1_0kt_a丙烯与双氧水环氧化制备环氧丙烷的中试研究_林民
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石 油 炼 制 与 化 工
2013年3月
收稿日期:2012-08-10;修改稿收到日期:2012-10-11。
作者简介:林民,
男,博士,教授级高工,主要从事催化新材料和环境友好化学反应的研究开发工作。
通讯联系人:林民,E-mail:linmin.ripp@sinopec.com。
基金项目:国家重点基础研究发展规划(
973)资助项目(2006CB202508);中国石油化工股份有限公司资助项目(S411058和S409085
)。
1.0kt?
a丙烯与双氧水环氧化制备环氧丙烷的中试研究林 民1,李 华2,王 伟3,龙 军1
(1.中国石化石油化工科学研究院,北京100083;2.
中国石化长岭分公司;3.湖南长岭石化科技开发有限公司)摘 要:在实验室研究、小试和侧线试验的基础上,建立1.0kt?a丙烯与双氧水环氧化制备环氧丙烷的中试装置。
采用空心钛硅分子筛改性制备的丙烯环氧化催化剂HPO-1,在一定的反应压力和丙烯与双氧水摩尔比的条件下,
考察反应温度、甲醇与双氧水的摩尔比和双氧水空速等对双氧水转化率和环氧丙烷选择性的影响,确定中试工艺条件为:反应温度30~70℃,反应压力0.5~2.0MPa,双氧水质量空速0.12~1.20h
-1
,甲醇与双氧水的摩尔比5~25,丙烯与双氧水的摩尔比1.2~2.5。
在该条件下,运行超过6 000h,双氧水转化率为96%~99%,环氧丙烷选择性为96%~98%,催化活性未明显下降;采用双共沸蒸馏工艺分离提纯的环氧丙烷产品的纯度不小于99.97%。
关键词:钛硅分子筛 TS-1 环氧丙烷 环氧化 丙烯 双氧水
环氧丙烷是仅次于聚丙烯和丙烯腈的丙烯第
三大衍生物[
1]
,主要用于聚氨酯塑料、不饱和树脂和表面活性剂的生产。
我国环氧丙烷的产量从2007年的680kt增加到2011年的1
350kt,平均年增长率约13%;消费量从2007年的795kt增大到2011年的1 850kt,平均年增长率接近21%;进口量从2007年的147kt增加到2011年的300kt,平均年增长率接近21%。
随着环氧丙烷下游衍生物,特别是聚醚多元醇的快速增长,环氧丙烷的需求也将快速增长,预计2015年国内需求量将达到1
980kt左右,进口量将进一步增大。
现有的环氧丙烷合成工艺主要为氯醇法和共氧化法,
国内生产环氧丙烷的装置除中海壳牌石油化工有限公司和宁波镇海炼化利安德化学有限公司从国外引进的两套装置采用共氧化法外,其余全部采用氯醇法。
氯醇法转化效率低、耗氯量大、设备腐蚀和污染严重,每生产1t环氧丙烷约副产40~60t含氯废水,环境污染非常严重,目前多个地区已要求关闭氯醇法生产环氧丙烷的装置。
共氧化法也存在工艺复杂、
流程长、对设备要求高、投资大、副产物多、废气污染严重、联产问题突出等问题。
因此,
开发无污染、成本低的环氧丙烷生产新方法是国内外研究的热点。
钛硅分子筛(TS-1)是Enichim化学公司Tar-amasso等[2]
发现的一种新型催化材料,被誉为20
世纪80年代沸石催化的里程碑[3-9]。
钛硅分子筛催化的丙烯与双氧水环氧化制备环氧丙烷的方
法,克服了氯醇法和共氧法的不足,具有条件温和、
工艺简单、环境友好、产品选择性好、原子经济利用率高等特点,是国际公认的“绿色”环保生产技术,是环氧丙烷合成技术发展的趋势。
中国石化石油化工科学研究院(以下简称石科院)
、中国石化长岭分公司(以下简称长岭分公司)和湖南长岭石化科技开发有限公司合作开发了钛硅分子筛催化的丙烯与双氧水环氧化合成环氧丙烷技术,在实验室、小试和侧线试验的基础上,在湖南岳阳建成了1.0kt?a丙烯与双氧水环氧化制备环氧丙烷的中试装置。
本课题主要考察反应温度、甲醇?双氧水的摩尔比和双氧水空速等对反应的影响,确定丙烯与双氧水环氧化制备环氧丙烷的中试条件。
1 中试试验
1.1 主要原料和催化剂的性质
原料丙烯取自长岭分公司气体分离装置,其中丙烯体积分数不小于99.6%;
氧化剂双氧水购
石 油 炼 制 与 化 工 2013年第44卷
于中国石化巴陵分公司,其中过氧化氢的质量分数为27.5%~50%,稳定度不小于97%;溶剂甲醇为购于化学品工业市场的工业品。
环氧化催化剂HPO-
1是以石科院开发的具有自主知识产权的空心钛硅分子筛[10-
11]为催化组
元、经改性和成型后制备的丙烯双氧水环氧化专用催化剂,其主要性质见表1。
表1 环氧化催化剂HPO-
1的主要性质 项 目数 据外观白色
活性组元
改性空心钛硅分子筛
堆密度?(g
·mL-1)0.78孔体积?(mL·g-1)0.41比表面积?(m2·g
-1)360双氧水转化率,%≥95环氧丙烷选择性,%
≥9
51.2 分析方法
采用美国ThermoFisher公司生产的Tra-
ceISQ质谱分析仪分析丙烯与双氧水环氧化产物
的组成;利用HP-6890型气相色谱仪,采用气相色谱内标法对反应产物进行定量分析。
双氧水转化率、环氧丙烷的选择性以及各组分的选择性计算式如下:
双氧水转化率:
XH2O2=n°H2O2-nH2O2n°H2O2
×1
00%(1
)环氧丙烷选择性:
SPO=nPO
nPO+nno
×1
00%(2
)丙二醇醚选择性:
SMME=nMME
nPO+nMME+nPG
×1
00%(3
)丙二醇选择性:SPG=
nPG
nPO+nMME+nPG
×1
00%(4)式中:XH2O2为H2O2转化率,%;n°H2O2为初始加入的双氧水的物质的量;nH2O2为反应产物中双氧水的物质的量;SPO为环氧丙烷选择性,%;nPO为反应生成的环氧丙烷的物质的量;nno为反应生成的副产物的物质的量;SMME为丙二醇醚的选择性,%;
nMME为反应生成的丙二醇醚的物质的量;SPG为丙二醇的选择性,%;nPG为反应生成的丙二醇的物质的量。
1.3 中试装置工艺流程
1.0kt?
a丙烯与双氧水环氧化制备环氧丙烷的中试工艺流程示意见图1。
丙烯、甲醇和双氧水在反应器底部混合后进入装有环氧化催化剂HPO-
1的反应器中,在催化剂床层丙烯与双氧水发生环氧化反应,
生成含有丙烯、环氧丙烷、甲醇和水的混合溶液。
混合溶液进入丙烯分离塔,塔顶分离出丙烯,经丙烯提纯塔提纯后,返回反应器底部作为循环丙烯与新鲜丙烯一起重新进入反应器底部混合;
从丙烯分离塔底部出来的环氧丙烷、甲醇和水的混合溶液进入环氧丙烷分离塔,从环氧丙烷分离塔塔顶出来的含少量甲醇的环氧丙烷物料进入环氧丙烷提纯塔进一步分离,
从塔釜得到高纯度的环氧丙烷,塔顶含甲醇的环氧丙烷回环氧丙烷分离塔作为进料。
环氧丙烷分离塔底部
出来的釜料主要为甲醇和水,进入甲醇分离塔进行甲醇和水的分离,塔顶采出甲醇并循环回用,釜底水送往界区外处理。
图1 1.0kt?
a丙烯与双氧水环氧化制备环氧丙烷中试流程示意2
第3期林 民,等.1.0kt?a丙烯与双氧水环氧化制备环氧丙烷的中试研究
1.4 主要工艺条件
由于丙烯含有活泼氢,极易被深度氧化成为复杂含氧化合物,因此丙烯的环氧化反应采用双氧水作为氧化剂,在缓和条件下进行。
根据小试和侧线试验的结果,1.0kt?a丙烯与双氧水环氧化制备环氧丙烷中试的主要操作条件见表2。
表2 中试的主要操作条件
项 目数 据
反应温度?℃30~70
反应压力?MPa 0.5~2.0
丙烯与双氧水的摩尔比1.2~2.5
双氧水质量空速?h-1 0.12~1.20
甲醇与双氧水的摩尔比5~25
2 结果与讨论
2.1 反应条件对反应性能的影响
2.1.1 反应温度 根据Arrhenius方程,提高反应温度有利于反应速率的增加,但丙烯与双氧水环氧化生成环氧丙烷的反应是一个放热的不可逆连串反应,而主要副反应也是放热反应,各反应的活化能不同,反应温度对各组分的影响也不同,因此反应温度对环氧丙烷的稳定性存在影响[12]。
在中试固定床反应装置上,在反应压力1.5MPa、双氧水质量空速1.1h-1、甲醇与双氧水的摩尔比6、丙烯与双氧水的摩尔比2.5的条件下,考察反应温度对环氧化催化剂HPO-1催化丙烯与双氧水环氧化反应的双氧水转化率、环氧丙烷选择性及其它产物选择性的影响,结果分别见图2和图3。
从图2可以看出,随着反应温度的升高,双氧水转化率增加,环氧丙烷的选择性下降。
从
图2 反应温度对双氧水转化率和
环氧丙烷选择性的影响
■—环氧丙烷选择性;●—
双氧水转化率
图3 反应温度对丙二醇醚和丙二醇选择性的影响
■—丙二醇醚;●—丙二醇
图3可以看出,随着反应温度的升高,丙二醇醚和丙二醇的选择性均逐渐升高。
因此,反应温度的升高不仅使得环氧丙烷更易于与溶剂甲醇发生反应,生成丙二醇醚,而且环氧丙烷与水发生的水合反应也增加了,导致生成更多的丙二醇。
但是温度太低时,会导致双氧水反应速率下降,残余的双氧水增多,使系统的安全性和稳定性受到影响。
因此,选择合适的反应温度极为重要。
不同的环氧化催化剂所需要的反应温度会有所不同,对于本中试装置采用的环氧化催化剂HPO-1而言,合适的反应温度仍可为30~70℃。
2.1.2 甲醇与双氧水的摩尔比 丙烯与双氧水环氧化合成环氧丙烷是一个放热反应,绝热温升较大,甲醇除与钛硅分子筛形成活性中心外,同时还充当热载体。
因此许多研究和试验通过使甲醇过量来实现丙烯与双氧水环氧化合成环氧丙烷的过程。
在反应温度35℃、反应压力2.0MPa、双氧水质量空速1.20h-1、丙烯与双氧水的摩尔比2.0的条件下,考察甲醇与双氧水的摩尔比对双氧水转化率和环氧丙烷选择性的影响,结果见图4。
图4 甲醇与双氧水的摩尔比对双氧水转化率和
环氧丙烷选择性的影响
■—环氧丙烷选择性;●—双氧水转化率
3
石 油 炼 制 与 化 工 2013年第44卷
从图4可以看出,随着甲醇与双氧水摩尔比的增大,双氧水转化率和环氧丙烷选择性增加,这主要是甲醇与环氧丙烷在催化剂活性位上竞争吸附、减少环氧丙烷在催化剂上进一步发生副反应的原因。
但过高的甲醇与双氧水摩尔比导致产物环氧丙烷的分离能耗增加,分离成本增大,而难以进行工业化生产。
因此对于本中试装置采用的环氧化催化剂HPO-1而言,合适的甲醇与双氧水的摩尔比为5~25。
2.1.3 双氧水质量空速 在反应温度65℃、反应压力1.0MPa、甲醇与双氧水的摩尔比7、丙烯与双氧水的摩尔比1.4的条件下,考察双氧水质量空速对双氧水转化率和环氧丙烷选择性的影响,结果见图5。
从图5可以看出,随着双氧水质量空速的提高,反应物料与催化剂的接触时间减少,环氧丙烷进一步发生副反应的几率降低,环氧丙烷的选择性增加,但双氧水转化率下降。
因此对于本中试装置采用的环氧化催化剂HPO-1而言,合适的双氧水质量空速为0.12~1.20h-1。
图5 双氧水质量空速对双氧水转化率和
环氧丙烷选择性的影响
■—双氧水转化率;●—环氧丙烷选择性
2.2 中试装置运行情况
在反应温度30~70℃、反应压力0.5~2.0MPa、双氧水质量空速0.12~1.20h-1、甲醇与双氧水的摩尔比5~25、丙烯与双氧水摩尔比1.2~2.5的条件下进行中试试验,试验期间双氧水转化率主要分布在96%~99%,环氧丙烷的选择性主要分布在96%~98%;环氧化催化剂HPO-1稳定运行的时间已超过6 000h,催化剂的性能未见明显下降。
反应器出口的反应产物经过产品分离,并经过双共沸蒸馏工艺分离提纯,所得环氧丙烷产品的纯度不小于99.97%,已通过合成聚醚和聚氨酯
验证。
中试生产的环氧丙烷产品目前已销往生产丙二醇、油田破乳剂、碳酸丙烯酯、三异丙醇胺、丙烯酸羟丙酯和碳酸二甲酯等的厂家。
中试试验基本验证和重复了小试和侧线试验的结果,通过了中国石化组织的评审和验收。
目前已完成100kt?a丙烯与双氧水环境友好制备环氧丙烷工业试验的工艺包设计,并通过了中国石化组织的评审,计划2013年建成投产。
3 结 论
(1)在实验室研究、小试和侧线试验的基础上,建立了1.0kt?a丙烯与双氧水环氧化制备环氧丙烷中试装置,确定中试工艺条件为:反应温度30~70℃,反应压力0.5~2.0MPa,双氧水质量空速0.12~1.20h-1,甲醇与双氧水的摩尔比5~25,丙烯与双氧水的摩尔比1.2~2.5。
(2)在所确定的中试条件下,丙烯与双氧水环氧化催化剂HPO-1的稳定运行时间已超过6 000h,双氧水转化率为96%~99%,环氧丙烷的选择性为96%~98%。
(3)采用双共沸蒸馏工艺分离提纯环氧丙烷,所得产品的纯度不小于99.97%。
致谢:湖南长岭石化科技开发有限公司的分析研究室、中国石化石油化工科学研究院科研处、中国石化长岭分公司技术开发处和长盛公司对本项目提供了极大的支持和帮助,在此表示感谢!
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34THE PREPARATION OF PROPYLENE OXIDE BY PROPYLENE
EPOXIDATIONWITH HYDROGEN PEROXIDE IN 1.0kt?a PILOT
PLANTLin Min1,Li Hua2,Wang Wei 3,Long
Jun1
(1.Research Institute of Petroleum Processing,SINOPEC,Beijing100083;2.Changling Company
of SINOPEC;3.Hunan Changling Petrochemical Science and Technology Developing
Co.,Ltd.)Abstract:The environmental friendly preparation process of propylene oxide(PO)by
propyleneepoxidation with hydrogen peroxide was studied.Based on the results of basic research,laboratory
testand side-line testing,a 1.0kt?apilot plant was built for PO preparation by epoxidation of propylenewith hydrogen peroxide.Factors influencing
the conversion of hydrogen peroxide and PO selectivitywere investigated on pilot plant,using HPO-1catalyst containing modified hollow titanium silicalitemolecular sieve.The process conditions of pilot p
lant test were confirmed,in which the reaction temper-ature is 30—70℃,the WHSV of hydrogen peroxide is 0.12—1.20h-1
,the molar ratios of methanol tohydrog
en peroxide and propylene to hydrogen peroxide are 5—25and 1.2—2.5,respectively.Runningunder such conditions for more than 6 000h,the decrease of catalyst activity is nonsignificant,the con-version of hydrogen peroxide is 96%—99%and the PO selectivity is 96%—98%.By separating
withdual azeotropic distillation process and purification,the purity
of PO product is more than 99.97%.Key
Words:titanium silicalite molecular sieve;TS-1;propylene oxide;epoxidation;propylene;hy-drogen p
櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸櫸
櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐殾
殾
殾
殾
eroxide简 讯
中国石化石家庄炼化分公司600kt?
a喷气燃料加氢装置开工
中国石化石家庄炼化分公司600kt?a喷气燃料加氢装置,采用中国石化石油化工科学研究院(简称石科院)自主开发的喷气燃料临氢脱硫醇RHSS技术,
并选用新一代喷气燃料加氢催化剂RSS-2,生产3号喷气燃料,兼顾冬季生产低凝点柴油。
该装置于2011年9月14日开始施工,2012年10月18日达到开工条件,2012年11月7日打通全流程,并顺利实现一次开车成功,生产出满足3号喷气燃料质量标准的产品。
在项目建设和开工指导过程中,石科院现场技术服务人员坚持“一流的研究院必须有一流技术、一流服务”的原则,本着“质量永远领先一步、服务永远领先一步”的服务宗旨,进一步提升了服务水平和客户满意度。
[中国石化石油化工科学研究院科研处供稿]
5。