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文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）09-072-04中圖分類號：TP29

★于現軍（北京和隆優化科技股份有限公司，南京睿首智能技術研究院，江蘇南京210046）

★李明黨，冷柏樹（南京睿首智能技術研究院，江蘇南京210046）

★王風根（山東和隆優化智能科技有限公司，江蘇南京210046）

★李麗婷（北京和隆優化科技股份有限公司，江蘇南京210046）

關鍵詞：檸檬酸三乙酯，變溫操作，智能化反應釜。

1　前言

檸檬酸三乙酯主要用作纖維素類、乙烯基類等熱塑性樹脂的增塑劑，特別適用于油墨涂料、無毒PVC造粒、制藥工業、兒童軟質玩具、醫用藥品、調配香精香料、化妝品制造等行業。食品級檸檬酸三乙酯還可做食品添加劑。

檸檬酸三乙酯是一種已經工業化的精細化學品，但工藝及生產操作過程存在著優化空間。本課題依據三篇文獻，首先進行了小試驗證與優化改進，然后根據小試結果用南京睿首智能技術研究院的“一鍵啟停”智能控制反應釜實現了從小試到中試的工藝改進及操作優化，取得了良好效果。

2　實驗部分

2.1　合成路線

(R為乙醇，催化劑為對甲基苯磺酸（PTS）)

2.2　儀器與試劑

小試儀器：數顯智能控溫磁力攪拌器（上海力辰幫西儀器科技有限公司）、1000ml三口燒瓶、玻璃冷凝器、分水器、酸堿滴定管。

中試裝置：南京睿首智能技術研究院“一鍵啟停”智能控制反應釜（50L），通過反復實驗找到了最佳的工藝方案及操作模式。

小試試劑（AR）：無水檸檬酸（TEC）、無水乙醇、對甲基苯磺酸（一水PTS）、1N標準鹽酸、氫氧化鈉分析試劑。

中試原料：工業級酒精99.9%（京東嘉際旗艦店），無水檸檬酸（蘇州百盈化工有限公司）。

2.3　實驗步驟

在1000ml三口燒瓶中加入460g（184~460）無水乙醇，然后分別加入檸檬酸質量1%-10%的PTS，做多組實驗。實驗步驟及注意事項如下：

（1）加入19.2g（10%）至PTS完全溶解后，加入無水檸檬酸192g（TEC：無水乙醇mol比=1:8~10）；

（2）后搖動燒瓶，至大部分檸檬酸溶解；

（3）開啟磁力攪拌并加熱，隨著攪拌與溫度的升高，檸檬酸逐步溶解；

（4）待檸檬酸全部溶解，立即取樣分析，用酸堿滴定法分析溶液初始酸值；

（5）繼續磁力攪拌加熱，并根據檸檬酸三乙酯生成一乙酯、二乙酯、三乙酯的不同階段，設置不同反應溫度（83℃～100℃）；

（6）自反應溫度80℃開始計時，每隔1h取樣分析溶液酸值并記錄；

（7）除起始反應（反應溫度達80℃視為起始反應）保持2h的乙醇全回流外，其它反應時間乙醇不回流；

（8）反應過程中每采出50ml反應物，就補充新乙醇50ml，保持初始時的液位不變，保持溶液總質量基本不變。

3　結果與討論

3.1　變溫操作可加速酯化反應并提高酯化率

最初的反應溫度設定是由乙醇沸點決定的，乙醇的沸點為78.5℃。但在實際實驗時，在此溫度下檸檬酸乙醇溶液幾乎不沸騰，不沸騰無法快速帶走反應生成的水分，而減少水分才能使可逆反應平衡向右移動，所以需要逐步提升反應溫度。另外隨著反應推進，先后生成檸檬酸一乙酯、二酯、三酯。隨著生成物分子量增大，空間位阻也相應變大。所以根據反應酯化程度的不同，需逐步提高反應溫度，使空間位阻破缺，才有利于檸檬酸酯化反應的快速推進。

表1是生成檸檬酸一乙酯、二酯、三酯對應的理論酸值、乙醇百分比濃度等值（由460g無水乙醇、192g無水檸檬酸、19.2gPTS組成的反應溶液）；表2是實驗中隨著反應時間的推進，在酯化不同階段對應的實際溫度、酸值和酯化率。

表1 理論酸值與酯化完成對應表

算法：

純檸檬酸的初始酸值=1/192（分子量）×3（3個羧基）×56.11（KOH分子量）×1000（mg數）=876mg（KOH）/g；

配成檸檬酸溶液時酸值=876×192/671.2（溶液初始質量）=250.58;

催化劑PTS酸值=19.2/190.2×56.11×1000/671.2（溶液初始質量）=8.44mg（KOH）/g，

溶液整體初始酸值：259.23mg（KOH）/g

純檸檬酸一乙酯酸值=1/220（分子量）×2（2個羧基）×56.11×1000=510mg/g。

一乙酯溶液酸值=510×220/671.2=167mg/g。

純檸檬酸二乙酯酸值=1/248（分子量）×1（1個羧基）×56.11×1000=226mg/g。

二乙酯溶液酸值=226×248/671.2=83mg/g。

反應溶液中剩余乙醇濃度（以乙醇計）=（乙醇投入質量-反應消耗量）/（乙醇余量+生成水量），是只以溶液中的乙醇和生成水量來計算的，用以說明反應溶液酸值大于90mg（KOH）/g，蒸出的乙醇是可以全回流的，在酸值小于83后，二酯酯化完成，乙醇含水量過高，不能回流，需采出，才能有效減少反應時間，提高生產率。

表2 反應時間、溫度、酸值、酯化率的對應表

表2酯化率計算為：檸檬酸酯化率=（1-（酸值-8.44）/檸檬酸的初始酸值）×100%

從實驗數據看，不采取變溫操作情況下，隨著反應時間的遞進，檸檬酸酸值逐漸降低，酯化率逐漸提升，但三乙酯的生成耗時明顯較長。統計未采取變溫操作的20組酯化反應數據，反應溫度控制在83℃，達到95%以上酯化率所需的反應時間在18小時到22小時之間。采取變溫操作情況下（如表2數據所示），達到95%以上酯化率所需的反應時間大大縮短至12小時以內。

3.2　檸檬酸與催化劑PTS適宜的質量比

表3催化劑加入的量與最終反應溶液酸值對照表

酸值單位：mgKOH/g

注：（1）PTS：對甲基苯磺酸，TEC：檸檬酸；（2）酸值分析采用“GB1668-2008-T增塑劑酸值及酸度的測定”，在測定中間品時，把NaOH、HCl標準滴定液0.5N改為1N濃度，否則滴定液用量太大；（3）PTS酸值的計算：PTS質量×56.11×1000/溶液質量。

從表3可以看出，催化劑加入檸檬酸質量的5%是適宜的，1%～2%的PTS加入量需要29h～32h才達到序號4的效果。其中催化劑的酸值始終在溶液中，最后需要中和除去。總酸值越高，后續中和時需要的飽和NaHCO3溶液就越多。

3.3　無水乙醇與無水檸檬酸的比例

表4 醇酸摩爾比對酸值的影響

從表4可以看出并非越大越好，乙醇過多，稀釋了酸性催化劑的濃度，對酸值的降低不利，并不能促進反應平衡向右移動，取16∶1有利于平衡向右移動（16∶1包括過程中添加的乙醇總量）。在16∶1醇酸比例下，醇既是反應物也是帶水劑，酸值23.38mgKOH/g，其中催化劑的酸值占19.19mgKOH/g（PTS加入量為檸檬酸質量的10%），余下的為檸檬酸三乙酯粗品溶液的酸值：4.19mgKOH/g。檸檬酸的酯化率達到98.32%（檸檬酸酯化率=（1-檸檬酸終酸值/初始檸檬酸酸值）%）。

3.4　乙醇的分步添加

分步添加無水乙醇，更有利于帶出反應過程中生成的水分，使反應平衡向右移動。步驟如下：

（1）在乙醇、檸檬酸摩爾比為10的全回流反應溶液中，控制反應溫度在83℃并反應2h～3h，當酸值小于83mg/g時（也就是檸檬酸二乙酯已生成后）將溫度升至100℃，并保持至溶液已無分液流出（這時乙醇與水采出完成）。

（2）將溫度降至85°C～90℃，添加起始配方中30%的無水乙醇，控制反應溫度在88℃并全回流反應2h，然后將溫度再升至100℃蒸餾出乙醇與水。

（3）將溫度降至90℃，再添加起始配方中20%的無水乙醇，控制反應溫度在95℃并全回流反應1h后，然后將溫度再升至100℃蒸出乙醇與水。

（4）溫度降至95℃，第三次添加起始配方中10%的無水乙醇，控制反應溫度在100℃并反應1h，至無分液流出，并5-7Kpa抽真空5min，結束反應。

如此添加無水乙醇，總反應醇酸摩爾比為16∶1，過程中13mol乙醇為帶水劑，3mol酯化到產品中。

3.5　中試裝置的實驗情況

表5 六次睿首智能“一鍵啟停”智能反應釜迭代優化結果

從表5可以看出，由于是全智能控制，在酯化率基本不變的情況下，反應時間縮短到8h～9h之間，而乙醇用量也隨著智能裝置改進，分水效果變好，不用再加更多的乙醇帶出反應水，達到了降低乙醇總用量的效果。

4　結論

（1）檸檬酸酯化率基本相同的情況下，小試最短反應時間一般需要反應12h以上，而經過中試迭代優化，反應時間可縮短到8h～9h；

（2）小試配方醇酸摩爾比為16∶1才能達到較好的酯化率；而經過中試迭代醇酸摩爾比為10∶1，在不加其它帶水劑的情況下，是較好的結果。

作者簡介：

于現軍（1966-），男，山東濟南人，教授級高工，現任北京和隆優化科技股份有限公司董事長，南京睿首智能技術研究院股東、高級顧問，主要從事化工、熱電、冶金等流程工業智能優化控制方面的工作。

李明黨（1979-），男，山東濟寧人，教授級高工，碩士，現任南京睿首智能技術研究院執行院長、產品總監，研究方向為流程工業智能優化控制和數字孿生技術。

冷柏樹（1963-2023），男，天津塘沽人，高級工程師，現任南京睿首智能技術研究院有限公司高級專家，研究方向為智能優化控制系統在化工生產裝置的應用。

王風根（1989-），男，山東聊城人，工程師，學士，就職于山東和隆優化智能科技有限公司，研究方向為先進控制、流程工業智能優化控制。

李麗婷（1984-），女，內蒙古包頭人，副高級工程師，學士，就職于北京和隆優化科技股份有限公司，研究方向為智能優化控制系統在化工生產裝置的應用。

參考文獻：

[1] 鐘洪權. 檸檬酸三乙酯合成及在卷煙嘴棒中的增塑作用[D]. 昆明理工大學, 2007.

[2] 陶賢平. 檸檬酸三乙酯的合成條件優化及應用[J]. 化學世界, 1998 (39) : 302 - 304.

[3] 劉欣宇, 孫毅, 朱宏春, 唐自文. 高純度檸檬酸三乙酯的合成[J]. 云南化工, 2004 (05).

摘自《自動化博覽》2023年9月刊