烃类选择性氧化课件.pptx

1、第七章烃类选择性氧化过程主要内容氧化反应的典型产品和工艺氧化反应类型(均相、非均相)氧化剂的种类氧化反应的特点 化学工业中氧化反应是一大类重要化学反应，它是生产大宗化工原料和中间体的重要反应过程 有机物氧化反应当数烃类的氧化最有代表性 烃类氧化反应可分为完全氧化和部分氧化两大类型氧化反应 主要化学品中50%以上和氧化反应有关 含氧：醇、醛、酮、酸、酸酐、环氧化物、过氧化物等 不含氧：丁烯氧化脱氢制丁二烯丙烯氨氧化制丙烯腈乙烯氧氯化制二氯乙烷氧化反应反应放热量大反应不可逆 氧化途径复杂多样过程易燃易爆氧化反应的特点热量的转移与回收目的产物为中间氧化物催化剂 反应条件安全性 空气 纯氧 过氧化氢

2、其它过氧化物 反应生成的烃类过氧化物或过氧酸氧化剂的选择 反应类型：碳链不发生断裂的氧化反应 碳链发生断裂的氧化反应 氧化缩合反应 烃类选择性氧化过程的分类 均相催化氧化非均相催化氧化催化自氧化络合催化氧化烯烃的液相环氧化反应相态烃类选择性氧化过程的分类 均相催化氧化的特点 催化自氧化反应 配位催化氧化反应 烯烃液相环氧化均相催化氧化的类型具有自由基链式反应特征，能自动加速的氧化反应。使用催化剂加速链的引发，称为催化自氧化工业上生产有机酸、过氧化物催化自氧化 催化剂多为Co、Mn等过渡金属离子的盐类，溶解在液态介质中形成均相 助催化剂，又称氧化促进剂缩短反应诱导期，加速反应的中间过程催化自氧化

3、催化剂溴化物 有机含氧化合物催化自氧化反应的助催化剂 溴化钠、溴化铵、四溴乙烷、四溴化碳甲乙酮、乙醛、三聚乙醛产物为烃类过氧化氢，不需要催化剂，用少量引发剂引发反应异丁烷过氧化氢 偶氮二异丁腈自氧化反应引发剂自氧化反应机理 均相催化氧化 烃分子均裂生成自由基 决定性步骤ROOH的生成是链传递反应的控制步骤自氧化反应过程的影响因素 溶剂的影响 杂质的影响 温度和氧气分压的影响 氧化剂用量和空速的影响溶剂能改变反应条件溶剂对反应历程有影响溶剂可产生正效应促进反应 可产生负效应阻碍反应溶剂的影响杂质可能使体系中的自由基失活，从而破坏链的引发和传递，导致反应速率显著下降甚至终止反应杂质的影响 氧气浓度

4、高时，反应由动力学控制，较高温度有利 氧气浓度低时，反应由传质控制，增大氧分压有利 氧气分压改变对反应的选择性有影响温度和氧气分压的影响 氧化剂用量应避开爆炸范围空速的大小受尾气中氧含量约束氧化剂用量和空速的影响产物分子氧初始态催化剂反应物氧化 配位催化氧化反应 催化剂由中心金属离子与配位体构成还原态催化剂 配位烯烃的液相氧化 瓦克法 (Wacker)氧化最容易在烯烃中最缺氢原子的碳上进行氧化反应速率随碳原子数的增多而递减络合(配位)催化氧化 Pd2+烯烃 烯烃氧化物+Pd0 Pd2+Cu2+Cu+Cu配位 H+O2PdCl2 催化剂CuCl2 氧化剂 烯烃催化自氧化的催化循环 烯烃中双键打开

5、形成羰基是反应的控制步骤 烯烃必须溶解在催化剂溶液中才能活化 常见溶剂 水、乙醇、二甲基甲酰胺、环丁砜烯烃的液相配位催化氧化 烯烃氧化为羰基化合物 烯烃氧化为乙二醇酯 烯烃的醋酸化 氧羰基化 氧化偶联典型的瓦克法反应烯烃液相环氧化 生产环氧丙烷优点缺点流程短投资少选择性好收率高生产安全设备腐蚀性大废水量大需要充足氯源污染严重生产环氧丙烷空气或氧气氧化丙烯+脱水联产物量大烯烃液相环氧化 乙苯过氧化氢乙苯环氧丙烷-甲基苯甲醇苯乙烯 能溶于反应介质的过渡金属的有机酸盐类或配合物 环烷酸钼、乙酰丙酮钼、六羰基钼 氧化还原电位低、L酸酸度高环氧化反应催化剂主反应：过氧化氢有机物对烯烃的环氧化副反应：过氧

6、化氢有机物自身分解 r1=k1烯烃ROOH催化剂r2=k2ROOH收率YR=1112211Ckkrrr环氧化的主、副反应 丙烯浓度和温度对收率有影响 提高丙烯浓度，有利于提高收率 温度在100左右，收率可大于90%-95%烯烃与ROOH的配比 2:110:1 ROOH的空间位阻和电子效应 溶剂性质对主反应有影响 烯烃环氧化的影响因素v丙烯环氧化联产苯乙烯的工艺流程 u 选用乙苯作溶剂，反应温度115，压力3.74MPau 催化剂为可溶性钼盐，过氧化氢乙苯的转化率可达99%，丙烯转化率10%左右，丙烯转化为环氧丙烷的选择性为95%烯烃液相环氧化 搅拌鼓泡釜式反应器连续鼓泡床塔式反应器内冷却管外循

7、环冷却器循环导流筒均相催化氧化过程反应器的类型均相反应移热方式反应温度较高，有利于能量的回收和节能单位体积反应器的生产能力高，适于大规模连续生产反应过程的影响因素较多反应物料与空气或氧的混合物存在爆炸极限问题，必须特别关注生产安全。非均相催化氧化工业上使用的有机原料：具有电子的化合物 烯烃 芳烃 不具有电子的化合物 醇类 烷烃低碳烷烃的选择性氧化：丁烷代替苯氧化制顺酐丙烷代替丙烯氨氧化制丙烯腈非均相催化氧化烷烃的催化氧化反应重要的非均相氧化反应正丁烷气相催化氧化制顺丁烯二酸酐（顺酐）OHCO21CHCH4232222C260220OAlAg/CH3CH=CH3Mo-Bi-Fe-Co-O/SiO

8、2+O2Co-Mo-O/SiO2+O2P-Mo-Bi-O/SiO2+NH3+O2CH2=CHCHOCH2=CHCOOHROHCH2=CHCOORCH2=CHCNH2O+O2Mo-V-Cu-O/SiO2(7-28)生产丙烯醛、丙烯酸、丙烯酸酯、丙烯腈烯丙基催化氧化反应芳烃催化氧化反应 CH3+3O2V2O5-TiO2/Carrier400oC _COCOO+3H2O_+6H2OOCOCO_ Co440V-Ti-O/Carrier+6O2CH3_CH3_COCOO+412V-M-O/SiO2400oC O2CHCOCHCOO+2CO2+2H2O+4O2 V2O5-K2SO4/SiO221+2H2O

9、+2CO2OCOCO_CH3CH3CH3H=_1850 kJ/molkJ/mol1792_H=kJ/mol1109_H=kJ/mol2700_H=_(7-29)(7-30)(7-31)(7-32)生成顺酐、苯酐、均苯四酸酐 甲醇氧化制甲醛 乙醇氧化制乙醛 异丙醇氧化制丙酮(7-35)(7-34)(7-33)OHOOCCHCHCHCHCHCOOCHO21COOHCH2CHCHCHCHkJ/mol167HO2H5H3COOC3CH2O21COOH3CH2CHCH3CHkJ/mol147HO2HCHHOOCCCH2O21COOHCH2CH2CH23223Pd/C23223O2Pd/Al23MPa1.

10、2C,0.81801652COOK/SiO3CHAuPd3乙烯和醋酸氧酰化生产 醋酸乙烯丙烯和醋酸氧酰化生产 醋酸丙烯丁二烯氧酰化生产 1,4-丁二醇氧氯化反应 37)(7 HClCHClCHClCHClCH)367(OHClCHClCHO21HCl2HC2裂解222222242C240/CarrierCuCl 乙烯氧氯化制二氯乙烷)387(OH14ClC4HClC4O7Cl6ClHC824232222242C420rKCl/CarrieCuCl 氧化还原机理，又称晶格氧作用机理 化学吸附氧化机理 混合反应机理非均相催化氧化反应机理活性组分主要有可变价的过渡金属钼、铋、钒、钛、钴、锑等的氧化物

11、，处于氧化态和还原态的金属离子须保持一定比例。工业催化剂采用两种或两种以上的金属氧化物构成常用载体：氧化铝、硅胶、刚玉、活性炭非均相催化氧化催化剂 固定床反应器、流化床反应器 移动床反应器 膜反应器 移动床色谱反应器非均相催化氧化反应器列管式换热反应器优点缺点1.气体在床层内的流动返混小，有利于抑制 串联副反应的反应。2.催化剂的强度和耐磨性要求不高1.结构复杂，催化剂装卸困难2.空速小3.由于温度轴向分布热点存在，影响催化剂效率 在原料气中加入微量抑制剂 在反应管进口段装填惰性载体稀释的催化剂或部分老化的催化剂 分段冷却法控制热点温度的方法 适合于深度氧化产物主要来自平行副反应，且主、副反应

12、的活化能相差甚大的场合。催化剂强度要求高气-固接触不良，反应转化率下降空速的选择受催化剂密度、反应器高度、分离器回收催化剂的能力限制 细颗粒流化床 应用广流化床反应器 反应和催化剂的再生在两个分开的反应器中进行 对反应区和再生区可分别进行优化，提高产物收率 反应段不与氧气混合，安全性提高，同时可采用较高反应物浓度，有利于提高设备的生产能力移动床反应器氨乙烯环氧化制环氧乙烷乙二醇一乙醇胺二乙醇胺三乙醇胺聚乙二醇水CH2CH2O+XYCH2CH2OXY环氧乙烷生产方法 l氯醇法l乙烯直接氧化法空气氧化法氧气氧化法主反应：C2H4O2C2H4O平行副反应:C2H43O22CO22H2O(g)串联副反

13、应:C2H4O2O22CO23H2O(g)主反应与副反应深度氧化乙烯直接氧化法制环氧乙烷选择性氧化催化剂工业上使用银催化剂由活性组分银、载体和助催化剂组成 提高活性组分银的分散度，防止高温烧结 常用-氧化铝、碳化硅、刚玉-氧化铝-二氧化硅等，一般载体比表面积在0.300.4m2/g 环形、马鞍型、阶梯型等。催化剂的载体l碱金属、碱土金属和稀土元素有助催化作用l能提高反应速度和环氧乙烷选择性，还可使最佳反应温度下降，防止银粒烧结失活，延长催化剂使用寿命l添加活性抑制剂。抑制剂的作用是使催化剂表面部分可逆中毒，使活性适当降低，减少深度氧化，提高选择性助催化剂工业催化剂中在20%以下选择合适的载体和

14、助催化剂，高银含量的催化剂也能保证选择性基本不变，而活性明显提高催化剂的银含量l银催化剂的制备方法：粘接法 浸渍法l制备的银催化剂必须经过活化后才具有活性，活化过程是将不同状态的银化合物分解、还原为金属银催化剂的制备原子态吸附氧是乙烯银催化氧化的关键氧种。原子态吸附氧与底层氧共同作用生成环氧乙烷或二氧化碳，分子氧的作用是间接的。乙烯与被吸附的氧原子之间的距离不同，反应生成的产物也不同减弱吸附态氧与银表面键能，可提高反应选择性反应机理反应条件对乙烯环氧化的影响反应温度空速反应压力原料配比及致稳气原料气纯度乙烯转化率 反应温度是影响选择性的主要因素 100时产物几乎全是环氧乙烷，300时 产物几乎

15、全是二氧化碳和水 工业上一般选择反应温度在220260权衡转化率和选择性，使EO收率最高l 空速是影响乙烯转化率和EO选择性的另一因素l 工业上采用的空速与选用的催化剂有关，还与反 应 器 和 传 热 速 率 有 关，一 般 在 4 0 0 0 8000h1左右l 加压可提高乙烯和氧的分压，也有利于采用加压吸收法回收环氧乙烷，故工业上大都采用加压氧化法 l 压力太高，对设备耐压要求提高，费用增大，环氧乙烷也会在催化剂表面产生聚合和积碳，影响催化剂寿命。一般工业上采用的压力在2.0MPa左右乙烯与氧的配比必须在爆炸限以外乙烯与氧的浓度过低，则生产能力小 乙烯与氧的浓度过高，则放热量太大 惰性的，

16、能减小混合气的爆炸限，增加体系的安全性 比热容较高，有效的移出部分反应热，增加体系稳定性氮气 甲烷 单程转化率的控制与氧化剂的种类有关 纯氧作氧化剂，单程转化率在12%15%空气作氧化剂，单程转化率在30%35%单程转化率过高，加快深度氧化，选择性降低 单程转化率过低，循环气量大。同时部分循环气排空时乙烯损失大。工艺流程 l工艺流程包括反应部分和环氧乙烷回收、精制部分l氧气法生产环氧乙烷的工艺流程反应器的冷却介质 “尾烧”现象 空气作氧化剂氧-烃混合技术 环氧乙烷回收技术 碳酸乙烯酯节能技术 超临界萃取 EO、膜式等温吸收器、热泵精馏利用低位能丙烯氨氧化制丙烯腈的工艺路线lSohio法lMon

17、tedison-UOP法lSnam法lDistillers-Ugine法lO.S.W法 流化床反应器固定床反应器丙烯氨氧化制丙烯腈主反应C3H6NH33/2O2 CH2=CHCN(g)3H2O(g)G0（700K）-569.67 kJ/molH0（298K）-514.8 kJ/mol丙烯氨氧化制丙烯腈丙烯氨氧化催化剂 Mo系催化剂 Fe3Co4.5Ni2.5BiMo12P0.5Kx(x=00.3)C-49、C-49MC、C-89Mo-Bi-Fe系催化剂可用通式表示为：Mo-Bi-Fe-A-B-C-D-OSb系催化剂Sb-Fe-O催化剂、丙烯腈收率为75%NS-733A NS-733B 流化床

18、强度高、耐磨性能好 粗孔微球硅胶作载体 固定床 导热性能良好、低比表面、无微孔结构 刚玉、碳化硅、石英砂作载体不同反应器对催化剂载体的要求丙烯氨氧化反应途径两步法机理一步法机理丙烯烯丙基丙烯醛丙烯腈脱氢晶格氧吸附态氨丙烯烯丙基丙烯腈脱氢O2、NH3 丙烯脱氢生成烯丙基过程为控制步骤 在体系中氨和氧浓度不低于丙烯氨氧化反应的理论值时，丙烯氨氧化反应对丙烯为一级反应，对氨和氧均为零级反应，即：丙烯氨氧化动力学r=k p丙烯 Mo6 Mo5Mo5Bi3 Mo6Bi2 2Bi21/2O2 2Bi3O2-丙烯氨氧化反应影响因素 原料纯度和配比 l原料丙烯中的丁烯及更高级的烯烃必须严格控制l原料氨用合成氨

19、厂生产的液氨l原料空气经除尘、酸-碱洗涤后使用l丙烯与空气的配比应大于理论配比。丙烯与氨的摩尔比实际为1:1.11.15产物/进料丙烯450温度/丙烯腈丙烯腈丙烯腈 反应压力 l加压能提高丙烯浓度，增大反应速率，提高设备的生产能力l增大反应压力，会使丙烯腈收率降低,反应不宜在加压下进行，反应压力接近常压停留时间 适当增加停留时间，可相应提高丙烯腈的单程收率 一般工业上选用的接触时间，流化床58 s丙烯腈生产工艺流程v 丙烯腈合成部分v 产品和副产品的回收部分v 精制部分l工业废水中氰化物最高允许排放浓度为0.5mg/Ll废气处理：催化燃烧法 l废水处理：添加辅助燃料后直接焚烧处理 曝气池活性污

20、泥法 生物转盘法丙烯腈生产过程中的废物处理l邻苯二甲酸酐简称苯酐，主要用来生产增塑剂邻苯二甲酸二辛酯和邻苯二甲酸二丁酯及其它酯类，还可用于制造不饱和聚酯树脂和染料、医药、农药等l目前国外苯酐装置向大型化方向发展，单套装置最大生产能力已达11万吨/年。我国以前苯酐装置生产能力较小，现最大已达4万吨/年芳烃氧化制邻苯二甲酸酐苯酐生产方法v 萘法（1886年）v 邻二甲苯法（1946年）v 邻二甲苯制苯酐的优势 原子利用率高 邻二甲苯来源丰富，价格便宜 邻二甲苯常温下为液体，容易处理邻苯二甲酸酐生产的催化剂 在以萘为原料时，工业催化剂的主要成分为V2O5和K2SO4，载体为硅胶邻二甲苯为原料进行气相

21、催化氧化时，一般采用V-Ti-O体系，可添加微量P、K、Na、Li、Cs、Mo、Nb等元素作为促进剂加以改性邻苯二甲酸酐生产技术进展 氧化反应器的型式 萘为原料 流化床、固定床 邻二甲苯为原料 列管式固定床反应混合物在爆炸范围内操作的工艺 40g工艺 85g、134g工艺 固定床列管式反应器 催化剂床层分两段装填活性不同的催化剂 以熔盐移出反应热 转换冷凝器 预分解器加热处理粗苯酐BASF流程的特点爆炸极限选择性氧化过程中，烃类及其衍生物的可燃气体或蒸气与空气或氧气形成混合物，在一定的浓度范围内，该混合物会自动迅速发生支链型链锁反应，最终发生爆炸，该浓度范围称为爆炸极限，简称爆炸限 爆炸限并不

22、是一成不变的，它与体系的温度、压力、组成等因素有关。氧化操作的安全技术v对于一些爆炸威力较大的物系，不仅要在爆炸限以外操作，工业生产中还加入惰性气体作致稳气 v混合器的设计和混合顺序的选择也非常重要。v爆炸威力不大、爆炸限小的物系，可在爆炸范围内操作，但必须有有效的安全防范措施。v对于一些不稳定易聚合或分解的化合物，贮存运输时也必须注意安全防止爆炸的工艺措施 主要化学品中50%以上和氧化反应有关 含氧：醇、醛、酮、酸、酸酐、环氧化物、过氧化物等 不含氧：丁烯氧化脱氢制丁二烯丙烯氨氧化制丙烯腈乙烯氧氯化制二氯乙烷氧化反应 空气 纯氧 过氧化氢 其它过氧化物 反应生成的烃类过氧化物或过氧酸氧化剂的

23、选择 能溶于反应介质的过渡金属的有机酸盐类或配合物 环烷酸钼、乙酰丙酮钼、六羰基钼 氧化还原电位低、L酸酸度高环氧化反应催化剂 固定床反应器、流化床反应器 移动床反应器 膜反应器 移动床色谱反应器非均相催化氧化反应器工业催化剂中在20%以下选择合适的载体和助催化剂，高银含量的催化剂也能保证选择性基本不变，而活性明显提高催化剂的银含量丙烯氨氧化制丙烯腈的工艺路线lSohio法lMontedison-UOP法lSnam法lDistillers-Ugine法lO.S.W法 流化床反应器固定床反应器丙烯氨氧化制丙烯腈邻苯二甲酸酐生产技术进展 氧化反应器的型式 萘为原料 流化床、固定床 邻二甲苯为原料 列管式固定床反应混合物在爆炸范围内操作的工艺 40g工艺 85g、134g工艺