实现。在这两步中我们可以发现虽然一氧化氮参与了反应，但是最终的量并没有减少，由此可见这两种方法的总化学反应式是一样的。

实验中测定的气相氧化羰基化法的最佳实验条件为：温度要尽量稳定可以有波动但最高不得高于150℃，最低不得低于100℃，压力为2MPa，要控制压力值为该固定值。实验证明采用此种方式生产碳酸二甲酯存在产量少，生产过程成本高，负面反应多的缺点。以此为基础，相关公司做出了改进研发了低压非均质法。低压非均质法所使用的反应器与原工艺一样，但最佳反应条件不同。新工艺的最低反应温度比原工艺高10℃，最高反应温度比原工艺低20℃。压力值并不固定，主要将其控制在0.2 MPa -0.5MPa。在设计整体的工艺流程中，不仅要涉及反应物的合成和分离等，还要考虑作为中间体的亚硝酸甲酯的制备生产过程。

3 三种生产工艺比较

主要从技术指标和经济指标对碳酸二甲酯这三种生产工艺进行对比分析。

第一点，从投资管理费用控制看，生产相同规模的碳酸二甲酯，液相氧化羰基法的投资最高，酯交换法次之，气相氧化羰基法最低。第二点，从原料消耗看，生产相同规模的碳酸二甲酯，酯交换法的消耗最高，液相氧化羰基法次之，气相氧化羰基法最低。第三点，从燃料动力消耗看，同样的生产规模情况下，液态氧化羰基法的消耗最高，酯交换法次之，气相氧化羰基法最低，燃料消耗高意味着产量越高燃料成本越高。第四点，从工艺角度看，就温度和压力两个方面进行比较分析：液相和气相氧化羰基法都是在高温下进行，酯交换法是在较低温度下进行。其次，从压强方面看，液相和气相氧化羰基法都是在高压下进行，但气相氧化羰基法对压强要求更高。相比较而言气相氧化羰基法对波动要求更松一点。

综上可以看出，从不同角度，各种方式都有各自的优缺点，因规模不同产量不同，以及化工企业的实力因素，可变成本方面等诸多变量因素影响，不同生产工艺的排序会呈现出不同的排序状态。

4 结论

碳酸二甲酯作为一种应用广泛的绿色化工产品，随着工艺研究的不断深入以及技术突破，各种工艺的优点和缺点会发生变化。根据化工企业对于规模和产量以及技术的不同需求，碳酸二甲酯的生产工艺会更加经济化、实用化和更加安全高效。