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丙烯酸甲酯生产工艺路线选择
人们把化工中的清洁技术称为绿色化工。在经过了一段时间的开发后, 化学工业中的清洁技术取得了令人鼓舞的进展。同时也充分表明, 绿色化工技术是推动化学工业清洁生产的关键。 在21世纪以后展望人类与地球的未来, 要成为以”生活”和”生命”的科学技术创造21世纪幸福的企业, 因此只有用绿色化工工艺生产的产品才能与社会协调, 由此来开发甲基丙烯酸甲酯的绿色生产新工艺, 将会具有广泛的发展前景。
1物化性能
甲基丙烯酸甲酯(MMA)为无色易挥发液体。比重-: 940。凝固点—48。2℃。沸点101℃。闪点10℃。微溶于水, 溶于多种溶剂。在光、 热、 电辐射下易于聚合, 可与其它单体共聚.甲基丙烯酸甲酯(MMA)是重要的有机化工原料, 主要作为聚合单体用于生产聚合物和共聚物, 还可经过酯交换生产甲基丙烯酸高碳酯。另外, MMA还可用于涂料、 乳液树脂、 粘合剂、 PVC树脂改性剂、 聚合物混凝土、 腈纶第二单体、 纺织浆料、 医药等领域。
当前已工业化应用的工艺有:
生产工艺
已开发技术
2.1丙酮氰醇法
早期的丙酮氰醇路线是以剧毒的氰化钠为原料, 经硫酸酸化后制成氢氰酸, 然后再与丙酮作用生成丙酮氰醇。该法工艺路线长, 环境污染严重, 且生产成本高, 当前已基本淘汰。
丙酮氰醇法是以丙酮和氢氰酸为原料, 在碱性催化剂存在下, 生成丙酮氰醇, 然后丙酮氰醇与硫酸反应生成甲基丙烯酰胺硫酸盐, 经水解后再与甲醇酯化, 可得甲基丙烯酸甲酯粗品, 再经精制得产品。
MMA的生产技术, 全世界85%采用ACH法。日本大约60%采用异丁烯法, 其余的采用ACH法。
现行的丙酮氰醇路线是以生产丙烯腈的副产氢氰酸为原料, 该法工艺流程短, 原料成本低, 既避开了剧毒的氰化钠, 又解决了丙烯腈的副产利用问题, 减少了氢氰酸对环境的污染, 该法技术成熟, 稳定简单, 是当前国内外普遍采用的方法。
日本三菱瓦斯化学公司建造的一套以丙酮和甲醇为原料使用新的丙酮氰醇(ACH)法生产甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸的装置。该装置年生产能力为4.1万吨, 该工艺的主要优点在于产生的氢氰酸副产物可作为制取ACH的原料循环, 而且不产生硫酸铵副产物。
新ACH法是经过几步合成的新工艺。由丙酮与氢氰酸反应生成丙酮氰醇(ACH), 然后水合生成羟基异丁酸酰胺(HBD)。用甲醇脱氢生成的甲酸甲酯和HBD反应生成羟基异丁酸甲酯(HBM), 再将生成物脱水得到MMA。合成HBM时生成的副产氢氰酸在ACH合成中循环使用。
在老的ACH法中, ACH经甲基丙烯酸酰胺与甲醇反应时产生的副产物废酸, 必须进行处理, 而新的ACH法不生成副产废酸, 是一种生产MMA的清洁工艺 。
在三菱公司的这一新法中, ACH在100℃之下经过氧化锰催化剂转变成2—羟基异丁酰胺(HBD)。HBD与甲酸甲酯反应生成2—羟基异丁酰胺, HBD与甲酸甲酯反应生成2—羟基异丁酸甲酯和甲酰胺。
此为一酯交换反应, 使用一种碱金属醇盐催化剂, 反应温度20~100℃。此二产物蒸馏分离, 然后HBM在200℃~500℃下经沸石催化剂催化脱氢得MMA。最后, FD在200~600℃下经二氧化硅—氧化铝催化剂催化转变成HCN, HCN回收后与丙酮反应生成ACH, 重用于上述反应循环。
此法的基建费用与常法相近, 生产费用也相近或稍低。因多步反应而增加的投资费用由于不使用硫酸处理设备而可抵销。
2. 2异丁烯法
氢氰酸或氰化氢(HCN)是一种极毒的化学品, 但它可提供氢氰根(CN—)而被广泛用于制备多种含氰化合物, 如丙烯腈、 农药中间体和杀虫剂等。由于它对环境和人体的严重毒害, 国内外正在开发替代氢氰酸为原料的的绿色原料清洁生产技术。
将异丁烯在钼催化剂存在下经空气氧化制成甲基丙烯酸, 然后与甲醇酯化可得产品。该法的特点是催化剂活性高, 选择性好, 寿命长, 甲基丙烯酸的收率高。该法无污染, 原料来源广泛, 且成本低于丙酮氰醇法, 但工艺过程较复杂。
异丁烯法制MMA工艺比ACH法有显著的优点。异丁烯氧化制MMA的工艺引起了许多科学家及化学公司的注意。
该法采用石脑油裂解C4馏分和炼油厂湿气中都含有的异丁烯为原料, 采用杂多酸型催化剂, 将其氧化为甲基丙烯醛(MAL)和甲基丙烯酸(MAA)再酯化得到MMA。
异丁烯氧化法关键技术在于一步氧化异丁烯到MAL, 二步氧化MAL到MAA的催化剂的研究和开发。
异丁烯氧化反应的机理, 是吸咐在催化剂上的异丁烯脱去一个氢原子变成烯丙基中间体, 再被催化剂的晶格氧氧化成MAL。烯丙基中间体在强碱性条件下易发生二聚, 再环化成芳香族化合物苯、 甲苯、 二甲苯等。反应温度低时酸性催化剂的作用更强, 可使异丁烯深度氧化, 且异丁烯易水合生成丙酮、 乙醛、 乙酸等副产物。
当前开发的催化剂是Mo及W和各元素的氧化物的混合体, 反应温度多在300~400℃, 接触时间2~5 s, 异丁烯摩尔转化率达95%以上, 总收率在82%~88%, 催化剂寿命达3年以上。
采用SiO2-TiO2催化剂进行气相反应, 其转化率比液相法高, 选择性与液相法同。氧化-酯化是指MAL氧化及酯化反应采用同种催化剂, 在氧化的同时又酯化得MMA。该法与上述工艺相比是经过一个独立的工艺单元取代了两个单元制取MMA, 可使生产投资大幅度降低, 产率增加, 有较大的经济效益。
异丁烯氧化制MMA主要有三种工艺路线: ①异丁烯氧化到MAL, 再氧化到MAA, 再酯化为MMA; ②异丁烯一步氧化到MAA, 再酯化为MMA, 这种工艺首先氧化成对应醛, 再氧化成酸, 两者氧化动力学不同, 采用相同工艺条件和催化剂得不到最佳MAA选择性; ③异丁烯氧化到MAL, 氧化酯化为MMA。
新制法以异丁烯为起始原料, 甲基丙烯醛在一工序中同时进行氧化、 酯化反应, 省去甲基丙烯酸工序合成MMA, 称为直接甲酯化法。此法系以新开发的复合氧化物催化剂及金属间化合物催化剂为基础, 可大辐度降低成本, 由于合成路线缩短, 基建费用也可减少。
异丁烯氧化法关键技术在于一步氧化异丁烯到MAL, 二步氧化MAL到MAA的催化剂的研究和开发。
制备MAL用催化剂, 早期采用Cu、 Cu-Se体系、 Mo-Bi体系, 后来发展到Mo-Bi-Fe体系。现在多采用Mo-Bi-W-Fe复合金属体系作为催化剂, 金属元素数目在5个以上, 在类似的丙烯选择性氧化用催化剂中多添加一些碱性元素来提高MAL的选择性, 如加入碱金属、 铊、 碱土金属来调整酸强度; 另外需要降低原催化剂的活性防止副反应的发生, 经过加入Pe、 Ni、 C等金属作为助剂来调整比表面以控制活性。
当前开发的催化剂是Mo及W和各元素的氧化物的混合体, 反应温度多在300~400℃, 接触时间2~5 s, 异丁烯摩尔转化率达95%以上, MAL+MAA收率在82%~88%, 催化剂寿命达3年以上。
P-Mo杂多酸对MAL氧化有优良的催化性能。使用杂多酸为催化剂在反应温度365℃, 接触时间3.6s, 可使异丁烯转化率达97.1%, MAL选择性为88.2%
经过调整催化剂结构, 能够改良催化剂的性能。如用碱金属或碱土金属等的金属盐来取代磷钼酸的铵盐, 提高其稳定性; 中心元素P用一部分As、 Sb、 B等置换; 配位元素Mo用W, V来代替一部分等。
经过添加周期表IB、 ⅣB、 VB、 ⅧB及镧系元素等提高杂多酸催化剂的耐热性、 氧化还原性, 并保持其催化活性。当前该类催化剂多采用P-Mo-V杂多酸为主体, 反应温度大都在270~350℃, 接触时间2~5s, MAL转化率80%~85%, MAA选择性82%~91%。
酯化反应一般采用酸性阳离子交换树脂、 沸石、 固体超强酸、 固体超强碱、 杂多酸等为催化剂, MAA与甲醇连续反应, 控制适当条件, MAA也不易二聚, 在甲醇与MAA摩尔比1~3: 1范围内, 反应温度70~110℃, MAA的酯化可接近定量, 未反应的MAA可循环使用。反应生成物主要是MMA, 含有少量甲醇和水。加水抽提分离MAA和甲醇后, 粗MMA经过蒸馏去除少量低沸点的组分, 可得高纯MMA, 回收的甲醇水溶液可循环利用。另外, 采用SiO2-TiO2催化剂进行气相反应, 其转化率比液相法高, 选择性与液相法同。mL氧化.酯化催化剂氧化-酯化是指MAL氧化及酯化反应采用同种催化剂, 在氧化的同时又酯化得MMA。该法与上述工艺相比是经过一个独立的工艺单元取代了两个单元制取MMA, 可使生产投资大辐度降低, 产率增加, 有较大的经济效益。
日本三菱人造丝公司采用氧化-酯化催化剂制备MMA: 载于SO2—MgO上的Pd5Bil2Fe催化剂。该催化剂以浆料形式在50℃下使用, 使MAL与甲醇在通入空气下反应4h, 制得MMA, 转化率为88%, 选择性98%。其惟一的副产物是明显可循环使用的异丁烯醛二甲基乙缩醛, 其质量分数为0.31%。该工艺生产单程产率为85.2%。明显大于MAL氧化到MAA, 再酯化为MMA的数值。其缺点在于反应时间长, 要求使用较大的反应器才能完成。
日本几家化学公司在这方面作了大量的工作。她们采用Pd金属催化剂, 并经过添加Pb、 Bi、 be、 Zn等金属元素提高稳定性, 载体为CaCO3、 ZnO和SiO2-AlO3—MgO, 反应温度在70~100℃, MMA选择性在90%以上。
随着世界乙烯生产的迅速发展, 在生产中已副产相当数量的异丁烯, 故导致采用异丁烯氧化法逐渐取代了ACH法的MMA生产.异丁烯直接氧化生产MMA的工艺反应过程基本无副产物, 使MMA的生产成本比丙酮氰醇法几乎降低了一半, 具有明显竞争优势。
异丁烯氧化制MMA的反应过程是在异丁烯第一步氧化过程中, 使用的是含Be,Ca,Mg,Sr,Ba等组分组成的催化剂, 使异丁烯几乎全部转化成甲基丙烯醛.反应在管式反应器内, 控制反应温度350℃, 气体进料组分为异丁烯6%、 氧气12%、 蒸汽6%和氮气76%, 气体滞留时间2.4秒, 在这些条件下生成甲基丙烯醛( MAL) 的收率为83.6%。
第二步氧化关键是使用高效催化剂。
提供的催化剂组分为P12Rb 0.5 Cr 0.5 Ag 0.1,其制备方法如下: 将(NH4)6Mo7O24 、 H3pO4、 CrO3 、 硝酸铷和 AgNO3混合后, 在空气中于400℃焙烧5h; 取其100分与200分下混合搅拌10min, 再加入28%的氨水37分, 于50℃下搅拌1h, 蒸干; 将固体干燥, 磨碎后和200分水搅拌30min, 再在90℃下用30min时间滴入9.5分吡啶, 蒸发干燥, 焙烧后用作催化剂, 其反应生成MAA的选择性在80%以上
使用摩尔比等于1.5: 1.2: 0.5: 0.5: 0.1: 0.1: 0.5: 1: 0.6的P-Mo-V-Fe-Ce-Cu-Sb-K-NH4催化剂, 反应气体组分为MAL5%, O210%, N255%, 水蒸汽30%, 控制反应温度270℃, 催化反应接触时间36秒, 生成甲基丙烯酸( MAA) 的选择性87.6%, 生成气体产物经洗涤, 再经MIBK( 甲基异丁基酮) 萃取蒸馏, 得纯度在99.5%以上的MAA。将生成MAA通入密封的高压釜内, 使用对甲苯磺酸催化剂, NMP( N-甲基吡咯烷酮) 为溶剂, 在一氧化碳压力为60巴的条件下通入甲醇, 生成MMA的选择性为98.9%。
反应中残存的MM经分离后返回反应器内循环使用, 粗酯蒸馏后得高纯度的MMA.从原料上讲, ACH法需要丙酮, 氢氰酸, 浓硫酸等多种原料, 而异丁烯直接氧化法仅需用异丁烯和甲醇, 原料价廉易得, 无疑较ACH法技术路线先进。
Ineos丙烯酸公司宣布她开发出了一种生产MMA(甲基丙烯酸甲酯)的新方法, 称之谓Alpha法。新工艺不需要用丙酮、 HCN和异丁烯, 也不需要用酸回收装置和特种建筑材料。
2.3合成气法
ASF公司开发了一种由合成气和乙烯制MMA的新工艺, 并于1989年11月建成了一套能力35000吨/年MMA和5000吨/年MAA的装置.该装置工艺流程为: 由合成气制乙烯, 进而制丙醛; 另由合成气经甲醇制甲醛; 这两种醛在催化剂作用下生成甲基丙烯醛; 甲基丙烯醛在列管反应器中与空气中的氧反应生成甲基丙烯酸和含有大量 水的副产物; 分离副产物, 甲基丙烯酸经提纯后与甲醇反应制得MMA。该方法不用HCN, 因而没有环保方面的问题.副产物烧掉, 产生的热量可供附近装置使用.有的丙酮/氰醇生产工艺废物硫酸氢盐必须用剧毒的氰化氢去处理, 给环境造成了严重的污染。
新工艺第—步由乙烯和合成气生产丙酸, 使用均相碘钼催化剂进行加氢甲酰化, 反应在低温(150℃~200℃)和低压3~7MPa下进行。第二步由丙酸与甲醛反应生产甲基丙烯酸, 使用硅酸铌双功能催化剂。第三步以甲醇酯化反应生成甲基丙烯酸甲酯, 该工艺与其它工艺比较具有较强的竞争优势。
北京化工研究院也研究用乙烯和一氧化碳加氢气的混合气体, 在相应温度下使乙烯发生低压羰基化反应生成丙醛, 经冷凝, 精馏, 脱水后再在纯氧作用下液相氧化成丙酸, 丙酸下甲醛水溶液气相氧化成MAA, 然后再用于生产MMA。乙烯原料路线与ACH和异丁烯等相比: (1)乙烯路线的固定资本比ACH路线低, 但高于异丁烯和叔丁醇路线; (2)乙烯路线的原料和化学品占成本的比例最低; (3)乙烯路线公用工程占产品成本的比例最高; (4)乙烯原料路线的MMA成本低于ACH和混合丁烯路线, 略高于异丁烯和叔丁醇路线。
使用的CrSb0.7Ox催化剂制法为: 70分Cr(NO3)3,19.8分Sb2O5和100水相混, 经干燥、 焙烧压制成型后用于MAA的生成反应.例如: 18.3分丙酸, 9.1分甲醛在76.2%的氮气流下, 控制反应温度为389℃, 气流空速为2000/h , 生成的MAA的选择性78.0%, MAA用于生产MMA。中国已有相当规模的乙烯生产装置开发丙醛, 丙酸是其重要的发展方向。
2.4丙酸甲酯法
英国ICI公司的研究者开发出一种新催化剂, 它是一种多孔高比表面的Si02催化剂, 其中含有1—10%的碱金属Cs和从Mg, Al, Zr等中选择得到的化合物, 将活性金属与改性剂沉积在SiO2载体上制成的。利用这种催化剂, 促使丙酸甲酯与甲醛反应, 便可高收率高选择性制得甲基丙烯酸和甲基丙烯酸甲酯产物。当然, 利用丙酸甲酯或丙酸发展MMA生产的经济效益也较好, 故可大力发展乙烯氢甲酰化新工艺。
2.5丙炔法
壳牌公司开发的另一条合成MMA的新路线是使丙炔在甲醇存在下, 用一氧化碳羰基化生产MMA.该公司利用此法现已建成60千吨/年MMA生产装置, 反应采用了最新催化剂, 使其生成MMA的选择性达100%.丙炔是由乙烯副产C3馏分经MIBK或DMF萃取蒸馏分离得到的.丙炔一步法生产MMA的工艺简单, 投资省, 产品纯度高, 是当前最经济的一种MMA生产方法。
2.6直接酯化法
旭化成工业公司采用直接氧化酯化新方法替代甲基丙烯腈法生产MMA( 甲基丙烯酸甲酯) .旭化成用新方法在川崎建成了一套6万吨/年的MMA生产装置.新方法采用异丁烯为起始原料制成2-甲基丙烯醛, 然后由2-甲基丙烯醛直接制得MMA单体.旭化成开发了生产2-甲基丙烯醛中间体用的新型氧化催化剂和生产MMA用的直接氧化酯化催化剂, 新方法比原方法节省时间, 生产效率高, 能大大降低生产费用, 从而提高了经济效益.
2.7乙烯法
该法是将乙烯羰基化或加氢甲酰化生成q的羰基化合物, 然后与甲醛或与之相当的化合物缩合成甲基丙烯酸甲酯。西德巴斯夫公司已于1989年建成丁一套年产3.6万吨装置。德国BASF公司还成功地开发了以丙醛和甲醛为原料生产甲基丙烯酸酯技术, 从而淘汰了以剧毒的氢氰酸为原料的工艺。
最近由美国伊斯曼化学公司和Tnangie研究大学联合开发出三步法合成甲基丙烯酸甲酯(MMA)新工艺。该工艺最大特点是减少环境污染。
现有的丙酮/氰醇生产工艺废物硫酸氢盐必须用剧毒的氰化氢去处理, 给环境造成了严重的污染。新工艺第—步由乙烯和合成气生产丙酸, 使用均相碘钼催化剂进行加氢甲酰化反应, 在低温150~200℃。低压3~7MPa下进行。第二步由丙酸与甲醛反应生产甲基丙烯酸(MAA), 使用硅酸铌双功能催化剂.第三步以甲醇酯化反应生成甲基丙烯酸甲酯(MMA)。该工艺与其它工艺比较具有较强的竞争优势。
新开发技术
1.α-MMA路线
英国MMA和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)生产商——璐彩特(Lucite)国际公司将第一次采用其α-MMA新技术在新加坡建设MMA装置, 这是该工艺开发 后建设的第一套装置, 能力为12万t/a, 已于 8月中旬投入建设, 定于 初投产。
与基于丙酮和氢氰酸或异丁烯的现有技术相比, 璐彩特公司采用乙烯、 甲醇和CO2生产MMA的α-工艺可减少生产费用40%-45%。该工艺将乙烯进行羰基化和酯化制备甲基丙酸酯, 采用钯基均相羰基化催化剂, 对甲基丙酸酯的选择性超过99. 9%, 而无需复杂的分离工序, 温度、 压力和腐蚀性等工艺条件缓和, 甲基丙酸酯与甲醛在几乎无水的条件下反应生成MMA, 采用长寿命的均相催化剂, 甲基丙酸酯的选择性超过96%, 甲醛的选择性超过85%。这一路线的优点是反应中不生成异丁烯醛中间产物。新工艺在缓和条件下操作, 产率较高, 不使用有毒或有腐蚀性的化学品, 维护费用低。惟一的废弃产物为水和重质酯类, 酯类可用作过程燃料。新技术原材料选用方便, 无其它工艺过程的副产物。在璐彩特公司现有装置中, MMA用常规的三段法工艺生产, 丙酮和氢氰酸组合生成丙酮氰醇, 丙酮氰醇再转化成MMA。
2.RTI -Eastman -Bechtel路线
先将乙烯进行加氢羰基化生成丙酸, 丙酸与甲醛缩合生成甲基丙烯酸, 最后酯化生成MMA。该路线的缺点是缩合催化剂寿命有限, 缩合反应中甲基丙烯酸的选择性比Ineos路线选择性略低, 但所需投资比巴斯夫路线和Ineos乙烯路线低。
3.改进的巴斯夫路线
乙烯同时羰基化/酯化生成甲基丙酸酯, 再与甲缩醛缩合生成MMA。其缩合催化剂寿命尚不清楚, 实验室试验表明, 新鲜催化剂表现出较高的选择性和转化率, 但回收率较低, 当前尚未实现工业化。
4.异丁烷氧化路线
与异丁烯选择性氧化相似, 该工艺是将异丁烷氧化脱氢生成甲基丙烯醛/甲基丙烯酸, 具有原材料成本较低的优点。已有许多公司对此进行了研究, 其中进展最快的是埃尔夫阿托化学和住友化学公司。这两家公司及Roehm化工公司(RCF)等已申请了该工艺专利。
5.丙炔路线
丙炔羰基化/酯化直接生成MMA路线由壳牌公司开发, 该技术现属于Ineos公司。该路线在概念上很简单, 但在原材料供应方面有局限性。
6.MGC路线
该路线是三菱瓦斯化学公司在HCN循环利用路线基础上改进的生产路线, 该工艺再循环使用的是氨而不是HCN。尽管原材料净成本没有太大的降低, 但设备投资费用低且原材料易得。
7.丙烯羰基化路线
先将丙烯羰基化生成异丁酸, 然后脱氢生成甲基丙烯酸, 最后酯化生成MMA。尽管该工艺有经济上的竞争优势, 但因设备设计较为困难, 故尚未引起太大关注。
技术经济性综合分析
Nexant化学系统公司对一系列已工业化和正在开发的MMA生产路线的生产成本进行了分析比较。分析表明, 巴斯夫路线的生产成本最高。除了原料价格和成本上的原因外, 另一个主要原因是该路线使用了丙醛缩合生成甲基丙烯醛中间产物, 而甲基丙烯醛必须氧化成甲基丙烯酸, 增加了该路线的复杂性, 造成投资增多, 公用工程费用增加。
改进后的巴斯夫新路线中生成的是甲基丙酸酯中间产物而不是丙醛, 比丙醛路线节约成本。Ineons α路线和RTI -Eastman -Bechtel路线与巴斯夫路线有相似的原材料成本, 但所需投资比巴斯夫路线要少得多。
旭(D)直接氧化路线的原材料成本要低许多。MGC(R-HCN)路线的技术经济性只是一个粗浅的概念, 该路线公用工程费用高, 经济上并无优势。
若能提高丙烯羰基化路线的氧化脱氢催化剂的寿命, 则该路线将较有前途。丙炔羰基化/酯化路线在适合条件下(裂解装置能提取丙炔原料)其经济上也有优势。
质量标准
外观: 无色均匀液体
色泽: 小于10含量99.8%
水分含量小于0.05%
比重: 0.942
折光指数: 1.414
甲基丙烯酸酯含量: 小于0。004%
杂质含量0。15%
表二
外观: 无色均匀液体
色泽: 小于5
含量大于99.6%
水分含量小于0.05%
比重: 0。944折光指数: 1.414
甲基丙烯酸酯含量: 小于0.004%
杂质含量0.15% 共0条评论...
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