醋酸间接加氢法单产或联产乙醇和醋酸乙酯的工艺
技术领域
本发明涉及单产或联产无水乙醇和醋酸乙酯的工艺,尤其是涉及以醋酸和氢为原料,经醋酸酯化和醋酸乙酯氢解两步反应,高选择地单产或联产无水乙醇和醋酸乙酯两种产品的工艺技术。
背景技术
相对于已处于高位的石油和粮食价格,煤价相对低廉。近年来国内煤化工规模的迅速扩大,导致煤化工产品醋酸的价格不断下降;而基于石油或粮食为原料生产的乙醇的价格则不断攀升。在这个背景下,从醋酸出发生产乙醇及其下游产品变得有利可图,形成了新的利润增长点。赛拉尼斯(Celanese International Corporation)最近提出了从醋酸直接加氢得到乙醇和水的专利(US 7,863,489B2,用铂-锡催化剂对醋酸直接选择性加氢生产乙醇)。其反应式为:
CH3COOH+2H2=C2H5OH+H2O
60.05 4 46.05 18
该发明特点是在250度左右,22bar压力下,采用负载型贵金属Pt为活性金属,添加Sn改性的催化剂,反应转化率>80%,选择性>90%。优点是贵金属活性好,不需要过大量氢气循环;液时空速高,推算可达到9kg-乙醇/(kg-催化剂*h)以上。
但醋酸直接加氢有诸多问题。首先,因醋酸有强腐蚀性,在高温的反应条件下,非贵金属催化剂难以耐受,因此要采用稀缺昂贵的贵金属催化剂;同时反应器和附属的分离设备的材质也要耐醋酸腐蚀,价格也很高。采用贵金属催化剂不仅价格高,而且因其含量低,对原料中的有害杂质的容忍度低,要求原料的净化度高。否则催化剂很快失活。该专利对催化剂的寿命和原料要求未做表述。其次,醋酸直接加氢时,副反应多。除了原料醋酸与产物乙醇会反应生成醋酸乙酯外,乙醇在贵金属Pt表面还易发生脱氢,由此引发一系列复杂反应。从专利看,产物成分复杂,虽然选择性能达到90%以上,但产物的种类包括气相和液相的约十种以上。产品中的杂质种类多,不仅分离提纯困难,也影响产品的品质。第三,虽然贵金属催化剂的活性高,可以增大液时空速,但醋酸直接加氢的热效应较强(250度22bar,反应热47.6kJ/mol,而一般单羰基加氢反应热在20kJ/mol),采用高液时空速操作时放大困难。专利中提到需要采用分段固定床甚至流化床以及惰性气体循环移热,对操作和控制的要求也较高,以避免床层飞温。最后,醋酸直接加氢的转化率低,一般在80%左右。产物是乙醇和水,它们与未反应的醋酸形成多元共沸物,导致原料的回收和产品分离提纯的流程复杂,能耗和设备投资巨大。
近期国内也有两个单位分别提出了采用铜系催化剂,对醋酸酯氢解生产乙醇的专利(申请号:201010584928.0:一种用醋酸酯加氢制备乙醇的方法;申请号:201010298217.7:一种醋酸酯加氢制乙醇的催化剂及其制备方法和应用)。上述两个专利都强调是针对各种醋酸酯,至少包括醋酸甲酯和醋酸乙酯等,专利内容都是铜系催化剂的配方和制备方法,并未涉及从醋酸和氢出发的生产工艺。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种工艺简单,利用现有的工艺条件就能够实现,成本较低的醋酸间接加氢法单产或联产乙醇和醋酸乙酯的工艺。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
醋酸间接加氢法单产或联产乙醇和醋酸乙酯的工艺,包括以下步骤:
(1)将醋酸与乙醇置于酯化塔中,在酸催化剂的作用下进行反应精馏,得到醋酸乙酯和水。上述混合物经塔顶镏出,冷凝后进分水器、精馏脱轻塔以及精馏脱重塔反应精馏脱除杂质,得到合格的醋酸乙酯产品;
(2)步骤(1)中得到的醋酸乙酯部分作为最终产品,部分作为氢解反应生产乙醇的原料导入氢解塔中;
(3)醋酸乙酯在氢解塔中经催化剂催化进行氢解,高选择地得到乙醇产品。
步骤(1)中所述的酯化塔的塔底温度控制在80-150度,塔顶温度控制在20-80度,回流比控制在2-5之间,酯化塔内填充高效规整填料。
步骤(1)中所述的酯化塔经管道连接有回收塔,该回收塔底温度控制在100-120度,塔顶温度控制在60-95度,回收塔内填充高效规整填料。
步骤(1)中所述的醋酸与乙醇的摩尔比在0.5-2.0之间,最佳为0.8-1.2。
步骤(1)中所述的酸催化剂包括硫酸、盐酸、磷酸、焦硫酸或焦磷酸,酸催化剂的含量在1wt.%-5wt.%之间。
步骤(1)中所述的精馏脱轻塔和精馏脱重塔采用板式塔或填料塔,精馏脱轻塔底温度控制在75-100度,塔顶温度控制在60-90度,精馏脱重塔底温度控制在90-120度,精馏脱重塔顶温度控制在70-90度。
步骤(3)中经氢解塔催化加氢得到的产物经气液分离器分离出气体循环,液体产物为乙醇和少量醋酸乙酯,去乙醇精馏塔分离轻重组分,从塔顶蒸出的乙醇和醋酸乙酯混合物去酯化塔釜与醋酸反应,侧线分离出部分无水乙醇作为产品,少量从底部排出的含重组分的乙醇返回精馏脱重塔。
步骤(3)中所述的氢解塔中的操作温度在210-250度,氢酯摩尔比10-80,氢压20-50bar之间。
步骤(3)中所述的催化剂为负载Cu系催化剂或贵金属系催化剂中的一种或几种,催化剂中Cu含量在25wt.-55.wt%,助催化剂包括Cr、Zn、Mn、Mo、Ni、Ag、Pt、Pd或Ru中一种或几种,含量在0wt.%-20wt.%,其余部分为载体,该载体包括SiO2、活性炭和碳纳米管、Al2O3、TiO2或ZnO中的一种或几种。
所述的助催化剂为Ag、Pt、Pd或Ru,含量为0wt.%-1wt.%,所述的载体优选中性的SiO2、活性碳或碳纳米管。
由醋酸乙酯氢解得到的乙醇,全部或部分与醋酸在酯化塔中反应,生产醋酸乙酯;剩余乙醇作为产品出售。
通过调整氢解和制氢装置的生产能力,分别产出乙醇、醋酸乙酯或同时产出两种产物。
与现有技术相比,本发明公开的醋酸经醋酸乙酯加氢即间接加氢法生产乙醇的工艺路线,是将一个困难、副产物多和热效应高的单步反应,变成了两步容易进行、产物单纯和热效应低的反应,绕过了醋酸直接加氢所带来的诸多难题。实际效果有:降低了对设备的要求;提高了反应选择性;单程转化率高,原料和催化剂消耗低,分离工艺简单;热效应低,容易放大生产;投资和能耗省,产品质量好;可单产或联产无水乙醇和醋酸乙酯等。
本申请采用醋酸为原料,经醋酸乙酯氢解,得到高纯度的无水乙醇。虽然与专利(申请号:201010584928.0和201010298217.7)类似,采用了醋酸酯为中间产物,不同之处在于本发明强调只能为醋酸乙酯,而不能为醋酸其它酯。其原因是若采用乙酯外的其它酯如醋酸甲酯,产物中则会带来除乙醇外大量的第二种醇如甲醇,导致分离负荷和能耗上升,效益下降。第二个特色是本发明的氢解反应条件更缓和,而催化剂的选择性和转化率更高(例如在230度、氢压40bar,时空产率1.5kg-乙醇/kg-cat/h下,转化率>95%,选择性>99%)。虽然申请号为201010584928.0的专利中反应条件相当,但其所有例子的选择性最高只有97%。申请号为201010298217.7的专利虽然在实例7和8中乙醇选择性达到了99%,但对应的压力大于80bar,转化率<88%,而时空产率只有0.3kg-乙醇/kg-cat/h。
最后,本工艺不强调以乙醇为目的产物。可根据市场变化自由选择单产或联产乙醇和醋酸乙酯中的一种或两种。由醋酸间接加氢生产醋酸乙酯的总反应式为:
2CH3COOH+2H2=CH3COOC2H5+2H2O
120.1 4 88.1 36
由醋酸加氢制醋酸乙酯的优点是生产每吨产品(醋酸乙酯)消耗的氢更少(每吨醋酸乙酯耗氢45.4kg,而每吨乙醇耗氢为86.8kg),而原料醋酸消耗和除水量均只略高了4.6%。联产的动因是,从原料和动力消耗以及产品差价计算,生产每吨醋酸乙酯或无水乙醇的经济效益相当。因此若能联产则可根据市场变化来调节生产,获得最大效益。而若只需产出醋酸乙酯而不产出乙醇时,设备投资更省。
因此,本发明的另一特色是利用同一套生产装置,通过改变氢解和制氢装置的生产负荷,选择得到无水乙醇和醋酸乙酯中的一种或两种产品,并可以调节两种产品的比例,从而更具有市场优势。由于本发明酯化和氢解两步反应的选择性都高达99%以上,原料醋酸和氢都被最大程度地转化为产品。
本发明的特点总结如下:采用醋酸和氢为原料,利用酯化与氢解两步反应,以醋酸乙酯为中间产物,用同一套装置高选择地单产或联产乙醇和醋酸乙酯,时空产率0.8~3.0kg-乙醇/kg-cat/h,醋酸乙酯的转化率>90%,乙醇的选择性>99%。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
醋酸间接加氢法单产或联产乙醇和醋酸乙酯的工艺,流程图说明如下:
醋酸和来自乙醇精馏塔顶的乙醇与醋酸乙酯的混合物进入酯化反应塔1的塔釜,在酸催化剂的作用下进行酯化反应。塔釜中酸催化剂的含量在1wt.%~5wt.%之间,定期排放和补充。进料中醋酸与乙醇的摩尔比在0.5~2.0之间,最佳在0.8~1.2。生成的醋酸乙酯和水经酯化反应塔1的塔顶镏出,经冷凝器2冷凝后进分水器3得到粗醋酸乙酯和含少量醋酸乙酯的水。下层含少量乙酯的水进入回收塔4回收溶解在水中的乙酯,这一部分乙酯在回收塔4的塔顶采出,返回酯化反应塔1的底部,水自回收塔4的塔底排出。分水器3中的一部分粗酯回流酯化反应塔以维持塔的精馏操作,一部分进入精馏脱轻塔5。含有少量水和轻组分杂质的醋酸乙酯在精馏脱轻塔5的塔顶镏出,返回酯化反应塔1的底部重新参与反应;含少量重组分的醋酸乙酯在精馏脱轻塔5的塔底采出,进入精馏脱重塔6。少量的重组分在精馏脱重塔6的塔底采出后同样返回酯化反应塔1的底部重新参与反应。精馏脱轻塔5的顶部和精馏脱重塔6的底部间歇排出少量轻重组分,以维持系统组成稳定。精馏脱重塔6顶得到醋酸乙酯成品,此成品部分或全部进入氢解塔反应,也可根据需要取出部分作为产品出售。
酯化反应塔1和回收塔4采用高效规整填料,以保证塔的高效运作。酯化反应塔底温度控制在80-150度,塔顶温度控制在20-80度,回流比控制在2~5之间。回收塔底温度控制在100-120度,塔顶温度控制在60-95度。
精馏脱轻塔5和精馏脱重塔6采用板式塔或填料塔。精馏脱轻塔底温度控制在75-100度,塔顶温度控制在60-90度;精馏脱重塔底温度控制在90-120度,精馏脱重塔顶温度控制在70-90度。
制备得到的醋酸乙酯部分去氢解塔7加氢,产物经气液分离器8分离出气体循环,液体产物(主要为乙醇和少量醋酸乙酯)去乙醇精馏塔9分离轻重组分。从塔顶蒸出的乙醇和醋酸乙酯混合物去酯化塔釜与醋酸反应,侧线分离出部分无水乙醇作为产品。少量从底部排出的含重组分的乙醇去精馏脱重塔。
氢解塔7采用适当的负载铜系催化剂,操作温度在210~250度,氢酯摩尔比10~80,氢压20~50bar,时空产率0.8~3.0kg-乙醇/kg-cat/h。在优化的反应条件下,醋酸乙酯的转化率>95%,乙醇选择性>99%。
以年产十万吨产品(可全部为乙醇或醋酸乙酯,也可两种都有)为目标,需要的设备为:a)年产二十万吨醋酸乙酯的酯化反应塔和附属分水和提纯设备;b)年二十万吨醋酸乙酯的中压氢解装置;c)年产8680吨(约98640Nm3)氢气的制氢工厂。在氢解装置单程转化率为95%、选择性99%时,氢解每吨醋酸乙酯能得到约1吨无水乙醇。
实施例2
年产10万吨乙醇
若以10万吨乙醇为生产目标,则三套装置即:酯化、氢解和制氢厂均需要满负荷运行。每年要消耗醋酸原料13.03万吨,氢8680吨,除水3.91万吨。氢解装置的液体产物要经乙醇塔分离提纯;未反应完的醋酸乙酯和部分乙醇从塔顶分离,去酯化塔釜作为酯化反应的原料。
实施例3
年产10万吨醋酸乙酯
若以10万吨醋酸乙酯为生产目标,则酯化装置全负荷运行,氢解和制氢厂均开约一半负荷,即氢解装置的加工能力约为10万吨,制氢能力为4540吨即可。以醋酸乙酯为目标产物时,氢解装置的液体产物可直接去酯化塔,无需分离。
实施例4
年产x万吨乙醇联产(10-x)万吨醋酸乙酯
此时酯化装置仍然是全负荷运行,氢解负荷约为10+x万吨,制氢能力要求为4540+(x/10)*4140吨。以5万吨乙醇联产5万吨醋酸乙酯为例,氢解负荷为15万吨,需要制氢6610吨。以2万吨乙醇联产8万吨醋酸乙酯为例,氢解负荷为12万吨,需要制氢5368吨。
实施例5
醋酸间接加氢法单产或联产乙醇和醋酸乙酯的工艺,包括以下步骤:
(1)将醋酸与乙醇置于酯化塔中,醋酸与乙醇的摩尔比在1.0,控制酯化塔的塔底温度在80度,塔顶温度控制在20度,回流比控制在2,酯化塔内填充高效规整填料,在磷酸催化剂的作用下进行催化反应磷酸催化剂的含量在3wt.%,得到醋酸乙酯和水,上述混合物经塔顶镏出,冷凝后进分水器、精馏脱轻塔以及精馏脱重塔反应精馏脱除水,得到醋酸乙酯产品,酯化塔经管道连接有回收塔,该回收塔底温度控制在100度,塔顶温度控制在60度,回收塔内填充高效规整填料,精馏脱轻塔和精馏脱重塔采用板式塔,精馏脱轻塔底温度控制在75度,塔顶温度控制在60度,精馏脱重塔底温度控制在90度,精馏脱重塔顶温度控制在70度;
(2)步骤(1)中得到的醋酸乙酯部分作为最终产品,部分作为氢解反应生产乙醇的原料导入氢解塔中;
(3)醋酸乙酯在氢解塔中经催化剂催化进行氢解,高选择地得到乙醇产品,其中,氢解塔中的操作温度在210度,氢酯摩尔比70,氢压50bar,氢解时使用负载Cu系催化剂,催化剂中Cu含量在35wt.%,其余部分为TiO2和SiO2(比例为3∶7)。经氢解塔催化加氢得到的产物经气液分离器分离出气体循环,液体产物为乙醇和少量醋酸乙酯,去乙醇精馏塔分离轻重组分,从塔顶蒸出的乙醇和醋酸乙酯混合物去酯化塔釜与醋酸反应,侧线分离出部分无水乙醇作为产品,少量从底部排出的含重组分的乙醇返回精馏脱重塔。
由醋酸乙酯氢解得到的乙醇,全部或部分与醋酸在酯化塔中反应,生产醋酸乙酯;剩余作为醋酸乙酯产品。通过调整氢解和制氢装置的生产能力,分别产出乙醇、醋酸乙酯或同时产出两种产物。
实施例6
醋酸间接加氢法单产或联产乙醇和醋酸乙酯的工艺,包括以下步骤:
(1)将醋酸与乙醇置于酯化塔中,醋酸与乙醇的摩尔比在1,控制酯化塔的塔底温度在100度,塔顶温度控制在60度,回流比控制在3,酯化塔内填充高效规整填料,在盐酸催化剂的作用下进行催化反应磷酸催化剂的含量在3wt.%,得到醋酸乙酯和水,上述混合物经塔顶镏出,冷凝后进分水器、精馏脱轻塔以及精馏脱重塔反应精馏脱除水,得到醋酸乙酯产品,酯化塔经管道连接有回收塔,该回收塔底温度控制在110度,塔顶温度控制在70度,回收塔内填充高效规整填料,精馏脱轻塔和精馏脱重塔采用填料塔,精馏脱轻塔底温度控制在90度,塔顶温度控制在80度,精馏脱重塔底温度控制在100度,精馏脱重塔顶温度控制在80度;
(2)步骤(1)中得到的醋酸乙酯部分作为最终产品,部分作为氢解反应生产乙醇的原料导入氢解塔中;
(3)醋酸乙酯在氢解塔中经催化剂催化进行氢解,高选择地得到乙醇产品,其中,氢解塔中的操作温度在240度,氢酯摩尔比10,氢压20bar,氢解时使用负载Cu系催化剂,催化剂中Cu含量在40wt.%,助催化剂为Pt,含量在0.5wt.%,其余部分为SiO2载体。经氢解塔催化加氢得到的产物经气液分离器分离出气体循环,液体产物为乙醇和少量醋酸乙酯,去乙醇精馏塔分离轻重组分,从塔顶蒸出的乙醇和醋酸乙酯混合物去酯化塔釜与醋酸反应,侧线分离出部分无水乙醇作为产品,少量从底部排出的含重组分的乙醇返回精馏脱重塔。
由醋酸乙酯氢解得到的乙醇,全部或部分与醋酸在酯化塔中反应,生产醋酸乙酯;剩余作为醋酸乙酯产品。通过调整氢解和制氢装置的生产能力,分别产出乙醇、醋酸乙酯或同时产出两种产物。
实施例7
醋酸间接加氢法单产或联产乙醇和醋酸乙酯的工艺,包括以下步骤:
(1)将醋酸与乙醇置于酯化塔中,醋酸与乙醇的摩尔比在1.1,控制酯化塔的塔底温度在150度,塔顶温度控制在80度,回流比控制在5,酯化塔内填充高效规整填料,在焦硫酸催化剂的作用下进行催化反应磷酸催化剂的含量在5wt.%,得到醋酸乙酯和水,上述混合物经塔顶镏出,冷凝后进分水器、精馏脱轻塔以及精馏脱重塔反应精馏脱除水,得到醋酸乙酯产品,酯化塔经管道连接有回收塔,该回收塔底温度控制在120度,塔顶温度控制在95度,回收塔内填充高效规整填料,精馏脱轻塔和精馏脱重塔采用填料塔,精馏脱轻塔底温度控制在100度,塔顶温度控制在90度,精馏脱重塔底温度控制在120度,精馏脱重塔顶温度控制在90度;
(2)步骤(1)中得到的醋酸乙酯部分作为最终产品,部分作为氢解反应生产乙醇的原料导入氢解塔中;
(3)醋酸乙酯在氢解塔中经催化剂催化进行氢解,高选择地得到乙醇产品,其中,氢解塔中的操作温度在250度,氢酯摩尔比60,氢压50bar,氢解时使用负载Cu系催化剂,催化剂中Cu含量在50wt.%,助催化剂为ZnO,含量5wt.%,其余部分为SiO2载体。经氢解塔催化加氢得到的产物经气液分离器分离出气体循环,液体产物为乙醇和少量醋酸乙酯,去乙醇精馏塔分离轻重组分,从塔顶蒸出的乙醇和醋酸乙酯混合物去酯化塔釜与醋酸反应,侧线分离出部分无水乙醇作为产品,少量从底部排出的含重组分的乙醇返回精馏脱重塔。
由醋酸乙酯氢解得到的乙醇,全部或部分与醋酸在酯化塔中反应,生产醋酸乙酯;剩余作为醋酸乙酯产品。通过调整氢解和制氢装置的生产能力,分别产出乙醇、醋酸乙酯或同时产出两种产物。