羰基合成催化劑化學(xué)再生工藝研究

李亞斌，李治水，王 松

(天津渤化永利化工股份有限公司 天津300450)

羰基合成催化劑化學(xué)再生工藝研究

李亞斌，李治水，王 松

(天津渤化永利化工股份有限公司 天津300450)

通過(guò)對(duì)丁辛醇羰基合成反應(yīng)的催化劑的研究，指出了適合的丁辛醇 1#裝置催化劑母液化學(xué)再生的工藝路線。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，最終催化劑活性由 26%,提高到 59%,，催化反應(yīng)溫度也從 94,℃降低到 88,℃，合成氣和丙烯的消耗降低，生產(chǎn)運(yùn)行負(fù)荷可以提高到 100%,，對(duì)生產(chǎn)的穩(wěn)定操作、節(jié)能減排、降低消耗起到了關(guān)鍵作用；同時(shí)能夠延長(zhǎng)催化劑的使用壽命，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

羰基合成 催化劑母液 化學(xué)再生 活性

0 引 言

丁辛醇生產(chǎn)裝置中的羰基合成催化劑經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，催化活性會(huì)慢慢降低，同時(shí)由于合成原料(合成氣、丙烯)、溶劑(丁醛)會(huì)帶入一些毒劑(如 S、Cl、Fe、Ni等)、抑制劑，造成催化活性迅速降低。2013年11月丁辛醇 1#號(hào)裝置運(yùn)行負(fù)荷降低，丙烯、氫氣、一氧化碳分壓迅速上漲，反應(yīng)平衡難以控制，且重組分增加。當(dāng)反應(yīng)溫度升至 94,℃時(shí)，生產(chǎn)負(fù)荷僅維持在 40%,左右。經(jīng)檢測(cè)，其催化活性已降低到 26%。對(duì)催化劑進(jìn)行化學(xué)再生迫在眉睫，對(duì)再生方法的研究是十分緊迫和必要的。

國(guó)內(nèi)CN102950027A 和CN102950028A分別介紹了炔丙醇、醋酸、三乙醇胺。作為再生劑在一定的溫度下對(duì)銠膦催化劑進(jìn)行再生，經(jīng)過(guò)再生后催化劑活性從 28%,提高到 75%,，其中氯含量從 29,mg/kg降低到 7,mg/kg。此再生工藝只在針對(duì)抑制毒劑Cl時(shí)效果明顯，而對(duì)其他的S和部分金屬元素沒(méi)有作用。國(guó)外US4861918公開了一種銠-有機(jī)膦配合物羰基化催化劑的再生方法，首先是在非生產(chǎn)狀態(tài)下，將含有失活的配合物催化劑與有機(jī)試劑混合；然后除去羰基合成催化劑中的抑制劑。專利中所用的再生試劑價(jià)格昂貴，不易得到，不利于工業(yè)應(yīng)用。US 5237106介紹了一種用炔丙醇和羧酸處理部分失活羰基化銠配合物催化劑以提高其催化活性的工藝方法。該專利以炔丙醇和醋酸為反應(yīng)試劑，反應(yīng)壓力為常壓，反應(yīng)完成后用三乙醇胺溶液中和。該反應(yīng)的難點(diǎn)是抑制炔丙醇在再生反應(yīng)過(guò)程中的聚合，從而提高再生的活性。專利沒(méi)有公開抑制炔丙醇聚合的方法，炔丙醇用量大，并且炔丙醇為劇毒品，國(guó)內(nèi)限制使用，因此在工業(yè)實(shí)施上存在一定難度。本文通過(guò)對(duì)催化劑再生原理的深入研究，結(jié)合丁辛醇分廠 1#丁辛醇裝置催化劑母液中毒的實(shí)際情況，摸索出了一種新型易操作的催化劑再生方法。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 羰基合成催化劑中毒原因的探索

1.1.1 銠催化劑在羰基合成反應(yīng)中的催化原理

銠催化劑是以銠(Rh)原子為中心，三苯基膦和一氧化碳作為配位體的絡(luò)合物，為淡黃色結(jié)晶體。它的主要特點(diǎn)為：異構(gòu)化能力弱；加氫活性低；選擇性高；反應(yīng)速度快，幾乎為鈷催化劑的102～103倍。

在反應(yīng)過(guò)程中起活性作用的是這組催化劑的絡(luò)合物，而催化母體(ROPAC)在含有過(guò)量三苯基膦(TPP)的溶劑中，在反應(yīng)條件下，與一氧化碳及氫接觸時(shí)形成的這組絡(luò)合物，它的組成是TPP濃度及CO分壓的函數(shù)，TPP濃度增大反應(yīng)向左移，生成更多的 HRh(CO)(TPP)3；CO分壓增大反應(yīng)向右移，生成更多的HRh(CO)3(TPP)，但3種絡(luò)合物都以不同的量同時(shí)平衡、存在。

TPP具有保護(hù)銠的功能，反應(yīng)中 TPP主要起立體化學(xué)作用，因?yàn)樗姆肿芋w積較大，有利于正丁醛的生成，從而提高正異比(n/i)。催化劑絡(luò)合物中如果主要是 HRh(CO)2(TPP)2，那么反應(yīng)主要生成正丁醛；如果絡(luò)合物中主要是 HRh(CO)3(TPP)則反應(yīng)主要生成異構(gòu)醛。當(dāng) CO分壓增高，n/i會(huì)下降，但反應(yīng)速度加大，如果 TPP濃度增高，則 n/i會(huì)增大，但這對(duì)反應(yīng)速度有抑制作用。一般保持TPP過(guò)量，TPP/Rh(mol)比在200以上，使絡(luò)合物中 HRh(CO)2(TPP)2為主要成分，以保持高的n/i比。

1.1.2 銠催化劑的抑制劑和毒劑對(duì)催化劑的影響

影響催化劑的物質(zhì)可分為抑制劑和毒劑，但二者無(wú)嚴(yán)格的界限，一般認(rèn)為當(dāng)雜質(zhì)去掉后可以使催化劑的活性恢復(fù)的為抑制劑，不能使活性恢復(fù)的為毒劑。

①催化劑的抑制劑。催化劑的抑制劑與丙烯在物料平衡中相互競(jìng)爭(zhēng)，爭(zhēng)取占有催化劑的活性中心達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，而使催化劑活性減退。

由于抑制劑的存在，使 Rh的?；磻?yīng)活性降低，其抑制作用可用催化劑活性降低15%,時(shí)，抑制劑的最低含量與Rh的分子比來(lái)表示(抑制劑/Rh分子比)。

抑制劑的特點(diǎn)：當(dāng)添加新的 Rh催化劑后，其抑制作用按抑制劑對(duì)總的銠量(原有的與新添加的兩者之和)的分子比來(lái)計(jì)算，即添加新銠后抑制劑對(duì)Rh的分子比變?yōu)椋?/p>

當(dāng)抑制劑從反應(yīng)液中除去后，銠催化劑的活性可以恢復(fù)，代表的銠催化劑的抑制劑如表1所示：

表1 代表性的銠催化劑的抑制劑Tab.1 Representative rhodium catalyst inhibitors

抑制劑含量與 Rh-Cat活性關(guān)系，以羰酸(如丁酸)為例見圖1、2。

②催化劑的毒劑。催化劑的毒劑與銠催化劑的活性中心緊密結(jié)合，嚴(yán)重影響了氫甲?；磻?yīng)的速度。

比如當(dāng)Cl∶Rh分子比為0.6時(shí)，催化劑活性降至50%,，與丁酸/Rh分子比為 35.0時(shí)與活性降低程度相當(dāng)，故毒劑對(duì)反應(yīng)速度的影響要比抑制劑嚴(yán)重得多。

由于Rh在反應(yīng)液中的分子含量為10-6級(jí)，因此對(duì)毒劑的允許含量是十分低的。但是，在有新添加催化劑時(shí)，新添加的銠并不中毒，此時(shí)毒物含量仍以毒劑與原來(lái)的Rh催化劑分子比來(lái)表示，代表性的催化劑毒劑見表2。

圖1 EPA對(duì)催化劑活性的影響Fig.1 EPA’s effects on catalyst activity

圖2 抑制劑對(duì)催化劑活性的影響Fig.2 Influence of inhibitors on catalyst activity

表2 代表性的銠催化劑毒劑Tab.2 Representative rhodium catalyst toxicants

當(dāng)毒劑的含量增加時(shí)，催化劑活性急劇降低。毒劑含量與催化劑活性的關(guān)系如圖3表示(以Cl為例)。

圖3 毒劑對(duì)催化劑活性的影響Fig.3 Influence of toxicant on catalyst activity

③惰性組分。低壓羰基合成反應(yīng)中，惰性組分主要是：二氧化碳、甲烷、乙烷、水、丙烷、氮?dú)狻⑻嘉宓?。惰性組分增加時(shí)，反應(yīng)系統(tǒng)放空量較大，帶走的丙烯相對(duì)增高，使丙烯效率下降。

1.1.3 丁辛醇1#裝置羰基合成催化劑中毒劑元素含量的測(cè)定

通過(guò)對(duì)催化劑母液中的元素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)再生前后毒劑元素明顯降低，具體數(shù)值如表3所示。

表3 元素再生前后具體數(shù)值Tab.3 Values before and after element regeneration

1.2 羰基合成催化劑再生原理

醇胺類有機(jī)化合物具有很強(qiáng)的堿性，因此在使用過(guò)程中，向水溶液中加入醇胺溶液后pH值會(huì)增大，而大多數(shù)的離子對(duì)pH值都很敏感，pH的增大可能會(huì)造成多陰離子結(jié)構(gòu)的堿解。質(zhì)子化的醇胺作為反荷離子，質(zhì)子化的醇胺陽(yáng)離子之間以及醇胺陽(yáng)離子與其他單元之間通過(guò) 3個(gè)羥基形成超分子相互作用。同時(shí)利用各種毒劑反應(yīng)體系的不同，使得此類氧化反應(yīng)存在著不同的反應(yīng)機(jī)理，在醇胺的反應(yīng)體系中表現(xiàn)為雙電子轉(zhuǎn)移通過(guò)的活化物種與還原劑形成的活化中間體內(nèi)部進(jìn)行的雙電子轉(zhuǎn)移高鐵鹽、含硫化合物和鎳鹽通過(guò)兩電子的氧化過(guò)程。在氧化過(guò)程中考慮不同價(jià)態(tài)的元素，采用了單電子轉(zhuǎn)移的反應(yīng)機(jī)理，對(duì)氯和鈉采用自由基反應(yīng)機(jī)理，氧化反應(yīng)的機(jī)理與反應(yīng)介質(zhì)的酸度有關(guān)，并根據(jù)相應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理，進(jìn)行雙電子轉(zhuǎn)移和單電子轉(zhuǎn)移。

1.3 催化劑再生工藝路線的優(yōu)化及篩選

1.3.1 再生劑的篩選

加入再生劑的目的在于盡可能地脫除中毒催化劑母液里的一些金屬離子以及S、Cl離子。而S、Cl中毒后的催化劑可視為含 S、Cl的有機(jī)酸。因此無(wú)機(jī)的再生劑就可以排除，而滿足上述條件的有機(jī)再生劑必須同時(shí)具有叔胺和醇的性質(zhì)，既能與機(jī)酸反應(yīng)低溫時(shí)生成鹽，高溫時(shí)生成酯，還能與多種金屬生成 2～4個(gè)配位體的螯合物，因此篩選出醇胺作為最終再生試劑。

1.3.2 再生劑濃度的篩選

通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)可以知道，當(dāng)再生劑的濃度增大時(shí)，催化劑母液中毒劑離子液隨著減?。辉偕鷦┑臐舛仍?10%,時(shí)效果最佳；當(dāng)再生劑濃度繼續(xù)增大的時(shí)候，毒劑離子不斷減少，但減少量變化不大，因此，再生劑濃度考慮選擇為 10%,(見圖4)。

1.3.3 再生溫度的篩選

在 30,℃以下時(shí)，再生試劑加入到催化劑母液中，會(huì)產(chǎn)生大量乳化層，但隨著溫度的升高，尤其溫度超過(guò) 70,℃，乳化層會(huì)減少，甚至消失。主要是因?yàn)槎∪┰?65～70,℃比較容易進(jìn)行破乳分層。因此再生溫度考慮選擇65,℃。

圖4 再生劑濃度對(duì)毒劑離子的剔除影響Fig.4 Influence of regenerant concentration on lethal ion removal

1.3.4 脫鹽水洗滌對(duì)再生效果的影響

經(jīng)過(guò)化學(xué)再生后的催化劑，顏色由低活性時(shí)的黃褐色轉(zhuǎn)變?yōu)榱咙S色。水洗的次數(shù)越多，靜置的時(shí)間越長(zhǎng)，催化劑的活性越高，但水洗會(huì)造成丁醛以及銠含量的損失，且廢水量增加，因此水洗次數(shù)不宜超過(guò)3次。

1.3.5 再生時(shí)間對(duì)再生效果的影響

通過(guò)圖 5可以看出抑制毒劑離子量與再生時(shí)間影響因素不是特別明顯。在剔除抑制毒劑離子的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在最大剔除時(shí)間為30～60,m in之間。當(dāng)120,m in后毒劑離子明顯減少，當(dāng)時(shí)間為 150,m in時(shí)毒劑離子基本剔除完畢。因此在加入再生劑后控制時(shí)間為150,m in。

圖5 再生時(shí)間對(duì)毒劑離子的剔除影響Fig.5 Influence of regeneration time on lethal ion removal

1.3.6 再生工藝路線的優(yōu)化

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出以下丁辛醇羰基合成催化劑再生工藝路線：①除去游離態(tài)狀態(tài)的 S2-和 Cl-。除掉丁辛醇羰基合成催化劑母液中游離狀態(tài)的 S2-和 Cl-，具體步驟為：在非生產(chǎn)狀態(tài)下的丁辛醇羰基合成反應(yīng)工藝條件下，將再生劑 A丁辛醇羰基合成催化劑母液均勻混合，對(duì)存在于丁辛醇羰基合成催化劑中的游離狀態(tài)的S2-和Cl-進(jìn)行洗滌，使催化劑母液中的S2-和 Cl-轉(zhuǎn)移到再生劑相中，保留丁辛醇羰基合成催化劑相，排掉再生劑相，所述的再生劑 A相主要為脫鹽水。②除去催化劑母液中貴金屬絡(luò)合物雜質(zhì)。除掉丁辛醇羰基合成催化劑母液中雜質(zhì)與貴金屬絡(luò)合形成的雜質(zhì)；然后將再生劑 C加入催化劑母液中和過(guò)量的再生劑B混合；用再生劑A反復(fù)洗滌丁辛醇羰基合成催化劑母液數(shù)次，直至洗掉母液中殘余的再生劑B和再生劑C為止。

最終工藝路線如圖6所示：

圖6 催化劑再生工藝流程圖Fig.6 Flow of catalyst regeneration process

2 結(jié) 論

通過(guò)該催化劑再生項(xiàng)目，研究出了適合我廠丁辛醇 1#裝置催化劑母液再生的工藝路線，經(jīng)過(guò)以上各實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化，最終催化劑活性由 26%,提高到 59%,，催化反應(yīng)溫度也從 94,℃降低到 88,℃，合成氣和丙烯的消耗降低，生產(chǎn)運(yùn)行負(fù)荷可以提高到100%,，對(duì)生產(chǎn)的穩(wěn)定操作、節(jié)能減排、降低消耗起到了關(guān)鍵作用；同時(shí)能夠延長(zhǎng)催化劑的使用壽命，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。丁辛醇羰基合成催化劑化學(xué)再生技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)丁辛醇等其他生產(chǎn)裝置的延長(zhǎng)催化劑使用壽命起促進(jìn)作用，

具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。■

［1］ 劉宏軍，逄錦屹，秦麗華. 羰基合成丁辛醇催化劑失活因素分析及對(duì)策[J]. 石化技術(shù)及應(yīng)用，2010(1)：50-52.

［2］ 聶增來(lái)，殷玉生. 低壓羰基合成銠催化劑的失活與再生[J]. 化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，2003(4)：47-49.

［3］ 孟素鳳，張亞萍，察榮濤. 羰基合成 ROPAC催化劑再生技術(shù)[J]. 河北工業(yè)，2003(5)：14-15，37.

［4］ 中國(guó)石油化工股份有限公司. 用于羰基合成反應(yīng)的失活銠配合物催化劑的再生方法[P]. 中國(guó)：CN102950027A. 2013-03-06.

［5］ 中國(guó)石油化工股份有限公司. 用于羰基合成反應(yīng)的失活銠配合物催化劑的再生方法[P]. 中國(guó)CN102950028A. 2013-03-06.

［6］ 馮英杰. 氫甲?；磻?yīng)銠催化劑再生技術(shù)進(jìn)展[J]. 工業(yè)催化，2006(增)：68-69.

Chem ical Regeneration Technology of Oxo Synthesis Catalysts

LI YaBin，LI Zhishui，WANG Song
(Tianjin Bohua Yongli Chemical Industry Co.，Ltd.，Tianjin 300450，China)

Through the study of catalysts for butyl octyl alcohol carbonyl synthesis，the suitable chemical regeneration process route for mother liquid of 1# unit catalyst was presented．Via experimental optimization，final catalyst activity increased from 26% to 59%，catalytic reaction temperature reduced from 94,℃ to 88,℃．Meanwhile，the syngas and propylene consumption was reduced and the operation load increased to 100%，which plays a key role in the stable operation，energy conservation and em issions reduction．The route also prolongs the service life of catalyst，reduces production cost and improves economic returns.

oxo synthesis；mother liquid of catalyst；chemical regeneration；activity

TQ426.94

：A

：1006-8945(2015)10-0020-04

2015-09-18