论文部分内容阅读
近年来,随着锂离子电池的发展,丁二腈作为一种重要的锂离子电池有机电解液中的添加剂,因其具有防气胀、改善电池高温循环性能、提高电池电化学稳定性窗口等优点,逐渐受到国内电解液生产商的重视。丁二腈的纯度对于电解液的比容量和首次效率影响较大,当丁二腈的纯度达到99.95%以上时,电池的比容量和首次效率都较大。当纯度为99.95%以上的丁二腈添加量为3%时,复合正极材料的电性能较好。然而目前,丁二腈一般采用如下两条路线合成,第一:把氰化钠与1,2-二氯乙烷混合反应,除盐得到丁二腈;第二:利用丙烯腈与氰化氢在碱性催化剂的催化作用下反应生产丁二腈。由以上两种工艺制得的丁二腈产品纯度都在99.5%以下,并带有颜色,无法满足作为锂离子电池电解液添加剂的要求。因此寻找一种合理有效的工艺路线来制取高纯度的丁二腈产品迫在眉睫。本文以丙烯腈和氢氰酸为原料,研究了丙烯腈和氢氰酸在碱性催化剂催化作用下生产制备丁二腈的方法,并以反应制备的粗品丁二腈为原料,探索了一条真空精馏分离提纯粗品丁二腈生产高纯丁二腈的工艺路线,并利用Aspen Plus模拟软件对整个工艺进行模拟优化为高纯丁二腈的生产提供了一种新思路。本文首先对丙烯腈与氰化氢在碱性催化剂的催化作用下制备丁二腈的反应进行了实验研究。通过实验找出了最佳的反应条件:三乙胺与丙烯腈摩尔比为0.05:1时为最佳催化剂用量;最佳反应温度为30℃。在此反应条件下丁二腈的产率维持在92%以上。在保证丁二腈不发生变质反应的条件下(精馏最高温度不超过180℃)设计了采用真空精馏的方法提纯粗品丁二腈的实验,精馏过程控制塔顶真空度为0.5kpa(绝压),回流比为1:1,塔釜温度为160℃,塔顶冷凝水温度维持在58℃,收集塔顶馏分得到纯度99.998%的高纯丁二腈产品,且塔釜丁二腈在持续精馏12小时的情况下性质稳定未发生聚合和分解反应。本文利用Aspen Plus软件对丁二腈反应过程中产生的重组分杂质进行了估算,根据物料体系特征选择NRTL方程作为模拟计算的物性方法。利用Aspen Plus软件的间歇精馏动态模拟模块对粗品丁二腈间歇精馏实验进行了模拟,并将模拟结果与实验结果进行对比,发现实验结果与模拟结果基本吻合,从而进一步说明模拟所选择的物性方法和参数估算是合理可用的。在丙烯腈与氰化氢制备丁二腈的反应实验、粗品丁二腈真空精馏提纯实验以及间歇精馏模拟的基础上对高纯丁二腈的生产工艺进行了设计,并对整个工艺流程进行了模拟与优化,确定了最优工艺流程和适宜的操作条件。经过此工艺模拟后所得丁二腈产品纯度超过99.998%,且高纯丁二腈收率维持在98%以上。