乙醇酸甲酯催化加氫制備乙二醇

化工進(jìn)展638CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2011年第30卷第3期研究開(kāi)發(fā)乙醇酸甲酯催化加氫制備乙二醇張躍,宗愷,嚴生虎,劉建武,沈介發(fā)(常州大學(xué)精細化工研究所,江蘇常州213164)摘要:在微型固定床反應器上,以乙醇酸甲酯為原料,使用CuCr催化劑,催化加氫制備了乙二酶.考察了氫酯摩爾比,反應溫度、反應壓力、床層空速對反應的影響,并對加氨催化劑的活性進(jìn)行了XRD的評價(jià)。結果顯示最佳反應條件為:氫酯摩爾比40:1、反應溫度210℃,反應壓力35MPa、床層空速04h'時(shí),乙酶酸甲酯的轉化率達94%,乙二醇的選擇性達82%關(guān)鍵詞:銅鉻(CuCr)催化劑;乙醇酸甲酯;乙二醇;催化加氫中圖分類(lèi)號:O643.38文獻標志碼:A文章編號:1000-6613(2011)03-638-04Catalytic hydrogenation of methyl glycolate to ethylene glycolZHANG Yue, ZoNG Kai, YAN Shenghu, LIU Jianwu, SHEN Jiefa(Research Institute of Fine Chemical Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, Jiangsu, China)Abstract: In a micro fixed-bed reactor, preparation of ethylene glycol by catalytic hydrogenation ofmethyl glycolate using composite copper-based catalyst Cu-Cr was studied. The effects of mole ratio ofhydrogen to methyl glycolate, reaction temperature, pressure, space velocity on the hydrogenationreaction were investigated. The activity of the catalysts was evaluated by XRD. The results showed thatunder optimized conditions of reaction temperature 210 C, reaction pressure around 3.5 MPa, molarratio of hydrogen to methyl glycolate close to 40: 1, space velocity about 0. 4 h, the conversion ofmethyl glycolate to ethylene glycol reached 95%, and the molar selectivity of ethylene glycol reachedKey words: catalyst Cu-Cr; methyl glycolate; ethylene glycol; catalytic hydrogenation乙二醇(EG)主要用于生產(chǎn)聚對苯二甲酸乙19世紀80年代ARCO公司申請了以草酸酯為酯(聚酯纖維和聚酯塑料的原料)、潤滑劑、非離子原料加氫制備乙二醇的專(zhuān)利,研發(fā)出了CuCr催化表面活性劑以及炸藥,此外還可用于汽車(chē)、航空等劑,乙醇的收率為95%。UCC與宇部興產(chǎn)聯(lián)合又工業(yè)中的重要抗凍劑,純度較高的乙二醇還可用作開(kāi)發(fā)了 Cu/Sio2催化劑,乙二醇收率提高到了過(guò)硼酸銨的溶劑和介質(zhì),乙二醇還可用于生產(chǎn)特種972%1213。但是近年來(lái),乙一醇工業(yè)又進(jìn)入了低介質(zhì)和溶劑4。乙醇酸甲酯(HoCH2 COOCH3)是迷的狀態(tài)415。所以開(kāi)發(fā)新工藝很重要種非常重要的藥物和有機合成中間體6。本工作以乙醇酸甲酯為原料,利用復合銅鉻基目前國內外大型乙二醇的生產(chǎn)廠(chǎng)家主要是環(huán)催化劑催化加氫制備乙二醇。該工藝原料廉價(jià),催氧乙烷加壓水合法的工藝路線(xiàn)。生產(chǎn)技術(shù)主要由化劑活性較高且不易失活可重復使用,催化劑的制殼牌(She),美國 Halcon-SD以及美國聯(lián)合碳化物(UUC)3家公司壟斷91,近些年。國外多家收稿日期:2021修改稿日:20102公司相繼開(kāi)發(fā)出了環(huán)氧乙烷催化水合法、碳酸乙烯第一作者:張躍(1964—),男博上,研究員,主要從事工業(yè)催化化學(xué)工程、有機金屬化合物方面的研究。聯(lián)系人:劉建武,Emm酯法和合成氣法等新的生產(chǎn)方法第3期張躍等:乙醇酸甲酯催化加氫制備乙備與回收成本較低氫氣1實(shí)驗部分版]一對圖一國反11原料和儀器卻器一[氣液分滿(mǎn)器一反產(chǎn)物乙醇酸甲酯,工業(yè)級:硝酸銅、硝酸鉻、碳酸氫銨,均為AR試劑。圖2乙醇酸甲酯加氫工藝流程2ZB-lL10型雙柱微量泵,北京卩星制造廠(chǎng);微型固定床反應器;DC3030型低溫恒溫槽,上海衡應。如圖2所示,原料乙醇酸甲酯經(jīng)預熱汽化,與平儀器儀表廠(chǎng);GC9890A氣相色譜儀,上海靈華氫氣一起通入反應器,乙醇酸甲酯與氫氣在固定床反應器中發(fā)生加氫反應,然后經(jīng)過(guò)冷卻,氣液分離儀器有限公司再將分離出的氫氣放空,液體用容器儲存,產(chǎn)物最1.2反應機理后進(jìn)行氣相色譜分析。催化加氫反應機理如圖1所示61。15催化劑晶相表征(XRD)XRD測定用日本理學(xué)(D/max2500C)X射線(xiàn)u- HIO-C-C-OCH衍射儀(CuKa,A0.154m,掃描速度為6℃/minH OOh分析物相,掃描范圍5°~80°,加速電壓為40kV,管電流為100mA?？蛇M(jìn)行物相的定性定量分析,CH-C-O筑化,HO-CH-(晶體結構及結構分析如圖3所示H-Cu-Cu-HOHOH OH圖1反應機理CuO活化的過(guò)程中,催化劑表面上的CuO被逐步還CuCr反應后原成Cu°,氫氣在Cu°上解離吸附成氫原子,產(chǎn)生CCr還原態(tài)月的氫原子在表面吸附中心形成CuH鍵。銅原子晶格表面原子的自由價(jià)與反應物中的一個(gè)C=O基兩102030405060708090端的原子形成了雙位吸附:化學(xué)吸附的原子氫與反26(°)應物的氫解、氫化同步進(jìn)行;生成的產(chǎn)物在高溫高圖3反應前后催化劑的XRD表征圖壓條件卜,最后生成乙二醇。1.3催化劑的制備由圖3可以看出,反應前后沒(méi)有出現新的反應利用溶膠凝膠法,以固體碳酸氫銨作為沉淀峰。在26=43°、50°、75°為CuO的衍射峰,20=劑,對配置好的硝酸銅和硝酸鉻(CuCr比例為7/3)35°為Cr2O3的衍射峰,反應前后CuO和Cr2O3的混合溶液進(jìn)行滴加,得到混合均勻的銅鉻溶膠,再衍射峰都沒(méi)有發(fā)生明顯變銳現象,表明催化劑的晶將銅鉻溶膠進(jìn)行冷凍干燥處理制得銅鉻干凝膠。最粒沒(méi)有長(cháng)大,晶型基本上沒(méi)有發(fā)生改變,這也就說(shuō)后,將銅鉻干凝膠放置于馬弗爐中,在一定的溫度明催化劑直保持著(zhù)良好的活性。下進(jìn)行燒,然后進(jìn)行壓片成型,篩選出20-402結果與討論目的Cu-Cr催化劑備用14工藝流程21氫酯摩爾比對催化性能的影響將定量的CuCr催化劑填裝入微型固定床反應在溫度210℃、壓力35MPa、空速04h-的器中。首先通入氫氣活化催化劑,活化后調節固定條件下,考察氫酯摩爾比對反應的影響,結果如圖床的反應溫度和反應壓力,即可通入原料并進(jìn)行反4所示。640·化工進(jìn)展2011年第30卷求世齡名乙二酚的選擇性a醇酸甲酯的轉化率60■乙二醇的口乙醇酸甲酯的轉化率氫酯摩爾比圖4氫酯摩爾比對加氫反應的影響圖6反應壓力對加氫反應的影響由圖4可見(jiàn),氫酯摩爾比在范圍(30:1)~(40增大,將導致催化劑表面的銅晶粒長(cháng)大,而發(fā)生燒1)以?xún)戎饾u增加時(shí),乙醇酸甲酯的轉化率和乙二醇結現象,乙二醇的產(chǎn)量逐漸降低。所以,最優(yōu)的反的選擇性都逐漸升高,當達到40:1時(shí),乙醇酸甲應溫度為210℃。酯的轉化率達到95%,乙二醇的選擇性達到88%.23反應壓力對催化性能的影響氫酯摩爾比的增大,有利于催化劑的表面Cu°的生在溫度210℃、空速04h-、氫酯摩爾比40:1成,催化劑活性的增加。但是隨著(zhù)氫酯摩爾比的不的條件下,考察反應壓力對該反應的影響。結果如斷增加(大于40:1)反應的副產(chǎn)物也不斷生成,圖6所示。乙二醇的收率會(huì )逐漸降低。所以,最優(yōu)的氫酯摩爾由圖6可知,壓力在2~35MPa以?xún)戎饾u增加比為40:1時(shí),乙醇酸甲酯的轉化率和乙二醇的選擇性都逐漸22反應溫度對催化性能的影響升高,當達到35MPa時(shí),乙醇酸甲酯轉化率為在壓力35MPa、氫酯摩爾比40:1、空速04h95%,乙二醇選擇性為89%。加氫反應是體積縮小的條件下,考察反應溫度對反應的影響,結果如圖的過(guò)程,根據動(dòng)力學(xué)平衡反應原理可知,壓力的增5所示。大將提高乙二醇的選擇性。但是壓力超過(guò)35MPa由圖5可知,溫度在190-210℃內逐漸升高時(shí)會(huì )導致產(chǎn)物在活性中心的脫附受影響,由于壓力時(shí),乙醇酸甲酯轉化率和乙二醇選擇性都逐漸升高,過(guò)高時(shí),催化劑表面坍塌、破裂,降低了催化劑的當溫度為210℃時(shí)最優(yōu),乙醇酸甲酯的轉化率達到活性,導致轉化率和選擇性都有所降低。所以,反93%,乙二醇的選擇性為88%。同時(shí),當溫度超過(guò)應最優(yōu)壓力為35MPa210℃時(shí),非加氫副產(chǎn)物生成量在增加,而深度加24床層空速的影響氫產(chǎn)物的量也逐漸的增加,導致乙二醇選擇性顯著(zhù)在溫度210℃、壓力3MPa、氫酯摩爾比40:1降低。因為隨著(zhù)溫度的升高,反應放出的熱量就的條件下,考察床層空速對反應的影響,結果如圖7所示?？贚醇酸甲酯的轉化率75求1N■乙二醇的選擇性口乙醉酸甲酯的轉化率002102202300.1圖5反應溫度對加氫反應的影響圖7液時(shí)空速對加氫反應的影響第3期悵躍等:乙醇酸甲酯催化加氫制備乙二醇·64由圖7可知,空速在01~04h逐漸增加時(shí),甲酯轉化率達到94%,乙二醇的選擇性可達到82%乙醇酸甲酯的轉化率和乙二醇的選擇性都逐漸升以上。高,當達到04h-時(shí),乙醇酸甲酯的轉化率為94%,該工藝使用的原材料容易得到,催化劑易制乙二醇的選擇性達到89%。隨著(zhù)空速的提高,氣體備、催化性能較好且不易失活;反應的轉化率和選與催化劑活性中心的接觸時(shí)間縮短,使得部分反應擇性都比較高,工藝條件比較穩定;重復性好,容物尚未反應便流出床層。所以,最優(yōu)的反應空速應易控制為04h1。參考文獻25催化劑穩定性在溫度210℃、壓力35MPa氫酯摩爾比40:1:田我國煤制乙醇發(fā)展的問(wèn)題思考門(mén)化學(xué)工業(yè),200,空速04h的最優(yōu)條件下進(jìn)行穩定性實(shí)驗。結果如17-20.[2] Eur. Production of ethylene glycol[]. Chem. News, 2002, 77(2012)1圖8所示。3]葛欣,張英,乙二醇的生產(chǎn)與制備門(mén)山東化工,1997(2):41-46.4」李新柱陳遙陳占強煤化「路線(xiàn)合成乙二醇技術(shù)研究進(jìn)展U煤化1,2007(3);17-18.15]陳棟梁,李慶,儲偉,等.固體超強酸催化合成乙醇酸甲酯門(mén).天[6] Chang JH, LygaJW, Preparation and testing of 1(IA-benzoxazinylh-乙二醉的選擇性1, 2, 4-triazolinH4-ones as herbicides: US, 4761174P]. 1998-08-02酸甲酯的轉化率[7 Lee JS, Kim JC, Kim Y G. Methyl formate as a new building block90,57(1[8]沈景氽.世界環(huán)氧乙烷、乙二醇生產(chǎn)技術(shù)形狀及技術(shù)進(jìn)展石9]賀俊海,石鳴彥,齊向陽(yáng),等.乙一醇合成技術(shù)研究門(mén)化工中圖8穩定性試驗間體,2009(1):5962[10] Bhise V S. Process for preparing ethylene glycol: US, 4500559由圖8可知,該CuCr催化劑在150h的穩定P].1983.性實(shí)驗中乙醇酸甲酯的轉化率和乙二醇的選擇性分艾珍,朱林.合成氣合成乙二醇的研究進(jìn)展門(mén),化工時(shí)刊,200822(1):6466別保持在94%和83%左右,結果顯示穩定性比較理1馬因明,淺析乙市場(chǎng)的特點(diǎn)M化工百科全書(shū),北京:化學(xué)想。反應后的催化劑經(jīng)過(guò)XRD測試發(fā)現前后晶體工業(yè)出版社,1998:753結構沒(méi)有變化,即催化劑活性基本沒(méi)有降低,CuCr[3] william J Bartley. Process for preparation of ethylene glycol: US催化劑在乙醇酸甲酯加氫制備乙二醇的反應中具有4677234[P]1987-0605穩定的加氫催化性能。14]楊明.淺析乙二醇市場(chǎng)的特點(diǎn),天津化工,200(1):30.15王躍志.L二醇市場(chǎng)現狀和發(fā)展前景分析U安徽化工,2002(D)3結論161張金廷.脂肪酸及其深加工手冊門(mén)北京:化學(xué)工業(yè)出版社,200以乙醇酸甲酯為原料,CuCr為催化劑,在微型固定床反應器中進(jìn)行催化加氫制備乙醇。在17嚴生虎,劉建輝,張躍,等丁二酸二甲酯催化加氫制備yJ內210℃反應溫度、3.5MPa的反應壓力、40:1的氫酯的工藝研究門(mén),精細化工,2010(3):304-308酯摩爾比和04h-床層速的反應條件下,乙醇酸