醋酸含銠廢泥制備ROPAC的研究及應(yīng)用

龐栓林，侯 強(qiáng)，李亞斌

(天津渤化永利化工股份有限公司 天津300452)

0 引 言

永利化工生產(chǎn)醋酸、丁辛醇等產(chǎn)品，其核心工藝是羰基合成，而羰基合成反應(yīng)所采用的催化劑為銠系催化劑。該類(lèi)催化劑反應(yīng)活性高，使用壽命一般為3～5年，而隨著使用年限的增加，銠系催化劑會(huì)有一部分發(fā)生結(jié)焦、碳化等而從絡(luò)合態(tài)體系中脫落，沉積在反應(yīng)器及周邊管線中，從而造成銠金屬的流失。

在醋酸裝置停工檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)壁、管線、閥門(mén)處有黑色沉淀物質(zhì)，疑似含銠催化劑廢泥，將這些部位的物料進(jìn)行回收，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)釜底部、脫氫塔再沸器、脫氫塔釜至蒸發(fā)器流程中的黑色沉淀物銠含量為 13.09%,。

天津渤化永利化工股份有限公司研究所通過(guò)對(duì)醋酸含銠廢泥處理，不經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的三氯化銠制備方法，研發(fā)一步轉(zhuǎn)化法制備出高純乙酰丙酮三苯基膦羰基銠催化劑(銠派克 ROPAC)。經(jīng)羰基合成側(cè)線實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用自制的銠派克催化體系來(lái)代替原有的進(jìn)口銠派克催化體系，并且羰基合成催化活性高，反應(yīng)穩(wěn)定。該課題充分回收利用了醋酸裝置含銠廢泥，制備出了性能達(dá)標(biāo)的丁辛醇羰基合成催化劑，打破國(guó)外核心羰基合成催化體系的技術(shù)壟斷，變廢為寶，降低了企業(yè)運(yùn)行成本，縮短了催化劑制備周期，提升了企業(yè)在丁辛醇市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 ROPAC的實(shí)驗(yàn)室制備及性能表征

1.1.1 銠派克制備流程

取含銠廢泥放入溶液 A 中攪拌 10～20,min，然后洗滌、過(guò)濾、烘干，然后該含銠廢泥與溶液B混合，在 N2保護(hù)下，加熱攪拌 2～3,h，然后烘干得到產(chǎn)物C。在N2保護(hù)下，向產(chǎn)物C中加入溶劑D，加熱反應(yīng) 1～2,h，加入溶劑 E，回流 2～3,h，將反應(yīng)液放置至室溫，濾出不溶物，加入溶劑 F得到 G(乙酰丙酮二羰基銠)，將該沉淀洗滌、過(guò)濾、烘干。在 N2保護(hù)下，將G用溶劑H溶解，加入I，待無(wú)氣泡產(chǎn)生，將反應(yīng)液室溫放置，析出晶體，過(guò)濾，濾液可作為本步驟母液回用。濾餅真空干燥得到乙酰丙酮三苯基膦羰基銠(ROPAC)

1.1.2 制備的ROPAC與進(jìn)口ROPAC成分分析與對(duì)比

由表 1，研究所制備的 ROPAC(以下簡(jiǎn)稱研究所ROPAC)中銠含量與進(jìn)口 ROPAC基本一致，雜質(zhì)離子含量符合ROPAC純度標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.3 紅外分析

由圖1可以看出，在1,900～2,000,cm-1有2個(gè)強(qiáng)的特征紅外吸收峰，它們是乙酰丙酮二羰基銠的2個(gè)C＝O不對(duì)稱伸縮振動(dòng)。圖2是研究所ROPAC與進(jìn)口ROPAC紅外光譜對(duì)比，可以看出二者主要特征峰出峰位置一致，3,500,cm-1后峰略有不同，這是因?yàn)槎唠s質(zhì)含量不同，這與文獻(xiàn)報(bào)道完全一致[1]。PPh3取代CO后，導(dǎo)致CO失去對(duì)稱性，只剩下1個(gè)相應(yīng)的CO強(qiáng)吸收峰移至 1,950,cm-1。說(shuō)明反應(yīng)中 PPh3只取代了1個(gè)CO，產(chǎn)物只能是含有1個(gè)PPh3配體的乙酰丙酮三苯基膦羰基銠(ROPAC)[2]。

圖2 進(jìn)口ROPAC與研究所ROPAC紅外光譜對(duì)比Fig.2 Comparison of infrared spectra between imported ROPAC and Institute ROPAC

1.1.4 實(shí)驗(yàn)室活性分析

稱取研究所ROPAC(Rh含量19.10%)0.104,7,g，TPP 10,g，將其溶解于含 20,mL 1-辛烯、80,mL甲苯的Parr反應(yīng)釜中，程序升溫至85,℃，直至反應(yīng)結(jié)束，反應(yīng)過(guò)程中合成氣消耗如圖3所示。

稱取進(jìn)口 ROPAC(Rh含量 19.28%)0.103,7,g，TPP 10,g，將其溶解于含 20,mL 1-辛烯、80,mL甲苯的Parr反應(yīng)釜中，程序升溫至85,℃，直至反應(yīng)結(jié)束，反應(yīng)過(guò)程中合成氣消耗如圖4所示。

圖3 研究所ROPAC反應(yīng)合成氣消耗圖Fig.3 Gas consumption diagram for ROPAC reaction

圖4 進(jìn)口ROPAC反應(yīng)合成氣消耗圖Fig.4 Gas consumption diagram for imported ROPAC reaction

由表2可以看出，催化劑小試評(píng)價(jià)中催化劑的起始反應(yīng)溫度均為 72,℃左右，消耗 20,mL辛烯所用時(shí)間比進(jìn)口 ROPAC要長(zhǎng) 3,min，這與活催化劑活性低于進(jìn)口催化劑一致，但催化劑活性差距不大，為0.5%,，二者產(chǎn)物正異比為10左右。

表2 反應(yīng)后催化劑性能數(shù)據(jù)Tab.2 Catalyst performance data after reaction

1.2 側(cè)線實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

1.2.1 催化劑的配制

首先在200,L配制罐中加入約150,L丁醛，稱取乙酰丙酮二羰基銠 300,g投入配制罐中開(kāi)啟攪拌，同時(shí)投入 37.5,kg TPP，氮?dú)庵脫Q出罐內(nèi)空氣，保持0.3,MPa壓力，加熱到 50,℃攪拌過(guò)夜，形成穩(wěn)定的ROPAC催化劑母液，次日打入反應(yīng)器進(jìn)行羰基合成反應(yīng)。

1.2.2 催化劑性能分析

由圖5可以看出，前3天兩種催化劑醛耗丙烯偏高，這是因?yàn)榇呋瘎┐蛉敕磻?yīng)器后，隨著液位的增長(zhǎng)以及母液的循環(huán)導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)催化劑被稀釋且不均勻，當(dāng)反應(yīng)體系建立穩(wěn)定循環(huán)后，醛耗丙烯趨向穩(wěn)定。

圖5 兩種催化劑醛耗丙烯對(duì)比圖Fig.5 Comparison of two kinds of catalysts for aldehyde consumption and propylene

由圖5可以看出進(jìn)口催化劑醛耗丙烯從第10天開(kāi)始緩慢增長(zhǎng)，由 0.623,8逐漸增長(zhǎng)到 0.653,4，而研究所催化劑先從最低的0.616,1逐漸增長(zhǎng)到0.631,5。經(jīng)過(guò)隨后的 30,d，反應(yīng)醛耗丙烯比較穩(wěn)定，波動(dòng)不大，從第 10天開(kāi)始穩(wěn)定在 0.63左右。從穩(wěn)定運(yùn)行的平均醛耗丙烯來(lái)看，ROPAC醛耗丙烯平均為 0.631，進(jìn)口 ROPAC醛耗丙烯平均值為 0.645，公司研究所的ROPAC較為穩(wěn)定，醛耗丙烯低。

由圖6可以看出，兩種催化劑活性均隨反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)先下降后維持穩(wěn)定，進(jìn)口ROPAC催化劑初始活性為 90%,左右高于研究所 89%,，但實(shí)驗(yàn)后期進(jìn)口催化劑活性穩(wěn)定在 82%,要低于研究所的 84%,。二者在反應(yīng)初期均出現(xiàn)了催化劑活性下降，這可能是由于反應(yīng)初期 Rh配合物不穩(wěn)定，催化劑分解流失造成。隨著反應(yīng)平衡的建立，銠原子末端羰基通過(guò)碳原子的孤對(duì)電子與銠原子的 dsp2空軌道相互作用形成 σ鍵，同時(shí)，銠原子d軌道的未成鍵電子與羰基碳原子的反鍵π軌道發(fā)生重疊形成反饋π鍵，這種dπ-pπ相互作用的反饋效應(yīng)不僅加強(qiáng)了Rh-C鍵，而且也將d電子轉(zhuǎn)移到 Rh-C之間的區(qū)域，從而減少了中心原子的電荷密度，這種Rh-Cπ反饋鍵的電子給予能力要強(qiáng)于σ鍵。故當(dāng)催化劑通過(guò)低壓蒸發(fā)器遇熱的情況下，空配位授體原子 O與 Rh形成弱的 O-Rh配位鍵而取代Rh并與其末端羰基形成較強(qiáng)的 Rh-Cπ反饋鍵，而在CO氣氛下，其Rh-Cπ反饋鍵會(huì)重新取代O-Rh配位鍵，催化劑回復(fù)到初始結(jié)構(gòu)，這種分子內(nèi)的鍵的相互取代反應(yīng)，大大提高了配合物的穩(wěn)定性[3]，從而使催化劑活性進(jìn)入相當(dāng)長(zhǎng)的穩(wěn)定期。整體來(lái)看，研究所ROPAC與進(jìn)口 ROPAC活性差距不大，活性變化規(guī)律一致，符合生產(chǎn)要求。

由圖7、圖8可以看出，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，兩種催化劑母液中二三聚物含量均增高，但進(jìn)口催化劑母液二三聚物含量要高于研究所 ROPAC，分別為2.96%,、16.6%,。這可能導(dǎo)致進(jìn)口ROPAC催化劑醛耗丙烯高，活性下降程度大。這與穩(wěn)定期進(jìn)口 ROPAC活性低于研究所ROPAC是一致的。

圖6 兩種催化劑活性對(duì)比Fig.6 Comparison of the activity of two kinds of catalysts

圖7 兩種催化劑二聚物含量對(duì)比Fig.7 Comparison of two polymer content of two kinds of catalysts

圖8 兩種催化劑三聚物含量對(duì)比Fig.8 Comparison of the content of two kinds of catalyst trimers

圖9 兩種催化劑產(chǎn)物正異比對(duì)比Fig.9 Comparison of the positive ratio of two kinds ofcatalyst products

由圖 9可以看出正異比進(jìn)口 ROPAC要高于研究所 ROPAC，但可能由于側(cè)線裝置設(shè)計(jì)原因，兩種催化劑正異比均不能達(dá)到生產(chǎn)裝置水平，但從實(shí)驗(yàn)室小試結(jié)果來(lái)看，兩種催化劑正異比是正常的。

2 總 結(jié)

①經(jīng)過(guò)對(duì)醋酸含銠廢泥的處理，能制備出純度達(dá)標(biāo)，催化活性高于90%,的ROPAC催化劑。

②研究所制備的 ROPAC反應(yīng)初期活性要低于進(jìn)口 ROPAC，但長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)二三聚物增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)低于進(jìn)口 ROPAC，催化劑穩(wěn)定期活性高于進(jìn)口催化劑，因此醛耗丙烯較低，維持在 0.63左右，符合生產(chǎn)要求?！?/p>

［1］Bonati F，Wilkinson G.Preparation of carbonyl(triphenylphosphine)rhodium[J].Chem Soc，1964：3156-3159.

［2］王國(guó)勝，熊曉東，隋國(guó)榮，等.乙酰丙酮三苯基膦羰基銠(Ⅰ)的合成與表征[J].貴金屬，2005，26(1)：43-46.

［3］刁開(kāi)盛.甲醇羰基化反應(yīng)中銠催化劑的結(jié)構(gòu)和性能研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2000.