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什麽叫羰基合成醋酸技術

甲醇羰基化合成醋酸技術發展概況

近年來甲醇羰基化法工業化生產醋酸技術的主要進展包括:BP公司的Cativa工藝、Celanese公司開發出的Celanese低水含量工藝、UOP/Chiyoda開發出UOP/Chiyoda Acetica工藝、Haldor Topsoe的合成氣經甲醇/二甲醚生產醋酸新工藝、我國西南化工研究設計院開發的蒸發流程。以上新技術有的已用於工業化生產裝置的改進,有的正在準備用於工業裝置的建設或改造。

1.1 BP公司的Cativa工藝

1986年,BP化學公司從孟山都購買了基於銠系催化劑的甲醇羰基化法制醋酸技術,在此後的多年中該公司壹直在尋求對這項技術進行改進。到1996年,終於宣布開發成功了基於甲醇羰基化的CATIVA醋酸新工藝。

Cativa工藝以金屬銥作主要催化劑,並可加入壹部分錸、釕和鋨等作助催化劑。新催化劑的制備由羰基銥[Ir(CO)12]、氫碘酸和醋酸水溶液於120℃回流反應而成。

與傳統的孟山都/BP技術相比,Cativa工藝具有以下優勢:由於銥的價格明顯低於銠,所以在經濟上更具競爭力;銥催化體系活性高於銠催化體系;反應副產物少;可在較低含水量條件下操作(Cativa工藝不到8%,而孟山都工藝為14%~15%)。這些技術若用於現有裝置改造,可在較低投資情況下增加裝置產能,而且,由於水含量低也帶來了蒸汽消耗下降和CO轉化率的改善。

該工藝於1995年末在Sterling公司Texas城裝置實現工業化。該裝置經用新工藝改造後產能已從28萬t/a增加到34萬t/a。進壹步的擴能尚在進行中,估計擴能完成後產能將達到45.36萬t/a。1997年3季度,在位於韓國Ulsan的BP/Samsung合資裝置用該工藝改造原有裝置產能從21萬t/a提高到了35萬t/a。此外,BP公司位於英格蘭Hull的甲醇羰基化制醋酸裝置也於1998年改為用Cativa工藝,產能增加了10萬t/a。

1.2 Celanese低水含量工藝

在孟山都工藝中,為使催化劑具有足夠高的活性和維持足夠的穩定性,反應系統中必須有大量水存在。反應器中高質量分數水的存在(14%~15%)導致從醋酸中分餾水分成為最大的耗能步驟,同時也成為裝置產能擴大的“瓶頸”。若能夠發現壹條途徑能在低水含量的條件下補償反應速度的下降和催化劑的穩定性,那麽,采取低水含量操作就壹定會帶來操作費用的極大降低。

在1978年Hoechst公司,即現今的Celanese化學公司在Texas的Clear Lake建成壹套用孟山都工藝的大型醋酸生產裝置。在此基礎上,該公司於80年代初期開發成功Celanese低水醋酸生產新工藝。低水含量醋酸技術的核心是在銠系催化劑中添加高濃度的無機碘化物(主要是碘化鋰)以增強催化劑體系的穩定性,加入碘化鋰與碘甲烷助劑後,允許反應器中的水含量大大降低而同時又可穩定保持具有較高的反應速度,從而使新工藝的分離成本得以大大降低。在Celanese低水醋酸生產新工藝中催化劑組成的改變,允許反應器在低水含量和高醋酸甲脂反應濃度下操作,結果增加了反應器和凈化系統的產能。

Celanese低水醋酸工藝流程與傳統孟山都/BP工藝相似,其主要技術優勢有:裝置產能增加,單位產品的公用工程消耗和投資成本降低;缺點是使用高濃度的碘鹽導致腐蝕增加,產品中殘留碘鹽量升高。產品中高的碘鹽含量可能會在醋酸下遊產品,如醋酸乙烯單體(VAM)的生產中導致催化劑中毒,因而必須脫除。

為克服醋酸產品中高碘化物濃度的問題,Celanese已開發出從醋酸中分離微量碘化物雜質的Silverguard工藝。該工藝用銀金屬離子交換樹脂從醋酸中分離碘化物雜質,經處理後醋酸中碘化物的質量分數低於2×10-9,遠低於普通工藝10×10-6的水平。該公司還公布了另壹項從醋酸中分離碘化物的新技術,采用聚合物樹脂與金屬鹽結合,用其與來自含鹵化物液體鹵化物雜質反應。該方法的優勢是壹步有效地分離鹵化物雜質,可避免增加蒸餾和回收系統。

1.3 UOP/Chiyoda Acetica工藝

對於液相羰基化反應來說,催化劑固定在固體載體上具有壹些潛在的優勢,尤其是易於從反應母液中分離出來。碘化物促進的多相羰基化反應機理與均相系統類似,已報道用這種負載催化劑在反應條件下可獲得高的反應速度。BP已開發出壹種多相催化劑系統,新催化劑體系是將銠、鎳、鈷或銥等催化劑浸漬在活性炭載體上,然後再將催化劑在400℃用氫氣還原,得到具有反應活性的催化劑。使用該催化劑甲醇轉化率為98.4%,醋酸選擇性為58%。具有熱穩定性的聚合物載體種類較多,如Chiyoda公司開發出的聚乙烯吡啶和聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)交聯***聚物。以此為基礎,該公司開發出了Acetica醋酸生產新工藝。

Acetica醋酸生產工藝由Chiyoda和UOP聯合開發成功,它采用多相負載催化劑和鼓泡塔反應器進行甲醇羰基化。以甲醇和CO為原料,使用添加有碘甲烷助劑的聚乙烯吡啶樹脂的負載銠系催化劑。據稱,多相催化劑可得到高的產率,改善銠系催化劑的性能,醋酸產率以甲醇計高於99%。該工藝合成反應器可在低水含量(3%~8%)條件下操作。反應器內碘化氫濃度低,腐蝕問題小,而且,與傳統工藝相比,新工藝的另壹大特點是反應器用鼓泡塔,消除了攪拌塔式反應器的密封問題,操作壓力可增加到6.2Mpa。此外,UOP還開發出了專利碘化物分離技術,可降低醋酸產品中碘化物質量分數到1×10-9~2×10-9。

為使該工藝在中國得到推廣應用,UOP/Chiyoda與西南化工研究設計院簽定了***同開發協議,並於1998~1999年在四川成都進行了放大驗證試驗,各項指標均達到或超過了設計值。

1.4 Haldor Topsoe的合成氣經甲醇/二甲醚生產醋酸工藝

Haldor Topsoe的甲醇醋酸聯產工藝是壹種全新的醋酸生產技術。傳統的羰基化生產醋酸工藝的原料甲醇壹般是從外部購買。為取消外供甲醇的需要,Haldor Topsoe采取了將甲醇的合成結合進醋酸生產中的方法,將甲醇生產和CO的生產並列。該工藝的主要不足是甲醇合成壓力遠高於醋酸合成的壓力。然而,用甲醇二甲醚聯合生產已基本上克服了這壹缺陷。工藝分兩步:第壹步,從合成氣生產甲醇和二甲醚(DME);第二步,甲醇和二甲醚羰基化生產醋酸。

在甲醇合成和甲醇脫水催化劑存在下合成氣轉化為甲醇和二甲醚混合物:

CO + 2H2 = CH3OH

2CH3OH = CH3OCH3 + H2O

反應生成水通過水氣變換反應轉化為CO2和H2:

H2O + CO = CO2 + H2

為降低水氣變換反應生成CO2的量,工藝采取進甲醇/二甲醚反應器原料氣在高V(H2)/V(CO)比操作(2∶1到3∶1),在2.5~5.0Mpa下,轉化率與傳統甲醇合成工藝相當。這種合成壓力與醋酸合成部分的壓力相當。從甲醇/二甲醚反應器出來的物流經冷卻分離出甲醇、二甲醚和水。

在醋酸合成部分,二甲醚和甲醇經催化羰基化生成醋酸,為滿足羰基化反應對CO的需求,原料CO保持過量,壹般為V(CO)/V(甲醇+二甲醚)=1~1.5∶1。

CH3OH + CO = CH3COOH

CH3OCH3 + 2CO + H2O = 2CH3COOH

羰基化反應在液相中於100~250℃和2.5~5.0Mpa的較高壓力下進行。

1.5 西南化工研究設計院的蒸發流程工藝

我國西南化工研究設計院在七十年代便開始進行羰基合成醋酸的研究開發工作,取得了大量的研究成果,最終形成了具有我國自主知識產權的專利棗國家知識產權局授權的“甲醇低壓液相羰基合成醋酸反應方法”。該專利以銠的羰基絡合物為催化活性物質,采用不同於BP銠催化劑技術的反應工程與分離工程技術,通過增加壹個第二轉化反應釜,降低反應液中的水含量及配合其他反應工程的方法來提高反應深度,同時使容易分解沈澱的銠催化劑轉化為能承受加熱蒸發時不分解不沈澱的穩定的銠絡合物,因此,該工藝可采用不同於BP技術的蒸發工藝,可較大地提高粗產品中的醋酸含量,減少蒸發器母液的循環量和蒸餾工段的負荷。

西南化工研究設計院開發的羰基合成醋酸工藝具有以下特點:

a.轉化率、選擇性均很高,副產物少,三廢排放少,產品質量好;接近或達到了世界先進水平;

b.由於采用了蒸發流程,使反應器的生產能力提高,能耗降低;

c.反應條件溫和,催化劑雖為貴金屬,但穩定性增強,壽命長,用量減少;

d.生產成本不高於其他任何壹種羰基合成生產方法;

e.工藝流程組織合理,易於控制,操作穩定可靠。

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