CN101367693B - 乙烯和甲醇(或/和二甲醚)为原料制取丙烯的方法 - Google Patents
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Abstract
一种乙烯和甲醇(或/和二甲醚)为原料制取丙烯的方法，该方法的特征在于：含有甲醇(或/和二甲醚)与含有乙烯的气体共同与微孔孔径为0.3nm-0.5nm、且在200℃下氨饱和吸附量为0.8毫摩尔/克-2.5毫摩尔/克的催化剂接触，生成含有丙烯的产物；其中反应条件为：乙烯/甲醇(或2倍二甲醚)的摩尔比为0.1-2，反应温度为300-600℃，反应压力为0.01-0.8MPa。产物中丙烯的收率以甲醇(或2倍二甲醚)计，可达为60C数％以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种以含有甲醇(或/和二甲醚)与乙烯的气体为原料制取丙烯的方法。
背景技术
丙烯是一种重要的石油化工基础原材料。长期以来丙烯来源依赖于乙烯裂解装置和FCC装置，由于丙烯增长率持续高于乙烯增长率，而在现有装置上增产丙烯受到原料组成、装置处理能力、装置改造和操作费用的限制，因此开发新的增产丙烯的工艺过程是满足日益增长的丙烯需求的重要方向。
研究发现，烯烃可与甲醇之间发生烷基化反应，使得烯烃的碳数增加(Svelle等，J.Catal.224(2004)，115-123，J.Catal.234(2005)，385-400)：CH3OH+CnH2n＝Cn+1H2n+2+H2O
以上类型的烷基化反应，也可以在烯烃或/和二甲醚等烷基化试剂之间发生。特别地，乙烯与烷基化试剂的反应可生成丙烯。这种类型的反应为丙烯的生产提供了一个新的途径。这一途径的优点在于：生成丙烯的一个碳原子来自于相对便宜的甲醇或/和二甲醚，降低了丙烯生产的成本。如果采用催化裂解干气等低价值乙烯原料，则该方法的经济性可进一步提高。
美国专利US3906054公开了一种烯烃烷基化的工艺，将烯烃在烷基化试剂存在下与催化剂接触，催化剂为硅铝比至少为12的沸石，采用P改性，P含量最低为0.78％。可进行烷基化的烯烃包括乙烯、丙烯、丁烯-2和异丁烯，可用的烷基化试剂为甲醇、二甲醚和氯甲烷。
世界专利WO2005/056504 A1公开了一种从乙烯和甲醇或/和二甲醚出发，高效制备丙烯的方法，将乙烯和甲醇或/和二甲醚在催化剂存在下进行反应而生成丙烯。其特征在于，由反应体系中流出的乙烯量少于向反应体系中加入的乙烯量。同时，以进入反应体系的甲醇的摩尔数或2倍的二甲醚摩尔数计算，丙烯收率可达40mol％以上。
中国专利申请200610112555.0公开了一种制取丙烯的方法，该方法的特征在于：含有乙烯的原料在甲基化试剂存在下，在特定的反应条件下与含有微孔孔径为0.3-0.5nm的分子筛的催化剂接触，生成含有丙烯的产物。产物中丙烯选择性可达65％以上。
乙烯与甲醇或/和二甲醚等烷基化试剂可在酸性催化剂表面发生烷基化反应产生丙烯，但是，在同样的催化剂上也可以发生其他多种反应，如，产物丙烯也可以与烷基化试剂反应而生成丁烯，同样，生成的丁烯又可以进一步与烷基化试剂反应而生成C5以上烃类；另外，甲醇或/和二甲醚等烷基化试剂可在酸性催化剂上直接生成包括乙烯和丙烯在内的低碳烯烃(通常称为MTO过程)。烷基化试剂自身转化一方面产生乙烯，抵消了在烷基化反应中消耗的乙烯原料，另一方面以较低选择性生成丙烯，降低了全过程的丙烯选择性。因此，乙烯和烷基化试剂共进料的方法生产丙烯的过程中，存在的多种副反应不但降低了丙烯的选择性，而且降低了原料乙烯的转化率。为抑制烷基化试剂的直接转化，通常采用较高的原料乙烯/烷基化试剂比例，才能实现较高的丙烯选择性，这样需要大量未转化的乙烯反复循环反应，降低了这一过程的经济性。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种以含有甲醇(或/和二甲醚)与乙烯的的气体为原料制取丙烯的方法。
本发明提供的方法，该方法的特征在于：含有甲醇(或/和二甲醚)与含有乙烯的气体共同与微孔孔径为0.3nm-0.5nm、且在200℃下氨饱和吸附量为0.8毫摩尔/克-2.5毫摩尔/克的催化剂接触，生成含有丙烯的产物。
在本发明的一个优选方面，上述催化剂含有至少一种微孔孔径为0.3-0.5nm，且在200℃下氨饱和吸附量为0.8毫摩尔/克-2.5毫摩尔/克的硅铝分子筛或硅磷铝分子筛、或符合上述特征的分子筛经骨架组成元素以外的元素改性得到的产物，或多种符合上述特征的分子筛的混合物。
在本发明的一个优选方面，催化剂的分子筛含量可为10重量％-90重量％。
在本发明的一个优选方面，催化剂采用包括氧化硅、氧化铝或粘土中的一种或几种的粘合剂粘结成型。
在本发明的一个优选方面，特定反应条件为：乙烯/甲醇(或2倍的二甲醚)摩尔比为0.1-2，反应温度为300-600℃，最好为350-550℃，反应压力为0.01-0.8MPa，最好为0.1-0.45MPa。
在本发明所述的方法中，所涉及的催化转化可在流化床、固定床或移动床反应器中实现。
按照本发明所述的方法，其产物中丙烯的收率以甲醇(或2倍二甲醚)计，可达为60C数％以上。
具体实施方式：
依照本发明，以含有甲醇(或/和二甲醚)和乙烯的气体为原料，通过两种途径抑制甲醇(或/和二甲醚)和乙烯反应过程中的副反应，可以在较低的乙烯/甲醇(或2倍二甲醚)比例下，高收率地得到丙烯产物。
实现上述目的的途径之一，是利用分子筛的择形性抑制产物丙烯的进一步烷基化。分子筛结构中有尺寸均匀的孔道，当反应物和产物的分子线度与晶内的孔径相接近时，催化反应的选择性常取决于分子与孔径的相应大小。这种选择性称之为择形催化。通过选择一定孔道尺寸的分子筛催化剂，使产物混合物中较大的分子，如C4以上烃类，难于从分子筛催化剂的孔道扩散出来，从而提高乙烯和甲醇或/和二甲醚反应的产物中丙烯的选择性。
实现上述目的的另一个途径，是抑制甲醇或/和二甲醚等烷基化试剂的直接转化。近期的研究表明，甲醇/二甲醚在酸性催化剂上转化为烯烃的过程是通过“碳池机理”发生的：催化剂的孔道或笼中先生成高活性的多取代芳烃(即“碳池”)，这些多取代芳烃快速地与甲醇或/和二甲醚发生甲基化反应，然后进一步脱烷基，释放出乙烯或丙烯分子。催化剂上碳池的生成速率与数目决定了甲醇或/和二甲醚的直接转化速率。碳池的生成涉及到氢转移、环化等反应，需要位置相邻的多个酸中心共同催化。我们的研究发现，在保证足够高的原料转化率的前提下，通过适当降低催化剂的酸中心数目，增加酸中心之间的距离，可以减少碳池的生成，从而抑制甲醇或/和二甲醚的直接转化，在较小的原料乙烯/烷基化试剂比例下，得到较高的丙烯收率。只有当催化剂的酸中心浓度在一定范围内时，才能满足上述要求。在分子筛研究领域，一定条件下碱性分子吸附量，是表征分子筛酸中心数目的有效指标。本发明中，催化剂的酸中心数目由单位重量分子筛在200℃的氨饱和吸附量表示。
依据本发明，含有甲醇(或/和二甲醚)和乙烯的原料与微孔孔径为0.3nm-0.5nm、且在200℃下氨饱和吸附量为0.8毫摩尔/克-2.5毫摩尔/克的催化剂接触，生成含有丙烯的产物。
在所述的方法中，催化剂可含有至少一种微孔孔径为0.3-0.5nm，且在200℃下氨饱和吸附量为0.8毫摩尔/克-2.5毫摩尔/克的硅铝分子筛或硅磷铝分子筛、或符合上述特征的分子筛经骨架组成元素以外的元素改性得到的产物，或多种符合上述特征的分子筛的混合物。
在所述的方法中，催化剂的分子筛含量可为10重量％-90重量％。
在所述的方法中，催化剂可采用包括氧化硅、氧化铝或粘土中的一种或几种的粘合剂粘结成型。
在所述的方法中，所涉及的催化转化过程可在流化床、固定床或移动床反应器中实现。反应条件为：乙烯/甲醇(或2倍二甲醚)摩尔比为0.1-2，反应温度为300-600℃，最好为350-550℃，反应压力为0.01-0.8MPa，最好为0.1-0.45MPa。
以下通过实施例对本发明作出详细描述，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1
催化剂A采用SAPO-34分子筛(中国科学院大连化学物理研究所，微孔孔径约0.4nm，200℃下氨饱和吸附量为1.36毫摩尔/克)与粘土、铝溶胶和硅溶胶(均购自浙江宇达化工有限公司)混合并在水中分散成浆料，喷雾成型后为粒径分布为20-100微米的微球。上述微球经600℃焙烧4小时，即为催化剂A。催化剂中SAPO-34含量为30重量％。
上述SAPO-34分子筛在200℃下氨饱和吸附量测量步骤如下：使用的仪器为美国Micrometric公司的Autochem2910化学吸附分析仪和瑞士PFeiffer公司的Omnistar 300在线质谱仪。催化剂0.2g，在600℃下40ml/min的He气氛下活化30min，然后降温至200℃吸附氨气至饱和，吹扫30min，然后以10℃/min的速率升温脱附至600℃，TCD和质谱同时检测升温过程中催化剂释放的氨气，经积分得到的脱除氨气量即为该分子筛在200℃下氨饱和吸附量。
乙烯与甲醇共进料反应在固定流化床微反装置内进行。反应条件如下：催化剂A装填量为10g，反应温度为400℃，原料采用甲醇(分析纯，沈阳联邦试剂厂)和乙烯(纯度98％，化工部光明特种气体研究所)混合物。原料组成为乙烯/甲醇＝0.5(摩尔比)，进料空速以甲醇计为1.0hr-1，反应压力为0.1MPa。反应产物采用Varian CP-3800气相色谱、Plot柱和氢焰检测器分析，取样时间点为6分钟。
反应结果如表1所示，在上述反应条件下，乙烯转化率为19.27％，甲醇转化率为100％，产物中丙烯的收率为62.61％(C数％，以甲醇计)。
表1：实施例1的反应结果
实施例2
催化剂B由采用SAPO-34分子筛(中国科学院大连化学物理研究所，微孔孔径约0.4nm，200℃下氨吸附量为1.28毫摩尔/克)，采用硅溶胶(购自浙江宇达化工有限公司)作为粘结剂成型，并经550℃焙烧4小时，成型后催化剂中SAPO-34的含量为80％。
SAPO-34分子筛在200℃下氨饱和吸附量测量步骤与实施例1相同。
反应在固定床微反装置内进行。反应条件如下：催化剂A装填量为1g，反应温度为400℃，原料采用甲醇(分析纯，沈阳联邦试剂厂)和乙烯(纯度98％，化工部光明特种气体研究所)混合物，混合方式为乙烯通过鼓泡饱和器携带甲醇蒸汽。原料组成为乙烯/甲醇＝0.5(摩尔比)，进料空速以甲醇计为1.0hr-1，反应压力为0.1MPa。反应产物采用Varian CP-3800气相色谱、Plot柱和氢焰检测器分析，取样时间点为6分钟。
反应结果如表2所示，在上述反应条件下，乙烯转化率为29.35％，甲醇转化率为100％，产物中丙烯的收率为63.27％(C数％，以甲醇计)。
表2：实施例2的反应结果
对比例1：
催化剂C由采用SAPO-34分子筛(中国科学院大连化学物理研究所，微孔孔径约0.4nm，200℃下氨吸附量为2.7毫摩尔/克)，采用硅溶胶(购自浙江宇达化工有限公司)作为粘结剂成型，并经550℃焙烧4小时，成型后催化剂中SAPO-34的含量为80％。
SAPO-34分子筛在200℃下氨饱和吸附量测量步骤、反应条件和分析方法与实施例2相同。
反应结果如表3示，在上述反应条件下，乙烯转化率为43.37％，甲醇转化率为100％，产物中丙烯的收率为55.94％(C数％，以甲醇计)。
表3：对比例1的反应结果
对比例2：
催化剂D采用ZSM-5分子筛(抚顺石化公司催化剂厂，微孔孔径0.53nm×0.56nm，200℃下氨饱和吸附量为1.40毫摩尔/克)，与粘土、铝溶胶和硅溶胶(均购自浙江宇达化工有限公司)混合并在水中分散成浆料，喷雾成型后为粒径分布为20-100微米的微球。上述微球经600℃焙烧4小时，即为催化剂D。催化剂中ZSM-5含量为30重量％。
ZSM-5分子筛在200℃下氨饱和吸附量测量步骤、反应条件和分析方法与实施例1相同。
反应结果如表4示，在上述反应条件下，烯转化率为81.6％，甲醇转化率为100％，产物中丙烯的收率为95.64％(C数％，以甲醇计)，产物中烷烃和C4以上产物较高。
表4：对比例2的反应结果
实施例3
催化剂E由采用SAPO-34分子筛(中国科学院大连化学物理研究所，微孔孔径约0.4nm，200℃下氨吸附量为1.60毫摩尔/克)，采用硅溶胶(购自浙江宇达化工有限公司)作为粘结剂成型，并经550℃焙烧4小时，成型后催化剂中SAPO-34的含量为80％。
SAPO-34分子筛在200℃下氨饱和吸附量测量步骤与实施例1相同。
反应在固定床微反装置内进行。反应条件如下：催化剂A装填量为1g，反应温度为400℃，原料采用二甲醚和乙烯(纯度98％，化工部光明特种气体研究所)混合物。原料组成为乙烯/2倍二甲醚＝1(摩尔比)，进料空速以二甲醚计为0.5hr-1，反应压力为0.1MPa。反应产物采用Varian CP-3800气相色谱、Plot柱和氢焰检测器分析，取样时间点为6分钟。
反应结果如表5所示，在上述反应条件下，乙烯转化率为33.98％，二甲醚转化率为100％，产物中丙烯的收率为61.75％(C数％，以甲醇计)。
表5：实施例3的反应结果
Claims (5)
1.一种甲醇或/和二甲醚为原料与乙烯制取丙烯的方法，该方法的特征在于：含有甲醇或/和二甲醚与含有乙烯的气体共同与微孔孔径为0.3nm-0.5nm、且在200℃下氨饱和吸附量为0.8毫摩尔/克-2.5毫摩尔/克的硅铝分子筛或硅磷铝分子筛、或符合上述特征的分子筛经骨架组成元素以外的元素改性得到的产物，或多种符合上述特征的分子筛的混合物催化剂接触，生成含有丙烯的产物；
其中反应条件为：乙烯/甲醇或2倍二甲醚摩尔比为0.1-2，反应温度为300-600℃，反应压力为0.01-0.8MPa。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，催化剂的分子筛含量为10重量％-90重量％。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，催化剂采用包括氧化硅、氧化铝或粘土中的一种或几种的粘合剂粘结成型。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，反应条件为：反应温度为350-550℃，反应压力为0.1-0.45MPa。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，催化转化过程在流化床、固定床或移动床反应器中实现。
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