对铑-碘催化体系的改良之一是选择优良的助催化剂或促进剂,以提高催化剂的活性和稳定性。向铑-碘催化体系中加入含卤素的羧酸衍生物和可溶性碱金属碘化物后,可显著提高催化剂的稳定性和产率,使反应在较低的水浓度下进行,且有较高产率。加入这些组分后,反应时空收率可提高2~3倍,最高时可达25mol醋酸/(L·h),甲醇的转化率和选择性均大于99%。
塞拉尼斯公司的中国专利公开了以氢碘酸盐,特别是碘化锂为稳定剂,在铑-碘甲烷催化剂体系上,甲醇羰基法生产醋酸的方法。反应介质含有铑、碘甲烷、碘化锂、水、醋酸甲酯和醋酸。碘化锂、醋酸甲酯浓度对醋酸时空收率的影响见表2-16。
表2-16 碘化锂、醋酸甲酯浓度对醋酸时空收率的影响
项目 | 试验a | 试验b | 试验c | 试验d | 试验e |
反应物 |
高水、低醋酸甲酯无碘化锂 |
低水、低醋酸甲酯低碘化锂 |
低水、高醋酸甲酯无碘化锂 |
低水、低醋酸甲酯高碘化锂 |
低水、高醋酸甲酯高碘化锂 |
水/%(质量分数) | 14 | 4 | 4 | 4 | 4 |
醋酸甲酯/%(质量分数) | 1 | 1~1.5 | 4 | 1 | 4 |
碘化锂/%(质量分数) | 0 | 2.5 | 0 | 20 | 20 |
铑/(mg/m3) | 400 | 400 | 400 | 400 | 400 |
碘甲烷/%(质量分数) | 14 | 13~15 | 14 | 14 | 13.5 |
时空收率/[mol 醋酸/(L·h)] | 16.9 | 5.2 | 10.4 | 11.0 | 15.8 |
在低水含量的反应体系中添加碘盐可实现如同高水浓度时一样的羰化反应速率,其原因在于碘盐可使反应体系中产生大量的乙酸根和碘负离子,并与[Rh(CO)2I2]-形成亲核能力更强、活性更高的五配位中间体[Rh(CO)2I2(L)]2-(L=I-或AcO-),从而有利于提高氧化加成反应的速率。
添加碘化锂后另一个有益的效果就是副产物CO2、H2和丙酸下降到未添加碘化锂时的1/10以下。
CO+H2O → CO2+H2
CH3COOH+2H2 → C2H5OH+H2O
C2H5OH+CO → C2H5COOH
由以上反应式可见,水含量高时,副产物CO2、H2和丙酸较多。当系统加入碘盐后,水含量降低,副产物CO2、H2和丙酸大为减少。具体数据见表2-17。
表2-17 添加碘化锂对抑制副产物的效果
反应介质中水含量/%(质量分数) |
CO2/(mol/100mol 醋酸) |
H2/(mol/100mol 醋酸) | 丙酸/(mg/m3) | 醋酸得率(以甲醇计)/% |
无碘化锂 | 2.3 | 1.9 | 1345 | 99 |
有碘化锂 | 0.2 | 0.1 | 91 | 99 |
该专利还报道了羰基化反应速率与各种介质浓度的关系。
i.醋酸甲酯:醋酸甲酯浓度升高羰基化速率加快,但醋酸甲酯浓度高于4%~5%时,达到最大,随后趋于平稳,甚至有所下降。
ii.碘化锂:羰基化速率随着碘化锂的浓度增加而增大,最高碘化锂的浓度可以达到甚至超过20%(质量分数)。
iii.水:随着水浓度的下降有所下降,拐点出现在2%左右水浓度时,因此水分宜控制在4%左右。
iv.碘甲烷:随着碘甲烷浓度上升,羰基化反应速率加快,但其浓度超过12%后上升趋势变缓。
v.铑浓度:羰基化反应速率几乎与铑浓度的增加呈线性上升,当铑浓度高于600×10-6以上时趋势变缓。维持反应釜液内铑浓度超过1000×10-6是一件比较困难的事,因为铑溶解度有限;铑浓度过高,沉降的速度也会很惊人。