2.1.4 甲酸甲酯水解法(甲醇羰基化法)

甲酸甲酯水解制甲酸工艺由美国科学设计公司-伯利恒钢铁公司(SD-Bethlehem)、伦纳德公司(Leonard)和德国BASF公司于70年代中期分别开发成功,于80年代初先后工业化。

甲酸甲脂法是目前世界上比较先进的工艺流程, 1980年实行工业化后,世界上大多数国家均采用此技术生产甲酸。其特点是只消耗一氧化碳和水,产品为单一的甲酸,无副产物。该工艺具有流程短、原料易得、无三废、产量大、生产成本低的特点,甲酸浓度可达98%,但此工艺一次性投资太大。

该法首先由甲醇羰基化合成甲酸甲酯,反应条件与甲酰胺水解法第一步基本一致;然后在酸性催化剂存在下,使甲酸甲酯于90～140℃、0.5～1.8MPa条件下水解为甲醇和甲酸,经分离精制获得甲酸,甲醇则返回系统。甲酸与水共沸,采用真空分离,可得到100%纯产品。

反应式如下:

甲酸甲酯水解工艺有SD-BethlehemStell、Kemira-Leonard(K-L)、BASF及USSR四种工艺。

SD-Bethlehem工艺用甲酸本身为催化剂,原料气CO含量大于90%,水解反应在均一液相中进行,水解反应物比例一般为水:甲酸甲酯=3∶1～1∶3(重量),甲醇10%(重量)。

工艺流程如图2.1。

1.甲酸甲酯反应器;2.甲酸甲酯蒸馏塔;3.水解反应器;4.水解蒸馏塔;5.产品蒸馏塔

图2.1　SD-Bethlehem工艺流程图

Kemira-Leonard(K-L)工艺由美国Leonard公司开发。原料气CO浓度在94%以上,由于采用了独特的催化剂,合成压力降低一半;水解时采用预混合和闪蒸技术,大量甲酸甲酯在闪蒸槽内被蒸出,使甲酸分离塔有可能在低回流比、低反应温度、短接触时间下操作,甲酸再酯化率小于0.1%。

工艺流程如图2.2。

1.甲酸甲酯反应器;2.甲酸甲酯蒸馏塔;3.水解反应器;4.闪蒸槽;5.水解蒸馏塔;6.甲醇-甲酸甲酯蒸馏塔;7.产品蒸馏塔

图2.2　Kemiral-Leonard(K-L)工艺流程图

由水解反应器出来的液流进入闪蒸槽,经冷却停止了可逆反应后连续进入水解蒸馏塔,甲酸和水由塔底引出送入产品蒸馏塔,在塔底得到含量为85%(Wt)的甲酸,从塔顶蒸出过量的水返回到水解反应器。由水解蒸塔馏塔顶引出的物料经甲醇、甲酸甲酯蒸馏塔分离出甲酸甲酯和甲醇后,分别返回到水解反应器和甲酸甲酯反应器。

德国BASF公司是以二正丁基甲酰为萃取剂的甲酸甲酯水解流程。甲酸甲酯水解操作条件为温度130℃,压力3.0MPa,停留时间40min。反应产物从水解反应器进入甲酸分离塔,甲酸甲酯和甲醇从塔顶采出,进入甲醇-甲酸甲酯分离塔,塔顶甲酸甲酯循环回到水解反应器,甲醇从塔底流出返回甲酸甲酯合成反应器。甲酸分离塔塔底产物进入脱水塔,脱除大部分水。在甲酸产品蒸馏塔,塔底产物二正丁基甲酰胺返回水解反应器,从塔顶得到几乎无水的甲酸成品。与以上两法不同的是水解反应器引入萃取剂二正丁基甲酰胺;工艺流程中增加了脱水塔,可生产无水甲酸;由于引入了二正丁基甲酰胺,工艺中增加了分离甲酸和二正丁基甲酰胺的产品蒸馏塔。

原苏联在Bolislarv中试装置上开发成功甲酸甲酯水解工艺,被称之为USSR工艺,采用该技术建成了两套4万t/a甲酸装置。该工艺与SD-Bethlehem流程相似,不过水解反应采用酸性催化剂KY-33大孔型强酸性阳离子交换树脂,反应温度55～62℃,水:甲酸甲酯=14∶1(摩尔比),甲酸产品纯度86.5%,甲酸甲酯转化率高达95.3%。

从各工艺比较来看,BASR工艺和USSR工艺较为逊色,SD-Bethlehem工艺与K-L工艺基本类似。K-L工艺装置投资最低,且使用自催化水解,对产品无污染,产品质量高;过程中可以使用低压蒸汽,操作温度相对较低,减少了对设备的腐蚀,因此应成为首选方案。

K-L工艺原材料及公用工程消耗定额见下表所示:

表2.1 K-L工艺原材料及公用工程消耗定额表(以2万t/装置、每t85%甲酸产品计)

2.1.5 甲酸工艺方案探讨

就甲酸甲酯来说,还可用甲醇催化脱氢工艺。甲醇脱氢制甲酸甲酯在常压、温度150～300℃、催化剂存在下进行:

主要副反应为:

CH3OH → CO + 2H2

1.脱氢反应器;2.气-液分离塔;3.甲酸甲酯吸收和H2分离塔4.甲酸甲酯精馏塔;5.甲醇贮槽

图2.3　甲醇脱氢制甲酸甲酯工艺流程图

工艺流程如图2.3所示,甲醇预热汽化并进一步换热到反应温度后进入催化脱氢反应器中,一部分甲醇脱氢生成甲酸甲酯;反应物经热交换和冷却后进入气—液分离塔,含部分甲酸甲酯的气相产物由塔顶去吸收和分离塔,用新鲜甲醇吸收甲酸甲酯;含80～90%氢气的尾气由塔顶放出,塔底甲醇回收甲酸甲酯液体和气—液分离塔塔底液一起送入甲酸甲酯蒸馏塔精馏分离后,塔顶得到合格甲酸甲酯产品,塔底得到可循环使用的甲醇。甲醇催化脱氢装置占地面积省,工艺流程简单,操作简单,无腐蚀性,设备投资较少。日本三菱化学公司已建成2万t/年装置,国内西南化工院自行开发的技术于1990年工业化,目前已建成4000t/a生产装置,并将放大到1万t/a。

由于甲醇羰基化制甲酸甲酯需要高纯CO,投资高、流程长,因此,综合原料成本和设备投资,甲醇脱氢和甲醇羰基化路线比较,制备甲酸甲酯的经济评价接近。

主要原材料及动力消耗比较见下表所示:

表2.2 甲醇脱氢制甲酸甲酯工艺原材料及动力消耗定额表

2.2 甲酸工艺技术发展趋势

在当前甲酸市场环境不景气的情况下,采用甲醇脱氢技术,配合甲酸甲酯水解工艺来进行甲酸产品制备,不失为一条投资省、见效快、操作简便、技术切实可行的工业路线,特别是对具有联醇装置的中、小型氮肥企业来说,一则可以利用联醇生产成本较低的优势,再则,由于在今后相当长的时期内,甲酸市场将持续低迷,因此进行其下游产品的开发,可以为现有甲酸的深加工寻找一条出路。

摘自六鉴投资网（6chem.com）《甲酸技术与市场调研报告》《甲酸投资分析报告》

技术分类：化工

技术成熟度：工业化

六鉴投资网合作方式：甲酸技术转让服务，甲酸市场调研服务，甲酸投资顾问服务

技术转让联络：六鉴投资网返回搜狐，查看更多