氨肟化反應(yīng)中雙氧水分解的影響因素探討

李紅梅

(中國(guó)石油化工股份有限公司巴陵分公司，湖南岳陽414003)

氨肟化反應(yīng)中雙氧水分解的影響因素探討

李紅梅

(中國(guó)石油化工股份有限公司巴陵分公司，湖南岳陽414003)

在實(shí)驗(yàn)裝置上對(duì)環(huán)己酮氨肟化反應(yīng)體系中引發(fā)雙氧水分解的因素進(jìn)行了分析，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。結(jié)果表明:在氨肟化反應(yīng)體系中，氨過量導(dǎo)致的堿性環(huán)境、雙氧水過量加入或氨肟化反應(yīng)不完全是雙氧水分解的主要原因;反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等反應(yīng)條件的變化可改變雙氧水的分解速度;微量的銅、鐵、鉻等金屬離子的存在會(huì)加速雙氧水的分解;適當(dāng)控制氨濃度、環(huán)己酮∶雙氧水摩爾比、反應(yīng)條件及降低金屬離子含量有利于提高雙氧水的有效利用率;在工業(yè)生產(chǎn)裝置中，控制反應(yīng)液中氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0% ～2.8%，環(huán)己酮∶雙氧水摩爾比為1∶(1.05～1.10)，反應(yīng)溫度78～81℃，催化劑(相對(duì)于環(huán)己酮)質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于4%，雙氧水利用率提高了3.7%。

雙氧水 分解 環(huán)己酮 氨肟化

環(huán)己酮肟是生產(chǎn)己內(nèi)酰胺的中間體，90%的己內(nèi)酰胺產(chǎn)品都由其重排而得。目前，環(huán)己酮肟工業(yè)化生產(chǎn)的主流工藝是環(huán)己酮-羥胺路線，存在著中間步驟多，工藝復(fù)雜，副產(chǎn)品多，三廢多等缺點(diǎn)。相比之下，環(huán)己酮氨肟化制環(huán)己酮肟工藝具有流程短、反應(yīng)條件溫和、副產(chǎn)物少以及利于環(huán)保的特點(diǎn)［1］。

中國(guó)石油化工股份有限公司巴陵分公司(簡(jiǎn)稱巴陵公司)于2003年7月建立了一套70 kt/a環(huán)己酮氨肟化工業(yè)裝置，過氧化氫(即雙氧水)消耗一直較高，主要原因是雙氧水在反應(yīng)過程中存在較為明顯的分解副反應(yīng)，雙氧水的有效利用率只有83%～88%，從而導(dǎo)致己內(nèi)酰胺制造成本較高。根據(jù)氨肟化反應(yīng)原理可知，雙氧水在氨肟化反應(yīng)體系中作為氧化劑參與反應(yīng)，雙氧水濃度及進(jìn)料量對(duì)整個(gè)反應(yīng)起著至關(guān)重要的影響［2］，決定了氨肟化反應(yīng)中環(huán)己酮轉(zhuǎn)化率和環(huán)己酮肟選擇性。而雙氧水的無效分解不但增加了生產(chǎn)成本，并且由于其分解產(chǎn)生的氧氣在一定條件下能與可燃蒸氣或氣體形成爆炸性混合物。因此，在氨肟化反應(yīng)中應(yīng)避免雙氧水的分解反應(yīng)。作者在實(shí)驗(yàn)裝置上對(duì)影響雙氧水利用率的反應(yīng)溫度、反應(yīng)物配比、體系酸堿度、催化劑等因素進(jìn)行了分析，為提高雙氧水的有效利用率提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料及試劑

雙氧水:分析純，北京化工廠產(chǎn);氨水:分析純，北京益利精細(xì)化學(xué)品有限公司產(chǎn);環(huán)己酮:質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.88%，巴陵公司環(huán)己酮事業(yè)部產(chǎn);叔丁醇:質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%，北京平順化工廠生產(chǎn)。TS-l工業(yè)催化劑:Si與Ti的摩爾比為33，粒徑為0.2～0.8 μm ，巴陵公司提供。

1.2 設(shè)備及儀器

氨肟化小試實(shí)驗(yàn)裝置:自建;SP3420氣相色譜儀:北京分析儀器廠制;TG16-WS高速離心機(jī):湘儀離心機(jī)廠制。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

環(huán)己酮氨肟化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)在體積為250 mL、帶冷凝器的三口燒瓶中進(jìn)行，水浴加熱，磁力攪拌。將鈦硅分子篩(TS-1)、叔丁醇、環(huán)己酮和氨水一次加入反應(yīng)器中，待反應(yīng)物料溫度升至反應(yīng)溫度后再連續(xù)加入雙氧水。反應(yīng)條件為:反應(yīng)溫度50～85℃，反應(yīng)壓力0.3 MPa，催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.7%(相對(duì)于環(huán)己酮);反應(yīng)原料環(huán)己酮∶氨∶雙氧水∶叔丁醇摩爾比為1∶(1～2)∶(0.80～1.35)∶(2 ～5)。

1.4 分析測(cè)試

有機(jī)物含量:反應(yīng)液經(jīng)高速分離后取上層清液采用氣相色譜分析有機(jī)物含量。

雙氧水含量:采用間接碘量法測(cè)定反應(yīng)液中的雙氧水含量。

氨含量:采用化學(xué)滴定法分析。

氣體組成:采用氣相色譜分析，利用porapark Q、Porapark R固定相制備色譜柱，用外標(biāo)法定量計(jì)算氣體組成。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)液中氨含量

氨肟化反應(yīng)中反應(yīng)物氨、雙氧水及環(huán)己酮按等摩爾比進(jìn)行反應(yīng)，在TS-1催化作用及操作條件正常的情況下，環(huán)己酮轉(zhuǎn)化率和環(huán)己酮肟選擇性均較高，尾氣中氨及氧含量維持較低水平。實(shí)際生產(chǎn)中，為了維持較高的環(huán)己酮轉(zhuǎn)化率及環(huán)己酮肟的選擇性［2］，采取增加溶液中氨含量的方法，使反應(yīng)液呈堿性，而堿性環(huán)境對(duì)雙氧水的異裂分解起到催化作用。

由表1可見，隨著反應(yīng)液中氨含量的升高，環(huán)己酮的轉(zhuǎn)化率和環(huán)己酮肟的選擇性都有所升高，雙氧水分解率略有下降，但是當(dāng)反應(yīng)液中氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3.08%時(shí)，環(huán)己酮肟選擇性和收率增長(zhǎng)并不明顯，繼續(xù)升高反應(yīng)液氨含量，環(huán)己酮肟收率反而略有下降，而雙氧水分解率則明顯升高，雙氧水的有效利用率降低。這主要是因?yàn)榉磻?yīng)液中適當(dāng)過量的氨能使氨肟化主反應(yīng)轉(zhuǎn)化率及環(huán)己酮肟收率增加，從而使雙氧水分解率下降，但氨含量過高時(shí)導(dǎo)致反應(yīng)環(huán)境堿度增加，雙氧水異裂分解速度加快，這也說明反應(yīng)液過高的氨含量只會(huì)增加氨及雙氧水的消耗。

表1 氨含量對(duì)雙氧水分解的影響Tab.1 Effect of ammonia content on hydrogen peroxide decomposition

2.2 反應(yīng)物配比

當(dāng)反應(yīng)中雙氧水過量加入或催化劑失活等原因引起的反應(yīng)不完全時(shí)，多余部分的雙氧水迅速分解，且會(huì)增加與反應(yīng)中生成的羥胺發(fā)生副反應(yīng)，降低環(huán)己酮肟收率，因此應(yīng)合理控制雙氧水的加入量，既要保證環(huán)己酮轉(zhuǎn)化率，又要避免過度的雙氧水分解副反應(yīng)。由表2可見，隨著反應(yīng)體系中雙氧水用量的增加，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇性及環(huán)己酮肟收率均增加，但雙氧水分解率也上升，尤其是當(dāng)環(huán)己酮∶雙氧水摩爾比為1∶1.25時(shí)，對(duì)于肟化反應(yīng)來說，雙氧水大量過量，酮轉(zhuǎn)化率也略微增加，但過氧化氫分解率增加明顯，由此可見，環(huán)己酮∶雙氧水摩爾比不宜小于1∶1.1;當(dāng)環(huán)己酮∶雙氧水摩爾比高于1時(shí)，酮轉(zhuǎn)化率偏低，而且雙氧水也有一定的分解，因此生產(chǎn)中應(yīng)將環(huán)己酮∶雙氧水摩爾比控制在1∶(1.05～1.1)。過量的雙氧水在堿性條件下快速分解生產(chǎn)氧氣，與氣相的氨氣、叔丁醇蒸汽形成爆炸性混合物，遇火源(靜電)就可發(fā)生空間閃爆。因此，在控制反應(yīng)物配比時(shí)，也應(yīng)密切關(guān)注反應(yīng)體系催化劑狀況。

表2 環(huán)己酮/雙氧水摩爾比對(duì)雙氧水分解的影響Tab.2 Effect of cyclohexanone/hydrogen peroxide mole ratio on hydrogen peroxide decomposition

2.3 反應(yīng)溫度

由表3可見，隨著反應(yīng)溫度的升高，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇性及環(huán)己酮肟收率均增加，雙氧水有效利用率也上升，但當(dāng)溫度增加至85℃以上時(shí)，雙氧水有效利用率開始下降。

表3 反應(yīng)溫度對(duì)雙氧水分解的影響Tab.3 Effect of reaction temperature on hydrogen peroxide decomposition

這是因?yàn)闇囟容^低時(shí)，TS-1催化活性較低，雙氧水主要發(fā)生分解副反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)溫度升高至80℃時(shí)，TS-1催化活性及選擇性均較高，反應(yīng)系統(tǒng)中的雙氧水主要用于生成環(huán)己酮肟的反應(yīng)［3］，當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，由于催化劑的活性達(dá)到極致，而雙氧水分解隨溫度升高而快速增加。因此，雙氧水利用率反而開始下降。

2.4 金屬離子

反應(yīng)液中微量的錳、鋅、銅、鐵、鎳等金屬離子的存在能催化雙氧水的分解，其中以銅最為明顯［4］，實(shí)驗(yàn)增加考察了pH值對(duì)雙氧水分解的影響。在100 mL三口玻璃反應(yīng)器中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，維持等溫和強(qiáng)烈攪拌，先加入雙氧水，然后依次改變金屬離子、pH值及溫度等條件。

由表4可知，沒有金屬離子存在的條件下，雙氧水的分解率很低，在加入金屬離子后雙氧水的分解明顯加劇。由表4也可看出，不同的金屬離子對(duì)雙氧水的催化作用差別較大，以銅離子的影響最為明顯。

表4 金屬離子對(duì)雙氧水分解的影響Tab.4 Effect of metal ion on hydrogen peroxide decomposition

當(dāng)pH值為11時(shí)，即使分解溫度控制在50℃時(shí)，金屬離子對(duì)雙氧水的催化分解作用明顯強(qiáng)于中性環(huán)境下的，而氨肟化反應(yīng)在堿性環(huán)境下(pH為10～12)進(jìn)行，因此應(yīng)嚴(yán)格控制反應(yīng)系統(tǒng)中金屬離子尤其是銅離子含量。

2.5 雙氧水濃度

雙氧水濃度的影響分為兩方面，一是加入氨肟化反應(yīng)體系的原料雙氧水濃度，二是反應(yīng)液中殘留雙氧水濃度。

張志剛［5］、許志忠［6］等的研究表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的雙氧水初始熱分解溫度為34.5℃，雙氧水分解速率隨著濃度的升高而增大。正常條件下，氨肟化反應(yīng)器為連續(xù)釜式全混反應(yīng)器，各物料濃度均勻，體系中雙氧水濃度很低，一般小于0.2%，不會(huì)對(duì)雙氧水分解率造成影響。當(dāng)氨肟化催化劑失活或物料配比失調(diào)導(dǎo)致雙氧水殘留濃度升高，此時(shí)原料雙氧水濃度高低對(duì)氨肟化裝置的安全影響大，高濃度的原料雙氧水安全隱患更大，同時(shí)在催化劑使用周期的末期，出現(xiàn)雙氧水殘留濃度增加而使雙氧水分解量上升。因此，在氨肟化體系中，應(yīng)該合理控制雙氧水濃度，避免因濃度過高而造成雙氧水分解副反應(yīng)。

根據(jù)雙氧水在反應(yīng)體系濃度的變化規(guī)律可知，較為緩和的反應(yīng)條件更有利于降低雙氧水分解副反應(yīng)。因此，在不影響轉(zhuǎn)化率和選擇性的前提下，可通過延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間來提高雙氧水利用率。

2.6 催化劑濃度

由圖1可見，在氨肟化反應(yīng)體系中當(dāng)催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)(相對(duì)于環(huán)己酮)為4%左右時(shí)，反應(yīng)尾氣中氧含量變化較小，但隨著催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升至5%時(shí)，氨肟化反應(yīng)后尾氣中氧含量明顯上升，而尾氣氧含量的上升說明雙氧水的分解反應(yīng)加快，即在氨肟化反應(yīng)體系中，當(dāng)催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于4%以后，催化劑濃度的增加可明顯加快雙氧水的分解反應(yīng)，這種現(xiàn)象與文獻(xiàn)［7］相符，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是氨肟化工業(yè)催化劑中銳鈦礦的含量很低，在氨肟化反應(yīng)體系中，只有當(dāng)催化劑濃度較高時(shí)，催化劑中的銳鈦礦含量達(dá)到一定水平時(shí)才會(huì)催化雙氧水的分解反應(yīng)。

圖1 催化劑濃度與尾氣中氧含量的關(guān)系Fig.1 Relationship between catalyst concentration and oxygen content of tail gas

2.7 工業(yè)化生產(chǎn)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在氨肟化反應(yīng)環(huán)境中，反應(yīng)液氨含量、反應(yīng)物配比以及反應(yīng)溫度是影響雙氧水分解率的主要因素。提出以下改進(jìn)措施，指導(dǎo)工業(yè)化生產(chǎn)，控制氨肟化反應(yīng)體系中雙氧水的分解反應(yīng)，提高其有效利用率。

(1)控制反應(yīng)液中氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.0% ～2.8%時(shí)，提高雙氧水的有效利用率。

(2)控制環(huán)己酮∶雙氧水的摩爾比在1∶(1.05～1.10)為宜。另外，當(dāng)催化劑失活或其他原因引起反應(yīng)不完全時(shí)應(yīng)馬上停車處理，避免反應(yīng)物配比失調(diào)。

(3)控制反應(yīng)溫度應(yīng)在78～81℃為宜，保證反應(yīng)效果，并提高雙氧水的有效利用率。

(4)加強(qiáng)對(duì)原料中金屬離子的分析控制，控制原料雙氧水濃度的穩(wěn)定，避免反應(yīng)體系雙氧水濃度升高。

(5)合理控制催化劑濃度或降低催化劑中銳鈦礦含量，控制催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于4%。

改進(jìn)效果見表5。

表5 改進(jìn)前后雙氧水消耗對(duì)比Tab.5 Hydrogen peroxide consumption contrast before and after reformation

通過對(duì)氨肟化反應(yīng)條件優(yōu)化，氨肟化裝置生產(chǎn)環(huán)己酮肟對(duì)雙氧水的單耗由原來的1 300 kg/t降低至1 245 kg/t，雙氧水的利用率由原來的84.2%提高到 87.9%，上升了 3.7%。

3 結(jié)論

a.在氨肟化反應(yīng)體系中，引起雙氧水分解的主要原因是氨過量導(dǎo)致的堿性環(huán)境、雙氧水過量加入或雙氧水濃度過高以及氨肟化反應(yīng)不完全，反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力及微量的銅、鐵、鉻等金屬離子都會(huì)影響雙氧水的分解。

b.控制適當(dāng)?shù)陌睗舛燃碍h(huán)己酮∶雙氧水摩爾比、反應(yīng)條件以及降低金屬離子含量有利于提高雙氧水的有效利用率。

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Influential factors on hydrogen peroxide decomposition in ammoxiation

Li Hongmei
(SINOPEC Baling Company，Yueyang414003)

The influential factors on hydrogen peroxide decomposition were analyzed during cyclohexanone ammoxiation process on an experimental unit.The experimental results was applied in commercial production.The results showed that for ammoxiation reaction system，the principal factors causing the hydrogen peroxide decomposition did not exclusively comprise the alkaline condition in presence of excessive ammonia，excessive hydrogen peroxide and incomplete ammoximation;the reaction conditions including reaction temperature and time could change the decomposition rate of hydrogen peroxide;the existence of metal ions like trace copper，iron and chromium accelerated the hydrogen peroxide decomposition;and the reasonable control of ammonia content，cyclohexanone/hydrogen peroxide mole ratio，reaction conditions and metal ion content was helpful to improving the effective availability of hydrogen peroxide.The availability of hydrogen peroxide was improved by 3.7%in commercial production when the reaction conditions were controlled as followed:ammonia mass fraction 2.0% －2.8%，cyclohexanone∶hydrogen peroxide mole ratio 1∶(1.05 －1.10)，reaction temperature 78 －81℃，catalyst mass fraction below 4%based on cyclohexanone.

hydrogen peroxide;decomposition;cyclohexanone;ammoxiation

TQ234.21

A

1001-0041(2012)04-0034-04

2012-01-20;修改稿收到日期:2012-06-05。

李紅梅 (1964—)，女，工程師，主要從事化工生產(chǎn)工藝管理工作。E-mail:lihm.blsh@sinopec.com。