丁醛一步法制備丁酸丁酯工藝中催化劑活性影響因素的研究

張 波，楊志波，李 越，苗 淳

(天津渤化永利化工股份有限公司 天津300452)

0 引 言

丁酸丁酯是一種無色或淺黃色、有水果香味的透明油狀液體，廣泛應(yīng)用于香精香料、涂料油漆等領(lǐng)域[1]。傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝以正丁醛為原料，通過氧化、加氫和酯化等過程制得(圖1)，路線長，設(shè)備腐蝕嚴重，污染大，后處理工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本及能耗高[2-3]。天津渤化永利化工股份有限公司與中科院化物所合作開發(fā)了丁醛一步法制備丁酸丁酯的新工藝技術(shù)。該工藝無需經(jīng)過酸與醇過程，路線簡潔(圖2)，經(jīng)濟性好，綠色安全，反應(yīng)條件溫和，無設(shè)備腐蝕問題，設(shè)備投資及運行維護成本低[4]。前期成功完成了 100t/a規(guī)模的中試試驗，正丁醛轉(zhuǎn)化率＞95%，丁酸丁酯選擇性＞97%。該技術(shù)被中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會鑒定為“國際領(lǐng)先水平”。

圖1 丁酸丁酯傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝路線簡圖Fig.1 Schematic diagram of traditional production process of butyl butyrate

圖2 正丁醛一步法制備丁酸丁酯工藝路線簡圖Fig.2 Schematic diagram for preparing butyl butyrate by n-butyraldehyde one-step process

丁醛一步法制備丁酸丁酯工藝，在低溫低壓下進行反應(yīng)，反應(yīng)得到的丁酸丁酯粗品通過減壓蒸餾的方式進行分離提純。在丁酸丁酯粗品儲存及精餾期間，物料中的催化劑依然保持活性，反應(yīng)會繼續(xù)進行，但由于溫度升高，主要發(fā)生的是副反應(yīng)，生成諸如 2-乙基己烯醛、醇酯十二、十六碳醇酯等高沸點的副產(chǎn)物。這樣會降低丁酸丁酯產(chǎn)品的選擇性，增加產(chǎn)品分離難度，影響最終產(chǎn)品的純度，也增加了能耗。因此，及時對粗品中的催化劑進行滅活處理，減少副反應(yīng)的發(fā)生十分必要。針對這一問題，本文對催化劑的活性影響因素進行了研究，進而提出一種簡單經(jīng)濟的使催化劑滅活的方法，及時抑制副反應(yīng)的發(fā)生，以提高產(chǎn)品的選擇性和純度，降低分離的能耗和成本，進一步提升丁醛一步法制備丁酸丁酯工藝的技術(shù)優(yōu)勢和市場競爭力。

1 試 驗

1.1 試劑與儀器

正丁醛，天津渤化永利化工股份有限公司自產(chǎn)，工業(yè)級；催化劑，POP-Ru，中科院大連化學(xué)物理研究所提供。

電子天平，TD5002C，天津天馬衡基儀器有限公司；電加熱套，CLT-1A，上海力辰邦西儀器科技有限公司；氣相色譜儀，HP7820A，安捷倫科技有限公司。

1.2 試驗方法

從中試裝置反應(yīng)釜取反應(yīng)液，取樣進行色譜分析，計算正丁醛初始轉(zhuǎn)化率和丁酸丁酯初始選擇性，然后將所取反應(yīng)液置于三口燒瓶中，N2保護條件下，分別在不同溫度下進行加熱攪拌回流 3h，觀察后續(xù)反應(yīng)，每隔 0.5h取樣進行色譜分析，計算正丁醛轉(zhuǎn)化率和丁酸丁酯選擇性。另做中試反應(yīng)溫度下的對照試驗。

從中試裝置反應(yīng)釜另取反應(yīng)液，取樣進行色譜分析，計算正丁醛初始轉(zhuǎn)化率和丁酸丁酯初始選擇性，然后將所取反應(yīng)液置于3口燒瓶中，按不同比例加入相應(yīng)的去離子水，N2保護條件下，在中試反應(yīng)溫度下進行攪拌 3h，每隔 0.5h取樣進行色譜分析，計算正丁醛轉(zhuǎn)化率和丁酸丁酯選擇性。另做不加去離子水的對照試驗。

1.3 產(chǎn)品分析

采用氣相色譜對產(chǎn)品進行分析，并采用下列公式分別計算正丁醛的轉(zhuǎn)化率(X)和丁酸丁酯的選擇性(S)。

式中：m0為正丁醛的起始量，g；m1為反應(yīng)后剩余溶液的質(zhì)量，g；ω1為反應(yīng)后溶液中正丁醛的質(zhì)量分數(shù)；ω2為反應(yīng)后溶液中目標產(chǎn)物的質(zhì)量分數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對催化劑活性的影響

前期的實驗結(jié)果表明，丁醛一步法制備丁酸丁酯工藝所用催化劑在-10～80℃，尤其在 5～20℃下具有較高的催化活性。溫度過高會破壞催化劑的骨架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其活性降低，甚至失活，但具體情況尚未進一步研究。若在某一高溫下能使催化劑失活，則可通過優(yōu)化精餾工藝及時抑制副反應(yīng)的發(fā)生，從而解決前述問題。因此，本文選擇120、130、140、150℃下分別試驗，并與中試試驗溫度下的對照試驗進行比較，丁醛轉(zhuǎn)化率及丁酸丁酯選擇性分別如圖3、圖4所示。

從圖3可以看出，在中試試驗溫度下，從反應(yīng)釜取出的反應(yīng)液反應(yīng)繼續(xù)進行，隨著反應(yīng)時間的延長，丁醛轉(zhuǎn)化率由初始的 95.08%逐步升到 3h時的97.46%。與之相比較，在 120、130、140℃的高溫條件下，丁醛轉(zhuǎn)化率隨著時間的延長在升高，但增幅逐漸放緩。這說明，在 120～140℃內(nèi)，催化劑活性隨溫度升高會越來越低，但未完全失活。當(dāng)反應(yīng)溫度上升到150℃時，丁醛轉(zhuǎn)化率隨時間變化曲線近似為一條平直線，表明在該溫度下，催化劑已經(jīng)完全失活，導(dǎo)致丁醛沒有繼續(xù)反應(yīng)。

圖3 不同溫度下丁醛轉(zhuǎn)化率隨時間的變化情況Fig.3 Change of conversion rate of butyraldehyde with time at different temperatures

從圖4可以看出，中試試驗溫度下的對照試驗，其丁酸丁酯選擇性隨著反應(yīng)時間的延長逐漸升高，由初始的 97.26%持續(xù)上升到 98.07%。而在 120、130、140℃的 高溫條件下，丁酸丁酯選擇性隨反應(yīng)時間的延長卻逐步降低，且溫度越高，降幅越大。這是因為，在 120～140℃內(nèi)，催化劑活性雖有所降低，但仍能催化丁醛發(fā)生反應(yīng)；但在高溫度下，丁醛更多地是發(fā)生副反應(yīng)，且溫度越高，副反應(yīng)越劇烈，從而導(dǎo)致丁酸丁酯選擇性越來越低。當(dāng)溫度升高到 150℃時，丁酸丁酯選擇性基本保持初始的 97.26%不變。結(jié)合圖3丁醛轉(zhuǎn)化率隨時間的變化曲線，進一步說明該溫度下催化劑已經(jīng)完全失活。

圖4 不同溫度下丁酸丁酯選擇性隨時間的變化情況Fig.4 Change of butyl butyrate selectivity with time at different temperatures

根據(jù)圖3、圖4的研究結(jié)果，工業(yè)生產(chǎn)中，提高精餾系統(tǒng)的操作溫度到150℃，就可使物料中的催化劑失活，避免副反應(yīng)的發(fā)生，從而提高丁酸丁酯選擇性及產(chǎn)品純度。但操作溫度的提高會導(dǎo)致能耗增加，因此，還需尋求更加經(jīng)濟可行的方法。

2.2 去離子水對催化劑活性的影響

丁醛一步法制備丁酸丁酯工藝所用催化劑為一種新型的多孔有機物催化劑，它是以富含羥基的多孔有機聚合物為基底，在其表面形成的 Ru絡(luò)合結(jié)構(gòu)。文獻研究結(jié)果表明[5]，此類絡(luò)合結(jié)構(gòu)遇水會發(fā)生水解，破壞原有結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致失活。因此，本文研究了去離子水對催化劑活性的影響，分別按照反應(yīng)液與去離子水體積比為 100∶1、125∶1、150∶1、175∶1、200∶1的配比加入去離子水進行反應(yīng)，并與不加去離子水的對照試驗進行比較。丁醛轉(zhuǎn)化率及丁酸丁酯選擇性分別如圖5、圖6所示。

從圖5和圖6可以看出，丁醛一步法制備丁酸丁酯工藝所用催化劑極其怕水，當(dāng)按照反應(yīng)液與去離子水按 100∶1、125∶1、150∶1、175∶1 的配比加入去離子水后，丁醛轉(zhuǎn)化率及丁酸丁酯選擇性都幾乎保持初始值不變，說明催化劑已失活，沒有進行后續(xù)反應(yīng)。當(dāng)進一步降低去離子水的加入量至反應(yīng)液與去離子之比為 200∶1時，催化劑才略微保持活性。因此，在保證使催化劑失活，且用水最少的情況下，去離子水的最佳加入量為反應(yīng)液∶去離子水＝175∶1。加入少量的水就能使催化劑失活，從而有效避免副反應(yīng)的發(fā)生，而反應(yīng)體系中引入的去離子水可在后續(xù)精餾中隨輕組分一起分離出去，不會影響產(chǎn)品純度，也不會增加能耗，可見這是一種簡便經(jīng)濟的方法。

圖5 不同加水量對丁醛轉(zhuǎn)化率的影響Fig.5 Effect of different amounts of water on conversion of butyraldehyde

圖6 不同加水量對丁酸丁酯選擇性的影響Fig.6 Effect of different amounts of water on selectivity of butyl butyrate

3 結(jié) 論

本文對丁醛一步法制備丁酸丁酯工藝中催化劑活性的影響因素進行了探索。研究結(jié)果表明，在120～150℃的高溫條件下，催化劑活性隨著溫度的升高逐漸降低，在 150℃時完全失活，該催化劑極其怕水，按照反應(yīng)液∶去離子水＝175∶1(體積比)的配比加入去離子水即可使反應(yīng)液中催化劑完全失活。為提高丁酸丁酯選擇性及產(chǎn)品純度，降低分離難度和能耗，進一步提升丁醛一步法制備丁酸丁酯工藝的技術(shù)優(yōu)勢和競爭力，及時對粗品中的催化劑進行滅活處理十分必要。相對于高溫滅活法，加水滅活更加簡便經(jīng)濟。