CN110746256A - 一种苯和/或甲苯甲基化提高甲基化率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种苯和/或甲苯甲基化提高甲基化率的方法,包括如下步骤:(1)将原料苯和/或甲苯与甲醇按比例配料;(2)将甲醇原料均分为N份小份甲醇,使原料苯和/或甲苯与小份甲醇的摩尔比大于等于10:1;(3)利用单个或多个反应器形成依次连通的、数量与小份甲醇对应的、N个甲醇烷基化催化反应段,每个甲醇烷基化催化反应段设有小份甲醇进气口;小份甲醇通过小份甲醇进气口一一对应进入到每个甲醇烷基化催化反应段中,原料苯和/或甲苯从第一个甲醇烷基化催化反应段的苯基进料口进入。本发明的优点在于:可获得接近于100%的甲醇转化率和接近100%的甲基化率,且工业实施经济、简捷。
Description
技术领域
本发明属于化工领域,具体涉及处理用甲醇烷基化苯和/或甲苯生产甲苯和/或二甲苯中提高甲基化率的方法。
背景技术
苯、甲苯的来源丰富,从石油馏分催化重整,蒸汽裂解和煤液化/气化所得的芳烃中都可以得到大量的苯、甲苯,甲苯在三苯(苯,甲苯和二甲苯)中的比例最大,可以占到芳烃含量的40%-50%,但相比苯和二甲苯,甲苯工业用途不大,一直以来,都表现出相对过剩的状况。而对二甲苯是基本的有机化工原料,广泛应用在化纤,成树脂,农药,医药,塑料等生产领域,对二甲苯主要用于生产精对苯二甲酸(PTA)和对苯二甲酸二甲酷(DMT),而PTA或DMT再与乙二醇反应生成聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),即聚酯,可以进一步生产涤纶纤维或应用于其他工业。由于聚酯类纤维的性能优良,其需求量和产量都居于合成纤维首位,这就使得作为其原料的对二甲苯市场供求关系日益紧张。在二甲苯异构体中,对二甲苯是特别有价值的,因为其可用于制备对苯二甲酸,对 苯二甲酸为合成纤维和树脂的生产中的中间产物。目前,对二甲苯除了通过石脑油的催化重整、石脑油或瓦斯油的蒸汽裂化和甲苯歧化来商业生产以外,用甲醇烷基化苯和/或甲苯生产甲苯和/或二甲苯,尤其是对二甲苯引起了广大研究者的广泛的重视和深入的研究。
现有技术甲醇烷基化苯和/或甲苯生产甲苯和/或二甲苯存在的问题在于,甲醇的甲基化率比较低,相当一部分甲醇分解生产了烷烃、烯烃。从而造成了甲醇的消耗较高,同时处理生成的烷烃、烯烃能耗,这些轻烃必须加以回收,造成流程很长、能耗较高。本发明旨在提供一种方法,甲醇转化率和甲基化率都接近100%。从而为该技术的实施提供更高的经济性和工艺的简化。
定义:甲醇转化率(%)=(进入反应器的甲醇量-离开反应器的甲醇量)/进入反应器的甲醇量X100%
甲醇甲基化率(%)=(离开反应器含甲基芳烃的总摩尔流量-进入反应器含甲基芳烃的总摩尔流量)/ (进入反应器的甲醇摩尔流量-离开反应器的甲醇摩尔流量)X100%
例如, 中国发明专利申请号 201611127045.0中,实施例表1中,甲醇转化率100%,大于82%(wt)的甲醇转化为甲烷、乙烯、丙烯等轻烃类,小于18%的甲醇进行了甲苯的甲基化反应;中国发明专利申请201710287771.7,实施例1-4,甲醇转化率76-97%,甲醇甲基化率小于40%,轻烃收率大于70%;中国发明专利申请号 2017800 18416.8,使用双功能催化剂体系通过甲苯和/或苯用甲醇进行甲基化生产对二甲苯的流化床方法。第一催化剂完成甲苯和/或苯甲基化,第二催化剂转化甲基化反应的副产物或未转化的甲基化剂, 提高所需产物的收率,或其组合。包含所述第二催化剂可以将C1-C5非芳族级分抑制超过50%并 且显著提高芳族化合物的形成。如图1即摘取自该专利申请的实施例,显然最少有40%的产物是氢气、一氧化碳、二氧化碳、链烷烃、烯烃。
中国专利申请200410068466.1揭示了一种在含磷处理的ZSM-5型催化剂的反应器中制备二甲苯的方法,所述的方法包括最初通过将催化剂与甲苯/甲醇进料以及在一定条件下引入到反应器中的作为共同进料的氢气相接触,启动甲苯甲基化反应。通过利用启动条件,可以到达对二甲苯的高选择性同时能够在相当长的时间内保持催化剂的稳定的催化活性。其实施例中,甲苯甲醇摩尔比1:1时,甲苯转化率最大为23%,甲醇转化率100%,甲醇转化为其他物质占77%;在甲苯甲醇摩尔比2:1时,甲苯最大转化率为11%,甲醇转化为其他物质占78%.显然,甲醇的利用效率低下。申请号 201710283106.0,描述了一种甲苯和甲醇烷基化催化剂,包括载体和以载体为基准计算的含量如下的活性组分,B0.5 ~10.0质量%,Mg 4~18质量%,所述的载体包括5~90质量%的EU-1分子筛和10~95质量%的粘结剂,所述的EU-1分子筛的孔体积为0.30~ 0.70ml/g,比表面积为360~500m2/g。该催化剂用于甲苯和甲醇烷基化反应,甲苯转化率较高, 且有较高的对二甲苯选择性。实施例列于表1. 在甲苯甲醇摩尔比2:1时,甲苯转化率最大34.62%,甲醇的甲基化率最大约69 % 。
表1申请号 201710283106.0实施例
在许多国外专利中也有此类揭示,例如美国专利4,002,698;4,356,338;4,423,266;5,675,047;5,804,690;5,939,597;6,028,238;6,046,372;6,048,816;6,156,949;6,423,879;6,504,072;6,506,954;6,538,167;和6,642,426,也描述甲醇烷基化苯和/或甲苯生产甲苯和/或二甲苯的催化剂,但是大量的专利描述中,本发明关注的甲醇的甲基化率只有30-80%,通常是50%的。
发明内容
为了克服上述缺陷,本发明的目的在于提供一种苯和/或甲苯甲基化提高甲基化率的方法,其采用常用的烷基化催化剂,可获得接近于100%的甲醇转化率和接近100%的甲基化率,为此工艺的工业实施提供一种经济简捷的实施方法。
为实现上述目的,本发明的技术方案为:
一种苯和/或甲苯甲基化提高甲基化率的方法,包括如下步骤:
(1)将原料苯和/或甲苯与甲醇按照摩尔比1-4:1的比例配料;
(2)将甲醇原料均分为N份小份甲醇,使原料苯和/或甲苯与小份甲醇的摩尔比大于等于10:1;
(3)利用单个或多个反应器形成依次连通的、数量与小份甲醇对应的、N个甲醇烷基化催化反应段,每个甲醇烷基化催化反应段设有小份甲醇进气口;在甲醇烷基化催化反应段中加入合适的烷基化催化剂;小份甲醇通过小份甲醇进气口一一对应进入到每个甲醇烷基化催化反应段中,原料苯和/或甲苯从第一个甲醇烷基化催化反应段的苯基进料口进入,后依次进入后续每个甲醇烷基化催化反应段中与小份甲醇逐级甲基化反应。
本发明中适合的烷基化催化剂有很多,其包括ZSM-5,ZSM-11,ZSM-12,ZSM-22,ZSM-23,ZSM-35,ZSM-48和MOR,作为本发明的优选实施例,烷基化催化剂为ZSM-5和ZSM-11。
为了使反应气体分布均匀,对应每个甲醇烷基化催化反应段,设有进口分布器,所述小份甲醇进气口与进口分布器相连通。
作为本发明的优选实施例,所述反应器为单个设置,具体为:包括壳体,壳体上下两端设置的上封头和下封头,所述上封头上设有苯基进料口,所述下封头上设有反应物料出口,所述壳体内从上至下置有N个甲醇烷基化催化反应段;每段甲醇烷基化催化反应段包括催化床层和位于催化床层上方的进口分布器;设有甲醇气相进气管,所述甲醇气相进气管包括进气口段和直管段;所述直管段位于壳体中心位置,其穿过各催化反应段与各催化反应段中的进口分布器固定相连,所述进口分布器的进口端与直管段之间通过小份甲醇进气口连通;所述进口分布器上均匀分布有小份甲醇气相出气孔;所述进气口段上端穿过上封头向外延伸形成甲醇气相进气口,所述直管段的下端密封。
本发明的原理为:甲醇烷基化苯和/或甲苯生产甲苯和/或二甲苯在分子筛催化剂表面的反应过程具体为,首先甲醇扩散进入分子筛的孔道表面,在酸性活性中心吸附形成稳定的表面甲氧基:即甲醇分子首先在酸性催化剂表面B酸性活性中心的作用下,在反应的诱导期即生成稳定的表面甲氧基;当苯和或甲苯的量远远大于甲醇的量时,则催化剂表面的甲氧基团将被催化剂表面吸附的苯基和或甲苯基等基团所包围,从而促进形成甲苯和/或二甲苯及乙苯,少量形成三甲苯、甲乙苯、四甲苯等,而不是表面甲氧基进一步进行形成C-C键的反应和一系列形成烯烃的反应,从而提高了大大提高了甲醇转化率和甲基化率。
本发明的优点在于:可获得接近于100%的甲醇转化率和接近100%的甲基化率,且工业实施经济、简捷。
附图说明
图1为本实施例一对应设计的反应器结构示意图;
图2为本实施例二对应设计的反应器结构示意图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解,下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述。
实施例一
本发明涉及一种苯和/或甲苯甲基化提高甲基化率的方法,本实施例中所涉及的设备是单个甲醇烷基化反应器,如图1所示:其包括壳体1,壳体上下两端设置的上封头2和下封头3,所述上封头上设有苯基进料口21,所述下封头上设有反应物料出口31,所述壳体1内从上至下置有八个甲醇烷基化催化反应段。每段甲醇烷基化催化反应段包括催化床层41和位于催化床层上方的进口分布器42;设有甲醇气相进气管5,所述甲醇气相进气管包括进气口段51和直管段52;所述直管段52位于壳体1中心位置,其穿过各催化反应段与各催化反应段中的进口分布器42固定相连,所述进口分布器42的进口端与直管段52之间通过小份甲醇进气口连通;所述进口分布器42上均匀分布有小份甲醇气相出气孔;所述进气口段51上端穿过上封头2向外延伸形成甲醇气相进气口,所述直管段52的下端密封。
本实施涉及的提高甲基化率的方法为:
将原料苯与甲醇按照摩尔比2:1的比例配料;利用上述单个反应器进行连接反应,具体为:在甲醇烷基化催化反应段中加入ZSM-5催化剂;甲醇通过甲醇气相进气管进入,进入的甲醇气体通过小份甲醇进气口一一对应分配进入到每个催化反应段的进口分布器中形成小份甲醇,小份甲醇通过进口分布器上均匀分布的小份甲醇气相出气孔流出参与反应;原料苯从苯基进料口进入,后从上到下依次进入每个甲醇烷基化催化反应段中与小份甲醇逐级甲基化反应。
本实施例中将甲醇原料均分为八份小份甲醇,使原料苯与小份甲醇的摩尔比为16:1;从而确保每个反应段中苯基物料大大过量,甲醇在ZSM-5催化剂上形成表面甲氧基,不可能进行形成C-C键的反应和一系列形成烯烃的反应,只能与过量的苯基进行烷基化反应,从而得到甲苯、二甲苯、乙苯、三甲苯、甲乙苯等甲基化产物。本实施例中的反应器设计为八段,但局限于八段。
本实施例中,甲醇烷基化催化反应段进行的甲基化反应条件为普通的甲基化反应条件基本相同。经检测,在上述试验条件下,甲醇转化率为99.8%,甲醇的甲基化反应接近100%。
实施例二
本实施例中所涉及的设备是三个甲醇烷基化反应器串接的结构,如图2所示:其在图1的基础上减少单个甲醇烷基化反应器中设置的甲醇烷基化催化反应段数量,每个甲醇烷基化反应器之间通过管道相连,即本级反应器的下封头上设置的反应物料出口通过管道与下级反应器的苯基进料口相连。
本实施例中,单个甲醇烷基化反应器内设置两个甲醇烷基化催化反应段,三个相连后形成六个甲醇烷基化催化反应段。
本实施涉及的提高甲基化率的方法为:
将原料甲苯与甲醇按照摩尔比3:1的比例配料;利用上述多个反应器进行连接反应,具体为:在甲醇烷基化催化反应段中加入ZSM-11催化剂;将甲醇分为六份,在单个甲醇烷基化反应器的甲醇气相进气管中加入两份小份甲醇,进入的两份甲醇气体通过小份甲醇进气口对应分配进入到两个催化反应段的进口分布器中,小份甲醇通过进口分布器上均匀分布的小份甲醇气相出气孔流出参与反应;原料甲苯从苯基进料口进入,后从上到下依次进入每个甲醇烷基化催化反应段中与小份甲醇逐级甲基化反应。
本实施例中将甲醇原料均分为六份小份甲醇,使原料甲苯与小份甲醇的摩尔比为18:1;从而确保每个反应段中苯基物料大大过量。
实施例三
在实验室构建反应器,在一个φ25X2.5的反应管中,装有8克自制的ZSM-5催化剂,催化剂分成8份,在φ25X2.5的反应管中内置了一根φ4的气相甲醇进料管,气相甲醇进料管上每隔20mm开有φ1的孔,共计8个孔,在开孔的位置填充惰性石英砂,保证气相甲醇和烃化物料的充分混合,每一段混合段后是催化剂构成的反应段,如此相间布置构成了整个催化反应器。反应时,反应管在360-440℃恒温,压力为1.0MPa,用计量泵分别加入苯和甲醇,配成苯/甲醇摩尔比4:1,由于气相甲醇被均匀分成了8份,每一份混合均匀进入反应段反应,在每一段反应段中苯/甲醇的摩尔比达到了32:1,苯大大的过量,确保了甲醇的完全转化为甲基,反应结果显示,在上述条件下,甲醇的甲基化反应接近100%,几乎没有甲醇分解成轻烃。
以上所述,仅用于说明本发明的技术方案而并非限制,本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换,只要不脱离本技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种苯和/或甲苯甲基化提高甲基化率的方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将原料苯和/或甲苯与甲醇按照摩尔比1-4:1的比例配料;
(2)将甲醇原料均分为N份小份甲醇,使原料苯和/或甲苯与小份甲醇的摩尔比大于等于10:1;
(3)利用单个或多个反应器形成依次连通的、数量与小份甲醇对应的、N个甲醇烷基化催化反应段,每个甲醇烷基化催化反应段设有小份甲醇进气口;在甲醇烷基化催化反应段中加入合适的烷基化催化剂;小份甲醇通过小份甲醇进气口一一对应进入到每个甲醇烷基化催化反应段中,原料苯和/或甲苯从第一个甲醇烷基化催化反应段的苯基进料口进入,后依次进入后续每个甲醇烷基化催化反应段中与小份甲醇逐级甲基化反应。
2.根据权利要求1所述的一种苯和/或甲苯甲基化提高甲基化率的方法,其特征在于,所述烷基化催化剂为ZSM-5和ZSM-11。
3.根据权利要求1所述的一种苯和/或甲苯甲基化提高甲基化率的方法,其特征在于,对应每个甲醇烷基化催化反应段,设有进口分布器,所述小份甲醇进气口与进口分布器相连通。
4.根据权利要求1所述的一种苯和/或甲苯甲基化提高甲基化率的方法,其特征在于,设置为单个反应器,具体为:包括壳体,壳体上下两端设置的上封头和下封头,所述上封头上设有苯基进料口,所述下封头上设有反应物料出口,所述壳体内从上至下置有N个甲醇烷基化催化反应段;每段甲醇烷基化催化反应段包括催化床层和位于催化床层上方的进口分布器;设有甲醇气相进气管,所述甲醇气相进气管包括进气口段和直管段;所述直管段位于壳体中心位置,其穿过各催化反应段与各催化反应段中的进口分布器固定相连,所述进口分布器的进口端与直管段之间通过小份甲醇进气口连通;所述进口分布器上均匀分布有小份甲醇气相出气孔;所述进气口段上端穿过上封头向外延伸形成甲醇气相进气口,所述直管段的下端密封。
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