咖啡因是我公司出口化學(xué)原料藥的主要品種，年出口量在2500t以上。在合成咖啡因的12步化學(xué)反應(yīng)和9步分離精制過(guò)程中，酰化反應(yīng)、閉環(huán)反應(yīng)是關(guān)鍵工藝控制點(diǎn)，在近千臺(tái)（套）生產(chǎn)設(shè)備中，酰化搪玻璃反應(yīng)釜、閉環(huán)搪玻璃反應(yīng)釜是保證咖啡因高收率、低物耗的關(guān)鍵設(shè)備，其攪拌裝置的攪拌效果對(duì)完成反應(yīng)至關(guān)重要。有必要深入研究該步反應(yīng)機(jī)理和設(shè)備狀況，改進(jìn)設(shè)備，調(diào)整工藝，以實(shí)現(xiàn)提質(zhì)降耗上收率的目的。

1反應(yīng)原理及工藝過(guò)程

1.1酰化反應(yīng)

1.2閉環(huán)反應(yīng)

1.3工藝過(guò)程

將還原搪玻璃反應(yīng)釜中反應(yīng)至終點(diǎn)的還原液(I)，壓入微孔過(guò)濾器濾去鐵泥，濾液進(jìn)入酰化搪玻璃反應(yīng)釜。壓凈后，將500L、90℃以上熱水放入還原搪玻璃反應(yīng)釜，攪拌后經(jīng)過(guò)濾器壓入酰化／閉環(huán)搪玻璃反應(yīng)釜，保證罐內(nèi)還原濾液和洗液體積達(dá)到2500L。開(kāi)酰化／閉環(huán)搪玻璃反應(yīng)釜攪拌，加入定量甲酸，升溫至95～100℃,保溫60min,得酰化液(II)。降溫至75～80℃，加液堿，控制終點(diǎn)pH值13～13.5，升溫至90～95℃，保溫20min,得茶堿鈉溶液。

2反應(yīng)過(guò)程研究

2.1反應(yīng)機(jī)理

以甲酸將(I)甲酰化得(II)，后者在堿性條件下脫去一分子水，閉環(huán)形成茶堿鈉。

2.2攪拌

閉環(huán)反應(yīng)是一個(gè)在料液表面連續(xù)加堿而茶堿鈉顆粒又在短時(shí)間內(nèi)從液體中析出的過(guò)程，析出前后（特別是析出后）需要有力且有效的混合，克服析出物阻礙，以保證反應(yīng)物分散迅速、均一，反應(yīng)充分完全，高收率，低物耗。因此，需克服單純徑向混合，在罐內(nèi)設(shè)置折流裝置，加強(qiáng)軸向混合。

2.3反應(yīng)溫度

(II)和茶堿鈉在高溫堿性條件下不穩(wěn)定，受熱分解。同日寸，閉環(huán)反應(yīng)屬放熱反應(yīng)，不及時(shí)移走反應(yīng)熱將阻止反應(yīng)的正向進(jìn)行，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，降低反應(yīng)收率和中間體質(zhì)量。故應(yīng)以有效的攪拌保證迅速傳熱，避免高溫和局部過(guò)堿反應(yīng)。

3原裝置存在問(wèn)題

3.1工藝流程和設(shè)備裝置

將酰化反應(yīng)、閉環(huán)反應(yīng)設(shè)置在同一臺(tái)3000L搪玻璃罐中進(jìn)行，這種做法存在3個(gè)問(wèn)題：

(1)罐體及搪玻璃攪拌槳受腐蝕嚴(yán)重，半年更換1次（攪拌槳更換更頻），大修、維修費(fèi)用高,且耽誤生產(chǎn)。

(2)酰化、閉環(huán)反應(yīng)同用一罐，閉環(huán)反應(yīng)結(jié)束，轉(zhuǎn)料后罐內(nèi)殘留茶堿鈉在下批酰化反應(yīng)過(guò)程中被破壞為分解產(chǎn)物而對(duì)下批物料造成污染。其中殘留的液堿還需下批用甲酸調(diào)成酸性，造成甲酸不足，鹽分增加。

(3)被腐蝕的搪玻璃成分和鐵鹽進(jìn)入反應(yīng)液亦對(duì)中間體產(chǎn)生污染。

3.2攪拌裝置

由于酰化／閉環(huán)搪玻璃反應(yīng)釜是標(biāo)準(zhǔn)搪玻璃設(shè)備，罐內(nèi)沒(méi)有攪拌的折流裝置，缺少軸向混合效果，使反應(yīng)不能充分快速進(jìn)行。同時(shí)，攪拌軸下端（下軸頭）無(wú)法固定，攪拌轉(zhuǎn)速不高，從而影響閉環(huán)反應(yīng)的充分進(jìn)行和收率的提高。

3.3對(duì)還原洗水量的影響

還原反應(yīng)結(jié)束，加洗水沖洗過(guò)濾器中的鐵泥以回收被鐵泥吸附的中間體(I)。由于酰化／閉環(huán)搪玻璃反應(yīng)釜內(nèi)沒(méi)有折流裝置．在槳葉的切向速度作用下，料液產(chǎn)生圓周方向的旋轉(zhuǎn)流，又由于離心作用，使物料液面中心下凹成旋渦。漏斗形旋渦(Φ1600×h1100)占據(jù)了罐內(nèi)有效容積約400L造成液面升高200mm，加之搪玻璃罐的額定容積所限，制約了洗水量，實(shí)際操作中需控制在500L以下，否則，反應(yīng)末期將冒料。但根據(jù)化驗(yàn)分析，沖洗后的鐵泥中仍含有可回收的(I)。因此，有必要加大洗水量。

3.4腐蝕原因分析

(1)化學(xué)腐蝕搪玻璃的主要成分為二氧化硅，閉環(huán)反應(yīng)時(shí)加堿二氧化硅遇堿變?yōu)楣杷徕c并溶于水（酸），從而造成搪玻璃層的破壞。

閉環(huán)反應(yīng)時(shí)的高溫(90～95℃)和強(qiáng)堿(pH值13.5～14)條件加速二氧化硅的堿溶解反應(yīng)進(jìn)行，而酰化反應(yīng)時(shí)加甲酸，又加速硅酸鈉的溶解，使搪玻璃層很快破壞。露出碳鋼胎體后，因甲酸有強(qiáng)腐蝕性，在酰化反應(yīng)的高溫(95～100℃)、酸性(pH值3.1～3.5)和長(zhǎng)時(shí)間加熱條件下會(huì)繼續(xù)對(duì)其迅速腐蝕，較終導(dǎo)致搪玻璃反應(yīng)釜報(bào)廢。

(2)物理破壞酰化反應(yīng)在高溫條件下進(jìn)行(95～100℃)，反應(yīng)結(jié)束后需用15～20℃的冷卻水迅速降溫至70℃進(jìn)行閉環(huán)反應(yīng)。而后利用反應(yīng)放熱和蒸汽給熱，再將料液升溫至90～95℃。這一冷卻加熱過(guò)程對(duì)搪玻璃設(shè)備是一種溫差較大的冷（熱）沖擊，因碳鋼胎體和搪玻璃層的熱膨脹（冷收縮）系數(shù)不同，勢(shì)必造成搪玻璃涂層的離層剝落。

(3)機(jī)械磨損和電化學(xué)腐蝕閉環(huán)反應(yīng)結(jié)束后加入的工業(yè)鹽及其夾帶的泥沙雜質(zhì)對(duì)搪玻璃有一定的磨蝕。另外，酸堿性料液和鹽溶液對(duì)己暴露的碳鋼材質(zhì)也產(chǎn)生一定的電化學(xué)腐蝕。

綜上，酰化閉環(huán)罐在酸堿、冷熱的反復(fù)作用和鹽蝕下?lián)p壞十分嚴(yán)重。上述問(wèn)題是制約酰化／閉環(huán)反應(yīng)有效進(jìn)行的關(guān)鍵，需要進(jìn)行整體改制。

4改制情況綜述

4.1改進(jìn)方案

將酰化反應(yīng)、閉環(huán)反應(yīng)分罐進(jìn)行，酰化反應(yīng)用搪玻璃罐（耐酸，且只加熱不冷卻，避免冷沖擊），閉環(huán)反應(yīng)用不銹鋼罐（耐堿，耐冷熱沖擊），罐內(nèi)安裝具有軸向混合效果的攪拌裝置。

4.2閉環(huán)搪玻璃反應(yīng)釜的工藝條件（見(jiàn)表1）

4.3閉環(huán)搪玻璃反應(yīng)釜設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

(1)板材

筒體lCr18Ni9Ti，板厚12mm;夾套Q235-B，板厚lOmm。依據(jù)：使用時(shí)受壓(≤0．20MPa)，且有一定的鹽蝕。

(2)簡(jiǎn)體全容積4280L有效容積3750L。依據(jù)：酰化液3000L(較原工藝增加還原洗水500L)，閉環(huán)液體積3300L。物料裝填系數(shù)77%。

簡(jiǎn)體DN1600X1600,夾套DN1750X1500。依據(jù)：現(xiàn)場(chǎng)操作平臺(tái)上原有設(shè)備槽鋼廓口1860mmX1900mm，可直接安裝。選擇短粗型罐體(其它非標(biāo)設(shè)備Φ1400或Φ1500)的原因：縮短罐體高度，從而縮短物料在罐內(nèi)的軸向混合行程。

(3)攪拌槳葉

lCr18Ni9Ti,斜槳葉345×110X12,傾斜角度25。（向上），依據(jù)：因液面加堿，為加強(qiáng)軸向混合。3層槳葉，每層4片。上中下層槳葉間距500mm，下層槳葉距罐底300mm。依據(jù)：上層槳葉距酰化液液面高度380mm處，液體2700L位置，下層槳葉處液體260L位置，保證對(duì)整體料液攪拌效果良好，同時(shí)保證向上攪拌不濺料。

(4)折流裝置

依據(jù)：當(dāng)罐內(nèi)裝料量在50%～60%左右時(shí)，可使用導(dǎo)流筒。當(dāng)罐內(nèi)裝料量很過(guò)70%時(shí)，導(dǎo)流筒難以導(dǎo)起物料。采用擋板，可避免上述問(wèn)題，反應(yīng)過(guò)程自始至終整體折流且攪拌阻力較小。

擋板1Cr18Ni9Ti，1600X100X10，長(zhǎng)度與罐體筒體高度一致，與罐壁平行安裝，距罐壁80mm，防止料液在板后死角形成停滯區(qū)；4塊，對(duì)角安裝，錯(cuò)開(kāi)罐口，防止向外濺料。

(5)攪拌裝置設(shè)計(jì)額定轉(zhuǎn)速131r。min-1（原酰化／閉環(huán)搪玻璃反應(yīng)釜100±2r.min-1）。采用行星擺線針齒減速機(jī)，依據(jù)：結(jié)構(gòu)緊湊，提高傳動(dòng)效率；閉環(huán)反應(yīng)液相對(duì)密度小，粘度小。攪拌軸在上封頭處采用機(jī)械密封，軸下端在下封頭外用銅套固定密封。

(6)電機(jī)15kW，4很。

(7)標(biāo)準(zhǔn)人孔蓋。

5結(jié)論

(1)投用一年，閉環(huán)搪玻璃反應(yīng)釜運(yùn)行正常，酰化搪玻璃反應(yīng)釜罐體狀況良好。節(jié)省設(shè)備大修、維修費(fèi)和物料消耗，年價(jià)值40余萬(wàn)元。同時(shí)，保證正常生產(chǎn)，避免停產(chǎn)損失。

(2)加大閉環(huán)搪玻璃反應(yīng)釜容積，設(shè)置擋板消除漏斗形旋渦，保證還原壓濾后多洗500L洗水，增加對(duì)中間體(I)的回收，同時(shí)加強(qiáng)閉環(huán)反應(yīng)時(shí)攪拌效果，提高還原酰化反應(yīng)和閉環(huán)反應(yīng)收率，使咖啡因總收率提高0.3%，價(jià)值50余萬(wàn)元。

(3)減少中間體(II)和茶堿鈉之間的交叉污染和搪玻璃被腐蝕造成的污染．提高茶堿鈉質(zhì)量。

(4)為本產(chǎn)品同類設(shè)備的改進(jìn)提供了成功的范例。