CN103772161A

CN103772161A - 聚甲醛二甲醚的制备方法

Info

Publication number: CN103772161A
Application number: CN201210393290.1A
Authority: CN
Inventors: 高晓晨; 刘志成; 高焕新; 杨为民
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Shanghai Research Institute of Petrochemical Technology
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Shanghai Research Institute of Petrochemical Technology
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2014-05-07

Abstract

本发明涉及一种聚甲醛二甲醚的制备方法，主要解决以往催化剂分离困难、原料转化率低、产物选择性差的问题。本发明通过以甲醇、甲缩醛和多聚甲醛为原料，其中甲醇：甲缩醛：多聚甲醛的质量比为(0～10):(0～10):1，其中甲醇与甲缩醛的用量不能同时为0，在反应温度为70～200℃，反应压力为0.2～6MPa条件下，原料与催化剂接触，反应生成聚甲醛二甲醚CH₃O(CH₂O)_nCH₃；催化剂用量为原料重量的0.1～5.0%，其中所用的催化剂以重量分数计包括以下组分：a)30～80份的分子筛载体；b)20～70份杂多酸的技术方案，较好地解决了该问题，可用于聚甲醛二甲醚的工业生产中。

Description

聚甲醛二甲醚的制备方法

技术领域

本发明涉及一种聚甲醛二甲醚的制备方法，特别是关于一种以多聚甲醛为原料合成聚甲醛二甲醚的方法。

背景技术

近年来，随着工业革命影响日趋深入和我国特有的“多煤、少油、有气”的资源格局，我国石油资源日益紧张，石油供给压力空前增大。预计未来10～20年，我国石油供给率只有～50%。如何利用我国丰富的煤炭资源解决我国的能源危机便成为科研工作者急需解决的问题。因此由煤基甲醇开发新型的油品替代品日益受到人们的重视。

二甲醚最早被提出作为一种柴油的添加剂，然而由于其自身冷启动性能差、常温下蒸汽压高、容易产生气阻使得二甲醚作为车用替代燃料的成本明显升高。聚甲醛二甲醚，即Polyoxymethylene dimethyl ethers (PODE)，是一类物质的通称，其简式可以表示为CH₃O(CH₂O)_nCH₃，具有较高的辛烷值(> 30)和氧含量(42～51%)。当n的取值为2～10时，其物理性质、燃烧性能与柴油非常接近，较好的解决了二甲醚作为车用柴油调和组分存在的缺陷。因此聚甲醛二甲醚可作为新型的清洁柴油组分，在柴油中的添加量可达30%(v/v)，可以改善柴油在发动机中的燃烧状况，提高热效率，降低尾气中的颗粒物以及CO_x和NO_x的排放。据报道，添加5～30%的CH₃OCH₂OCH₃可降低NO_x排放7～10%，PM降低5～35%。由煤基甲醇合成PODE不仅可以取代部分柴油，还能提高柴油的燃烧效率，降低柴油燃烧对环境的危害，具有重要的战略意义和良好的经济价值。

实验室中聚甲醛二甲醚可以通过痕量硫酸或盐酸存在下于150～180℃加热低聚合度多聚甲醛或低聚甲醛与甲醇反应的方法制备。近年来，聚甲醛二甲醚合成技术取得了进展。

CN 102040491A介绍了采用β沸石、ZSM-5分子筛、MCM-22、MCM-56或UZM-8分子筛等作为催化剂，通过甲醇、甲缩醛和多聚甲醛为反应物合成聚甲醛二甲醚的方法。CN 102040490A介绍了采用固体超强酸催化剂，在反应温度90～130℃，反应压力0.4～4.0MPa时，转化率和选择性都不及以分子筛负载杂多酸作为催化剂。

虽然这些工艺均采用甲醇、甲缩醛和多聚甲醛为反应原料，但是所采用的沸石催化剂和固体超强酸催化剂分离困难、原料转化率低、产物选择性差。而且以分子筛负载杂多酸为催化剂，具有催化剂低温活性高、选择性优秀、腐蚀轻微、反应条件温和的优点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术以甲醇、甲缩醛和多聚甲醛为反应原料合成聚甲醛二甲醚工艺中存在催化剂分离困难、原料转化率低、产物选择性差的问题，提供一种新的聚甲醛二甲醚的制备方法。该方法具有催化剂低温活性高、选择性优秀、腐蚀轻微、反应条件温和的优点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种聚甲醛二甲醚的制备方法，以甲醇、甲缩醛和多聚甲醛为原料，其中甲醇：甲缩醛：多聚甲醛的质量比为(0～10):(0～10):1，甲醇与甲缩醛的用量不能同时为0，在反应温度为70～200℃，反应压力为0.2～6MPa条件下，原料与催化剂接触，反应生成聚甲醛二甲醚；催化剂用量为原料重量的0.1～5.0%，其中所用的催化剂以重量分数计包括以下组份：a)30～80份的载体，载体选自SBA-15、MCM-41、MCM-22分子筛中的至少一种；和载于其上的b)20～70份选自H₅PMo₁₀V₂O₄₀、PMo₁₂、H₄PWMo₆O₄₀中的至少一种磷钨钼杂多酸。

上述技术方案中，反应物中甲醇与甲缩醛的用量之和与多聚甲醛的质量比优选范围为(0.4～5):1。甲醇：甲缩醛：多聚甲醛的质量比优选范围为(0.2～10):(0.5～10):1。反应温度的优选范围为90～180℃，更优选范围为90～130℃。反应压力优选范围为0.4～5.0 MPa ，更优选范围为0.4～4.0MPa。催化反应制得聚甲醛二甲醚，可通过过滤或离心的方式分离催化剂与液相反应物。以重量份数计，载体的用量优选范围为40~75份，磷钨钼杂多酸的用量优选范围为25~60份。载体优选方案为选自SBA-15或MCM-22分子筛中的至少一种。磷钨钼杂多酸优选方案为选自H₅PMo₁₀V₂O₄₀或H₄PWMo₆O₄₀中的至少一种。

本发明中由于使用分子筛负载杂多酸为催化剂，能够实现甲醇、甲缩醛和多聚甲醛催化反应合成聚甲醛二甲醚，取代传统原料中的三聚甲醛。由于该方法可以多聚甲醛为原料，价廉使生产成本较低，且反应产物分布均匀。所用催化剂含有极强的酸性，通过蒸馏的方法从甲醇与多聚甲醛的反应产物中获得甲缩醛，使副产物甲缩醛循环进入酸催化体系再次与多聚甲醛反应，因此可以保持较高的反应转化率和产物收率。使用本发明方法，在反应温度为70～200℃，反应压力为0.2～6MPa条件下，使用甲醇、甲缩醛和多聚甲醛反应，其结果如下：第一，生产成本较低；第二，催化剂与反应产物分离简单，采用蒸馏的办法使副产物循环反应，因此产物n=2～10的收率好，可达60%，第三原料转化率可达90%以上、产物选择性强，为80%,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阐述。

具体实施方式

【实施例1】

在300毫升釜式反应器中加入2克催化剂H₅PMo₁₀V₂O₄₀/SBA-15，其中杂多酸H₅PMo₁₀V₂O₄₀与分子筛载体SBA-15的质量分数比为20:80，100毫升甲醇和100克多聚甲醛，在130℃和0.8MPa自生压力下反应4h，抽取试样离心分离后由气相色谱分析。产物中包含聚甲醛二甲醚以及未反应的原料甲醇和多聚甲醛，其组成分布如表1。

【实施例2】

在300毫升釜式反应器中加入2克催化剂H₄PWMo₆O₄₀/MCM-22，其中杂多酸H₄PWMo₆O₄₀与分子筛载体MCM-22的质量分数比为20:80，100毫升甲醇和100克多聚甲醛，在130℃和0.6 MPa自生压力下反应4h，抽取试样离心分离后由气相色谱分析。产物中包含聚甲醛二甲醚以及未反应的原料甲醇和多聚甲醛，其组成分布如表1。

【实施例3】

在300毫升釜式反应器中加入2克催化剂PMo₁₂/SBA-15，其中杂多酸PMo₁₂与分子筛载体SBA-15的质量分数比为70:30，100毫升甲缩醛和100克多聚甲醛，在130℃和0.6 MPa自生压力下反应4h，抽取试样离心分离后由气相色谱分析。产物中包含聚甲醛二甲醚以及未反应的原料甲缩醛和多聚甲醛，其组成分布如表1。

【实施例4】

在300毫升釜式反应器中加入2克催化剂H₄PWMo₆O₄₀/MCM-22，其中杂多酸H₄PWMo₆O₄₀与分子筛载体MCM-22的质量分数比为40:60，100毫升蒸馏样(87%的甲缩醛，其余为甲醇)和100克多聚甲醛，在130℃，0.7MPa自生压力下反应4h，抽取试样离心分离后由经气相色谱分析。产物中包含聚甲醛二甲醚以及未反应的原料甲缩醛和多聚甲醛，其组成分布如表1。

【实施例5】

在300毫升釜式反应器中加入2克催化剂H₄PWMo₆O₄₀/MCM-41，其中杂多酸H₄PWMo₆O₄₀与分子筛载体MCM-41的质量分数比为20:80，100毫升甲醇和50克多聚甲醛，在130℃，0.7MPa自生压力下反应4h，抽取试样离心分离后由经气相色谱分析。产物中包含聚甲醛二甲醚以及未反应的原料甲缩醛和多聚甲醛，其组成分布如表1。

【实施例6】

在300毫升釜式反应器中加入2克催化剂PMo₁₂/SBA-15，其中杂多酸PMo₁₂与分子筛载体SBA-15的质量分数比为70:30，100毫升甲醇和100克多聚甲醛，在90℃反应4h，抽取试样离心分离后由气相色谱分析。产物中包含聚甲醛二甲醚以及未反应的原料甲醇和多聚甲醛，其组成分布如表1。

【实施例7】

在300毫升釜式反应器中加入0.5克催化剂H₅PMo₁₀V₂O₄₀/SBA-15，其中杂多酸H₅PMo₁₀V₂O₄₀与分子筛载体SBA-15的质量分数比为50:50，100毫升甲醇和100克多聚甲醛，在90℃和2MPa自生压力下反应12h，抽取试样离心分离后由气相色谱分析。产物中包含聚甲醛二甲醚以及未反应的原料甲醇和多聚甲醛，其组成分布如表1。

【实施例8】

在300毫升釜式反应器中加入1克催化剂H₅PMo₁₀V₂O₄₀/SBA-15，其中杂多酸H₅PMo₁₀V₂O₄₀与分子筛载体SBA-15的质量分数比为60:40，100毫升甲缩醛和100克多聚甲醛，在120℃和4MPa氮气压力下反应4h，抽取试样离心分离后由气相色谱分析。产物中包含聚甲醛二甲醚以及未反应的原料甲缩醛和多聚甲醛，其组成分布如表1。

【实施例9】

实施例2中所用H₄PWMo₆O₄₀/MCM-22催化剂制备方法：

H₄PWMo₆O₄₀/MCM-22负载型催化剖由H₄PWMo₆O₄₀杂多酸水溶液浸渍与杂多酸等质量的MCM-22载体12 h，l10℃干燥，一定温度下焙烧3 h而得。

【实施例1~8】中催化剂中涉及SBA-15、MCM-22、MCM-41均为常规介孔材料。

表1

n为聚合度，产物为CH₃O(CH₂O)_nCH₃

【比较例1】

如专利CN 102040491A所述，在300毫升釜式反应器中加入2克催化剂SO₄ ^2-/Fe₂O₃/MCM-22，100毫升蒸馏样(87%的甲缩醛，其余为甲醇)和100克多聚甲醛，在130℃，0.7MPa自生压力下反应4h，过滤分离催化剂与反应产物，经气相色谱分析，产物中包含甲缩醛和聚甲醛二甲醚以及未反应的原料，其组成分布如下(以重量%表示)：甲缩醛为12.90%，甲醇为0.60%，多聚甲醛为4.9%，n=2为16.7%，n=3为35.9%，n=4为17.0%，n=5-10为10.2%，n>10，余量。

比较例中使用甲醇、甲缩醛和多聚甲醛为原料，分子筛作为催化剂在同等条件下产物选择性较低。本发明【实施例1】与其相比，反应的转化率与产物n=2～10选择性较高，产物收率为60%，而且产物选择性有明显提高，可达80%。其中副产物甲缩醛的选择性较高，大约有30重量%的甲缩醛生成。能够取得与沸石分子筛作为催化剂时更好的反应结果。

Claims

1.一种聚甲醛二甲醚的制备方法，以甲醇、甲缩醛和多聚甲醛为原料，其中甲醇：甲缩醛：多聚甲醛的质量比为(0～10):(0～10):1，甲醇与甲缩醛的用量不能同时为0，在反应温度为70～200℃，反应压力为0.2～6MPa条件下，原料与催化剂接触，反应生成聚甲醛二甲醚；催化剂用量为原料重量的0.1～5.0%，其中所用的催化剂以重量分数计包括以下组份：a)30～80份的载体，载体选自SBA-15、MCM-41、MCM-22分子筛中的至少一种；和载于其上的b)20～70份选自H₅PMo₁₀V₂O₄₀、PMo₁₂、H₄PWMo₆O₄₀中的至少一种磷钨钼杂多酸。

2.根据权利要求1所述聚甲醛二甲醚的制备方法，其特征在于反应物中甲醇与甲缩醛的用量之和与多聚甲醛的质量比为(0.4～5):1。

3.根据权利要求1所述聚甲醛二甲醚的制备方法，其特征在于甲醇：甲缩醛：多聚甲醛的质量比为(0.2～10):(0.5～10):1。

4.根据权利要求1所述聚甲醛二甲醚的制备方法，其特征在于反应温度为90～180℃。

5.根据权利要求4所述聚甲醛二甲醚的制备方法，其特征在于反应温度为90～130℃。

6.根据权利要求1所述聚甲醛二甲醚的制备方法，其特征在于反应压力为0.4～5.0 MPa。

7.根据权利要求6所述聚甲醛二甲醚的制备方法，其特征在于反应压力为0.4～4.0 MPa。

8.根据权利要求1所述聚甲醛二甲醚的制备方法，其特征在于以重量份数计，载体的用量为40~75份，磷钨钼杂多酸的用量为25~60份。

9.根据权利要求1所述聚甲醛二甲醚的制备方法，其特征在于载体选自SBA-15或MCM-22分子筛中的至少一种。

10.根据权利要求1所述聚甲醛二甲醚的制备方法，其特征在于磷钨钼杂多酸选自H₅PMo₁₀V₂O₄₀或H₄PWMo₆O₄₀中的至少一种。