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生产醋酸乙烯中催化剂的技术进展


实验室k / 2018-09-18

       在过去20年中有关乙烯气相法的专利中,有超过3/4的专利是有关催化剂组分改变或载体形状尺寸的,一般都着眼于较高的空时收率及反应选择性(即较少副反应产物)。好的催化剂应该有高的选择性、高的空时收率、高的催化剂生产率(每单位数量贵金属每小时所生产的醋酸乙烯量),以及在保持稳定的活性条件下有较长的使用寿命。低选择性会使反应物损耗在不需要的副产物上。由于选择性常常是随着反应转化率的提高而降低,因此要在选择性与转化率之间找到一个平衡点。空时收率总是希望高些,以使反应器体积小些,拜耳公司在1974年发表的一项专利选择性已达到96%~97.7%,同时其相应的空时收率为235~380g/(L·h),所采用的催化剂是载在硅酸载体上的铂、金和碱金属的醋酸盐。拜耳公司在原拜耳-Ⅰ型催化剂配方基础上严格控制载体酸度和制备工艺条件,使钯、金的夹心层薄壳分布更均匀,既减少了贵金属用量又提高了选择性和产率,研制出拜耳-Ⅱ型催化剂。接着,又根据US4048096(1976)等专利,用溶于水的钯和金化合物浸渍催化剂载体,再使其形成不溶于水的钯和金化合物,沉淀在催化剂载体上,然后用还原剂处理,将不溶于水的钯和金化合物转化成钯和金。钯金存在于载体表面深度的0.5mm内,空时收率可达每小时每升催化剂560克醋酸乙烯,选择性93%。在这些专利基础上开发出拜耳-Ⅲ型催化剂。日本可乐丽公司和我国上海石化先后在20世纪80年代末和90年代中期改用拜耳-Ⅲ型催化剂生产醋酸乙烯,在主要设备上不作改动,仅对部分相关设备进行改造的情况下,使醋酸乙烯生产能力提高20%以上。赫斯特公司多年来研制醋酸钯负载型催化剂,这种催化剂不含金镉或钡盐;在混合气中氧浓度6.4%~80%,空速4000~4500h-1等反应条件下,空时收率可达500~600g/(L·h),该催化剂现正在工业装置上试用。赫斯特公司在1993年发表一项专利,用一种Pd/K/Cd催化剂,选择性可达98%,空时收率可达760g/(L·h)(EP56592)。

       有两家公司已经拥有空时收率高于1000g/(L·h)的专利技术。一家是赫斯特公司,一种方法是用一星形横截面的棒状载体载上一种Pd/K/Cd催化剂,其空时收率达到1067g/(L·h)。但赫斯特的这些专利都没有提到反应选择性。联碳(UCC)公司在1993年发表的一项专利(US5179056),用Pd/Au/K/Na催化剂,可获得1262g/(L·h)的空时收率和94.1%的反应选择性。
       英国BP化学公司取得一项Pd/Au催化剂专利US5185308(1993年),该技术中Pd与Au分布在催化剂载体粒子(粒径范围3~7mm),最外面1mm厚度的表面层内。BP化学公司还将Au/Pd比率的计算与保持活性物质处于载体外表层结合在一起。反应选择性、空时收率及乙酸乙酯副产物的数量均可通过改变Au/Pd比率来优化。其专利指出Au/Pd质量比处于0.60~1.25范围时,结果良好。
       有专利介绍乙烯法合成醋酸乙烯的Pd系列催化剂,助催化剂可为Au、Ba及Cd等元素,载体为98%天然硅藻土+2% γ-Al2O3
       2003年Celanese公司发表专利介绍了醋酸乙烯气相制备工艺,所用催化剂由下述组分组成:0.2%~1.3%的金或金化合物、0.3%~10%的碱金属化合物、0.5%~2.0%的钯化合物和0.01%~1%的镧系化合物(均为质量分数)。
       US6794332专利公布了用钯或金的盐或酸的水溶液浸渍氧化硅载体,并用碱金属硅酸盐或氢氧化物固定剂将析出的钯和金的水不溶性化合物固定在载体上,干燥固定有钯和金化合物的载体,并还原析出在表面上的钯和金化合物直至所有的钯和金化合物都还原成游离的金属态,然后催化剂母体用醋酸钾浸渍并干燥。通过过程和组分的某些因子的变化实现了催化剂的改进。
       乙炔气相法技术改进也集中在新催化剂研制,减少电石或天然气乙炔生产的能耗,降低生产成本等方面。乙炔气相法研制的新催化剂有双活性组分的钒-锌、铁-锌和三组分的锌-铁一钒催化剂。这些催化剂的活性要比目前工业上使用的单组分醋酸锌催化要高几倍。
       上海石化的醋酸乙烯装置,1972年从日本可乐丽引进。原设计醋酸乙烯生产能力为6.6万吨/年,80年代与上海石化研究院共同开发CT-2催化剂,成功地用于生产,其性能优于德国拜耳-Ⅰ型催化剂,使醋酸乙烯产量提高10%,醋酸乙烯生产能力提高到7.17万吨/年,但生产工艺和设备的增产潜力已至极限。日本可乐丽的同类装置在80年代后期采用可乐丽改进的拜耳-Ⅲ型催化剂及其使用技术。在主要设备不作更动,仅对部分相关设备进行改造的情况下,使醋酸乙烯生产装置能力提高20%以上。为挖潜增产和提高装置的总体水平,上海石化1995年对装置的醋酸乙烯部分和仪表部分进行技术改造,即在工艺路线和生产方法基本不变的情况下采用新型的拜耳-Ⅲ型催化剂和可乐丽使用技术,并对工艺流程中瓶颈部分和一些老化及腐蚀严重的设备进行改造,将二次仪表由常规仪表改为DCS集散控制系统,优化控制,优化管理,使醋酸乙烯的年设计生产能力扩大到8.6万吨。

       2002年,上海石油化工股份公司下属科技开发公司用等体积浸渍法制备了乙烯经乙酰氧化合成醋酸乙烯酯的钯-金-醋酸钾/二氧化硅( Pd-Au-AcOK/SiO2)催化剂,对反应条件进行了研究。在用Pd-Au-AcOK/SiO2催化乙烯经乙酰氧化合成醋酸乙烯的反应中,活性组分呈蛋壳型分布的催化剂具有最佳活性与选择性,在由乙烯气相合成醋酸乙烯的过程中,活性组成的晶粒随反应时间增加而增大。在反应初期,晶粒长大速度较快,在反应后期,粒子长大速度大大减慢。可用増大催化剂晶粒来降低催化剂的初期活性,以避免在开车期出现散热难题。为强化装置生产能力增产醋酸乙烯,可用有较大外表面积及较低压力降的异形催化剂。
       随着市场对醋酸乙烯需求量的不断增加,对催化剂性能提出了更高的要求。上海石化2003年6月开始应用第二批CTV-Ⅳ催化剂,使用两年后,其选择性维持在94%,活性比国外同类催化剂高14%。该催化剂大幅度提升了上海石化醋酸乙烯产量,2005年达10万吨,比1999年增长10%。鉴于催化剂性能保持稳定,一直沿用到2007年5月10日装置停车大修。至此,原设计“寿命”为2年的催化剂连续服役期长达3年10个月,创下运行长周期的新纪录。


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