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CN110746435A - 均四甲苯低温液相连续氧化生产均苯四甲酸二酐的方法 - Google Patents

均四甲苯低温液相连续氧化生产均苯四甲酸二酐的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了化工生产技术领域内的一种均四甲苯低温液相连续氧化生产均苯四甲酸二酐的方法,首先将均四甲苯、醋酸和钴‑锰‑溴‑锆‑胍催化剂的混合液连续打入氧化反应塔中,进液的同时向塔体内连续通入富氧气体,保持氧化反应塔内温度为200‑300℃,塔体内压力0.5‑3MPa,均四甲苯与氧气催化反应生成均苯四甲酸,生成的均苯四甲酸密度小而浮于液面上层;将均苯四甲酸含量高的液面上层液体抽出进行闪蒸,使轻组分蒸发,罐底获得均苯四甲酸粗品;均苯四甲酸粗品经重结晶、离心分离获得均苯四甲酸晶体,再经脱水得到均苯四甲酸二酐。催化剂中溴用量少,降低了设备的腐蚀;其工艺简单,易于实现,利于均苯四甲酸二酐的工业生产。

Description

均四甲苯低温液相连续氧化生产均苯四甲酸二酐的方法
技术领域
本发明涉及一种低温液相连续氧化法生产工艺,具体地是采用均四甲苯低温液相连续氧化制成均苯四甲酸,然后均苯四甲酸经过脱水制成均苯四甲酸二酐。属于化工技术领域。
背景技术
均四甲苯,化学名叫1,2,4,5-四甲基苯,它是具有樟脑味的粒/叶状结晶物质,熔点80℃,可溶于乙醇、乙醚、丙酮、苯等有机溶剂,有升华性。均四甲苯是一种很重要的有机化工原料,主要是用于生产均苯四甲酸、均苯四甲酸酐。均四甲苯氧化后得均苯四甲酸,而后进一步脱水,制得均苯四甲酸二酐。
均四甲苯的1,2,4,5-四取代物的结构使它分子两端有对称的偶极子对,因此提高了分子的结晶度,具有较高熔点。因此,均四甲苯及其衍生物的用途之一就是增加聚合物的结晶度。均四甲苯衍生物含有相邻的两对官能团,相邻官能团的环系化合物允许聚合物交联。然而,均四甲苯衍生物的官能团作为两个线性对的反应能力是独特的,它允许链状阶梯式聚合物的生成,使得单双键交替存在。由于断键时必须打开双键,所以能显著提供这类聚合物材料的耐高温性能。因此,均四甲苯衍生物作为聚合物的组分,在较高的温度下仍可很好地使用。
均苯四甲酸及其衍生物在工业上也有着重要用途。均苯四甲酸能分离重金属,作除垢剂和防腐剂。均苯四甲酸钠的邻位羧基活性可与多价金属离子生成螯合物,做清洁剂的助剂。均苯四甲酸酯是一种好的低流动性增塑剂,同时也是PVC热稳定剂。均苯四甲酸衍生物制得的酞箐可做颜料、氧化催化剂,及高性能润滑剂。
均苯四甲酸二酐,化学名是1,2,4,5-苯甲酸二酐,简称均酐,英文缩写PMDA。均酐的外观为白色粉末或针状结晶,熔点为284-286 ℃,沸点为397-400 ℃,溶于二甲基甲酰胺、二甲亚砜、丙酮、丁酮和甲基异丁基酮等,不溶于氯仿、乙醚、正己烷、苯、石油醚,遇水或暴露在湿空气中易水解变成均苯四甲酸。
均苯四甲酸二酐是一种重要的化工原料,它和芳香族二胺合成一类非常重要的特种高分子聚合物——聚酰亚胺。聚酰亚胺是一种耐高温、耐低温、耐辐射、耐冲击和具有优异电绝缘性能的机械性能的新材料,广泛应用于电子、机电及航空工业等方面,在宇航和机电工业中具有其他工程塑料不可替代的重要地位。目前,均苯四甲酸二酐用作聚酰亚胺树脂和薄膜、环氧树脂固化剂、表面活性剂、增塑剂和聚酯树脂交联剂、涂料添加剂、水处理剂、柴油的低温性能改进剂、电极材料、偶氮染料以及耐高温润滑剂和电子摄影色调改善剂等。
目前合成均苯四甲酸二酐的方法主要有以下四种:(1)均四甲苯法,(2)偏三甲苯烷基化法,(3)偏三甲苯羰基化法,(4)2,4-二甲苯氯甲基化法。目前工业上普遍采用的是以均四甲苯为原料生产均苯四甲酸二酐,其它三种方法由于其环境污染严重,对设备要求高,新技术不成熟等原因,致使其没有实现大规模的工业化。
均四甲苯法分为均四甲苯液相氧化法和均四甲苯气相氧化法。
第一、均四甲苯液相氧化法是以均四甲苯原料经过均四甲苯液相空气氧化制成均苯四甲酸,然后均苯四甲酸经过脱水得到均苯四甲酸二酐。
专利JP2515296通过均四甲苯液相氧化方法制得粗均苯四甲酸,然后对其进行加热,使均苯四甲酸部分脱水,制得的粗均苯四甲酸在脂肪族酐(例如乙酸酐)的存在下通过酐化转变为均苯四甲酸二酐。在该专利中,酐化时每摩尔的均苯四甲酸需要两摩尔的乙酸酐,同时在反应过程中出现副产物,乙酸酐变成了乙酸,需要对其进行处理,因此增加了生产成本。
专利EP0215431B1在槽式干燥机中将液相氧化制得的均苯四甲酸与热载介质热交换,在氮气氛围下脱水制备均苯四甲酸二酐。研究发现,均苯四甲酸含不含水影响脱水时间,相同的转化率,不含水的均苯四甲酸所需脱水时间比含水的缩短4倍之多。
专利CN200610171912.0在槽式干燥器中加热均苯四甲酸使其部分脱水转化成为均苯四甲酸酐,再加入乙酸酐/乙酸混合物,继续加热上述产物混合物使均苯四甲酸完全酐化,最终均苯四甲酸二酐的摩尔收率为98%。
专利JP6259280A在槽式干燥器中均四苯甲酸在有限的温度下加热脱除水转化成为均苯四甲酸二酐,该方法的不好之处在于其很难控制粒子的性质和防止均苯四甲酸二酐变色,从而对均苯四甲酸二酐作为原料或添加剂生产的热塑性树脂在加工过程中出现变色现象。同时其粒子的性质会引起管道、料斗出口、反应器进口等的堵塞,从而会影响均苯四甲酸二酐的生产。
以上专利均采用均四甲苯液相氧化法生产均苯四甲酸然后脱水成酐生产均苯四甲酸二酐。该工艺合成均苯四甲酸二酐的收率和纯度虽然较高,但是工艺路线较长,对设备材质要求较高,投资高。
第二、均四甲苯气相氧化法是以均四甲苯为原料气化在空气催化氧化一步就可以制得均苯四甲酸二酐。均四甲苯气相氧化制得均苯四甲酸二酐的研究报道较多,由于均四甲苯气相氧化制取均苯四甲酸二酐是一个复杂的多相催化过程,产物为多种含氧化合物的混合物,其中包含酸类、酐类,醛类和醇类化合物,因此,一般采用催化剂为载体型催化剂。所以,对于均四甲苯气相氧化法生产均苯四甲酸二酐路线简单,主要是在催化剂的选取上对于产物均苯四甲酸二酐的纯度、收率和选择性等几个方面来研究气相法生产均苯四甲酸二酐的过程。
专利US4925957制备了一系列以钒为主要成分的复合催化剂负载在α-Al2O3上。研究发现,对于Mn-Na-V体系,添加Mo使得反应温度降低了10 ℃。对于V-Na-Nb和V-Ti-Na体系,添加Mo之后,虽然均苯四甲酸二酐的质量收率仍在100 %以上,但是反应温度的区间变窄了,如果超出最佳的温度区间,均苯四甲酸二酐收率将会大幅度的下降。
专利US6084109制备了一系列以钒和钨为主要成分的复合催化剂,分别或共同负载在氧化钛、碳化硅、碳化钨上,添加一定量的Mn、Sb、Bi、P、Cu、Al等。研究发现,V-Mn-Fe(3价)负载在氧化钛和碳化硅上制得均苯四甲酸二酐的最佳收率为100 %。研究还发现,载体氧化钛的晶体结构锐钛矿所得的收率要高于金红石,而且反应温度的温差较小,且催化剂的性能较为稳定,不易失活。
专利CN98116910.4在V-Ti-P体系中分别加入Mo和Cs,喷涂到α-Al2O3或SiC或环状载体上,在430-450 ℃条件下进行氧化反应。之后将粗酐与水和活性炭按照一定比例混合加热处理,最终真空升华可得到纯度>98.5 %的精制均苯四甲酸二酐。
专利US5225572制备了一系列的V2O5-TiO2为主要成分的复合催化剂,在350-400℃条件下,添加0.5 %的B2O3制得均苯四甲酸二酐的最佳摩尔收率为60.5 %,纯度为95 %。研究发现,随着反应温度升高,摩尔收率降低,但其纯度增加。
以上专利均采用均四甲苯气相氧化法生产均苯四甲酸二酐。但气相法均四甲苯生产均苯四甲酸二酐,氧化温度较高,副反应较多,产物的纯度、选择性、收率等都相对较低。因此,对于均四甲苯气相法虽然工艺简单,但对如何提高产物均酐的选择性,进而提高产物均酐的收率和纯度,尚未见公开报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种均四甲苯低温液相连续氧化生产均苯四甲酸二酐的方法,使得均苯四甲酸二酐生产温度低,能耗小;反应副产物较少,产物收率高;质量更稳定。
为此,本发明提供的一种均四甲苯低温液相连续氧化生产均苯四甲酸二酐的方法,包括如下步骤:
(1)将均四甲苯、醋酸和钴-锰-溴-锆-胍催化剂的混合液连续打入氧化反应塔中,所述钴-锰-溴-锆-胍催化剂包括醋酸钴、醋酸锰、四溴乙烷、醋酸锆和醋酸胍,混合液中,醋酸作为溶剂,各物质的重量含量分别为:均四甲苯14.8-19.4%,醋酸80.4-84.8%,醋酸钴为0.035-0.09%,醋酸锰为0.04-0.1%,四溴乙烷为0.019-0.055%,醋酸锆为0.007-0.032 %,醋酸胍为0.014-0.033 %;进液的同时向塔体内连续通入富氧气体,进液流量为1200-1500kg/h,进气流量为950-1050m3/h;
(2)保持氧化反应塔内温度为200-300℃,塔体内压力0.5-3MPa,均四甲苯与氧气催化反应生成均苯四甲酸,生成的均苯四甲酸密度小而浮于液面上层;
(3)将均苯四甲酸含量高的液面上层液体抽出,在0.02-0.08MPa,温度195-205℃的闪蒸罐内闪蒸,使均四甲苯、醋酸及其他轻组分蒸发,罐底获得均苯四甲酸粗品;
(4)在温度90-95℃下,将粗品均苯四甲酸与在水中溶解,通过活性炭脱色和恒温连续过滤后,进入连续重结晶,结晶温度为5-45℃,然后连续离心机分离,去除水,得到均苯四甲酸晶体;均苯四甲酸晶体纯度可达98-99 %,转化率94-98%(以重量计);
(5)均苯四甲酸在温度120-220℃,压力0.02-0.06MPa环境下脱水成酐,得到均苯四甲酸二酐,纯度可达99.5-99.9 %(按重量计)。
上述富氧气体为可为空气,或为氧气体积含量为21-50%的氮氧混合气体。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
1、选择了一种特殊的催化剂,使得氧化反应具有较高的选择性,可以在相对较低的温度下进行,减小了副反应发生,获得产品的纯度高,同时大大减小了溴的使用量,减弱了反应体系的腐蚀性,降低了设备的腐蚀。
2、本发明采用连续液相氧化法进行生产,通过闪蒸去除轻组分,成酐时仅采用真空脱水予以实现,具有工艺简单,易于实现的优点,为均苯四甲酸二酐的大规模工业生产提供技术支持。
具体实施方式
实施例1
一种均四甲苯低温液相连续氧化生产均苯四甲酸二酐的方法,包括如下步骤:
(1)将均四甲苯、醋酸和钴-锰-溴-锆-胍催化剂的混合液连续打入氧化反应塔中,所述钴-锰-溴-锆-胍催化剂包括醋酸钴、醋酸锰、四溴乙烷、醋酸锆和醋酸胍,混合液中,醋酸作为溶剂,均四甲苯为223.35 kg,醋酸为1272 kg,催化剂用醋酸钴1.35 kg、醋酸锰1.5 kg、四溴乙烷0.825 kg、醋酸锆0.48 kg和醋酸胍0.495 kg,对应的各物质的重量含量分别为:均四甲苯14.89%,醋酸84.8%,醋酸钴为0.09%,醋酸锰为0.1%,四溴乙烷为0.055%,醋酸锆为0.032 %,醋酸胍为0.033 %;进液的同时向塔体内连续通入空气,进液流量为1500 kg/h,进气流量为1050m3/h;
(2)保持氧化反应塔内温度为280-300℃,塔体内压力2.5-3MPa,均四甲苯与氧气催化反应生成均苯四甲酸,生成的均苯四甲酸密度小而浮于液面上层;
(3)将均苯四甲酸含量高的液面上层液体抽出,在0.06-0.08MPa,温度195-205℃的闪蒸罐内闪蒸,使均四甲苯、醋酸及其他轻组分蒸发,罐底获得均苯四甲酸粗品;
(4)在温度90-95℃下,将粗品均苯四甲酸与在水中溶解,通过活性炭脱色和恒温连续过滤后,进入连续重结晶,结晶温度为35-45℃,然后连续离心机分离,去除水,得到均苯四甲酸晶体;均苯四甲酸晶体纯度可达99 %,转化率95%;
(5)均苯四甲酸在温度200-220℃,压力0.04-0.06MPa环境下脱水成酐,得到均苯四甲酸二酐,纯度可达99.9 %,收率为96%。
实施例2
一种均四甲苯低温液相连续氧化生产均苯四甲酸二酐的方法,包括如下步骤:
(1)将均四甲苯、醋酸和钴-锰-溴-锆-胍催化剂的混合液连续打入氧化反应塔中,所述钴-锰-溴-锆-胍催化剂包括醋酸钴、醋酸锰、四溴乙烷、醋酸锆和醋酸胍,混合液中,醋酸作为溶剂,均四甲苯为291 kg,醋酸为1206 kg,催化剂用醋酸钴0.525 kg、醋酸锰1.5kg、四溴乙烷0.375 kg、醋酸锆0.105 kg和醋酸胍0.495 kg,对应的各物质的重量含量分别为:均四甲苯19.4%,醋酸80.4%,醋酸钴为0.035%,醋酸锰为0.1%,四溴乙烷为0.025%,醋酸锆为0.007 %,醋酸胍为0.033 %;进液的同时向塔体内连续通入空气,进液流量为1200 kg/h,进气流量为1050m3/h;
(2)保持氧化反应塔内温度为200-220℃,塔体内压力0.5-0.6MPa,均四甲苯与氧气催化反应生成均苯四甲酸,生成的均苯四甲酸密度小而浮于液面上层;
(3)将均苯四甲酸含量高的液面上层液体抽出,在0.02-0.03MPa,温度195-205℃的闪蒸罐内闪蒸,使均四甲苯、醋酸及其他轻组分蒸发,罐底获得均苯四甲酸粗品;
(4)在温度90-95℃下,将粗品均苯四甲酸与在水中溶解,通过活性炭脱色和恒温连续过滤后,进入连续重结晶,结晶温度为5-8℃,然后连续离心机分离,去除水,得到均苯四甲酸晶体;均苯四甲酸晶体纯度可达98%,转化率98%;
(5)均苯四甲酸在温度120-130℃,压力0.02-0.03MPa环境下脱水成酐,得到均苯四甲酸二酐,纯度可达99.5 %,收率为95%。
实施例3
一种均四甲苯低温液相连续氧化生产均苯四甲酸二酐的方法,包括如下步骤:
(1)将均四甲苯、醋酸和钴-锰-溴-锆-胍催化剂的混合液连续打入氧化反应塔中,所述钴-锰-溴-锆-胍催化剂包括醋酸钴、醋酸锰、四溴乙烷、醋酸锆和醋酸胍,混合液中,醋酸作为溶剂,均四甲苯为236.25 kg,醋酸为1260.75kg,催化剂用醋酸钴1.05 kg、醋酸锰1.005kg、四溴乙烷0.285 kg、醋酸锆0.45 kg和醋酸胍0.21 kg,对应的各物质的重量含量分别为:均四甲苯15.75%,醋酸84.05%,醋酸钴为0.07%,醋酸锰为0.067%,四溴乙烷为0.019%,醋酸锆为0.03 %,醋酸胍为0.014 %;进液的同时向塔体内连续通入富氧气体,富氧气体为氧气体积含量为21%的氮氧混合气体;进液流量为1250 kg/h,进气流量为950m3/h;
(2)保持氧化反应塔内温度为250℃,塔体内压力1.5MPa,均四甲苯与氧气催化反应生成均苯四甲酸,生成的均苯四甲酸密度小而浮于液面上层;
(3)将均苯四甲酸含量高的液面上层液体抽出,在0.05MPa,温度200℃的闪蒸罐内闪蒸,使均四甲苯、醋酸及其他轻组分蒸发,罐底获得均苯四甲酸粗品;
(4)在温度90-95℃下,将粗品均苯四甲酸与在水中溶解,通过活性炭脱色和恒温连续过滤后,进入连续重结晶,结晶温度为25℃,然后连续离心机分离,去除水,得到均苯四甲酸晶体;均苯四甲酸晶体纯度可达98 %,转化率97%;
(5)均苯四甲酸在温度185℃,压力0.4MPa环境下脱水成酐,得到均苯四甲酸二酐,纯度可达99.9 %,收率为97%。
实施例4
一种均四甲苯低温液相连续氧化生产均苯四甲酸二酐的方法,包括如下步骤:
(1)将均四甲苯、醋酸和钴-锰-溴-锆-胍催化剂的混合液连续打入氧化反应塔中,所述钴-锰-溴-锆-胍催化剂包括醋酸钴、醋酸锰、四溴乙烷、醋酸锆和醋酸胍,混合液中,醋酸作为溶剂,均四甲苯为260.4 kg,醋酸为1237.5kg,催化剂用醋酸钴0.6 kg、醋酸锰0.6 kg、四溴乙烷0.3 kg、醋酸锆0.3 kg和醋酸胍0.3 kg,对应的各物质的重量含量分别为:均四甲苯17.36%,醋酸82.5%,醋酸钴为0.04%,醋酸锰为0.04%,四溴乙烷为0.02%,醋酸锆为0.02 %,醋酸胍为0.02 %;进液的同时向塔体内连续通入富氧气体,富氧气体为氧气体积含量为50%的氮氧混合气体;进液流量为1400 kg/h,进气流量为1000m3/h;
(2)保持氧化反应塔内温度为200-300℃,塔体内压力2.2MPa,均四甲苯与氧气催化反应生成均苯四甲酸,生成的均苯四甲酸密度小而浮于液面上层;
(3)将均苯四甲酸含量高的液面上层液体抽出,在0.03-0.05MPa,温度195℃的闪蒸罐内闪蒸,使均四甲苯、醋酸及其他轻组分蒸发,罐底获得均苯四甲酸粗品;
(4)在温度90-95℃下,将粗品均苯四甲酸与在水中溶解,通过活性炭脱色和恒温连续过滤后,进入连续重结晶,结晶温度为5-25℃,然后连续离心机分离,去除水,得到均苯四甲酸晶体;均苯四甲酸晶体纯度可达98.5 %,转化率98%;
(5)均苯四甲酸在温度170-180℃,压力0.05-0.06MPa环境下脱水成酐,得到均苯四甲酸二酐,纯度可达99.5 %,收率为96.5%。
本发明并不局限于上述实施例,在本发明公开的技术方案的基础上,本领域的技术人员根据所公开的技术内容,不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形,这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种均四甲苯低温液相连续氧化生产均苯四甲酸二酐的方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)将均四甲苯、醋酸和钴-锰-溴-锆-胍催化剂的混合液连续打入氧化反应塔中,所述钴-锰-溴-锆-胍催化剂包括醋酸钴、醋酸锰、四溴乙烷、醋酸锆和醋酸胍,混合液中,醋酸作为溶剂,各物质的重量含量分别为:均四甲苯14.8-19.4%,醋酸80.4-84.8%,醋酸钴为0.035-0.09%,醋酸锰为0.04-0.1%,四溴乙烷为0.019-0.055%,醋酸锆为0.007-0.032 %,醋酸胍为0.014-0.033 %;进液的同时向塔体内连续通入富氧气体,进液流量为1200-1500kg/h,进气流量为950-1050m3/h;
(2)保持氧化反应塔内温度为200-300℃,塔体内压力0.5-3MPa,均四甲苯与氧气催化反应生成均苯四甲酸,生成的均苯四甲酸密度小而浮于液面上层;
(3)将均苯四甲酸含量高的液面上层液体抽出,在0.02-0.08MPa,温度195-205℃的闪蒸罐内闪蒸,使均四甲苯、醋酸及其他轻组分蒸发,罐底获得均苯四甲酸粗品;
(4)在温度90-95℃下,将粗品均苯四甲酸与在水中溶解,通过活性炭脱色和恒温连续过滤后,进入连续重结晶,结晶温度为5-45℃,然后连续离心机分离,去除水,得到均苯四甲酸晶体;
(5)均苯四甲酸在温度120-220℃,压力0.02-0.06MPa环境下脱水成酐,得到均苯四甲酸二酐。
2.根据权利要求1所述的一种均四甲苯低温液相连续氧化生产均苯四甲酸二酐的方法,其特征在于所述富氧气体为空气。
3.根据权利要求1所述的一种均四甲苯低温液相连续氧化生产均苯四甲酸二酐的方法,其特征在于所述富氧气体为氧气体积含量为21-50%的氮氧混合气体。
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