CN112657543A - 一种连续合成碳酸二乙酯的催化剂和制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及合成碳酸二乙酯技术领域，具体涉及一种连续合成碳酸二乙酯的催化剂和制备工艺。催化剂包括镁基氧化物和分子筛，以最终催化剂的总质量计，镁基氧化物为5～30wt％，其余为分子筛；制备方法由以下步骤组成：将分子筛在马弗炉中400～800℃下煅烧2～6小时进行预处理；将镁基氧化物的盐酸盐或硝酸盐或醋酸盐溶液采用过量浸渍法浸渍到分子筛载体上，然后于100～120℃下干燥2～24小时，干燥后于空气气氛中400～600℃下煅烧2～10小时，得到最终连续合成碳酸二乙酯的催化剂。本发明通过采用本发明的催化剂后结合本发明的生产工艺能够将成本较低的氨基甲酸乙酯和乙醇的原料溶液进行催化反应和分离，能够得到高选择性的碳酸二乙酯。
Description
技术领域
本发明涉及合成碳酸二乙酯技术领域，具体涉及一种连续合成碳酸二乙酯的催化剂和制备工艺。
背景技术
碳酸二乙酯在电池电解液、有机羰基化合成、工业脱碳溶剂、油品含氧添加剂等领域有重要用途和广泛用途。
目前，工业上主要采用碳酸二甲酯与乙醇进行酯交换反应制备碳酸二乙酯，然而，因碳酸二甲酯原料成本较高导致碳酸二甲酯与乙醇进行酯交换反应生产碳酸二乙酯的生产成本较高，而且甲醇、乙醇、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯等多元间的共沸物造成分离能耗较高。
氨基甲酸乙酯与乙醇醇解合成碳酸二乙酯，其涉及的主要生产原料氨基甲酸乙酯和乙醇成本较低，可大幅度降低生产成本，而且整个过程几乎无三废排放，经济环保，近年来受到了研究界和工业界的广泛关注。但是，目前氨基甲酸乙酯与乙醇在高压釜中反应合成碳酸二乙酯时，不仅造成催化剂在高压釜中分散不均匀，而且反应过程为间歇过程，不利于连续进行碳酸二乙酯大批量生产。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足和缺陷，提供一种连续合成碳酸二乙酯的催化剂和制备工艺。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种连续合成碳酸二乙酯的催化剂，催化剂包括镁基氧化物和分子筛，以最终催化剂的总质量计，镁基氧化物为5～30wt％，其余为分子筛；上述催化剂也称为分子筛负载催化剂，下面均以分子筛负载催化剂进行描述，
其制备方法由以下步骤组成：
(1)将分子筛在马弗炉中400～800℃下煅烧2～6小时进行预处理；
(2)将镁基氧化物的盐酸盐或硝酸盐或醋酸盐溶液采用过量浸渍法浸渍到分子筛载体上，然后于100～120℃下干燥2～24小时，干燥后于空气气氛中400～600℃下煅烧2～10小时，得到最终连续合成碳酸二乙酯的催化剂。
具体的，所述分子筛选自3A分子筛、4A分子筛、Al-SBA-15分子筛、Al-KIT-6分子筛、Al-MCM-41分子筛、Al-TS-1分子筛、ZSM-5分子筛的一种，所述分子筛的尺寸为10-100目。
具体的，所述分子筛的尺寸为20-60目。
具体的，所述镁基氧化物中的氧化镁占镁基氧化物的总质量的50～99％，其余成分为氧化镧、氧化钙、氧化铈、氧化钼、氧化钛、氧化锆的至少一种。优选的，所述镁基氧化物中的氧化镁占镁基氧化物的总质量的60～99％，
一种采用上述催化剂的合成碳酸二乙酯工艺，包括以下步骤：
(1)在长度为90cm、内径为1.2cm的管式固定床反应器中，中间恒温区填装2～5mL分子筛负载催化剂，作为催化剂床层；催化剂床层两端的床层用石英砂填满，以固定催化剂床层，并采用石英棉将石英砂与催化剂进行隔离，固定床反应器的顶部与冷凝器的顶部进行固定连接，冷凝器底部再与收集罐连通；石英棉和石英沙材料获取容易，并且不与原料反应，采用长度为90cm、内径为1.2cm的管式固定床反应器能够保证原料化合物具有充分的反应场所，填装2～5mL分子筛负载催化剂具有能够保证在管式固定床反应器内以最少的体积达到能达到最优的催化效果，
(2)将氨基甲酸乙酯溶解在乙醇中形成氨基甲酸乙酯和乙醇的原料溶液，氨基甲酸乙酯和乙醇溶液通过高压平流泵经过60℃预热的进料管道从固定床反应器的底部进入填装有分子筛负载催化剂的催化剂床层，可以预想的是，管式固定床反应器优选为立式固定床反应器，氨基甲酸乙酯原料与乙醇原料在分子筛负载催化剂作用下进行反应生成碳酸二乙酯产品，同时生成氨气副产物；通过60℃预热进料管道的作用为平衡固定床反应器的恒温段向外散热以保证恒温段的稳定，采用底部进料能够保证足够量的液体原料气化后到达催化剂床层进行催化反应，
(3)采用氮气作为吹扫气，氮气的流量为0.3～0.8Lmin-1，通过背压阀调节固定床反应器的反应压力为1.4～2.5MPa，将生成的碳酸二乙酯产品以及未反应完全的氨基甲酸乙酯原料和乙醇原料在冷凝器中进行冷凝后，再收集到收集罐中并隔一段时间进行取样分析，氨气副产物通过氮气吹扫进行原位移除。氮气作为惰性气体，不会与内部化合物进行反应，能够有效的将氨气进行原位移除。
具体的，步骤(2)中乙醇原料和氨基甲酸乙酯原料的摩尔比为5:1～20:1，催化剂床层的反应温度为180～220℃。
具体的，步骤(2)中以氨基甲酸乙酯原料为基准，氨基甲酸乙酯和乙醇原料溶液的液体空速为0.5～5h-1。
具体的，冷凝器通过循环热水浴保持在50℃，以防止堵塞。
本发明相比现有技术包括以下优点及有益效果：
本发明通过采用本发明的催化剂后结合本发明的生产工艺能够将成本较低的氨基甲酸乙酯和乙醇的原料溶液进行催化反应和分离，能够得到高选择性的碳酸二乙酯，相较于传统高压釜反应工艺相比，本发明的工艺具有反应条件不苛刻，所使用到的化合物容易取得，对环境无污染，催化反应的转化率高，反应所产生的副产物能够成为化工原料，整个反应工艺能够持续进行生产，生产工艺反应均匀，不会有生产间歇，反应高效，适合连续进行碳酸二乙酯大规模工业生产。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的具体实施过程如下：
实施例1：选取尺寸为20～60目的3A分子筛载体进行预处理，将载体在马弗炉中400℃下煅烧2小时进行预处理。将镁含量为4.5g的硝酸镁、铈含量为0.5g的硝酸铈溶解于去离子水中得到混合溶液，将上述混合溶液加入到95.0g预处理过的3A分子筛载体中，加热到80℃搅拌6小时，在110℃下烘干8小时，最后将干燥样品转移至马弗炉中400℃焙烧3小时得到分子筛负载催化剂。
将2mL上述催化剂装填在固定床反应器中部，将氨基甲酸乙酯溶解在乙醇中形成氨基甲酸乙酯和乙醇溶液，乙醇原料和氨基甲酸乙酯原料的摩尔比为20:1，氨基甲酸乙酯和乙醇溶液通过高压恒流泵从固定床反应器的底部进入催化剂床层，氨基甲酸乙酯原料与乙醇原料在催化剂床层段进行反应生成碳酸二乙酯，副产物氨气通过氮气载气原位移除，氮气的流量为0.4Lmin-1，反应温度为200℃，反应压力为1.6MPa，液体空速为2h-1。每隔1小时取反应产物通过气相色谱分析，连续反应24小时后的结果列于表1。
实施例2：选取尺寸为20～60目的Al-KIT-6分子筛载体进行预处理，将载体在马弗炉中800℃下煅烧6小时进行预处理。将镁含量为5.0g的硝酸镁、镧含量为5.0g的硝酸镧溶解于去离子水中得到混合溶液，将上述混合溶液加入到90.0g预处理过的Al-KIT-6分子筛载体中，加热到90℃搅拌3小时，在120℃下烘干2小时，最后将干燥样品转移至马弗炉中600℃焙烧6小时得到分子筛负载催化剂。
将3mL上述催化剂装填在固定床反应器中部，将氨基甲酸乙酯溶解在乙醇中形成氨基甲酸乙酯和乙醇溶液，乙醇原料和氨基甲酸乙酯原料的摩尔比为20:1，氨基甲酸乙酯和乙醇溶液通过高压恒流泵从固定床反应器的底部进入催化剂床层，氨基甲酸乙酯原料与乙醇原料在催化剂床层段进行反应生成碳酸二乙酯，副产物氨气通过氮气载气原位移除，氮气的流量为0.4Lmin-1，反应温度为180℃，反应压力为1.4MPa，液体空速为4h-1。每隔1小时取反应产物通过气相色谱分析，连续反应24小时后的结果列于表1。
实施例3
选取尺寸为20～40目的Al-TS-1分子筛载体进行预处理，将载体在马弗炉中700℃下煅烧3小时进行预处理。将镁含量为29.9g的醋酸镁、钙含量为0.1g的醋酸钙溶解于去离子水中得到混合溶液，将上述混合溶液加入到70.0g预处理过的Al-TS-1分子筛载体中，加热到85℃搅拌8小时，在110℃下烘干24小时，最后将干燥样品转移至马弗炉中450℃焙烧2小时得到分子筛负载催化剂。
将2.5mL上述催化剂装填在固定床反应器中部，将氨基甲酸乙酯溶解在乙醇中形成氨基甲酸乙酯和乙醇溶液，乙醇原料和氨基甲酸乙酯原料的摩尔比为5:1，氨基甲酸乙酯和乙醇溶液通过高压恒流泵从固定床反应器的底部进入催化剂床层，氨基甲酸乙酯原料与乙醇原料在催化剂床层段进行反应生成碳酸二乙酯，副产物氨气通过氮气载气原位移除，氮气的流量为0.3Lmin-1，反应温度为190℃，反应压力为2.5MPa，液体空速为5h-1。每隔1小时取反应产物通过气相色谱分析，连续反应24小时后的结果列于表1。
实施例4
选取尺寸为40～60目的ZSM-5分子筛载体进行预处理，将载体在马弗炉中700℃下煅烧3小时进行预处理。将镁含量为20.0g的醋酸镁、锆含量为5.0g的氧氯化锆溶解于去离子水中得到混合溶液，将上述混合溶液加入到75.0g预处理过的Al-TS-1分子筛载体中，加热到70℃搅拌10小时，在120℃下烘干5小时，最后将干燥样品转移至马弗炉中500℃焙烧10小时得到分子筛负载催化剂。
将2.6mL上述催化剂装填在固定床反应器中部，将氨基甲酸乙酯溶解在乙醇中形成氨基甲酸乙酯和乙醇溶液，乙醇原料和氨基甲酸乙酯原料的摩尔比为10:1，氨基甲酸乙酯和乙醇溶液通过高压恒流泵从固定床反应器的底部进入催化剂床层，氨基甲酸乙酯原料与乙醇原料在催化剂床层段进行反应生成碳酸二乙酯，副产物氨气通过氮气载气原位移除，氮气的流量为0.6Lmin-1，反应温度为210℃，反应压力为1.6MPa，液体空速为0.5h-1。每隔1小时取反应产物通过气相色谱分析，连续反应24小时后的结果列于表1。
实施例5
选取尺寸为80～100目的Al-SBA-15分子筛载体进行预处理，将载体在马弗炉中600℃下煅烧6小时进行预处理。将镁含量为16.0g的硝酸镁、钛含量为4.0g的氯化钛溶解于去离子水中得到混合溶液，将上述混合溶液加入到80.0g预处理过的Al-SBA-15分子筛载体中，加热到90℃搅拌8小时，在110℃下烘干12小时，最后将干燥样品转移至马弗炉中600℃焙烧8小时得到分子筛负载催化剂。
将3mL上述催化剂装填在固定床反应器中部，将氨基甲酸乙酯溶解在乙醇中形成氨基甲酸乙酯和乙醇溶液，乙醇原料和氨基甲酸乙酯原料的摩尔比为10:1，氨基甲酸乙酯和乙醇溶液通过高压恒流泵从固定床反应器的底部进入催化剂床层，氨基甲酸乙酯原料与乙醇原料在催化剂床层段进行反应生成碳酸二乙酯，副产物氨气通过氮气载气原位移除，氮气的流量为0.4Lmin-1，反应温度为205℃，反应压力为1.7MPa，液体空速为1.5h-1。每隔1小时取反应产物通过气相色谱分析，连续反应24小时后的结果列于表1。
实施例6
选取尺寸为10～20目的Al-MCM-41分子筛载体进行预处理，将载体在马弗炉中450℃下煅烧5小时进行预处理。将镁含量为12.0g的醋酸镁、钼含量为6.0g的钼酸铵溶解于去离子水中得到混合溶液，将上述混合溶液加入到82.0g预处理过的Al-MCM-41分子筛载体中，加热到90℃搅拌8小时，在110℃下烘干12小时，最后将干燥样品转移至马弗炉中400℃焙烧6小时得到分子筛负载催化剂。
将3mL上述催化剂装填在固定床反应器中部，将氨基甲酸乙酯溶解在乙醇中形成氨基甲酸乙酯和乙醇溶液，乙醇原料和氨基甲酸乙酯原料的摩尔比为15:1，氨基甲酸乙酯和乙醇溶液通过高压恒流泵从固定床反应器的底部进入催化剂床层，氨基甲酸乙酯原料与乙醇原料在催化剂床层段进行反应生成碳酸二乙酯，副产物氨气通过氮气载气原位移除，氮气的流量为0.6Lmin-1，反应温度为195℃，反应压力为1.5MPa，液体空速为2.5h-1。每隔1小时取反应产物通过气相色谱分析，连续反应24小时后的结果列于表1。
实施例7
选取尺寸为30～40目的4A分子筛载体进行预处理，将载体在马弗炉中500℃下煅烧3小时进行预处理。将镁含量为20.0g的硝酸镁、铈含量为5.0g的醋酸铈溶解于去离子水中得到混合溶液，将上述混合溶液加入到75.0g预处理过的4A分子筛分子筛载体中，加热到100℃搅拌6小时，在115℃下烘干24小时，最后将干燥样品转移至马弗炉中500℃焙烧4小时得到分子筛负载催化剂。
将5mL上述催化剂装填在固定床反应器中部，将氨基甲酸乙酯溶解在乙醇中形成氨基甲酸乙酯和乙醇溶液，乙醇原料和氨基甲酸乙酯原料的摩尔比为8:1，氨基甲酸乙酯和乙醇溶液通过高压恒流泵从固定床反应器的底部进入催化剂床层，氨基甲酸乙酯原料与乙醇原料在催化剂床层段进行反应生成碳酸二乙酯，副产物氨气通过氮气载气原位移除，氮气的流量为0.8Lmin-1，反应温度为220℃，反应压力为2.5MPa，液体空速为1.0h-1。每隔1小时取反应产物通过气相色谱分析，连续反应24小时后的结果列于表1。
表1实施例1至实施例7的反应结果
从实施例1至实施例7中可以看出，采用本发明的催化剂并且结合本发明的制备工艺进行催化的碳酸二乙酯收率和碳酸二乙酯选择性均较高，并且能够持续进行生产，生产工艺反应均匀，不会有生产间歇，反应高效，适合大规模工业生产。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种连续合成碳酸二乙酯的催化剂，其特征在于，催化剂包括镁基氧化物和分子筛，以最终催化剂的总质量计，镁基氧化物为5～30wt％，其余为分子筛；
制备方法由以下步骤组成：
(1)将分子筛在马弗炉中400～800℃下煅烧2～6小时进行预处理；
(2)将镁基氧化物的盐酸盐或硝酸盐或醋酸盐溶液采用过量浸渍法浸渍到分子筛载体上，然后于100～120℃下干燥2～24小时，干燥后于空气气氛中400～600℃下煅烧2～10小时，得到最终连续合成碳酸二乙酯的催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种连续合成碳酸二乙酯的催化剂，其特征在于，所述分子筛选自3A分子筛、4A分子筛、Al-SBA-15分子筛、Al-KIT-6分子筛、Al-MCM-41分子筛、Al-TS-1分子筛、ZSM-5分子筛的一种，所述分子筛的尺寸为10-100目。
3.根据权利要求2所述的一种连续合成碳酸二乙酯的催化剂，其特征在于，所述分子筛的尺寸为20-60目。
4.根据权利要求1所述的一种连续合成碳酸二乙酯的催化剂，其特征在于，所述镁基氧化物中的氧化镁占镁基氧化物的总质量的50～99％，其余成分为氧化镧、氧化钙、氧化铈、氧化钼、氧化钛、氧化锆的至少一种。
5.一种采用权利要求1-4任一项所述的催化剂的合成碳酸二乙酯工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在长度为90cm、内径为1.2cm的管式固定床反应器中，中间恒温区填装2～5mL分子筛负载催化剂，作为催化剂床层；催化剂床层两端的床层用石英砂填满，以固定催化剂床层，并采用石英棉将石英砂与催化剂进行隔离，固定床反应器的顶部与冷凝器的顶部进行固定连接，冷凝器底部再与收集罐连通；
(2)将氨基甲酸乙酯溶解在乙醇中形成氨基甲酸乙酯和乙醇的原料溶液，氨基甲酸乙酯和乙醇溶液通过高压平流泵经过60℃预热的进料管道从固定床反应器的底部进入填装有分子筛负载催化剂的催化剂床层，氨基甲酸乙酯原料与乙醇原料在分子筛负载催化剂作用下进行反应生成碳酸二乙酯产品，同时生成氨气副产物；
(3)采用氮气作为吹扫气，氮气的流量为0.3～0.8Lmin-1，通过背压阀调节固定床反应器的反应压力为1.4～2.5MPa，将生成的碳酸二乙酯产品以及未反应完全的氨基甲酸乙酯原料和乙醇原料在冷凝器中进行冷凝后，再收集到收集罐中并隔一段时间进行取样分析，氨气副产物通过氮气吹扫进行原位移除。
6.根据权利要求5所述的一种合成碳酸二乙酯工艺，其特征在于：步骤(2)中乙醇原料和氨基甲酸乙酯原料的摩尔比为5:1～20:1，催化剂床层的反应温度为180～220℃。
7.根据权利要求5所述的一种合成碳酸二乙酯工艺，其特征在于：步骤(2)中以氨基甲酸乙酯原料为基准，氨基甲酸乙酯和乙醇原料溶液的液体空速为0.5～5h-1。
8.根据权利要求5所述的一种合成碳酸二乙酯工艺，其特征在于：冷凝器通过循环热水浴保持在50℃。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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