CN102219675B - Co偶联生产草酸酯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种CO偶联生产草酸酯的方法，主要解决以往技术中存在目的产物选择性低、单程转化率低的技术问题。本发明通过采用含有亚硝酸酯和CO的原料混合物，在反应温度80～160℃，反应压力为-0.09～1.5MPa的条件下与含钯催化剂接触，生成含有草酸酯的反应流出物，其中含钯催化剂固定在超重力旋转床反应器的转子上，原料中CO与亚硝酸酯的摩尔比为1～5∶1的技术方案，较好地解决了该问题，可用于增产草酸酯的工业生产中。

Description

CO偶联生产草酸酯的方法

技术领域

本发明涉及一种CO偶联生产草酸酯的方法，特别是关于CO与亚硝酸甲酯或亚硝酸乙酯偶联生产草酸二甲酯或草酸二乙酯的方法。

背景技术

草酸酯是重要的有机化工原料，大量用于精细化工生产各种染料、医药、重要的溶剂，萃取剂以及各种中间体。进入21世纪，草酸酯作为可降解的环保型工程塑料单体而受到国际广泛重视。此外，草酸酯常压水解可得草酸，常压氨解可得优质缓效化肥草酰氨。草酸酯还可以用作溶剂，生产医药和染料中间体等，例如与脂肪酸酯、环己乙酰苯、胺基醇以及许多杂环化合物进行各种缩合反应。它还可以合成在医药上用作激素的胸酰碱。此外，草酸酯低压加氢可制备十分重要的化工原料乙二醇，而目前乙二醇主要依靠石油路线来制备，成本较高，我国每年需大量进口乙二醇，2007年进口量近480万吨。

传统草酸酯的生产路线是利用草酸同醇发生酯化反应来制备的，生产工艺成本高，能耗大，污染严重，原料利用不合理。多年来，人们一直在寻找一条成本低、环境好的工艺路线。上世纪六十年代，美国联合石油公司D.F.Fenton发现，一氧化碳、醇和氧气可通过氧化羰基化反应直接合成草酸二烷基酯，自此日本宇部兴产公司和美国ARCO公司在这一领域相继开展了研究开发工作。

对于一氧化碳氧化偶联法合成草酸酯从发展历程进行划分可分为液相法和气相法。其中，一氧化碳液相法合成草酸酯条件比较苛刻，反应在高压下进行，液相体系易腐蚀设备，且反应过程中催化剂易流失。CO偶联制草酸酯的气相法最具优势，国外日本宇部兴产公司和意大利蒙特爱迪生公司于1978年相继开展了气相法研究。其中，宇部兴产公司开发的气相催化合成草酸酯工艺，反应压力0.5MP，温度为80℃～150℃。

随着国际上一氧化碳氧化偶联法制备草酸酯工艺技术的研究开发，国内许多研究机构也对这一领域开展了研究工作。根据我国资源分布特点，以一氧化碳为原料制备有机含氧化合物，对于缓解石油产品的紧张状况、合理利用煤炭和天然气资源具有十分重要的战略意义。目前，由一氧化碳氧化偶联法合成草酸酯以成为国内一碳化学及有机化工领域中重要的研究课题，先后有多家研究机构和科研院校致力于该领域的催化剂研制、工艺开发和工程放大工作，并取得了较大进展。

尽管上述众多研究机构，在技术上已经取得较大进步，但技术本身仍有待进一步完善和发展，尤其在如何提高反应选择性，提高催化剂的活性等方面均需进一步研究和突破。

文献CN200710060003.4公开了一种CO偶联制备草酸二乙酯的方法，采用气相法，CO在亚硝酸乙酯的参加下，在双金属负载型催化剂的催化下，偶联生成草酸二乙酯粗品，反应为自封闭循环过程，CO气与来自再生反应器的亚硝酸乙酯经混合预热进入偶联反应器，反应后气体经冷凝分离，得到无色透明的草酸二乙酯凝液，含NO的不凝气进入再生反应器，在再生反应器内与乙醇、氧气反应生成亚硝酸乙酯再循环回偶联反应器连续使用，本发明是在前期小试研究的基础上，以工业生产为背景进行的，完成了在工业操作条件下的模试和中试放大连续运转考核，偶联反应温度低，产品浓度提高，本方法更节能，无污染，效益高。但该技术CO的单程转化率在20～60％，目的产物选择性在96％左右，均有待进一步提高。

文献CN 95116136.9公开了一种草酸酯合成用的催化剂，选用Zr作助剂，用浸渍法研制出新型的Pd-Zr/Al₂O₃催化剂。该催化剂用作一氧化碳与亚硝酸脂气相催化合成草酸酯反应是采用固定床反应装置。但该专利中所采用的催化剂其草酸酯的收率较低，且对原料气的杂质要求较高，产物草酸酯的选择性为95％，亚硝酸酯的单程转化率最高为64％，均有待进一步提高。

英国帝国化学工业公司(ICI)提出的EP0023745A3专利，提到旋转床可用于吸收、解析、蒸馏等过程，但没有公开工业化规模的应用技术。CN1064338A公开了利用旋转床进行油田注水脱氧的方法；CN1116146A公开了一种在超重力场下制备超微颗粒的方法。

超重力场技术是八十年代初才出现的新技术，其内部机理还在继续探索，应用开发研究仍在不断进行，新的应用领域还在不断的开拓，就目前而言还没有关于旋转床应用于CO偶联制草酸酯生产的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是以往文献中存在的草酸酯选择性低，原料单程转化率低的问题，提供一种新的CO偶联生产草酸酯的方法。该方法具有草酸酯选择性高，原料的单程转化率高的优点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种CO偶联生产草酸酯的方法，含有亚硝酸酯和CO的原料混合物，在反应温度80～160℃，反应压力为-0.09～1.5MPa的条件下与含钯催化剂接触，生成含有草酸酯的反应流出物，其特征在于含钯催化剂固定在超重力旋转床反应器的转子上；

其中，原料中CO与亚硝酸酯的摩尔比为1～5∶1。

上述技术方案中超重力旋转床反应器的优选反应条件为：反应温度90～150℃，反应压力为-0.05～1.0MPa；超重力旋转床反应器的转子的转速优选范围为100～5000rpm。超重力旋转床反应器的更优选反应条件为：反应温度100～150℃，反应压力为0.01～1.0MPa；超重力旋转床反应器的转子的转速更优选范围为600～4000rpm。原料中CO与亚硝酸酯的摩尔比的优选范围为1～3∶1。

上述技术方案中含钯催化剂以氧化硅、氧化铝或分子筛中至少一种为载体，优选氧化铝为载体，分子筛选自ZSM-5、丝光沸石、MCM-22或β分子筛。活性组分为金属钯，以载体为基准，钯的重量含量为0.1～5％，优选重量含量范围为0.2～3％，亚硝酸酯选自亚硝酸甲酯或亚硝酸乙酯。

众所周知，地球上所有物质都因重力而被地球吸引，超重力场是比地球重力场强度大得多的环境，物质在超重力场下所受的力称为超重力，利用超重力科学原理而产生的实用技术称为超重力技术。

超重力技术是强化多相流传递及反应过程的新技术，上个世纪问世以来，在国内外受到广泛的重视，由于它的广泛适用性以及具有传统设备所不具有的体积小、重量轻、能耗低、易运转、易维修、安全、可靠、灵活以及更能适应环境等优点，使得超重力技术在环保和材料生物化工等工业领域中有广阔的商业化应用前景。但目前超重力技术还主要处于应用开发阶段，集中体现在超重力气-固流态化技术和超重力气-液传质技术两个方面。

在比地球重力场大数百倍至千倍的超重力环境下，巨大的剪切力将液体撕裂成微米至纳米级的液膜、液丝、液滴，产生巨大的、快速更新的相界面，极大地增大了气液接触比表面积，使相间传质速率比传统塔器中的提高1～3个数量级，微观混合和传质过程得到极大强化。使单位设备体积的生产效率得到1～2数量级的提高。

旋转床超重力场装置，作为产生超重力场的设备，其通常由气体和液体进口管、转子、气体和液体出口组成。其工作原理为气相经气体进口管由切向引入转子外腔，在气体压力的作用下由转子外缘处进入填料。液体由液体进口管引入转子内腔，经喷头淋洒在转子内缘上。进入转子的液体受到转子内填料的作用，周向速度增加，所产生的离心力将其推向转子外缘。在此过程中，液体被填料分散、破碎形成极大的、不断更新的表面积，曲折的流道加剧了液体表面的更新。这样，在转子内部形成了极好的传质与反应条件。液体被转子抛到外壳汇集后经液体出口管离开超重机。气体自转子中心离开转子，由气体出口管引出，完成传质与反应过程。

研究表明，在CO与亚硝酸酯偶联反应过程中，生成的草酸酯产品在反应条件下以液态形式存在，而初始反应生成的液态草酸酯产品在途经后续反应器催化剂床层过程中，一方面自身会进一步发生二次反应，导致反应目的产物选择性降低，另一方面，液态草酸酯产品的存在会从动力学角度抑制原料的转化程度或降低催化剂的反应活性，导致原料单程转化率降低，循环量加大。本发明中：采用超重力旋转床反应器，原料由超重力旋转床反应器中心进入反应器与催化剂接触进行反应，反应生成的液体在超重力场作用下快速甩出反应器床层，实现气液快速分离，未反应完全的原料混合物继续进行反应，这样，不仅减少目的产物进一步发生二次反应的几率，同时从动力学角度有利于加快主反应速率，从而达到提高目的产物选择性及单程转化率的目的。

众所周知，CO偶联制草酸酯的反应为放热反应，大量研究表明，用于CO偶联制草酸酯反应的催化剂失活主要原因之一是催化剂活性组分晶粒长大烧结，而偶联反应过程的集中放热可以导致催化剂较高的温升，尤其催化剂活性中心的温度可能高出催化剂表观温度几十度甚至100℃以上，而过高的局部温升对催化剂寿命的影响是非常致命的，尤其可大大加速晶粒的长大，从而加速催化剂的失活。本发明中采用的超重力旋转床反应器，对于热量的均匀分布以及热量的快速移出均具有有利的作用。

采用本发明的技术方案，以钯负载氧化铝为催化剂，以载体为基准，钯的重量含量为0.2～3％，以CO与亚硝酸酯的摩尔比为1～3∶1的混合物为原料，在反应温度100～150℃，反应压力为0.01～1.0MPa，超重力旋转床反应器的转子的转速为600～4000rpm的条件下，CO单程转化率最高可大于71％，草酸酯的选择性最高可大于99％，取得了较好的技术效果。

下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。

具体实施方式

【实施例1】

以CO和亚硝酸甲酯为原料，其中，CO与亚硝酸甲酯的摩尔比为1.2∶1，超重力旋转床反应器内装载钯负载氧化铝的催化剂，以载体为基准，钯的重量含量均为1.5％，CO和亚硝酸甲酯原料进入旋转床反应器与催化剂接触，在反应温度100℃，反应压力为-0.01MPa；超重力旋转床反应器的转子的转速为1000rpm条件下，其反应结果为：CO单程转化率62.3％，草酸二甲酯的选择性为97.2％。

【实施例2】

以CO和亚硝酸甲酯为原料，其中，CO与亚硝酸甲酯的摩尔比为1.5∶1，超重力旋转床反应器内装载钯负载氧化铝的催化剂，以载体为基准，钯的重量含量均为0.5％，CO和亚硝酸甲酯原料进入旋转床反应器与催化剂接触，在反应温度150℃，反应压力为-0.06MPa；超重力旋转床反应器的转子的转速为2000rpm条件下，其反应结果为：CO单程转化率55.4％，草酸二甲酯的选择性为97.9％。

【实施例3】

以CO和亚硝酸乙酯为原料，其中，CO与亚硝酸乙酯的摩尔比为1∶1，超重力旋转床反应器内装载钯负载ZSM-5分子筛的催化剂(Si/Al摩尔比为150∶1)，以载体为基准，钯的重量含量均为0.8％，CO和亚硝酸乙酯原料进入旋转床反应器与催化剂接触，在反应温度120℃，反应压力为-0.02MPa；超重力旋转床反应器的转子的转速为5000rpm条件下，其反应结果为：CO单程转化率66.4％，草酸二乙酯的选择性为98.1％。

【实施例4】

以CO和亚硝酸乙酯为原料，其中，CO与亚硝酸乙酯的摩尔比为1.6∶1，超重力旋转床反应器内装载钯负载氧化铝的催化剂，以载体为基准，钯的重量含量均为0.2％，CO和亚硝酸乙酯原料进入旋转床反应器与催化剂接触，在反应温度110℃，反应压力为0.05MPa；超重力旋转床反应器的转子的转速为3000rpm条件下，其反应结果为：CO单程转化率45.4％，草酸二乙酯的选择性为98.8％。

【实施例5】

以CO和亚硝酸甲酯为原料，其中，CO与亚硝酸甲酯的摩尔比为2∶1，超重力旋转床反应器内装载钯负载氧化铝的催化剂，以载体为基准，钯的重量含量均为0.4％，CO和亚硝酸甲酯原料进入旋转床反应器与催化剂接触，在反应温度130℃，反应压力为0.2MPa；超重力旋转床反应器的转子的转速为1000rpm条件下，其反应结果为：CO单程转化率44.4％，草酸二甲酯的选择性为99.3％。

【实施例6】

以CO和亚硝酸乙酯为原料，其中，CO与亚硝酸乙酯的摩尔比为3∶1，超重力旋转床反应器内装载钯负载MCM-22分子筛的催化剂，以载体为基准，钯的重量含量均为0.2％，CO和亚硝酸乙酯原料进入旋转床反应器与催化剂接触，在反应温度130℃，反应压力为1.2MPa；超重力旋转床反应器的转子的转速为500rpm条件下，其反应结果为：CO单程转化率25.2％，草酸二乙酯的选择性为99.2％。

【实施例7】

以CO和亚硝酸甲酯为原料，其中，CO与亚硝酸甲酯的摩尔比为1.2∶1，超重力旋转床反应器内装载钯负载氧化铝的催化剂，以载体为基准，钯的重量含量均为0.4％，CO和亚硝酸甲酯原料进入旋转床反应器与催化剂接触，在反应温度150℃，反应压力为0.3MPa；超重力旋转床反应器的转子的转速为1500rpm条件下，其反应结果为：CO单程转化率78.4％，草酸二甲酯的选择性为99.3％。

【比较例1】

按照实施例7相同的催化剂、条件及反应原料，只是仅采用固定床反应器，其反应结果如下：CO单程转化率60.3％，草酸二甲酯的选择性为94.1％。

Claims (1)

1.一种CO偶联生产草酸酯的方法，以CO和亚硝酸甲酯为原料，其中，CO与亚硝酸甲酯的摩尔比为1.2∶1，超重力旋转床反应器内装载钯负载氧化铝的催化剂，以载体为基准，钯的重量含量均为0.4％，CO和亚硝酸甲酯原料进入旋转床反应器与催化剂接触，在反应温度150℃，反应压力为0.3MPa；超重力旋转床反应器的转子的转速为1500rpm条件下，其反应结果为：CO单程转化率78.4％，草酸二甲酯的选择性为99.3％。