肖 艷,左 杰,田紹友,陳勇強,馬海洪
(天津大學(xué) 石油化工技術(shù)開發(fā)中心,天津 300072)
混合丁烯羰基合成戊醛是混合C4化工利用的一個發(fā)展方向。石油煉廠及乙烯裝置副產(chǎn)的C4餾分中含有豐富的1-丁烯及順、反-2-丁烯,利用該部分混合丁烯直接生產(chǎn)戊醛,從原料成本上具有很好的競爭優(yōu)勢。
目前,有關(guān)1-丁烯羰基合成戊醛工藝的開發(fā)已見報道[1-7],但針對混合丁烯直接經(jīng)羰基合成反應(yīng)制備戊醛的工藝則鮮有提及。這是因為,與1-丁烯相比,順、反-2-丁烯作為非端烯烴,采用傳統(tǒng)催化劑發(fā)生羰基合成反應(yīng)的活性較低,難于直接生成戊醛[8-9]。
正戊醛是一種重要的化工中間體,可制得附加值較高的正戊醇和正戊酸。此外,正戊醛經(jīng)羥醛縮合和加氫反應(yīng)可制成異癸醇,進而可用于生產(chǎn)新一代性能優(yōu)良的增塑劑鄰苯二甲酸二癸酯[1-2,10-12]。因此,開發(fā)以混合丁烯為原料的戊醛生產(chǎn)工藝意義重大。
本工作采用銠復(fù)合物(乙酰丙酮二羰基銠)催化劑及三齒膦化合物配體,以混合丁烯和合成氣為原料,以戊醛為溶劑,在間歇式羰基合成實驗裝置中進行羰基合成實驗研究,考察了反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、催化劑用量(以反應(yīng)液中的銠含量計)及不同原料組分等對羰基合成反應(yīng)的影響,獲得了適宜的工藝條件。
H2和CO:分析純,天津六方工業(yè)氣體有限公司;混合丁烯:淄博齊翔騰達化工有限公司(組成見表1);1-丁烯:聚合級,齊魯石化公司合成橡膠廠;順、反-2-丁烯:工業(yè)品,天津東創(chuàng)日興科技有限公司;銠復(fù)合物催化劑:杭州凱大催化金屬材料股份有限公司;三齒膦化合物配體:武漢大學(xué)綠色催化研究所。
表1 混合丁烯原料的組成Table 1 Composition of butene mixture
三齒膦化合物配體的結(jié)構(gòu)及配位模式[13]見圖1。在該催化體系中,混合丁烯與合成氣發(fā)生羰基合成反應(yīng)主要轉(zhuǎn)化為正戊醛和2-甲基丁醛(兩者的摩爾比即為產(chǎn)品戊醛的正異比),同時還有少部分丁烯加氫生成丁烷、戊醛加氫生成戊醇及戊醛縮合生成重組分。
圖1 三齒膦化合物配體的結(jié)構(gòu)及配位模式Fig.1 Tribi ligand and the two coordination modes of Tribi.
目前,工業(yè)上1-丁烯羰基合成戊醛工藝中所使用的催化體系為銠復(fù)合物催化劑與三苯基膦配體,為保證催化劑使用壽命及產(chǎn)品戊醛的正異比,反應(yīng)液中三苯基膦配體的濃度較高,三苯基膦配體與金屬銠的摩爾比約為200∶1;而本實驗所使用的銠復(fù)合物催化劑與三齒膦配體催化體系中,三齒膦配體與金屬銠的摩爾比約為(5~10)∶1。因此,與工業(yè)上普遍使用的三苯基膦配體相比,在相同的銠含量下,所需配體量較少。
混合丁烯羰基合成戊醛的實驗裝置及流程見圖2。該實驗裝置為天津大學(xué)自主研發(fā)設(shè)計,適用于羰基合成間歇反應(yīng)過程。反應(yīng)器為1 L攪拌釜,通過夾套內(nèi)的導(dǎo)熱油進行加熱和控溫。氣體原料通過質(zhì)量流量計計量;液體原料采用柱塞泵進料,并配合稱重進行計量。
實驗前,用氮氣對反應(yīng)器系統(tǒng)進行吹掃和置換。在氮氣保護下,將銠復(fù)合物催化劑和三齒膦配體按要求溶解在戊醛溶劑里,配制成催化劑溶液,將稱量好的催化劑溶液一次性加入反應(yīng)釜內(nèi),整個過程在氮氣保護下進行。
向反應(yīng)釜內(nèi)通入部分H2和CO,控制H2與CO的摩爾比為1∶1,將反應(yīng)釜壓力升至0.5 MPa,開啟導(dǎo)熱油系統(tǒng)加熱升溫。當反應(yīng)釜溫度接近設(shè)定反應(yīng)溫度時,向反應(yīng)釜中通入H2和CO,控制H2與CO的摩爾比為1∶1,同時以較快速度通入丁烯,當丁烯通入總量達到設(shè)定值時,停止丁烯進料。根據(jù)反應(yīng)釜壓力和溫度的變化,同步調(diào)整H2和CO的進氣量及加熱爐功率,以維持反應(yīng)釜壓力和溫度相對穩(wěn)定。當CO的累積進料量達到丁烯進料量的90%(x)時,停止通入H2和CO,維持反應(yīng)溫度不變。當反應(yīng)釜壓力降至0.8 MPa時,停止加熱,通入冷卻水使反應(yīng)釜迅速降溫,待釜內(nèi)溫度降至常溫后,對反應(yīng)液進行取樣分析。
羰基合成實驗為間歇過程,反應(yīng)過程中丁烯相對過量,隨反應(yīng)的進行,丁烯在反應(yīng)液中的濃度越來越低,反應(yīng)速率越來越慢,為便于實驗數(shù)據(jù)的比較和分析,在丁烯進料量相同的前提下,控制CO的累積進料量達到丁烯進料量的90%(x)時停止通氣;同樣,當系統(tǒng)壓力低于0.8 MPa時,反應(yīng)速率非常緩慢,因此控制反應(yīng)結(jié)束時的系統(tǒng)壓力為0.8 MPa。
圖2 混合丁烯羰基合成反應(yīng)的實驗裝置及流程Fig.2 Flow chart for the oxo synthesis of valeraldehyde from the butene mixture.
采用Agilent公司6820型氣相色譜儀對液相反應(yīng)產(chǎn)物進行分析。DM-1毛細管色譜柱(60 m×0.25 mm×1 μm),TCD檢測,檢測溫度300 ℃;色譜柱溫度升至80 ℃保持8 min,以15 ℃/min的速率升至110 ℃,再以25 ℃/min的速率升至220 ℃,保持30 min。
混合丁烯羰基合成液相反應(yīng)產(chǎn)物中的主要組分為1-丁烯、順-2-丁烯、反-2-丁烯、正戊醛、2-甲基丁醛、戊醇、戊酸、丁烷及戊醛縮聚物(重組分)。以正戊醛為參照物,測定各組分的校正因子,采用校正面積歸一化法計算各組分的含量。
以混合丁烯為原料,初步考察工藝條件對羰基合成反應(yīng)的影響,實驗結(jié)果見表2。對比表2 中Entry 1~4可看出,在一定的反應(yīng)溫度和銠含量下,反應(yīng)壓力為1.5 MPa時,反應(yīng)時間相對較短,丁烯轉(zhuǎn)化率、戊醛選擇性和正異比等均較高,反應(yīng)性能較佳;由Entry 5~7可看出,在1.5 MPa和一定的銠含量下,反應(yīng)溫度變化時,實驗結(jié)果的規(guī)律性較差。
表2 以混合丁烯為原料的羰基合成反應(yīng)條件和結(jié)果Table 2 Reaction conditions and results with the butene mixture as the raw material
此外,在實驗過程中發(fā)現(xiàn),不同工藝條件 下,前期反應(yīng)速率較快,后期反應(yīng)速率較慢,反應(yīng)持續(xù)時間均較長。 通過單組分丁烯羰基合成實驗發(fā)現(xiàn),在銠復(fù)合物催化劑及三齒膦化合物配體催化體系中,不同丁烯組分(1-丁烯和順、反-2-丁烯)具有不同的反應(yīng)活性,其中,1-丁烯最易發(fā)生反應(yīng),順-2-丁烯較難發(fā)生反應(yīng),反-2-丁烯的反應(yīng)活性最差。反應(yīng)活性最差的組分主導(dǎo)了整個反應(yīng)速率。
因此,以下實驗首先以控制反應(yīng)速率的關(guān)鍵組分反-2-丁烯為原料進行反應(yīng)條件優(yōu)化實驗,然后在獲得的適宜條件下,進行1-丁烯和順、反-2-丁烯及混合丁烯等不同組分原料的比較實驗,得出同一反應(yīng)條件下不同組分原料的反應(yīng)速率及反應(yīng)性能參數(shù),通過比較和分析,獲得以混合丁烯為原料的適宜反應(yīng)工藝條件。
分別在反應(yīng)溫度119.1, 123.2, 127.2, 131.0℃下進行實驗,從反應(yīng)開始到停止通入合成氣所需反應(yīng)時間分別為295,205,175,145 min。不同反應(yīng)溫度下CO累積進料量隨反應(yīng)時間的變化見圖3。
圖3 不同反應(yīng)溫度下CO累積進料量隨反應(yīng)時間的變化Fig.3 Variation of acumulated CO feedstock with reaction time at different temperature.
圖3中曲線的斜率可間接反映瞬時反應(yīng)速率。由不同反應(yīng)溫度下的曲線斜率可看出,低溫下(119.1 ℃)總體反應(yīng)速率較慢,反應(yīng)時間較長,且反應(yīng)結(jié)束時CO累積進料量未能達到反-2-丁烯預(yù)計進料量的90%(x);當反應(yīng)溫度高于123 ℃后,反應(yīng)速率明顯加快,且隨反應(yīng)溫度的升高,總體反應(yīng)速率逐漸加快,反應(yīng)時間逐漸縮短。
反應(yīng)溫度對碳基合成反應(yīng)的影響見圖4。由圖4可看出,在其他反應(yīng)條件一定的情況下,當反應(yīng)溫度低于123 ℃時,反-2-丁烯的轉(zhuǎn)化率較低,而戊醛的選擇性較高;當反應(yīng)溫度高于123 ℃后,反-2-丁烯的轉(zhuǎn)化率、戊醛的選擇性及收率隨反應(yīng)溫度的升高變化較?。浑S反應(yīng)溫度的升高,戊醛的正異比變化不大。
圖4 反應(yīng)溫度對羰基合成反應(yīng)的影響Fig.4 Effects of reaction temperature on the oxo synthesis.
不同反應(yīng)溫度下羰基合成反應(yīng)的主要產(chǎn)物分布見表3。由表3可看出,當反應(yīng)溫度低于123 ℃時,重組分生成量較少,且由于反應(yīng)時間長,丁烯加氫生成丁烷及戊醛加氫生成戊醇的量相對較多;當反應(yīng)溫度高于123 ℃時,重組分生成量明顯增加,但隨反應(yīng)溫度的升高,反應(yīng)時間縮短,重組分生成量隨反應(yīng)溫度的升高變化較??;隨反應(yīng)溫度的升高,丁烯加氫生成丁烷的量逐漸減少,而戊醛加氫生成戊醇的量有所增加。
表3 不同反應(yīng)溫度下羰基合成反應(yīng)的主要產(chǎn)物分布Table 3 Distribution of major products in the oxo synthesis at different reaction temperature
隨反應(yīng)溫度的升高,反應(yīng)速率明顯加快,但反應(yīng)生成的副產(chǎn)物也會增多。考慮到工業(yè)上金屬銠復(fù)合物催化劑的使用溫度一般低于130 ℃,因此,選擇反應(yīng)溫度為123~127 ℃較適宜。
分別在銠含量339,437,608,926 μg/g下進行實驗,從反應(yīng)開始到停止通入合成氣所需反應(yīng)時間分別為205,195,185,155 min。不同銠含量下CO累積進料量隨反應(yīng)時間的變化見圖5。從圖5可看出,在其他反應(yīng)條件一定的情況下,隨銠含量的增加,反應(yīng)速率逐漸加快,反應(yīng)時間逐漸縮短。
圖5 不同銠含量下CO累積進料量隨反應(yīng)時間的變化Fig.5 Variation of acumulated CO feedstock with reaction time at different Rh contents.
銠含量對羰基合成反應(yīng)的影響見圖6。由圖6可見,隨銠含量的增加,反-2-丁烯的轉(zhuǎn)化率逐漸增加;銠含量小于608 μg/g時,戊醛的選擇性和收率均隨銠含量的增加而增大;銠含量大于608 μg/g時,戊醛的選擇性和收率均隨銠含量的增加而減??;戊醛的正異比隨銠含量的增加而逐漸降低。
圖6 銠含量對羰基合成反應(yīng)的影響Fig.6 Effects of Rh content on the oxo synthesis.Reaction conditions referred to Fig.5.
不同銠含量下羰基合成反應(yīng)的主要產(chǎn)物分布見表4。由表4可知,銠含量小于等于608 μg/g時,重組分生成量相對較少,當銠含量較高(926 μg/g)時,重組分生成量明顯增加;隨銠含量的增加,丁烯加氫生成丁烷的量有所降低,而戊醛加氫生成戊醇的量總體變化不大。
表4 不同銠含量下羰基合成反應(yīng)的主要產(chǎn)物分布Table 4 Distribution of the major products in the oxo synthesis with different Rh contents
綜合考慮反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率、選擇性、產(chǎn)品中戊醛的正異比及催化劑成本等因素,選擇銠含量為430~600 μg/g較適宜。
分別以反-2-丁烯、順-2-丁烯、1-丁烯和混合丁烯為原料進行實驗,從反應(yīng)開始到停止通入合成氣所需反應(yīng)時間分別為205,180,45,185 min。不同原料組分的CO累積進料量隨反應(yīng)時間的變化見圖7。由圖7可看出,在其他反應(yīng)條件一定的情況下,1-丁烯的反應(yīng)速率最快,瞬時進氣速率很高,反應(yīng)時間很短。混合丁烯與順-2-丁烯的反應(yīng)速率和反應(yīng)時間相當,而反-2-丁烯的反應(yīng)時間較長,反應(yīng)速率較慢。其中,反-2-丁烯需要較長的引發(fā)時間才開始反應(yīng),順-2-丁烯需要的引發(fā)時間較短;而1-丁烯和混合丁烯在通入原料的同時即發(fā)生反應(yīng)。綜合以上數(shù)據(jù)得出,混合丁烯中1-丁烯最易發(fā)生反應(yīng),反-2-丁烯最難發(fā)生反應(yīng)。
圖7 不同原料組分的CO累積進料量隨反應(yīng)時間的變化Fig.7 Variation of acumulated CO feedstock with reaction time with different raw materials.
結(jié)合文獻[8-9]報道的結(jié)果認為,混合丁烯中首先開始反應(yīng)的為1-丁烯,經(jīng)過5~10 min后,順-2-丁烯才開始發(fā)生反應(yīng),因而混合丁烯在開始反應(yīng)的10~20 min內(nèi)反應(yīng)速率最快,此時是1-丁烯和順-2-丁烯同時參與反應(yīng),瞬時進氣速率最高;經(jīng)過20 min后,反-2-丁烯才參與反應(yīng),且反應(yīng)速率與純的反-2-丁烯相當。
不同原料組分羰基合成反應(yīng)的結(jié)果見圖8,其主要產(chǎn)物的分布見表5。從圖8和表5可看出,以順-2-丁烯為原料時戊醛的選擇性最高,以1-丁烯為原料時戊醛的正異比遠高于其他原料。以混合丁烯為原料時,反應(yīng)速率受到反-2-丁烯的制約,反應(yīng)時間相對較長,因此重組分及戊醇的生成量相對較多。在反應(yīng)溫度125 ℃、反應(yīng)壓力1.5 MPa、銠含量430 μg/g的條件下,以混合丁烯為原料時,丁烯轉(zhuǎn)化率為90%,戊醛的選擇性為83%,戊醛的正異比為13.5。
圖8 不同原料組分羰基合成反應(yīng)的結(jié)果Fig.8 Effects of raw materials on the oxo synthesis.
表5 不同原料組分羰基合成反應(yīng)的主要產(chǎn)物分布Table 5 Distribution of the major products in the oxo synthesis with different raw materials
通過實驗數(shù)據(jù)對比和分析可看出,以反-2-丁烯為原料篩選出來的工藝條件未必適合以1-丁烯為原料的反應(yīng)過程。由于1-丁烯易發(fā)生反應(yīng),反應(yīng)速率過快,會造成副產(chǎn)物的生成量增加。在以混合丁烯為原料的羰基合成反應(yīng)工藝開發(fā)過程中,可考慮選擇不同的工藝條件進行反應(yīng),即首先將混合丁烯在較低的反應(yīng)溫度和銠含量下進行反應(yīng),使1-丁烯轉(zhuǎn)化,進而再于較高的反應(yīng)溫度和銠含量下進行反應(yīng),使順、反-2-丁烯轉(zhuǎn)化,以獲得較高的戊醛收率[14]。
1)提高反應(yīng)溫度及銠含量能有效提高反應(yīng)速率,綜合考慮反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率、選擇性及催化劑成本等因素,以反-2-丁烯為原料制備戊醛的適宜反應(yīng)條件為:反應(yīng)溫度123~127 ℃、反應(yīng)壓力1.5 MPa、銠含量430~600 μg/g。
2)在反應(yīng)溫度125 ℃、反應(yīng)壓力1.5 MPa、銠含量430 μg/g的條件下,以混合丁烯和合成氣為原料進行羰基合成反應(yīng),丁烯轉(zhuǎn)化率為90%,戊醛的選擇性為83%,戊醛的正異比為13.5。
3)通過不同原料的對比實驗可知,混合丁烯中1-丁烯最易發(fā)生反應(yīng),順-2-丁烯較難發(fā)生反應(yīng),反-2-丁烯最難發(fā)生反應(yīng)。因此,以混合丁烯為原料的羰基合成反應(yīng)主要受反-2-丁烯的控制。
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