CN110997617A - 通过使用非均相催化剂进行氧化酯化来生产甲基丙烯酸甲酯的方法 - Google Patents
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Abstract
一种从甲基丙烯醛和甲醇制备甲基丙烯酸甲酯的方法。所述方法包含使包含甲基丙烯醛、甲醇和氧气的混合物与包含载体和贵金属的非均相催化剂接触；其中所述催化剂的平均直径为至少200微米且甲基丙烯醛的平均浓度为至少15重量％。
Description
背景技术
本发明涉及一种使用非均相催化剂从甲基丙烯醛和甲醇制备甲基丙烯酸甲酯的方法。
已知具有集中于催化剂的外部区域中的贵金属的非均相催化剂用于生产甲基丙烯酸甲酯，参见例如美国专利第6,228,800号。但是，需要改进的方法来生产甲基丙烯酸甲酯。
发明内容
本发明涉及一种从甲基丙烯醛和甲醇制备甲基丙烯酸甲酯的方法；所述方法包含使包含甲基丙烯醛、甲醇和氧气的混合物与包含载体和贵金属的非均相催化剂接触；其中所述催化剂的平均直径为至少200微米且甲基丙烯醛的平均浓度为至少15重量％。
具体实施方式
除非另外指示，否则所有百分比组成都是重量百分比(wt％)，并且所有温度都是以℃为单位。贵金属是金、铂、铱、锇、银、钯、铑和钌中的任一种。催化剂中可存在超过一种贵金属，在这种情况下，限制适用于所有贵金属的总量。“催化剂中心”是催化剂粒子的质心，即在所有坐标方向上所有点的平均位置。直径是穿过催化剂中心的任何线性尺寸，且平均直径是所有可能直径的算术平均值。纵横比是最长与最短直径的比。管式或塞式流动反应器中的甲基丙烯醛的平均浓度为入口和出口浓度的算术平均值。连续搅拌槽反应器中的甲基丙烯醛的平均浓度为反应器出口处的甲基丙烯醛的浓度。
优选地，载体是氧化物材料的粒子；优选地，γ-、δ-或θ-氧化铝、二氧化硅、氧化镁、二氧化钛、氧化锆、氧化铪、氧化钒、氧化铌、氧化钽、二氧化铈、氧化钇、氧化镧或其组合。优选地，在包含贵金属的催化剂的部分中，载体的表面积为大于10m2/g，优选地大于30m2/g，优选地大于50m2/g，优选地大于100m2/g，优选地大于120m2/g。在几乎不包含或不包含贵金属的催化剂的部分中，载体的表面积可为小于50m2/g，优选地小于20m2/g。
优选地，催化剂粒子的纵横比为不超过10∶1，优选地不超过5∶1，优选地不超过3∶1，优选地不超过2∶1，优选地不超过1.5∶1，优选地不超过1.1∶1。催化剂粒子的优选形状包括球形、圆柱形、矩形固体、环形、多叶形(例如首蓿叶形横截面)、具有多个孔的形状和“马车车轮”；优选为球形。也可以使用不规则形状。
优选地，至少90重量％的贵金属在催化剂体积(即，平均催化剂粒子的体积)的外部50％、优选地外部40％、优选地外部35％、优选地外部30％、优选地外部25％中。优选地，对于沿着垂直于外表面的线测量的，从其内表面到其外表面(粒子的表面)具有恒定距离的体积计算任何粒子形状的外部体积。例如，对于球形粒子，体积的外部x％是球形外壳，其外表面是粒子的表面，且其体积为整个球体体积的x％。优选地，至少95重量％、优选地至少97重量％、优选地至少99重量％的贵金属在催化剂的外部体积中。优选地，至少90重量％(优选地至少95重量％、优选地至少97重量％、优选地至少99重量％)的贵金属在距表面不超过催化剂直径的15％、优选地不超过10％、优选地不超过8％、优选地不超过6％的距离内。沿着垂直于表面的线测量距表面的距离。
优选地，贵金属为金或钯，优选为金。
优选地，催化剂粒子的平均直径为至少300微米，优选地至少400微米，优选地至少500微米，优选地至少600微米，优选地至少700微米，优选地至少800微米；优选地不超过30mm，优选地不超过20mm，优选地不超过10mm，优选地不超过5mm，优选地不超过4mm。载体的平均直径和最终催化剂粒子的平均直径没有显著差异。
优选地，呈贵金属和载体的百分比形式的贵金属的量为0.2至5重量％，优选地至少0.5重量％，优选地至少0.8重量％，优选地至少1重量％，优选地至少1.2重量％；优选地不超过4重量％，优选地不超过3重量％，优选地不超过2.5重量％。
优选地，通过在载体的存在下从贵金属盐的水溶液中沉淀贵金属产生催化剂。在本发明的一个实施例中，通过初始润湿产生催化剂，其中将合适的贵金属前体盐的水溶液添加至多孔无机氧化物，使得孔被溶液填充且接着通过干燥去除水。优选的贵金属盐包括四氯金酸、金硫代硫酸钠、金硫代苹果酸钠、氢氧化金、硝酸钯、氯化钯和乙酸钯。接着通过煅烧、还原或所属领域的技术人员已知的其它处理将所得材料转化为最终催化剂，以将贵金属盐分解为金属或金属氧化物。优选地，包含至少一个羟基或羧酸取代基的C2-C18硫醇存在于溶液中。优选地，包含至少一个羟基或羧酸取代基的C2-C18硫醇具有2至12个，优选地2至8个，优选地3至6个碳原子。优选地，硫醇化合物包含不超过4个，优选地不超过3个，优选地不超过2个总羟基和羧酸基。优选地，硫醇化合物具有不超过2个，优选地不超过1个硫醇基。如果硫醇化合物包含羧酸取代基，则其可以酸形式、共轭碱形式或其混合物存在。硫醇组分也可以其硫醇(酸)形式或其共轭碱(硫醇盐)形式存在。尤其优选的硫醇化合物包括硫代苹果酸、3-巯基丙酸、硫代乙醇酸、2-巯基乙醇和1-硫代甘油，包括其共轭碱。
在本发明的一个实施例中，通过沉积沉淀产生催化剂，其中将多孔无机氧化物浸入含有合适的贵金属前体盐的水溶液中，且接着通过调节溶液的pH而使所述盐与无机氧化物的表面相互作用。接着回收(例如通过过滤)所得处理的固体且接着通过煅烧、还原或所属领域的技术人员已知的其它处理转化为最终催化剂，以将贵金属盐分解为金属或金属氧化物。
用于生产甲基丙烯酸甲酯(MMA)的方法包含在氧化酯化反应器(OER)中用甲醇处理甲基丙烯醛。催化剂床中的催化剂粒子通常通过固体壁和通过筛网或催化剂载体网格保持在适当的位置。在一些配置中，筛网或网格在催化剂床的相对端上且固体壁在侧面上，尽管在一些配置中，催化剂床可被筛网完全包围。催化剂床的优选的形状包括圆柱体、矩形固体和圆柱形壳体；优选地圆柱体。液相可进一步包含副产物，例如甲基丙烯醛二甲基乙缩醛(MDA)和异丁酸甲酯(MIB)。优选地，液相的温度为40至120℃；优选地至少50℃，优选地至少60℃；优选地不超过110℃，优选地不超过100℃。优选地，催化剂床的压力为0至2000psig(101kPa至14MPa)；优选地不超过2000kPa，优选地不超过1500kPa。优选地，催化剂床在管式连续反应器或连续搅拌槽反应器中；优选地管式连续反应器；优选地，所述床为圆柱形。优选地，催化剂床进一步包含氧气。
OER通常产生MMA，连同甲基丙烯酸和未反应的甲醇。优选地，以1∶10至100∶1，优选地1∶2至20∶1，优选地1∶1至10∶1的甲醇∶甲基丙烯醛摩尔比将甲醇和甲基丙烯醛馈入至含有固定床的反应器中。优选地，固定床进一步包含在催化剂上方或下方的惰性材料。优选的惰性材料包括例如氧化铝、粘土、玻璃、碳化硅和石英。优选地，惰性材料在催化剂的尺寸范围或更大范围内。优选地，将反应产物馈入至甲醇回收蒸馏塔，其提供富含甲醇和甲基丙烯醛的塔顶物料流；优选地，此物料流被再循环返回OER。来自甲醇回收蒸馏塔的塔底物料流包含MMA、MDA、甲基丙烯酸、盐和水。在本发明的一个实施例中，MDA在包含MMA、MDA、甲基丙烯酸、盐和水的介质中水解。MDA可在来自甲醇回收蒸馏塔的塔底物料流中水解；所述物料流包含MMA、MDA、甲基丙烯酸、盐和水。在另一实施例中，MDA在从甲醇回收塔底物料流分离的有机相中水解。可能有必要向有机相中加水，以确保有足够的水用于MDA水解；这些量可容易地由有机相的组成确定。MDA水解反应器的产物是相分离的，且有机相穿过一个或多个蒸馏塔以产生MMA产物以及轻质和/或重质副产物。在另一实施例中，水解可在蒸馏塔本身内进行。
优选地，平均甲基丙烯醛浓度为至少17重量％，优选地至少20重量％；优选地不大于50重量％，优选地不大于40重量％。优选地，入口处的甲基丙烯醛浓度为至少40重量％，优选地至少35重量％，优选地至少25重量％；优选地不大于65重量％，优选地不大于55重量％。
优选地，反应器出口处的氧浓度为至少0.5摩尔％，优选地至少2摩尔％，优选地至少3摩尔％；优选地不超过7摩尔％，优选地不超过6.5摩尔％，优选地不超过6摩尔％。优选地，反应器出口处的pH为至少3.5，优选地至少4，优选地至少4.5，优选地至少4.8，优选地至少5；优选地不超过6.6，优选地不超过6.5，优选地不超过6.4，优选地不超过6.3，优选地不超过6.2。优选地，不将碱添加至反应器或进入反应器的液流中。优选地，反应器不连接到引入碱的外部混合槽。反应器中的pH可能会更高，可能在入口附近高于7，且在出口附近降至低于6。优选地，入口处的pH不大于8，优选地不大于7.5，优选地不大于7。
用于氧化酯化的固定床反应器的一个优选实施例为滴流床反应器，其含有催化剂的固定床且使气体和液体进料均沿向下的方向穿过反应器。在滴流中，气相是连续的液相。因此，在固定床上方的反应器顶部的区域将充满氮气、氧气和挥发性液体组分在其各自的蒸气压下的气相混合物。在典型的操作温度和压力(50-90℃和60-300psig)下，如果气体进料是空气，则此蒸气混合物在易燃包壳内。因此，仅需要点火源即可启动爆燃，这可能导致主安全壳的损失且损害附近的物理基础设施和人员。为了解决工艺安全性考虑，操作滴流床反应器同时避免易燃的顶部空间气氛的方法是用含足够低的氧气摩尔分数的气体进料进行操作，以确保蒸气顶部空间中的氧浓度低于极限氧浓度(LOC)。
有关的燃料混合物、温度和压力需要了解LOC。由于LOC随着温度和压力的升高而降低，且考虑到甲醇给出的LOC低于其它两种重要燃料(甲基丙烯醛和甲基丙烯酸甲酯)，因此保守的设计选择一进料氧氮比，其确保具有低于在最高预期操作温度和压力下的LOC的组成。例如，对于在最高100℃和275psig(1990kPa)下操作的反应器，氮气中的进料氧浓度不应超过7.4mol％。
实例
实例1
进行了一系列操作，其中将20重量％甲基丙烯醛、200ppm抑制剂和其余的甲醇馈入至含有短的碳化硅前段的3/8”(9.5mm)不锈钢管式反应器，接着馈入10g催化剂。催化剂由Norpro 1mm直径高表面积(HSA)氧化铝球形载体上的1.5wt％Au组成。也将空气或在氮气中含有8％氧气的气体馈入至反应器中。反应器在60℃和160psig(1200kPa)下操作。将反应器的产物送至液体-蒸气分离器，且将蒸气送至具有液体回流的冷凝器。在一些情况下，将来自此分离器的一部分产物流再循环至反应器入口，且与进入反应器的进料合并。在所有情况下，排气口中的氧含量为4mol％至5mol％。结果描述于下表中。产物MMA是源自甲基丙烯醛反应物的产物中的MMA％。
“Avg[MA]”为进入和离开反应器的液体中的甲基丙烯醛的浓度的算术平均值。
实例2
反应器系统
反应器是使用装载有大致0.5克催化剂的1/4”(6.4mm)不锈钢反应器管的滴流固定床反应器系统。空气和氮气在气体歧管中混合以达到特定的氧浓度(6-21％O2于N2中)，且通过气体质量流量控制器馈入至反应器(70sccm的总流动速率)。将含有甲基丙烯醛和甲醇的混合物(35-50重量％，甲基丙烯醛，其余为甲醇)的液体进料通过液体质量流量控制器馈入(0.05g/min的流动速率)。将反应器加热至80℃且将反应器压力维持于160psig。在环境温度和压力下，在压力调节器的下游收集液体样品，且通过气相色谱进行分析。催化剂由高表面积氧化铝(HSA)氧化铝催化剂载体材料(其为1mm直径球体)上的1.5重量％金组成。在所有情况下，源自甲基丙烯醛的产物的MMA的百分比为大致96％。
Claims (10)
1.一种从甲基丙烯醛和甲醇制备甲基丙烯酸甲酯的方法；所述方法包含使包含甲基丙烯醛、甲醇和氧气的混合物与包含载体和贵金属的非均相催化剂接触；其中所述催化剂的平均直径为至少200微米且甲基丙烯醛的平均浓度为至少15重量％。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述催化剂的平均直径为400微米至10毫米。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述催化剂包含于催化剂床中。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述催化剂床在40至120℃的温度下且其中所述催化剂床中的pH为4至10。
5.根据权利要求4所述的方法，其中甲基丙烯醛的平均浓度为至少17重量％。
6.根据权利要求5所述的方法，其中至少90重量％的所述贵金属在催化剂体积的外部50％中。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述贵金属选自由金和钯组成的群组。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述载体选自由γ-、δ-或θ-氧化铝组成的群组。
9.根据权利要求8所述的方法，其中甲醇和甲基丙烯醛分别以1∶1至10∶1的摩尔比馈入至含有所述催化剂床的反应器中。
10.根据权利要求9所述的方法，其中至少95重量％的所述贵金属在催化剂体积的外部30％中。
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