哌嗪(piperazine,简称PIP)作为一种重要的精细化工原料和中间体,在医药、农药和染料等领域有着广泛的应用。工业上合成哌嗪的方法按原料分类可分为很多种,目前较多采用的方法是以价格相对低廉的乙醇胺为原料来合成哌嗪。本文主要研究了以乙醇胺为原料,Raney Ni为催化剂,在氢气气氛中合成哌嗪的工艺路线。在合成工艺方面,通过单因素实验,考察了反应温度、反应时间、氢气压力和溶剂等因素对乙醇胺的转化率、哌嗪的选择性和收率的影响。实验结果表明,反应的最佳温度为200℃,此时乙醇胺的转化率为95.93%,哌嗪的选择性达49.58%。200℃下反应的最佳时间为4h,氢气压力为3MPa,最佳的催化剂用量为原料质量的20%。水作为反应的最佳溶剂,不仅可以有效地防止乙醇胺发生聚合反应,而且有利于产物哌嗪迅速地脱离催化剂表面,从而提高哌嗪的选择性。通过正交试验,确定了影响转化率和选择性的最关键因素是反应温度,其次是反应时间,最后是氢气压力。乙醇胺转化率的最佳工艺条件为温度200℃,反应时间6h,氢气压力3MPa,此时乙醇胺的转化率为95.00%。哌嗪选择性的最佳工艺条件为温度200℃,反应时间6h,氢气压力7MPa,此时哌嗪的选择性高达54.67%。通过GC-MS对反应产物进行了定性分析,确定了羟乙基哌嗪和氨乙基哌嗪为主要的副产物。通过分析和实验证明,氢气作为反应物参与了加氢步骤的反应。同时,氢气的存在使得反应体系具有一定的压力,抑制了脱氢和脱氨等体积增大的副反应的发生。首次提出并尝试在二氧化碳气氛下合成哌嗪的工艺路线。实验结果表明,乙醇胺吸收二氧化碳后生成了乙醇胺甲酸,该物质很难环化生成哌嗪。研究了氢气压力3MPa下的乙醇胺催化环化反应动力学。结果表明,乙醇胺的反应级数为二级,动力学方程为-r=-dC乙醇胺/dt=1.687*1015exp(-141973/RT)C乙醇胺2,反应活化能为141.973kJ/mol。研究了乙醇胺催化环化主副反应的热力学。首先,利用基团贡献法估算出反应体系中各物质在标准状态下的热力学数据,计算得到了标准状态下的反应焓变、吉布斯自由能变和平衡常数。其次,通过设计可逆过程求得了423～523K温度范围内的反应焓变、吉布斯自由能变和平衡常数随温度的变化情况。计算结果表明,乙醇胺催化环化合成哌嗪的反应虽然在热力学上是可行的,但是因为主副反应均为放热反应,主反应在热力学上并不占优势。所以,需在合适的温度下进行哌嗪的合成,反应温度太高或者太低都不利于哌嗪的生成。