CN111153877A - 利用呋喃甲酸连续化绿色合成呋喃二甲酸的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用呋喃甲酸连续化绿色合成呋喃二甲酸的方法：先将作为原料的呋喃甲酸溶于溶剂中，得原料溶液；将原料溶液与二氧化碳作为混合原料一起从固定床反应器的顶端进入固定床反应器内进行反应，在固定床反应器中固定有过渡金属负载型催化剂；反应生成物从固定床反应器的底部排出，然后进入减压精馏塔加热；从减压精馏塔底部排出的为呋喃二甲酸，从减压精馏塔顶部排出的气体进入回收罐中后被冷凝，再由泵循环回固定床反应器顶端，与混合原料一起进入固定床反应器内进行二次反应。采用本发明方法制备呋喃二甲酸具有工艺简单、环境友好、收率高等特点。

Description

利用呋喃甲酸连续化绿色合成呋喃二甲酸的方法
技术领域
本发明属于化工领域，具体涉及一种利用呋喃甲酸连续化绿色合成呋喃二甲酸的方法。
背景技术
2,5-呋喃二甲酸(FDCA)，又称脱水粘酸，是一种稳定的化合物，最初在人体尿液中被检测到。FDCA分子中有两个羧基，可以作为与二醇或者二胺缩聚反应的单体，用于替代传统的石油基单体对苯二甲酸来制造聚酯、聚酰胺等聚合物新材料。目前FDCA材料市场蕴含着价值数百亿人民币的业务，包括塑料、塑化剂、热固性材料和涂层等；FDCA也被美国能源部列入高附加值生物基化学物质之一，其高效、绿色制备新工艺研究具有重要的经济及社会意义。
目前，合成FDCA主要有以下几种路线：5-羟甲基糠醛(HMF)路线、糠酸路线、己糖二酸环化路线、呋喃酰基化路线等。
HMF路线是目前得到广泛认同的路线，几乎所有工业化研究都在沿着这条路线进行。然而，虽然两步的转化率均很高，但两部分所需催化剂、反应条件等均有差异，再加上产物/催化剂分离困难等工艺问题等，过程集成化难度较高，影响生产效率。虽然有研究者开发了由果糖至FDCA的一锅法合成工艺，采用了Co-SiO2催化剂(Cooperative effect ofcobalt acetylacetonate and silica in the catalytic cyclization and oxidationof fructose to2,5-furandicarboxylic acid.)，但不仅反应条件苛刻(165℃，2MPa空气)，FDCA的收率也较低。
糠酸路线目前报道均较少，糠酸由糠醛在碱性溶液中催化氧化制得，而糠酸制FDCA可经过歧化或者羰基化。
己糖二酸环化路线报道相对较少，G.Bratulescu报道了以苯磺酸催化的己糖二酸环化反应(Cyclization of the D-saccharic acid to 2,5-furandicarboxylic acidunder the effects of microwaves.)，然而收率只有58％。此路线原料在酸性条件下会发生异构及碳化反应，导致产率较低。
呋喃酰基化路线报道同样较少。X.Li等报道了以呋喃和草酰碘为原料经酰基化、水解得到FDCA的工艺(Preparation method of 2,5-furandicarboxylic acid.)，但此路径原子经济性差，原料成本较高。J.G.Wang等报道了由呋喃和乙酸酐经乙酰基化、去甲基化等步骤最终生成FDCA的工艺(From Furan to High Quality Bio-based Poly(ethylenefurandicarboxylate).)，步骤较多，原子经济性差，收率较低。
综上，已报道的众多FDCA生产路线中存在反应路线长、条件苛刻等问题，要实现FDCA高效绿色化生产，不仅涉及路线选择问题，还涉及到高效催化体系的开发。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种温和、高效、清洁的连续化呋喃二甲酸的合成方法。。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种利用呋喃甲酸连续化绿色合成呋喃二甲酸的方法：
先将作为原料的呋喃甲酸溶于溶剂中，得原料溶液(原料溶液被存储于原料罐中)；按照呋喃甲酸：二氧化碳＝1：1.5～2.5的摩尔比，原料溶液与二氧化碳作为混合原料一起从固定床反应器的顶端进入固定床反应器内，在固定床反应器中固定有过渡金属负载型催化剂；过渡金属负载型催化剂与进行反应的呋喃甲酸总量的质量比为5％～10％；固定床反应器内设定的反应温度为70～100℃，反应压力为常压；原料在固定床反应器内的停留时间为100～150分钟；
反应生成物(包括未反应的呋喃甲酸、二氧化碳、溶剂、作为产物的呋喃二甲酸)从固定床反应器的底部排出，然后进入减压精馏塔加热(减压加热，温度为100℃，压力为0.01MPa)；从减压精馏塔底部排出的为呋喃二甲酸(呋喃二甲酸进入产品罐中被收集)，从减压精馏塔顶部排出的气体进入回收罐中后被冷凝，再由泵循环回固定床反应器顶端，与混合原料(即，新鲜的原料溶液、二氧化碳)一起进入反应器内进行二次反应。
备注说明：从减压精馏塔顶部排出的气体包括未反应的呋喃甲酸、二氧化碳、溶剂；呋喃甲酸、溶剂在回收罐中被冷凝成液体。
作为本发明的利用呋喃甲酸连续化生产呋喃二甲酸的方法的改进，溶剂为：乙二醇二甲醚、二氧六环、乙腈。呋喃甲酸与溶剂的料液比为1Kg/(10±1)L。
作为本发明的利用呋喃甲酸连续化生产呋喃二甲酸的方法的进一步改进，过渡金属负载型催化剂的制备方法为依次进行以下步骤：
①、浸渍法：
将过渡金属的可溶性盐(作为活性中心)溶解于水中，得过渡金属盐溶液；
将分子筛(作为载体)分散于水中，得分散液；
将过渡金属盐溶液和分散液于搅拌条件下混合3～6h，然后静置1～2h；
所述可溶性盐中的过渡金属与分子筛的重量比为1.0～1.6：100；
②、将步骤①静置所得的沉淀物于400～600℃下焙烧3～5h，得过渡金属负载型催化剂。
说明：沉淀物可常规干燥后再焙烧。
作为本发明的利用呋喃甲酸连续化生产呋喃二甲酸的方法的进一步改进，过渡金属为：镍(Ni)、铜(Cu)、铑(Rh)、钯(Pd)。
相应的过渡金属的可溶性盐为：氯化镍、氯化铜、三氯化铑、钯氯酸钾。
分子筛为：4A型、X型、Y型、ZSM-5型、Al2O3、SiO2、ZrO2。
Al2O3、SiO2、ZrO2是指纯Al2O3、纯SiO2、纯ZrO2。
在发明过程中，发明人经比较不同路线的反应特点，综合考虑反应工艺工业化的难易，确立了连续化生产的技术路线；该技术路线首先开发以过渡金属为活性中心的新型高效催化剂，并将此催化剂于固定床反应器中，催化呋喃甲酸和二氧化碳的羰基化反应直接生成FDCA，采用循环操作，未反应完全的呋喃甲酸等循环回固定床反应器顶端，随二氧化碳进入反应器中二次反应(即，与新鲜的呋喃甲酸、二氧化碳一起进入反应器内进行二次反应)，直至反应完全。呋喃二甲酸的总收率达95％以上。
本发明的反应方程式如下：
Figure BDA0002367012860000031
在本发明中，按照本发明所设定的过渡金属与分子筛的重量比，能确保全部的过渡金属的可溶性盐被分子筛所吸附；按照本发明设定的焙烧温度和时间，分子筛上吸附的过渡金属的可溶性盐能全部转换成相应的过渡金属。
本发明的呋喃二甲酸的绿色合成方法，一方面呋喃二甲酸生产过程中使用气体二氧化碳作为原料，原子利用率高，无其他废弃物产生，保证生产过程环境友好；另一方面本发明采用连续化循环操作，催化效率高，稳定性好，呋喃甲酸反应彻底，产品总收率高。采用本发明方法制备呋喃二甲酸具有工艺简单、环境友好、收率高等特点。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1是本发明利用呋喃甲酸连续化绿色合成呋喃二甲酸的方法的工艺图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
一种呋喃二甲酸的连续化生产装置，如图1所示，包括原料罐1、固定床反应器2、减压精馏塔3、产品罐4和回收罐5，固定床反应器2的外表设有加热套21，加热套21用于控制固定床反应器2内的反应温度；固定床反应器2的靠近底部的侧壁上设有出口22，减压精馏塔3的靠近底部的侧壁上设有进口31，减压精馏塔3的底部设有出料口32，减压精馏塔3的靠近顶部的侧壁上设有气体出口33。在固定床反应器2内设置过渡金属负载型催化剂。
作为原料的呋喃甲酸溶于溶剂中，得原料溶液，该原料溶液被存储于原料罐1中，在计量泵61的作用下，原料溶液与二氧化碳作为混合原料一起从固定床反应器2的顶端进入固定床反应器2内，固定床反应器2设定相应的反应温度(70～100℃)，反应压力为常压。
反应生成物(包括未反应的呋喃甲酸、二氧化碳、溶剂、作为产物的呋喃二甲酸)从固定床反应器2的出口22排出，通过减压精馏塔3的进口31进入减压精馏塔3内被减压加热，减压精馏塔3的塔顶温度为100℃，压力为0.01Mpa，出料口32排出的为呋喃二甲酸(粘稠液)，呋喃二甲酸进入产品罐4中被收集，从气体出口33排出的气体(该气体包括未反应的呋喃甲酸、二氧化碳、溶剂)进入回收罐5中后被冷凝(呋喃甲酸、溶剂在回收罐中被冷凝成液体)，再在泵62的作用下循环回固定床反应器2顶端，与混合原料(即，新鲜的原料溶液、二氧化碳)一起进入固定床反应器2内进行二次反应。
以下实施例均采用该连续化生产装置。
以下实施例所得的呋喃二甲酸的纯度均≥99.0％。
实施例1、一种呋喃二甲酸的绿色合成方法，以呋喃甲酸与二氧化碳为原料，依次进行以下步骤：
1)、浸渍法制备Pd/4A型分子筛催化剂：将3.732g钯氯酸钾(含钯1.01g)溶解于100mL的水中，充分分散溶解；同时将100g的4A型分子筛充分分散于1000mL水中，将两者充分搅拌(转速约为600r/min)混合3h，静置2h，干燥(40℃下干燥12h)后于400℃焙烧5h，即可获得Pd/4A型分子筛催化剂约101g。
2)、将步骤1)所得的Pd/4A型分子筛催化剂100g固定于固定床反应器2中，1.0kg原料呋喃甲酸溶于10L乙二醇二甲醚储存于原料罐1中，控制呋喃甲酸溶液(原料溶液)与二氧化碳按照1：1.5的摩尔比混合后进入固定床反应器2内，固定床反应器2的反应温度设为70℃，常压下反应。
反应生成物经减压精馏塔3减压加热(塔顶温度为100℃，压力为0.01MPa)，以气体形式进入回收罐5中，并被冷凝后再由泵62循环回固定床反应器2顶端，与新鲜的呋喃甲酸溶液、二氧化碳(呋喃甲酸与二氧化碳仍然按照1：1.5的摩尔比)一起进入反应器内进行二次反应。
呋喃甲酸在固定床反应器2的停留时间为100分钟；减压精馏塔3底部不断排出呋喃二甲酸产品。共得到呋喃二甲酸1.38kg，总收率约为98.8％。
实施例2、一种呋喃二甲酸的绿色合成方法，以呋喃甲酸与二氧化碳为原料，依次进行以下步骤：
1)、浸渍法制备Ni/Y型分子筛催化剂：将2.665g氯化镍(含镍1.21g)溶解于100mL的水中，充分分散溶解；同时将100g的Y型分子筛充分分散于1000mL水中，将两者充分混合6h，静置1h，干燥后于600℃焙烧3h，即可获得Ni/Y型分子筛催化剂约101.2g。
2)、将步骤1)所得的Ni/Y型分子筛催化剂75g固定于固定床反应器2中，1.0kg原料呋喃甲酸溶于10L二氧六环储存于原料罐1中，控制呋喃甲酸溶液与二氧化碳按照1：2.5的摩尔比混合后进入固定床反应器2内，固定床反应器2的反应温度设为100℃，常压下反应。
反应生成物经减压精馏塔3减压加热(塔顶温度为100℃，压力为0.01MPa)，以气体形式进入回收罐5中，并被冷凝后再由泵62循环回固定床反应器2顶端，与新鲜的呋喃甲酸溶液、二氧化碳(呋喃甲酸与二氧化碳按照1：2.5的摩尔比)一起进入反应器内进行二次反应。
呋喃甲酸在固定床反应器2的停留时间为150分钟；减压精馏塔3底部不断排出呋喃二甲酸产品。共得到呋喃二甲酸1.33kg，总收率约为95.0％。
实施例3、一种呋喃二甲酸的绿色合成方法，以呋喃甲酸与二氧化碳为原料，依次进行以下步骤：
1)、浸渍法制备Rh/X型分子筛催化剂：将3.059g三氯化铑(含铑1.51g)溶解于100mL的水中，充分分散溶解；同时将100g的X型分子筛充分分散于1000mL水中，将两者充分混合4h，静置1.5h，干燥后于500℃焙烧4.5h，即可获得Rh/X型分子筛催化剂约101.5g。
2)、将步骤1)所得的Rh/X型分子筛催化剂50g固定于固定床反应器2中，1.0kg原料呋喃甲酸溶于10L乙腈储存于原料罐1中，控制呋喃甲酸溶液与二氧化碳按照1：2.0的摩尔比混合后进入固定床反应器2内，固定床反应器2的反应温度设为90℃，常压下反应。
反应生成物经减压精馏塔3减压加热(塔顶温度为100℃，压力为0.01MPa)，以气体形式进入回收罐5中，并被冷凝后再由泵62循环回固定床反应器2顶端，与新鲜的呋喃甲酸溶液、二氧化碳(呋喃甲酸与二氧化碳按照1：2.0的摩尔比)一起进入反应器内进行二次反应。
呋喃甲酸在固定床反应器2的停留时间为120分钟；减压精馏塔3底部不断排出呋喃二甲酸产品。共得到呋喃二甲酸1.35kg，总收率约为96.5％。
实施例4、一种呋喃二甲酸的绿色合成方法，以呋喃甲酸与二氧化碳为原料，依次进行以下步骤：
1)、浸渍法制备Pd/Al2O3催化剂：将3.732g钯氯酸钾(含钯1.01g)溶解于100mL的水中，充分分散溶解；同时将100g的Al2O3充分分散于1000mL水中，将两者充分混合4h，静置2h，干燥后于500℃焙烧4h，即可获得Pd/Al2O3催化剂约101.0g。
2)、将步骤1)所得的Pd/Al2O3催化剂100g固定于固定床反应器2中，1.0kg原料呋喃甲酸溶于10L乙二醇二甲醚储存于原料罐1中，控制呋喃甲酸溶液与二氧化碳按照1：2.0的摩尔比混合后进入固定床反应器2内，固定床反应器2的反应温度设为90℃，常压下反应。
反应生成物经减压精馏塔3减压加热(塔顶温度为100℃，压力为0.01MPa)，以气体形式进入回收罐5中，并被冷凝后再由泵62循环回固定床反应器2顶端，与新鲜的呋喃甲酸溶液、二氧化碳(呋喃甲酸与二氧化碳按照1：2.0的摩尔比)一起进入反应器内进行二次反应。
呋喃甲酸在固定床反应器2的停留时间为130分钟，减压精馏塔3底部不断排出呋喃二甲酸产品。共得到呋喃二甲酸1.35kg，总收率约为97.0％。
实施例5、一种呋喃二甲酸的绿色合成方法，以呋喃甲酸与二氧化碳为原料，依次进行以下步骤：
1)、浸渍法制备Rh/SiO2催化剂：将3.059g三氯化铑(含铑1.51g)溶解于100mL的水中，充分分散溶解；同时将100g的SiO2充分分散于1000mL水中，将两者充分混合4h，静置1.5h，干燥后，于400℃焙烧4h，即可获得Rh/SiO2催化剂约101.5g。
2)、将步骤1)所得的Rh/SiO2催化剂80g固定于固定床反应器2中，1.0kg原料呋喃甲酸溶于10L乙二醇二甲醚储存于原料罐1中，控制呋喃甲酸溶液与二氧化碳按照1：2.0的摩尔比混合后进入固定床反应器2内，固定床反应器2的反应温度设为70℃，常压下反应。
反应生成物经减压精馏塔3减压加热(塔顶温度为100℃，压力为0.01MPa)，以气体形式进入回收罐5中，并被冷凝后再由泵62循环回固定床反应器2顶端，与新鲜的呋喃甲酸溶液、二氧化碳(呋喃甲酸与二氧化碳按照1：2.0的摩尔比)一起进入反应器内进行二次反应。
呋喃甲酸在固定床反应器2的停留时间为140分钟，减压精馏塔3底部不断排出呋喃二甲酸产品。共得到呋喃二甲酸1.34kg，总收率约为95.9％。
实施例6、一种呋喃二甲酸的绿色合成方法，以呋喃甲酸与二氧化碳为原料，依次进行以下步骤：
1)、浸渍法制备Cu/ZSM-5型分子筛催化剂：将3.125g氯化铜(含铜1.01g)溶解于100mL的水中，充分分散溶解；同时将100g的ZSM-5型分子筛充分分散于100mL水中，将两者充分混合6h，静置2h，干燥后于500℃焙烧5h，即可获得Cu/ZSM-5型分子筛催化剂约101.0g。
2)、将步骤1)所得的Cu/ZSM-5型分子筛100g固定于固定床反应器2中，1.0kg原料呋喃甲酸溶于10L乙腈储存于原料罐1中，控制呋喃甲酸溶液与二氧化碳按照1：1.5的摩尔比混合后进入固定床反应器2内，固定床反应器2的反应温度设为80℃，常压下反应。
反应生成物经减压精馏塔3减压加热(塔顶温度为100℃，压力为0.01MPa)，以气体形式进入回收罐5中，并被冷凝后再由泵62循环回固定床反应器2顶端，与新鲜的呋喃甲酸溶液、二氧化碳(呋喃甲酸与二氧化碳按照1：1.5的摩尔比)一起进入反应器内进行二次反应。
呋喃甲酸在固定床反应器2的停留时间为130分钟，减压精馏塔3底部不断排出呋喃二甲酸产品。共得到呋喃二甲酸1.35kg，总收率约为96.6％。
实施例7、一种呋喃二甲酸的绿色合成方法，以呋喃甲酸与二氧化碳为原料，依次进行以下步骤：
1)、浸渍法制备Cu/ZrO2催化剂：将3.125g氯化铜(含铜1.01g)溶解于100mL的水中，充分分散溶解；同时将100g的ZrO2充分分散于100mL水中，将两者充分混合5h，静置2h，干燥后于600℃焙烧4h，即可获得Cu/ZrO2催化剂约101.0g。
2)、将步骤1)所得的Cu/ZrO2 100g固定于固定床反应器2中，1.0kg原料呋喃甲酸溶于10L乙腈储存于原料罐1中，控制呋喃甲酸溶液与二氧化碳按照1：2.5的摩尔比混合后进入固定床反应器2内，固定床反应器2的反应温度设为100℃，常压下反应。
反应生成物经减压精馏塔3减压加热(塔顶温度为100℃，压力为0.01MPa)，以气体形式进入回收罐5中，并被冷凝后再由泵62循环回固定床反应器2顶端，与新鲜的呋喃甲酸溶液、二氧化碳(呋喃甲酸与二氧化碳按照1：2.5的摩尔比)一起进入反应器内进行二次反应。
呋喃甲酸在固定床反应器2的停留时间为140分钟，减压精馏塔3底部不断排出呋喃二甲酸产品。共得到呋喃二甲酸1.33kg，总收率约为95.4％。
对比例1、将实施例1步骤2)中的“70℃、常压”改成“150℃、压力1.0Mpa”，总的反应时间约为15小时；其余等同于实施例1。所得结果为呋喃二甲酸收率为53.2％。
对比例2、取消实施例1中的催化剂的使用，即，固定床反应器不设置Pd/4A型分子筛催化剂；其余等同于实施例1。所得结果为呋喃二甲酸收率为2.5％。
对比例3、
将实施例1步骤1)催化剂改成按照沉积-沉淀法进行制备：称取3.732g钯氯酸钾溶解到100mL去离子水中，在60℃加热和搅拌下滴加0.05mol·L-1的NaOH溶液，使用pH计准确调节溶液的pH＝7.5±0.1；接着加入4A型分子筛水溶液(100g的4A型分子筛充分分散于1000mL水)，再次调节pH＝7.5±0.1，继续搅拌2h；过滤，用去离子水洗涤(3×50mL)，40℃下真空干燥12h，最后在马弗炉中(400℃和空气气氛下)焙烧4h，即得Pd/4A型分子筛催化剂；
以上述所得的催化剂按照实施1步骤2)进行反应。所得结果为呋喃二甲酸收率为45.3％。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.利用呋喃甲酸连续化绿色合成呋喃二甲酸的方法，其特征是：
先将作为原料的呋喃甲酸溶于溶剂中，得原料溶液；按照呋喃甲酸：二氧化碳＝1：1.5～2.5的摩尔比，将原料溶液与二氧化碳作为混合原料一起从固定床反应器的顶端进入固定床反应器内进行反应，在固定床反应器中固定有过渡金属负载型催化剂；过渡金属负载型催化剂与进行反应的呋喃甲酸总量的质量比为5％～10％；固定床反应器内设定的反应温度为70～100℃，反应压力为常压；原料在固定床反应器内的停留时间为100～150分钟；
反应生成物从固定床反应器的底部排出，然后进入减压精馏塔加热；从减压精馏塔底部排出的为呋喃二甲酸，从减压精馏塔顶部排出的气体进入回收罐中后被冷凝，再由泵循环回固定床反应器顶端，与混合原料一起进入固定床反应器内进行二次反应。
2.根据权利要求1所述的利用呋喃甲酸连续化生产呋喃二甲酸的方法，其特征是：所述溶剂为乙二醇二甲醚、二氧六环、乙腈。
3.根据权利要求2所述的利用呋喃甲酸连续化生产呋喃二甲酸的方法，其特征是：
呋喃甲酸与溶剂的料液比为1Kg/(10±1)L。
4.根据权利要求1～3任一所述的利用呋喃甲酸连续化绿色合成呋喃二甲酸的方法，其特征是：过渡金属负载型催化剂的制备方法为依次进行以下步骤：
①、浸渍法：
将过渡金属的可溶性盐溶解于水中，得过渡金属盐溶液；
将分子筛分散于水中，得分散液；
将过渡金属盐溶液和分散液于搅拌条件下混合3～6h，然后静置1～2h；
所述可溶性盐中的过渡金属与分子筛的重量比为1.0～1.6：100；
②、将步骤①静置所得的沉淀物于400～600℃下焙烧3～5h，得过渡金属负载型催化剂。
5.根据权利要求4所述的利用呋喃甲酸连续化绿色合成呋喃二甲酸的方法，其特征是过渡金属为：镍(Ni)、铜(Cu)、铑(Rh)、钯(Pd)。
6.根据权利要求5所述的利用呋喃甲酸连续化绿色合成呋喃二甲酸的方法，其特征是：分子筛为：4A型、X型、Y型、ZSM-5型、Al2O3、SiO2、ZrO2。
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