一种铑/双亚膦酸酯催化剂的纯化方法
技术领域
本发明属于石油化工领域,涉及一种铑/双亚膦酸酯催化剂的纯化方法,尤其涉及一种采用萃取塔对铑/双亚膦酸酯催化剂溶液进行逆流萃取和洗涤的纯化方法。
背景技术
烯烃氢甲酰化反应可以将廉价易得的基本化工原料如丙烯、丁烯等方便有效地转化为丁醛、戊醛等多种重要的化学化工产品。该类催化剂的发展经历了几个更新换代的过程,迄今为止,主要开发了四种类型的工业化催化剂,即羰基钴催化剂CoH(CO)4、叔膦修饰的羰基钴催化剂CoH(CO)3(RM-17)、羰基铑膦催化剂RhH(CO)(PPh3)3、和双亚膦酸酯/铑催化剂体系。
与目前工业上广泛使用的膦配体相比较,双亚膦酸酯配体在Rh催化的烯烃氢甲酰化反应中可表现出更好的催化活性和选择性。但由于反应体系中难以避免的微量氧气或水的存在,容易导致催化剂氧化或水解而分解失活,并进而使反应活性和选择性迅速下降。这是铑/双亚膦酸酯催化剂体系工业化应用中的重要问题之一。
US4599206和US4717775中讨论了一种可能导致烯烃氢甲酰化反应中所使用的亚膦酸酯配体的降解机理,即所称自催化分解。该机理认为,此类配体在反应体系中水的作用下逐渐发生水解,再经与反应混合物中的醛类产物等各组分发生一系列反应生成羟烷基膦酸。这些膦酸进一步催化配体水解,这种连锁效应使得残留在反应体系中的亚膦酸酯配体迅速水解而消失,导致反应活性和选择性急剧下降。
US4599206和US4712775中公开了一种利用离子交换法控制酸度,从而减缓亚膦酸酯配体降解的方法。该法通过使部分反应混合物经过弱碱性的离子交换树脂,将自催化形成的酸性物质从反应混合物中脱除,再将处理过的混合物循环返回到反应器中。该法的不足之处是在离子交换树脂床处理反应混合物时会不可避免地造成一定程度的催化剂损耗,需要向反应体系中补充催化剂以使之达到适宜的浓度;再者,该法还需要添加一个大型的附加设备,显著增加了投资运营的成本。
US4567306中公开了一种利用向反应体系中添加叔胺来减少氢甲酰化反应中环状亚膦酸酯配体降解的方法。该法将叔胺加入含亚膦酸酯配体的反应体系中,利用叔胺中和酸性物质形成铵盐,来减缓因配体水解及环状亚膦酸酯的开环而引起的配体破坏。但是,上述专利声明这些叔胺并不能抑制非环状亚膦酸酯配体的降解,而且有报道证明许多胺类化合物可以催化醛类的聚合,因此在丙烯氢甲酰化体系使用胺类添加剂会明显增加副产物的形成而导致产率降低以及繁琐的分离工艺。
CN1092058提出采用环氧化合物作为稳定剂。但环氧化合物较为昂贵,且将反应液控制在弱碱性环境中,会加速丁醛发生聚合反应,且环氧化合物分解后对产品质量的影响并不十分清楚。
EP2280920B1提议连续过滤以便从该反应体系中除去双亚膦酸酯配体的不溶性二次产物,其增加了催化剂的运行时间,但是仍然需要添加新催化剂,且过滤器循环需要额外的设备花费和复杂性。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题,本发明的目的在于提供一种铑/双亚膦酸酯催化剂的纯化方法。本发明的纯化方法可除去铑/双亚膦酸酯催化剂溶液中配体分解产生的酸性物质,尤其是去除氢甲酰化反应后催化剂配体分解产生的酸性物质及催化剂中含有的微量重组分副产物,能有效降低催化剂循环使用过程中配体的自催化分解作用,提高催化剂的稳定性。
为达上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种铑/双亚膦酸酯催化剂的纯化方法,上述方法包括以下步骤:
采用萃取塔对铑/双亚膦酸酯催化剂溶液进行逆流萃取和洗涤,实现纯化;其中,萃取塔包括萃取段、第一沉降段和第二沉降段,且第一沉降段与萃取段的顶部连接,第二沉降段与萃取塔的底部连接。
本发明的方法通过逆流萃取和洗涤,能有效降低催化剂循环使用过程中配体的自催化分解作用,提高催化剂的稳定性。
本发明中,对铑/双亚膦酸酯催化剂溶液的溶剂不作限定,一般为铑/双亚膦酸酯催化剂醛溶液。
优选地,优选地,所述铑/双亚膦酸酯催化剂溶液中,铑的质量浓度为0.005%~1.5%,例如0.005%、0.008%、0.01%、0.015%、0.02%、0.03%、0.035%、0.04%、0.045%、0.05%、0.08%、0.1%、0.15%、0.2%、0.5%、0.7%、0.9%、1.2%或1.5%等,双亚膦酸酯的质量浓度为0.05%~60%,例如0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.3%、0.5%、0.6%、0.8%、1%、1.2%、1.5%、1.6%、1.8%、2%、5%、8%、10%、15%、20%、22%、25%、30%、40%、45%、50%、55%或60%等。
本发明中,铑/双亚膦酸酯催化剂来自于铑/双亚膦酸酯催化剂催化烯烃氢甲酰化反应产物经蒸发分离去除蒸发组分后的产物,该产物包括铑/双亚膦酸酯催化剂以及未蒸发组分,例如:来自于烯烃氢甲酰化后的蒸发分离工艺段,即经降膜蒸发器及蒸发器收集槽后的未蒸发组分;或者也可以是实验制备的铑/双亚膦酸酯催化剂溶液。
作为本发明所述方法的优选技术方案,所述方法包括以下步骤:
(1)铑/双亚膦酸酯催化剂溶液自萃取段底部进入萃取塔,萃取剂自萃取段顶部进入萃取塔,进行逆流萃取;
(2)逆流萃取后的萃取剂自萃取段底部进入第二沉降段经沉降后排出;
逆流萃取后的铑/双亚膦酸酯催化剂溶液进入通有洗涤剂的第一沉降段,进行洗涤沉降,实现纯化。
作为本发明所述方法的优选技术方案,步骤(1)中,萃取段中的萃取剂与铑/双亚膦酸酯催化剂溶液的质量比为0.01~1.0,例如0.01、0.05、0.08、0.1、0.3、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或1.0等,优选0.05~0.5。
优选地,步骤(1)所述萃取剂为pH值为5.0~9.0的缓冲溶液,pH值例如5、6、7、8或9等,优选pH值为5.5~8.0的缓冲溶液。
优选地,所述缓冲溶液中的缓冲剂包括碳酸盐、碳酸氢盐、硼酸盐、柠檬酸盐、磷酸盐、磷酸氢盐或醋酸盐中的任意一种或至少两种的混合物,例如钠、钾或铵的碳酸盐、碳酸氢盐、磷酸盐、磷酸氢盐和醋酸盐等,所述混合物典型但非限制性实例有:碳酸盐和硼酸盐的混合物,碳酸盐和柠檬酸盐的混合物,硼酸盐和磷酸盐的混合物,碳酸盐和醋酸盐的混合物,碳酸盐、硼酸盐、柠檬酸盐和醋酸盐的混合物等。优选为碳酸氢钠、碳酸钾、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、磷酸二氢胺或醋酸铵中的任意一种或至少两种的混合物。
本发明中,所述缓冲剂为至少两种的混合物时,即多种缓冲剂组成的混合缓冲剂。
优选地,步骤(1)中,所述萃取段顶部温度为40℃~75℃,例如40℃、45℃、47℃、50℃、55℃、58℃、60℃、65℃、70℃或75℃等,优选50℃~70℃。
优选地,步骤(1)中,所述萃取段底部温度为40℃~70℃,例如40℃、42.5℃、45℃、48℃、50℃、55℃、60℃、62℃、65℃、67℃或70℃等,优选45℃~65℃。
优选地,步骤(1)中,萃取段的温度梯度为0℃~15℃,例如0℃、2℃、3℃、5℃、6℃、8℃、10℃、12℃、13℃或15℃等,优选0℃~10℃。
本发明中所述“萃取段的温度梯度”指:萃取段顶部温度与萃取段底部温度的差值的绝对值。
本发明中,若萃取段顶部温度恒定,则指具体值;若萃取段顶部温度不恒定,则指平均值。
本发明中,若萃取段底部温度恒定,则指具体值;若萃取段底部温度不恒定,则指平均值。
优选地,步骤(1)中,所述萃取段底部温度低于萃取段顶部温度,以利于提高催化剂溶液的纯化效果。
优选地,步骤(1)中,逆流萃取的时间为0.2h~3.0h,例如0.2h、0.5h、0.7h、1.0h、1.2h、1.4h、1.5h、1.8h、2.0h、2.3h、2.5h、2.7h或3.0h等,优选0.5h~1.5h。
本发明中,所述“逆流萃取的时间”即铑/双亚膦酸酯催化剂溶液在萃取段停留的时间。
作为本发明所述方法的优选技术方案,步骤(2)中,所述洗涤剂为脱盐水,以洗去经萃取段后铑/双亚膦酸酯催化剂溶液中可能含有的微量缓冲剂。
优选地,步骤(2)中,洗涤剂从第一沉降段的中部通入。
优选地,步骤(2)中,第一沉降段中的洗涤剂与逆流萃取后的铑/双亚膦酸酯催化剂溶液的质量比为0.01~0.5,例如0.01、0.03、0.05、0.1、0.2、0.25、0.3、0.36、0.4、0.45、0.48或0.5等,优选0.05~0.2。
优选地,步骤(2)中,第一沉降段恒温,且温度为40℃~75℃,例如40℃、45℃、48℃、50℃、55℃、60℃、63℃、65℃、70℃、72.5℃或75℃等,优选45℃~60℃。
优选地,步骤(2)中,第一沉降段恒温,且温度与萃取段顶部温度相同。
本发明中,步骤(2)洗涤沉降完成后,洗涤剂从第一沉降段进入萃取段,再进入第二沉降段而排出。
作为本发明所述方法的进一步优选技术方案,所述方法包括以下步骤:
(1)铑/双亚膦酸酯催化剂醛溶液自萃取段底部进入萃取塔,萃取剂自萃取段顶部进入萃取塔,萃取段底部温度低于萃取段顶部温度,两者进行逆流萃取;
所述萃取剂为pH值为5~9的缓冲溶液,萃取剂与铑/双亚膦酸酯催化剂醛溶液的质量比为0.05~0.5;
(2)逆流萃取后的萃取剂自萃取段底部进入与萃取段底部连接的第二沉降段经沉降后排出;
逆流萃取后的铑/双亚膦酸酯催化剂醛溶液进入与萃取段顶部连接的第一沉降段进行沉降,且第一沉降段的中部通入脱盐水进行洗涤,实现纯化;
所述脱盐水与逆流萃取后的铑/双亚膦酸酯催化剂醛溶液的质量比为0.05~0.2;
其中,铑/双亚膦酸酯催化剂的醛溶液来自于铑/双亚膦酸酯催化剂催化烯烃氢甲酰化反应后的蒸发分离工艺段,即经降膜蒸发器及蒸发器收集槽后的未蒸发组分。
本发明中,纯化后的催化剂可返回催化剂储罐或直接循环使用。
与已有技术相比,本发明具有如下有益效果:
(1)本发明的方法可去除铑/双亚膦酸酯催化剂溶液中催化剂配体分解产生的酸性物质,尤其是去除氢甲酰化反应后催化剂配体分解产生的酸性物质及催化剂中含有的微量重组分副产物,如缩醛、半缩醛等,能有效降低催化剂循环使用过程中配体的自催化分解作用,提高催化剂的稳定性,与催化剂直接使用相比,采用本发明的方法进行纯化后,可延长催化剂配体的循环使用寿命,减少催化剂配体的补充量,每年补加新催化剂的量约为原来的14%~26%,提高经济效益。
(2)本发明的纯化方法中无需引入催化剂助剂,纯化效果好,且经济环保。
附图说明
图1是实施例1纯化的示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明的实施例中,萃取塔包括萃取段、第一沉降段和第二沉降段,且所述第一沉降段(即塔顶沉降段)与萃取段的顶部连接,所述第二沉降段(即塔底沉降段)与萃取段的底部连接。
实施例1
(1)铑/双亚膦酸酯催化剂催化丁烯氢甲酰化化的反应中,反应后的产物经降膜蒸发器蒸发后,催化剂和未蒸发的戊醛从降膜蒸发器底部排出,即催化剂的戊醛溶液,其中铑的质量浓度为0.05%,双亚膦酸酯的质量浓度为1.0%。
(2)催化剂的戊醛溶液从萃取塔萃取段底部进入萃取塔,萃取剂从萃取塔萃取段顶部进入萃取塔,进行逆流萃取,催化剂的戊醛溶液在萃取段停留的时间为1.0h;
所用萃取剂为磷酸氢二钠的水溶液,通过控制磷酸二氢钠的浓度控制萃取剂的pH值为6.5;萃取塔的萃取剂/催化剂的戊醛溶液质量比为0.5;萃取段底部温度为55℃,萃取段顶部温度为60℃;
(3)逆流萃取后的萃取剂自萃取段底部进入第二沉降段经沉降后排出;
逆流萃取后的催化剂的戊醛溶液进入与萃取段顶部连接的第一沉降段,脱盐水从第一沉降段中部进入萃取塔,实现洗涤沉降,完成纯化;
第一沉降段的脱盐水/催化剂的戊醛溶液质量比为0.5;第一沉降段温度(即塔顶沉降温度)为60℃;
洗涤沉降完成后,脱盐水从第一沉降段进入萃取段,再进入第二沉降段而排出。
经该方法处理后,与不经处理直接循环使用相比,铑/双亚膦酸酯催化剂的稳定性增加,分解速率变慢,每年补加新催化剂的量约为原来的17%,大幅降低了生产成本。
图1为本实施例纯化的示意图。
实施例2
(1)铑/双亚膦酸酯催化剂催化正戊烯氢甲酰化反应后的产物经降膜蒸发器蒸发后,催化剂和未蒸发的己醛从降膜蒸发器底部排出,即催化剂的己醛溶液,其中铑的质量浓度为0.6%,双亚膦酸酯的质量浓度为18%。
(2)催化剂的己醛溶液从萃取塔萃取段底部进入萃取塔,萃取剂从萃取塔萃取段顶部进入萃取塔,进行逆流萃取,催化剂的己醛溶液在萃取段停留的时间为1.0h;
所用萃取剂为碳酸氢钠的水溶液,通过控制碳酸氢钠的浓度控制萃取剂的pH值为7.5;萃取塔的萃取剂/催化剂的己醛溶液质量比为0.4;萃取段底部温度为50℃;萃取段顶部温度为55℃;
(3)逆流萃取后的萃取剂自萃取段底部进入第二沉降段经沉降后排出;
逆流萃取后的催化剂的己醛溶液进入与萃取段顶部连接的第一沉降段,脱盐水从第一沉降段中部进入萃取塔,实现洗涤沉降,完成纯化;
第一沉降段的脱盐水/催化剂的己醛溶液质量比为0.4;第一沉降段温度(即塔顶沉降温度)为55℃;
洗涤沉降完成后,脱盐水从第一沉降段进入萃取段,再进入第二沉降段而排出。
经该方法处理后,与不经处理直接循环使用相比,铑/双亚膦酸酯催化剂的稳定性增加,分解速率变慢,每年补加新催化剂的量约为原来的21%,大幅降低了生产成本。
实施例3
(1)铑/双亚膦酸酯催化剂催化丁烯氢甲酰化的反应中,反应后的产物经降膜蒸发器蒸发后,催化剂和未蒸发的戊醛从降膜蒸发器底部排出,即催化剂的戊醛溶液,其中铑的质量浓度为0.1%,双亚膦酸酯的质量浓度为3.0%。
(2)催化剂的戊醛溶液从萃取塔萃取段底部进入萃取塔,萃取剂从萃取塔萃取段顶部进入萃取塔,进行逆流萃取,催化剂的戊醛溶液在萃取段停留的时间为1.0h;
所用萃取剂为磷酸二氢铵的水溶液,通过控制磷酸二氢胺的浓度控制萃取剂的pH值为7.2;萃取塔的萃取剂/催化剂的戊醛溶液质量比为0.15;萃取段底部温度为50℃,萃取段顶部温度为60℃;
(3)逆流萃取后的萃取剂自萃取段底部进入第二沉降段经沉降后排出;
逆流萃取后的催化剂的戊醛溶液进入与萃取段顶部连接的第一沉降段,脱盐水从第一沉降段中部进入萃取塔,实现洗涤沉降,完成纯化;
第一沉降段的脱盐水/催化剂的戊醛溶液质量比为0.1;第一沉降段温度(即塔顶沉降温度)为60℃;
洗涤沉降完成后,脱盐水从第一沉降段进入萃取段,再进入第二沉降段而排出。
经该方法处理后,与不经处理直接循环使用相比,铑/双亚膦酸酯催化剂的稳定性增加,分解速率变慢,每年补加新催化剂的量约为原来的15%,大幅降低了生产成本。
实施例4
(1)铑/双亚膦酸酯催化剂催化正戊烯氢甲酰化反应后的产物经降膜蒸发器蒸发后,催化剂和未蒸发的己醛从降膜蒸发器底部排出,即催化剂的己醛溶液,其中铑的质量浓度为0.04%,双亚膦酸酯的质量浓度为1%。
(2)催化剂的己醛溶液从萃取塔萃取段底部进入萃取塔,萃取剂从萃取塔萃取段顶部进入萃取塔,进行逆流萃取,催化剂的己醛溶液在萃取段停留的时间为3.0h;
所用萃取剂为碳酸钾的水溶液,通过控制碳酸钾的浓度控制萃取剂的pH值为8.4;萃取塔的萃取剂/催化剂的己醛溶液质量比为1.0;萃取段底部温度为40℃;萃取段顶部温度为50℃;
(3)逆流萃取后的萃取剂自萃取段底部进入第二沉降段经沉降后排出;
逆流萃取后的催化剂的己醛溶液进入与萃取段顶部连接的第一沉降段,脱盐水从第一沉降段中部进入萃取塔,实现洗涤沉降,完成纯化;
第一沉降段的脱盐水/催化剂的己醛溶液质量比为0.2;第一沉降段温度(即塔顶沉降温度)为50℃;
洗涤沉降完成后,脱盐水从第一沉降段进入萃取段,再进入第二沉降段而排出。
经该方法处理后,与不经处理直接循环使用相比,铑/双亚膦酸酯催化剂的稳定性增加,分解速率变慢,每年补加新催化剂的量约为原来的26%,大幅降低了生产成本。
实施例5
(1)铑/双亚膦酸酯催化剂催化丁烯氢甲酰化的反应中,反应后的产物经降膜蒸发器蒸发后,催化剂和未蒸发的戊醛从降膜蒸发器底部排出,即催化剂的戊醛溶液,其中铑的质量浓度为1.0%,双亚膦酸酯的质量浓度为40%。
(2)催化剂的戊醛溶液从萃取塔萃取段底部进入萃取塔,萃取剂从萃取塔萃取段顶部进入萃取塔,进行逆流萃取,催化剂的戊醛溶液在萃取段停留的时间为0.5h;
所用萃取剂为醋酸铵的水溶液,通过控制醋酸铵的浓度控制萃取剂的pH值为5.5;萃取塔的萃取剂/催化剂的戊醛溶液质量比为0.05;萃取段底部温度为65℃,萃取段顶部温度为70℃;
(3)逆流萃取后的萃取剂自萃取段底部进入第二沉降段经沉降后排出;
逆流萃取后的催化剂的戊醛溶液进入与萃取段顶部连接的第一沉降段,脱盐水从第一沉降段中部进入萃取塔,实现洗涤沉降,完成纯化;
第一沉降段的脱盐水/催化剂的戊醛溶液质量比为0.05;第一沉降段温度(即塔顶沉降温度)为70℃;
洗涤沉降完成后,脱盐水从第一沉降段进入萃取段,再进入第二沉降段而排出。
经该方法处理后,与不经处理直接循环使用相比,铑/双亚膦酸酯催化剂的稳定性增加,分解速率变慢,每年补加新催化剂的量约为原来的14%,大幅降低了生产成本。
实施例6
(1)铑/双亚膦酸酯催化剂催化丙烯氢甲酰化的反应中,反应后的产物经降膜蒸发器蒸发后,催化剂和未蒸发的丁醛从降膜蒸发器底部排出,即催化剂的丁醛溶液,其中铑的质量浓度为0.01%,双亚膦酸酯的质量浓度为0.4%。
(2)催化剂的丁醛溶液从萃取塔萃取段底部进入萃取塔,萃取剂从萃取塔萃取段顶部进入萃取塔,进行逆流萃取,催化剂的丁醛溶液在萃取段停留的时间为1.5h;
所用萃取剂为碳酸氢钠的水溶液,通过控制碳酸氢钠的浓度控制萃取剂的pH值为7.5;萃取塔的萃取剂/催化剂的丁醛溶液质量比为0.35;萃取段底部温度为48℃;萃取段顶部温度为55℃;
(3)逆流萃取后的萃取剂自萃取段底部进入第二沉降段经沉降后排出;
逆流萃取后的催化剂的丁醛溶液进入与萃取段顶部连接的第一沉降段,脱盐水从第一沉降段中部进入萃取塔,实现洗涤沉降,完成纯化;
第一沉降段的脱盐水/催化剂的丁醛溶液质量比为0.3;第一沉降段温度(即塔顶沉降温度)为55℃;
洗涤沉降完成后,脱盐水从第一沉降段进入萃取段,再进入第二沉降段而排出。
经该方法处理后,与不经处理直接循环使用相比,铑/双亚膦酸酯催化剂的稳定性增加,分解速率变慢,每年补加新催化剂的量约为原来的20%,大幅降低了生产成本。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法,但本发明并不局限于上述详细方法,即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。