CN112705274A - 一种催化剂再生及甲醛回收方法 - Google Patents
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Abstract
一种催化剂再生及甲醛回收方法,其中所述催化剂用于以甲醛为反应原料的反应中,所述方法包括将所述催化剂在包含再生气体的环境下焙烧,然后将焙烧后的气体与吸收液接触使吸收液吸收甲醛得到含有甲醛的回收液。该方法能解决现有技术中醋酸甲酯与甲醛缩合制丙烯酸甲酯过程中催化剂结焦失活及甲醛利用率低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种催化剂再生及甲醛回收方法。
背景技术
丙烯酸甲酯是一种有广泛用途的重要的精细化工原料,主要用作有机合成中间体和高分子单体,以丙烯酸甲酯为单体制备的聚合物广泛用于涂料、纺织、制革、粘合剂等行业。
丙烯酸及其酯的制备方法主要有丙烯氧化法、丙烯腈水解法、乙烯酮法、丙烷氧化法以及甲酸甲酯法等。但是这些方法存在污染严重、能耗大、产物收率不高等缺点。因此,开发绿色高效的新生产工艺具有十分重要的意义。
我国的醋酸甲酯产能大大过剩,以工业副产物醋酸甲酯为原料,采用安全环保无毒的固体碱催化剂,通过清洁的合成工艺,可以实现丙烯酸甲酯的绿色合成。
目前,醋酸甲酯与甲醛为原料合成丙烯酸甲酯的研究尚未工业化,目前仅处于研究阶段,但作为新工艺路线,其成本优势十分明显,主要大型跨国化工公司均在投入人力物力研发该工艺。
中国科学院过程工程研究所报道采用醋酸甲酯和甲醛为原料,采用Cs-P/Al2O3催化剂,丙烯酸甲酯收率达40%,但催化剂在100h内就出现快速失活,稳定性有待进一步提高。另外,还有些研究中将Cs-La-Sb/SiO2催化剂用于醋酸甲酯与甲醛气相缩合制丙烯酸甲酯,丙烯酸甲酯的收率8~10%,但反应100小时后降至5-6%。
由于甲醛在碱性条件下易聚合为聚甲醛附着于催化剂表面,造成堵孔失活,催化剂长期使用效果不佳。因此,为了更高效的利用催化剂,需要催化剂再生。
发明内容
为了使催化剂再生并回收利用甲醛,本发明提供了一种催化剂再生及甲醛回收方法,该方法能解决现有技术中醋酸甲酯与甲醛缩合制丙烯酸甲酯过程中催化剂结焦失活及甲醛利用率低的问题。
本申请的发明人通过对结焦失活的催化剂进行氮气氛TG-MS测试发现,附着在催化剂表面的物质主要是聚甲醛,即未参与反应的甲醛发生自聚。甲醛的质谱特征m/z比为28、29、30,通过TG-MS联用,对氮气氛下升温至300℃以上有大量气体放出,对释放出的气体进行质谱分析发现有大量甲醛产生,由此可知催化剂表面上主要为聚甲醛。
根据本发明,提供了一种催化剂再生及甲醛回收方法,其中所述催化剂用于以甲醛为反应原料的反应中,
所述方法包括将所述催化剂在包含再生气体的环境下焙烧,然后将焙烧后的气体与吸收液接触使吸收液吸收甲醛得到含有甲醛的回收液。
根据本发明的优选实施方式,所述再生气体包括氮气、水蒸气、氩气和氦气中的一种或多种,优选为氮气和/或氦气。
根据本发明的优选实施方式,所述再生气体的流量为100-2000mL/min,例如可以为100mL/min、200mL/min、400mL/min、600mL/min、800mL/min、1000mL/min、1200mL/min、1400mL/min、1600mL/min、1800mL/min、2000mL/min以及它们之间的任意值,优选为1000-1600mL/min。
根据本发明的优选实施方式,所述焙烧的温度250-450℃,例如可以为250℃、280℃、300℃、320℃、340℃、360℃、380℃、400℃、420℃、450℃以及它们之间的任意值,优选为300-360℃。
根据本发明的优选实施方式,所述焙烧的压力为0-1.0MPa,例如可以为0、0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa以及它们之间的任意值,优选为0-0.4MPa。
根据本发明的优选实施方式,将所述催化剂在包含再生气体的环境下焙烧这一过程为催化剂的再生过程,优选地,当焙烧后的气体中甲醛的含量低于0.005mol%时,停止焙烧。
根据本发明的优选实施方式,所述催化剂为固体碱催化剂,优选地,所述催化剂为负载Cs的固体碱催化剂。以甲醛为原料的反应中,甲醛在碱性条件下易聚合为聚甲醛附着在催化剂表面,导致堵孔失活。
根据本发明的优选实施方式,所述催化剂再生的方法包括:在再生气体的存在下,对结焦失活的催化剂床层升温,使催化剂表面的结焦物质分解为甲醛,分解物甲醛随着惰性气体离开反应器。
本申请的发明人通过对结焦失活的催化剂进行氮气氛TG-MS测试发现,附着在催化剂表面的物质主要是聚甲醛,即未参与反应的甲醛发生自聚。甲醛的质谱特征m/z比为28、29、30,通过TG-MS联用,对氮气氛下升温至300℃以上有大量气体放出,对释放出的气体进行质谱分析发现有大量甲醛产生,由此可知催化剂表面上主要为聚甲醛。
根据本发明的优选实施方式,所述吸收液包括水、甲醇和乙醇中的一种或多种。
根据本发明的优选实施方式,所述吸收液为甲醇的水溶液,优选地,甲醇的质量浓度为0.1-10%。
根据本发明的优选实施方式,当焙烧后的气体被吸收液吸收后甲醛的含量高于0.0005mol%时,更换吸收液。
根据本发明的优选实施方式,所述催化剂用于醋酸甲酯和甲醛制丙烯酸甲酯的反应中。
根据本发明的优选实施方式,当原料转化率降至初始转化率的70%以下时,将所述催化剂进行再生处理。
根据本发明的优选实施方式,所述方法还包括从所述含有甲醛的吸收液中分离出甲醛并将其用作反应原料。
本发明还提供了一种甲醛回收系统,所述甲醛回收系统用于将聚合后附着在催化剂表面的甲醛进行回收重新用于聚合反应,从而提高甲醛利用率。
根据本发明的优选实施方式,所述甲醛回收系统包括与吸收器相连接的气体入口和气体出口。
根据本发明的优选实施方式,所述吸收器中设有分布器,使得气体与吸收液能够更充分的接触。
根据本发明的优选实施方式,所述气体入口设置于吸收器的下端,气体出口设置于吸收器的上端。
根据本发明的优选实施方式,将焙烧后的气体从气体入口通入含有吸收液的吸收器中,焙烧后的气体被吸收液吸收后从气体出口排除,分两股进入排空管线和气相色谱分析,当检测被吸收液吸收后的气体中甲醛的含量超过0.005mol%时,更换吸收液。
本发明提供的方法可以有效对固体碱催化剂进行再生,保证了催化剂长期稳定运行。同时可以将未反应的甲醛进行回收再利用,提高了原料利用率。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行详细说明,但本发明并不受下述实施例限定。
实施例1
1、催化剂再生
取10克待再生催化剂装入再生反应器(内径16mm长1500mm)中,用氮气置换三次后,将反应器升至300℃,通入氮气,流量为400mL/min,压力为0.08MPa,每小时测定出口甲醛浓度,保持12小时,最后测定出口甲醛浓度为0.003%(mol),再生完成。
2、甲醛回收
在150℃伴热下将含有甲醛的氮气通入吸收器(内径200mm,长400mm,含5层分布器,每层含8个浮头)中,吸收液为含5%甲醇水溶液,每小时测定出口甲醛浓度,保持12小时,最后测定出口甲醛浓度为0.002%(mol),吸收完成。
实施例2
1、催化剂再生
取10克待再生催化剂装入再生反应器(内径16mm长1500mm)中,用水蒸气置换三次后,将反应器升至300℃,通入水蒸气,流量为400mL/min,压力为0.08MPa,每小时测定出口甲醛浓度,保持8小时,最后测定出口甲醛浓度为0.002%(mol),再生完成。
2、甲醛回收
在150℃伴热下将含有甲醛的水蒸气通入吸收器(内径200mm,长400mm,含5层分布器,每层含8个浮头)中,吸收液为含5%甲醇水溶液,每小时测定出口甲醛浓度,保持8小时,最后测定出口甲醛浓度为0.002%(mol),吸收完成。
实施例3
1、催化剂再生
取10克待再生催化剂装入再生反应器(内径16mm长1500mm)中,用水蒸气置换三次后,将反应器升至400℃,通入氮气,流量为400mL/min,压力为0.08MPa,每小时测定出口甲醛浓度,保持8小时,最后测定出口甲醛浓度为0.002%(mol),再生完成。
2、甲醛回收
在150℃伴热下将含有甲醛的水蒸气通入吸收器(内径200mm,长400mm,含5层分布器,每层含8个浮头)中,吸收液为含5%甲醇水溶液,每小时测定出口甲醛浓度,保持8小时,最后测定出口甲醛浓度为0.002%(mol),吸收完成。
实施例4
1、催化剂再生
取10克待再生催化剂装入再生反应器(内径16mm长1500mm)中,用氮气置换三次后,将反应器升至300℃,通入氮气,流量为400mL/min,压力为0.5MPa,每小时测定出口甲醛浓度,保持16小时,最后测定出口甲醛浓度为0.003%(mol),再生完成。
2、甲醛回收
在150℃伴热下将含有甲醛的氮气通入吸收器(内径200mm,长400mm,含5层分布器,每层含8个浮头)中,吸收液为含5%甲醇水溶液,每小时测定出口甲醛浓度,保持16小时,最后测定出口甲醛浓度为0.001%(mol),吸收完成。
实施例5
1、催化剂再生
取10克待再生催化剂装入再生反应器(内径16mm长1500mm)中,用氮气置换三次后,将反应器升至300℃,通入氮气,流量为1000mL/min,压力为0.08MPa,每小时测定出口甲醛浓度,保持12小时,最后测定出口甲醛浓度为0.003%(mol),再生完成。
2、甲醛回收
在150℃伴热下将含有甲醛的氮气通入吸收器(内径200mm,长400mm,含5层分布器,每层含8个浮头)中,吸收液为含5%甲醇水溶液,测定出口甲醛浓度为0.01%(mol),在其后串联一个相同的吸收器,测定出口甲醛浓度为0.001%(mol),其后每小时测定出口甲醛浓度,保持12小时,最后测定出口甲醛浓度为0.001%(mol),吸收完成。
实施例6
1、催化剂再生
取10克待再生催化剂装入再生反应器(内径16mm长1500mm)中,用氮气置换三次后,将反应器升至300℃,通入氮气,流量为400mL/min,压力为0.08MPa,每小时测定出口甲醛浓度,保持12小时,最后测定出口甲醛浓度为0.003%(mol),再生完成。
2、甲醛回收
在150℃伴热下将含有甲醛的氮气通入吸收器(内径200mm,长400mm,含5层分布器,每层含8个浮头)中,吸收液为含1%甲醇水溶液,每小时测定出口甲醛浓度,保持12小时,最后测定出口甲醛浓度为0.001%(mol),吸收完成。
对比例1
取10克待再生催化剂装入再生反应器(内径16mm长1500mm)中,用氮气置换三次后,将反应器升至400℃,通入氮气(流量为400mL/min)和空气(流量为20mL/min),压力为0.08MPa。床层温度接近460℃时,减少空气流量,当床层无热点且床层温度低于460℃时,将空气流量升至50mL/min,催化剂床层温度不能超过460℃。当催化剂床层无温升时,将反应器以30℃/h升至460℃,保持4小时。分析反应器出口气体组成,CO2含量低于0.3%(mol),再生完成,本再生方法无法回收甲醛。
对比例2
与实施例1的区别仅在于吸收液为1%的亚硫酸钠溶液。亚硫酸钠与甲醛反应生成其他物质,该方法无法回收甲醛。
对比例3
与实施例1的区别仅在于吸收液为1%的氢氧化钠溶液。甲醛与氢氧化钠反应,生成甲醇和甲酸钠,该方法无法回收甲醛。
对比例4
与实施例1的区别仅在于催化剂再生步骤中,将反应器升温至220℃,在该温度下聚甲醛不能解聚。
对比例5
与实施例1的区别仅在于催化剂再生步骤中,将反应器升温至500℃,在该温度下,催化剂再生后产生积碳。
应当注意的是,以上所述的实施例仅用于解释本发明,并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述,但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇,而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改,以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例,但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例,相反,本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。
Claims (10)
1.一种催化剂再生及甲醛回收方法,其中所述催化剂用于以甲醛为反应原料的反应中,
所述方法包括将所述催化剂在包含再生气体的环境下焙烧,然后将焙烧后的气体与吸收液接触使吸收液吸收甲醛得到含有甲醛的回收液。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述再生气体包括氮气、水蒸气、氩气和氦气中的一种或多种,优选为氮气和/或氦气。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述再生气体的流量为100-2000mL/min。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法,其特征在于,所述焙烧条件包括:温度250-450℃,和/或,压力为0-1.0MPa。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法,其特征在于,所述催化剂为固体碱催化剂。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法,其特征在于,所述吸收液包括水、甲醇和乙醇中的一种或多种。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法,其特征在于,所述吸收液为甲醇的水溶液。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述甲醇的质量浓度为0.1-10%。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法,其特征在于,所述催化剂用于醋酸甲酯和甲醛制丙烯酸甲酯的反应中。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法,其特征在于,所述方法还包括从所述含有甲醛的吸收液中分离出甲醛并将其用作反应原料。
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