C1化學(xué)路線(xiàn)合成乙二醇技術(shù)進(jìn)展

第4期(總第155期)煤化工No 4(Total No 155)2011年8月Coal Chemical Industryug. 2011C1化學(xué)路線(xiàn)合成乙二醇技術(shù)進(jìn)展崔建方(開(kāi)灤集團煤化工研發(fā)中心,河北唐山063611)摘要介紹了C1化學(xué)路線(xiàn)合成乙二醇的各種方法,其中直接法為合成氣一步合成乙二醇,而間接法則包括甲醇法、甲醛法、草酸酯法等,并對各種方法的工藝技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了評述。重點(diǎn)介紹了國內煤制乙二醇技術(shù)現狀和項目進(jìn)展情況,并分析了中科院福建物構所開(kāi)發(fā)的煤制乙二醇技術(shù)特點(diǎn)和指標。詞C1化學(xué)路線(xiàn)合成乙二醇文章編號:1005-9598(2011)-04-0009-04中圖分類(lèi)號;TQ54文獻標識碼:A乙二醇(EG)是一種重要的石油化工基礎有機原化劑,但所需壓力仍太高(56MPa),催化劑選擇性低的料,從它可衍生出100多種化學(xué)品。其中聚酯(包括聚問(wèn)題也沒(méi)有根本解決。20世紀80年代以來(lái),經(jīng)研究酯纖維聚酯瓶、聚酯薄膜等)是我國乙二醇的主要消確定,合成氣直接合成乙二醇的優(yōu)良催化劑主要分為費領(lǐng)域,其消費量約占國內總消費量的90%,另外約銠和釕兩大類(lèi)。K. Murata等采用苯并咪唑鹽、釕的10%用于防凍劑、黏合劑、油漆溶劑、耐寒潤滑油以及羰基化合物和有機胺作催化劑,在10MPa、150℃下反表面活性劑等。目前工業(yè)生產(chǎn)乙二醇路線(xiàn)為石腦油裂應3h,生成41.3%的乙二醇,反應條件相對溫和。日本解生產(chǎn)乙烯,乙烯氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷(EO),最后環(huán)氧三井化學(xué)和佳友化學(xué)公司以Ru-1-烷基-2-取代苯乙烷水合得到乙二醇。在石油價(jià)格居高不下的經(jīng)濟環(huán)并咪唑為催化劑,在四甘醇二甲醚溶劑中獲得了較高境下,C1化學(xué)路線(xiàn)由于具備原料廣泛、經(jīng)濟性好、工的催化活性,乙二醇選擇性達到70%藝更合理的優(yōu)勢,逐步成為非石油路線(xiàn)合成乙二醇的目前,合成氣直接合成乙二醇仍處于研究階段,研究熱點(diǎn)。主要原因是存在反應壓力過(guò)高(大于50Pa)2、C轉化率較低、乙二醇選擇性不理想、催化劑穩定性不夠直接法以及反應體系較復雜等問(wèn)題,工業(yè)化難度較大。合成氣直接合成法是理論價(jià)值最高的一條工藝2間接法路線(xiàn),也最符合原子經(jīng)濟性,其方程式如下20+3H2→ HOCHA CH2OH(1)2.1甲醇法(甲醇氧化偶聯(lián)法此反應屬于自由能增加的反應,在熱力學(xué)上很難在引發(fā)劑存在下,通過(guò)自由基反應機理,由甲醇進(jìn)行,必須在高溫、高壓和催化劑的條件下進(jìn)行。此方生成CHOH自由基,然后2個(gè)自由基氧化偶聯(lián)可形成法最早是由美國杜邦公司于1947年提出,采用羰基乙二醇。反應過(guò)程為鈷為催化劑,反應在超高壓(340MPa)下進(jìn)行,雖然反CHOH→CH0·+·H應條件苛刻,但是乙二醇的產(chǎn)率卻很低。1971年,美CH4O·+CHH→CHOH+· CHOH國UCC公司采用三烷基膦和胺改性的銠作催化劑,并2·CHOH→ HOCHCH!OH(4)使用添加劑,結果顯示其活性和選擇性明顯優(yōu)于鉆催由于甲醇碳氫鍵與烷基碳氫鍵均屬惰性鍵,能閾較大,據報道,目前的研究都采取了相當嚴格的反應收稿日期:201103-02條件,需用過(guò)氧化物、y射線(xiàn)、銠和紫外光等催化,結作者簡(jiǎn)介:崔建方(1982—),男,2005年本科畢業(yè)于黑龍果不理想,目前研究大都處于實(shí)驗室小試階段,反應江科技大學(xué),2008年碩士研究生畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華過(guò)程的有效控制成為中國煤化工東),工程師,主要從事煤化工技術(shù)研發(fā)工作。該法原料甲醇價(jià)HCNMHG較高10煤化工2011年第4期若生產(chǎn)規模能擴大,該工藝路線(xiàn)比較有吸引力。的研究已經(jīng)使情況大大改善,如用Co、Zn、Cr、Cu等的22甲醛法氧化物或復合氧化物及Rh-Re作為乙醇酸甲酯加氫2.2.1甲醛羰化法還原反應的催化劑,乙二醇收率達到40%~70%。德國甲醛羰化法由美國杜邦公司開(kāi)發(fā),并建成小規模赫斯特公司采用 Kieselguhr催化劑(10.6%Pd-2.3%工業(yè)生產(chǎn)裝置,是以合成氣為基礎唯一曾經(jīng)工業(yè)化的Re),在172℃、20MPa條件下,得到97%收率的乙二醇,個(gè)項目。該方法是以甲醛和C0為原料,在150℃~其選擇性達到93.6%。225℃、50.6MPa-101.3Pa下,經(jīng)HS0或BF3催化劑近期,此路線(xiàn)的研究重點(diǎn)集中在非液體酸催化劑催化下縮合成乙醇酸,乙醇酸在HS04催化下,于的研究上。清華大學(xué)以磷鎢酸、硅鎢酸等雜多酸為210℃-215℃81.Oa-91.Pa下,用甲醇酯化為乙偶聯(lián)催化劑,催化活性?xún)?yōu)于硫酸等液體酸催化劑,并醇酸甲酯,后者在210℃~215℃、3.OMPa、空速2000提出雜多酸催化劑是以酸堿協(xié)同方式為主要反應途h、過(guò)量氫(氫與乙醇酸甲酯摩爾比為30:1)存在的徑。中科院成都有機所p以硫酸、硫酸/金屬羰基化條件下,用亞鉻酸銅為催化劑加氫還原生成乙二醇,合物及固體超強酸S0/ZrQ2為催化劑,其MG和WA甲醇則循環(huán)使用,第一步和第二步可同時(shí)完成。反應的總收率達到60%-97%。過(guò)程為:23草酸酯法(CO氧化偶聯(lián)法)HCHO +C0+ H,0- HOCH_COOH(5)草酸二酯法合成乙二醇第一步是草酸二酯的合HOCH COOH CH3OH- HOCH COOCH3 H,O(6)成,有液相法和氣相法兩種工藝。HOCH-,+ 2H2- HO(CH2)2OH+ CH,OH (7)美國聯(lián)合石油公司于1966年首先開(kāi)發(fā)出液相合每步反應的收率都在90%~95%,按甲醛原料計,成草酸二酯技術(shù),用醇在C0存在下發(fā)生氧化羰化反乙二醇總收率達90%。但該反應HS04用量大,造成環(huán)應,采用PC2CuC12催化劑,在125℃、7.0MPa條件境污染及設備腐蝕,現已不采用。美國 Chevron化學(xué)下反應得到草酸二酯,副產(chǎn)物除碳酸二酯外,還有公司使用H代替HS04作催化劑,在較低溫度和壓力CHC00R、CO2等,由于使用含有鹵素的催化劑,設備腐下(50℃,6.9MPa),乙醇酸收率為95%,但未實(shí)現工業(yè)蝕嚴重,且反應體系中有甲酸酯共存,為使反應系統化。S.Y.Lee等采用強酸性離子交換樹(shù)脂為催化劑,保持無(wú)水狀態(tài),需要使用大量脫水劑,過(guò)程經(jīng)濟性降避免了液體酸帶來(lái)的問(wèn)題,乙醇酸甲酯的最高收率可低,未能工業(yè)化。達80%,但需要高達25MPa的反應壓力。1978年,日本宇部興產(chǎn)公司和美國UCC公司聯(lián)在甲醛的強酸溶液中,以Cu(CO)或Ag(C0)為合開(kāi)發(fā)了合成草酸二酯的新工藝路線(xiàn),采用2%Pd/C催化劑,羰基化反應可在常溫常壓下,生成乙醇酸和催化劑,在亞硝酸酯存在下,使C0與醇發(fā)生偶合,該乙醇酸甲酯,經(jīng)還原得到乙二醇,但其羰基化速度較液相反應工藝解決了 Fenton法的設備腐蝕問(wèn)題,并HSO4或BF3水絡(luò )合物催化劑體系慢。李濤等在離建成1套6000t/a的草酸二酯生產(chǎn)裝置,但仍存在子液體[Bnim]PF反應體系中,以甲基苯磺酸為催化草酸二酯生成速率慢、副產(chǎn)物多等問(wèn)題。為此宇部興劑,加入適量的過(guò)渡金屬化合物(如 CFSSO, Ag)作為助產(chǎn)公司又開(kāi)發(fā)了氣相法工藝,即C0和亞硝酸甲酯或劑,C0壓力為10WPa下,乙醇酸甲酯的收率可高達丁酯反應生成草酸二酯,反應方程式為86.7%,高于同樣條件下在有機溶劑中的反應結果2C0+ 2RON0-2N0+(COoR(10)2.2.2甲醛和甲酸甲酯偶聯(lián)此工藝方法已通過(guò)模試,連續運行480h,草酸二由甲醛與甲酸甲酯偶聯(lián)合成乙二醇是在酸(如硫酯的平均時(shí)空收率為432g/(Lh),工藝上采用連續酸或有機磺酸)催化下進(jìn)行,首先縮合生成乙醇酸甲“催化-再生”循環(huán)操作,副產(chǎn)物NO可用氧和甲醇轉酯(MG)和甲氧基乙酸甲酯(WAc),然后MG催化加氫化為RNO循環(huán)使用。若將Pd載于表面積90m/g的生成乙二醇,MMAc水解、加氫得到乙二醇單甲醚,經(jīng)AlA3上,草酸二酯的選擇性可高達98%。趙秀閣等t水解生成乙二醇,反應過(guò)程為采用Pa/aA3為催化劑,C0和亞硝酸甲酯進(jìn)行氧HCH0+HC3→ HOCH2COOCH3(8)化偶聯(lián)反應,草酸二甲酯選擇性近100%。氣相法工藝HOCH-COOCH,+ 2H2- HO(CH2)OH+ CH,OH具有選擇性高,反應在近常壓下進(jìn)行,以及不使用溶德國赫斯特公司邸報道,在90℃、0.MPa,硫酸或劑等優(yōu)點(diǎn),與液相法目級汶虐執有機磺酸催化下,甲醛與甲酸甲酯反應生成乙醇酸甲草酸二酯加氫制中國煤化工基的酯,但收率并不高,乙二醇收率難以超過(guò)30%。近年來(lái)還原,又要避免深度CNMH復雜。2011年8月崔建方:C1化學(xué)路線(xiàn)合成乙二醇技術(shù)進(jìn)展傳統的方法需要在300℃~400℃、20MPa-27Ma條件個(gè)月,合同價(jià)格超過(guò)30億元,將采用日本宇部化學(xué)下進(jìn)行。U. Matteoli等{研究了以釕的羰基絡(luò )合物(UBE)煤制乙二醇技術(shù)(合成氣草酸酯法)。2011年3Ru(CO)2(CHcO0)2( PnBu3))2、Ru2(CO)4(OHC00)2(PnBu)3月,由國內7家大型民營(yíng)企業(yè)組建的綠色清潔能源聯(lián)等為催化劑,在180℃、H2壓力為20MPa時(shí),可生成合投資企業(yè)宜布,計劃在內蒙古投資建設100萬(wàn)t級18%的乙醇酸甲酯和82%乙二醇。C.E. Marcel等研煤制乙二醇項目。究表明,草酸二甲酯加氫是先形成乙醇酸甲酯,再進(jìn)3.2中科院福建物構所技術(shù)進(jìn)展步轉化為乙二醇,活性組分和配體的形態(tài)是重要3.21氨氧化技術(shù)的,他們以Ru(acac)3作為釕的前驅物,三齒狀CHC在進(jìn)行C0氣相催化合成草酸酯的反應過(guò)程中(CHPh2)3作為配體,在120℃、8MPa-10MPa下,反應般都采用NaNO2與HS04反應生成的氮氧化物作為l6h,草酸二甲酯的轉化率達到100%,乙二醇收率高循環(huán)的N氣體消耗的補充,但這種方法只能在小規達95%,均高于現有均相催化劑。模的實(shí)驗研究中使用。因此,為了適應大規模工業(yè)生宇部興產(chǎn)公司在氣相法制草酸二酯的基礎上,開(kāi)產(chǎn)的需要,中科院福建物構所成功開(kāi)發(fā)了用氨在空氣發(fā)出氣相法草酸二酯加氫還原制乙二醇技術(shù),采用中高溫氧化產(chǎn)生的氮氧化物或硝酸工業(yè)尾氣中的氮CuCr催化劑,乙二醇選擇性為95%,反應方程式為:氧化物作為合成草酸酯的No補充氣源的工藝技術(shù),( COoR)2+4H2- HO(CH2)0H+ 2ROH(11)既降低了NO氣體的生產(chǎn)成本,又為全套煤制乙二醇綜上各種生產(chǎn)工藝,利用合成氣的“C催化合成技術(shù)的大規模生產(chǎn)推廣創(chuàng )造了有利條件。草酸酯和乙二醇”技術(shù)被公認為是最有工業(yè)化前景的3.2.2高濃度C0氣體脫氫催化劑及脫氫凈化的工路線(xiàn)。藝技術(shù)3國內煤制乙二醇技術(shù)現狀和項目進(jìn)展成功開(kāi)發(fā)了高濃度C0氣體脫氫凈化催化劑及其全套凈化工藝,使含氫的工業(yè)CO0氣體經(jīng)過(guò)脫氫凈化31煤制乙二醇項目動(dòng)態(tài)后,可以直接用作合成草酸酯的C0氣源;把高濃度2008年6月,由通遼金煤化工有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)通C(C0≥98%,含氫1%-2%)氣體中的H2凈化到0.1×遼金煤)投資1.5億元,在江蘇丹陽(yáng)建設的1萬(wàn)t/a106以下;脫氫催化劑對H2的氧化選擇性≥70%H2的乙二醇工業(yè)試驗裝置順利打通全流程,生產(chǎn)出合格的轉化率≥99%。乙二醇產(chǎn)品;2009年12月,內蒙古自治區通遼市高3.2.3高活性C0氣相催化合成草酸酯催化劑和工新技術(shù)開(kāi)發(fā)區的20萬(wàn)t工業(yè)示范裝置全部建設完藝技術(shù)成,并于12月7日試車(chē)成功打通了全套工藝流程,成功開(kāi)發(fā)了高活性c0氣相催化合成草酸酯催化但乙二醇產(chǎn)品未達到聚酯級,特別是紫外透光率指標劑及其合成工藝并有效地解決了高活性草酸酯合成不合格。隨后,通過(guò)對原有設計進(jìn)行調整使整套裝置催化劑的超溫問(wèn)題,催化劑時(shí)空產(chǎn)率≥750g(CHC0)2具備聯(lián)產(chǎn)10萬(wàn)t/a草酸的能力,經(jīng)過(guò)聯(lián)動(dòng)試車(chē),于(L·h)(空速=300h1),草酸酯的選擇性≥9.5%,催2010年5月3日試產(chǎn)出合格的草酸產(chǎn)品。2010年12化劑活性和選擇性達到國際領(lǐng)先水平。月,20萬(wàn)t工業(yè)示范裝置實(shí)現了大于70%設計負荷的2.4高活性草酸酯催化加氫合成乙二醇催化劑和運行,通遼金煤公司今年還將完成二期40萬(wàn)t/a乙工藝技術(shù)二醇項目立項審批工作,并于年內適時(shí)啟動(dòng)二期項目成功開(kāi)發(fā)了高活性草酸酯催化加氫合成乙二醇建設。催化劑及其工藝,經(jīng)過(guò)分離和精餾得到的乙二醇產(chǎn)品此外,2010年3月,河南煤化與丹化科技等簽訂各項理化指標符合GB4649-2008優(yōu)級品的標準,所開(kāi)了排他性合作協(xié)議,在洛陽(yáng)孟津、商丘永城、新鄉獲發(fā)的加氫催化劑在草酸二甲酯液時(shí)空速(LHSv028/嘉、濮陽(yáng)、安陽(yáng)五地分別建設20萬(wàn)t/a煤制乙二醇裝(mLh)-0.5/mL·h)、反應壓力0.8MPa~3.0MPa、反應置,截止目前,新鄉年產(chǎn)20萬(wàn)t乙二醇項目氣化工程溫度200℃-250℃、氫氣空速40-80l的條已經(jīng)竣工。2010年10月,由東華工程科技有限公司件下,草酸二甲酯轉化率≥98%,乙二醇選擇性≥90%,總承包設計的內蒙古蘇尼特堿業(yè)公司20萬(wàn)t/a煤制時(shí)空產(chǎn)率≥110g(CHOH)2/(L·h),在連續運行100h乙二醇項目全面開(kāi)工建設。2011年1月14日,東華后性能仍保持穩定凵中國煤化工科技與貴州黔西縣黔希煤化工投資有限責任公司簽3.2.5N氧化酯亻CNMHG訂了30萬(wàn)t/a乙二醇項目總承包合同,合同工期26成功開(kāi)發(fā)了直20%的醇12煤化工2011年第4期水溶液對尾氣(N0)進(jìn)行循環(huán)利用的氧化酯化工藝技22(2):137-141術(shù)。N0的回收率≥95%,從而大大減少NO氣體的補充[3]Lees, Kim j c, Lee s,etal. Process for Low量,并且整個(gè)工藝技術(shù)操作過(guò)程簡(jiǎn)單,投資少、能耗Pressure Synthesis of EG from Synthesis Gas Plus低,有效降低了生產(chǎn)成本。Formaldehyd [J]. Ind Eng Chem Res, 1993, 32(2): 253326消除排放氣體中NO污染技術(shù)由于直接使用空氣、工業(yè)00N0和02作為反應[4李濤李光興,徐強等離子液體合成乙醇酸甲氣體,這些原料氣中都含有大量的N2、Ar、CO2、CH等酯[J]J.石油化工,2004,33(增刊):297-298非反應氣體,隨著(zhù)反應的不斷進(jìn)行,既要不斷補充工[5] Hoechst AG(GB). Process for the Manufacture of業(yè)00、工業(yè)NO氣體,又要不斷從反應系統排出非反Glycolic Acid Esters: DE, 2652072[P]. 1978-05-24[6] Hoechst AG (GB). Process for the Preparation of應氣體。這就必然會(huì )同時(shí)從反應系統中排出N0、Ethylene Glycol: DE, 2715666A[P]. 1978-10-12CHBONO和甲醇等有用的反應氣體。為了減少反應原料7] Huang WG,HeDH,LinJ,etal. Influence of A1的消耗,使反應尾氣達標排放,福建物構所開(kāi)發(fā)成功Properties on CO Catalytic Coupling Reaction over了既能把NO作為反應原料回收循環(huán)使用,又能達標Pd Catalyst[J]. Appl Catal, 2000, 199: 93-98排放的獨特的消除排放氣體N0污染環(huán)境的工藝技8]HeDH, Huang W G, Lin JY,etal. Study for Synthe術(shù),使排放尾氣中的氮氧化物<0.2×106sis of Ethylene Glycol with Diethyl Oxalate in但截止目前,內蒙古通遼20萬(wàn)t/a示范裝置仍Gaseous Phase by Catalytic Hydrogenation [J]. J Mol然沒(méi)有穩定生產(chǎn)(負荷低、產(chǎn)品差),說(shuō)明煤制乙二醇Catal A: Chemical, 1999, 145: 335-331成套技術(shù)還不完全成熟分析主要存在的問(wèn)題有:(1)[9]杜碧林,儲偉,于作龍甲酸甲酯與三聚甲醛偶聯(lián)合加氫催化劑沒(méi)有經(jīng)過(guò)長(cháng)周期運行檢驗;(2)加氫催化成乙醇酸甲酯Ⅰ-硫酸催化反應條件優(yōu)選[J].天然劑含鉻,穩定性不好;(3)產(chǎn)品質(zhì)量存在問(wèn)題,乙二醇氣化工,1997,22(6):2022能否達到聚合級產(chǎn)品要求還有待檢驗;(4)從小規模中[10]陳棟梁,瞿美臻,白宇新,等.H在羥基乙酸甲酯合成試到大規模的工業(yè)化裝置,存在工程放大的問(wèn)題。中的催化作用研究[J].石油與天然氣化工,2002,[11]趙秀閣,呂興龍,趙紅鋼,等.氣相法與亞硝酸甲參考文獻:酯偶聯(lián)合成草酸二甲酯用Pa/a-Al403催化劑的研究[J].催化學(xué)報,2004,27(2):125-1[1] Murata K, Matsuda A, Masuda T, et al. Role of 1[12] Matteoli U, Menchi G, Bianchi M, et al. Alkanemethy 1-3-ethyl Benzimidazolium Bromide-rutheNFunctionalization on a Preparative Scale by Mer-atalyst in the One-step production of Ethylenecury-Photo Sensitized Cross-dehydrodimerizationGlycol Via Formaldehyde Condensation and in It[J]. J Mol Catal,1991,64:257-261Direct Synthesis from Synthesis Gas [J]. J Mol [13] Marcel C E, Herman tt, Johannes GV, et al. Pro-Catal,1987,42:389-394cess for Continuously preparing ethy lene Glycol[2]高占笙.合成氣一步法制乙二醇[J].石油化工,1993,[J]. J Mol Catal A: Chemical, 2003, 206: 185-192.rogress in the Synthesis of Ethylene Glycol through Cl Chemical RouteangCoal Chemical R D Center, Kailuan Group, Tangshan Hebei 063611, China)Abstract The processes of producing ethylene glycol by ways of direct and indirect methods were presentdirect method was carbonylation, and the indirect methods include hydroformylation, reductive hydroformylation and esterxalation. The differences of the abovementioned processes were also reviewed. The present status and project progress ofthe coal-based ethylene glycol synthesis technology were mainly analyzed. The local Coal to mEG technology status asell as the project progress were emphatically introduced and the technology fe中國煤化工Matter(CAS) was also fully analyzed and discussedTYHCNMHGKey words CI chemical route, synthesis, ethylene glycol