CN102171167A - 用于用异丙醇或异丙醇和丙烯的混合物对苯进行烷基化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于用异丙醇(IPA)或异丙醇和丙烯的混合物作为烷基化试剂对苯进行烷基化的方法,其包括完全在气相中且在包含属于MTW族的沸石的催化系统的存在下实施所述反应。
Description
技术领域
本发明涉及用于用异丙醇(IPA)作为烷基化试剂或异丙醇和丙烯的混合物对苯进行烷基化的方法,其包括完全在气相中在包含属于MTW族的沸石的催化系统的存在下实施所述反应。
该方法的特征在于不存在由于在反应混合物中存在高水含量以及由不适宜的反应得到的副产物而对该催化剂的性能和寿命产生的不利影响,与由现有技术的用于相同工艺的催化剂提供的那些相比,其还提供了更高得多的生产率。
不存在不利影响是由于所用的特别的催化系统所致,其证明特别适用于用烷基化试剂异丙醇或异丙醇和丙烯的混合物在选定的反应条件下对苯进行烷基化。
本发明还涉及用于制备苯酚的方法,其中用于制备异丙苯的第一步是由依照上述指定的苯的烷基化实现的。
背景技术
异丙苯是用于制备苯酚的重要前体,苯酚又可用作用于制备由其制备尼龙的己内酰胺的中间体。
用于制备苯酚的完整方法包括将苯烷基化为异丙苯、异丙苯氧化为相应的氢过氧化物,其通过酸处理制备苯酚和丙酮。
关于第一步烷基化,除了沸石催化剂之外,在石油化工中仍特别使用基于用于固定床反应器的磷酸和硅藻土或在浆液中的AlCl3的催化剂。在所有情况中,苯与丙烯的烷基化反应是在对应于该反应物混合物的完全液相的反应条件下进行的。
然而,在基于使用基于磷酸和AlCl3的催化剂的方法中存在与环境影响和安全性的问题:事实上由于腐蚀、毒性有机产物的副产和废催化剂的处置,这些催化剂的使用是特别复杂的。
在1965年,首次描述了使用沸石X或沸石Y作为催化剂制备异丙苯(Fnachev,Kr.M.,等,Nefiekhimiya 5(1965)676)。
随后,Venuto等(J.Catal.5,(1966)81)描述了使用具有八面沸石结构的沸石用于用轻质烯烃(例如丙烯)对苯的烷基化。
在异丙苯的合成中,使用具有β结构的沸石(如EP 432814中所述),特别是使用包括依照EP 687500中所述的β沸石的催化剂,得到了在工业实用性方面优化的结果。
一旦得到,将该异丙苯通过氧化步骤转化为氢过氧化异丙苯,然后进行酸处理步骤导致过氧化物键的断裂生成苯酚和丙酮,从而转化为苯酚。
在一方面,如果在单一制备装置中同时制备苯酚和丙酮从工业角度来看确实代表了积极的方面,而在另一方面,两种产物不平衡的商业需求能够代表在用于制备苯酚的工业装置的管理中的问题。
事实上应当认识到依照传统方法通过丙烯由异丙苯每制备1kg苯酚,还产生了0.61kg丙酮。
考虑到丙酮的主要用途之一的代表是甲基丙烯酸甲酯(MMA),市场上对其的需求正在减少,同时对苯酚的主要下游用途双酚A(BPA)、酚醛树脂和己内酰胺的需求正在增加,能够容易地理解由通过异丙苯制备苯酚中同时制备丙酮造成的潜在问题。
因此在市场条件如此以致于阻碍了其直接销售时,强烈感到需要找到可以方便地利用丙酮的可能的替代用途。
US 5,017,729描述了用于通过异丙苯氢过氧化物制备苯酚的方法,其特征在于在异丙苯制备步骤中使用部分或全部来自用氢对丙酮(与苯酚共同生成的)还原以及然后对异丙醇脱水产生的丙烯。
在该方法中,致力于由与苯酚共同生成的丙酮重新获得用于该烷基化步骤中的纯丙烯的多个步骤的高成本是显而易见的。
特别地,在Mitsui(PEP Review 95-1-11)提出的用于由丙酮制备丙烯的方法中,事实上,较高的投资成本能够归因于在用氢气的相关还原部分中由丙酮得到的异丙醇至丙烯的脱水部分。
另一方面,为了具体的工业应用的目的,由于在使用常规类型的酸催化剂时进行直接用异丙醇作为烷基化试剂使苯烷基化是非常困难的(由于在反应过程中由IPA释放的水对该催化剂的选择性方面的性能(但首先是对该催化剂本身的寿命)产生不利的影响),因此IPA到丙烯的脱水步骤是必须的。
沸石和非沸石型酸催化剂事实上都受到在使用异丙醇作为苯制备异丙苯的烷基化试剂生成的水存在的不利影响。
在广泛用于异丙苯的工业合成中的常规类型的催化剂的情况中,例如磷酸,例如负载在二氧化硅上,在反应混合物中高于几百ppm的水含量造成该催化剂的显著化学和机械分散作用,以及在异丙苯收率方面的催化性能的显著降低。
在沸石基催化剂的情况中,由于水的存在造成的不利影响是已知的,其显示为异丙苯总收率的降低以及该催化剂本身或多或少的快速失活。
然而所有这些不利影响都是已知的,而且与在具体工业实用方法中使用异丙醇作为苯的烷基化试剂以得到异丙苯所得到的那些相比,反应中存在非常少量的水也证实所有这些不利影响。
事实上,用异丙醇对苯的烷基化方法的工业实用性不能忽视某些参数,例如该反应区的进料中的苯/IPA摩尔比,其通常在4-8的范围内,假设异丙醇全部转化,水在反应中的相应浓度等于约48000-26000ppm。
甚至用由异丙醇和丙烯的混合物构成的烷基化试剂对苯实施烷基化在任何情况中都将会需要显著降低异丙醇的用量以保证该催化系统能够容忍的水含量,因此限制了该方法的实际可能性。
用丙烯对苯的烷基化所用的催化剂不能总是容易适用于苯与作为烷基化试剂的异丙醇、或者异丙醇和丙烯的混合物的烷基化反应,因为这些催化剂通常对水非常敏感,因此在异丙醇脱水生成的水的存在下其寿命会大大降低。
已经描述了在气相中使用β沸石作为催化剂用异丙醇对苯进行烷基化的可能性(K.S.N.Reddy等,Applied Catalysis A:General,95(1993)53-63)。而且在该情况中,以高的苯/异丙醇比例观察到的的催化剂的劣化也是显而易见的。
在上面引用的参考文献中描述的实验测试中,显现出催化剂持续时间与该实验测试进程的问题。
US 5,015,786描述了用于由异丙苯制备苯酚的方法,其中部分该异丙苯来自苯的烷基化(也利用与苯酚共同生成的丙酮的还原得到的异丙醇进行),与来自用丙烯对苯的烷基化得到的异丙苯相结合。
用IPA对苯的烷基化步骤是在酸性的催化剂的存在下进行的,例如各种材料:指明沸石作为优选催化剂。然而有兴趣地指出,在上述文件中没有对催化剂的寿命的信息,考虑到最长的测试持续200小时(实施例5,第15栏),总的来讲性能恒定,这在给定的条件下对应于不高于约100kg异丙苯/kg催化剂的生产率。
为了克服上述问题,已经提出了使用具有显著疏水特征的特别催化剂,例如具有高二氧化硅/氧化铝比值的ZSM-5沸石或H-丝光沸石和脱铝Y沸石。
例如在US 5,160,497中,使用具有在8-70范围内的SiO2/Al2O3摩尔比的脱铝Y沸石用于用丙烯和异丙醇对苯的烷基化。
EP 1069100描述了用于用异丙醇(非必要地与丙烯的混合物)对苯烷基化的方法,其在于在使得无论在反应混合物中存在的总水含量如何,液体反应相中的水浓度不高于8000ppm wt/wt的温度和压力下,在混合气-液相条件下或在完全液相条件下实施所述反应。该催化剂是沸石型的,优选选自β沸石、Y沸石、ZSM-12和丝光沸石。
EP 1069099描述了用于在对应于该反应区中存在的混合物为完全气相的压力和温度下以及在包括β沸石和无机配体的催化剂的存在下用异丙醇或异丙醇和丙烯的混合物对苯进行烷基化的方法。
发明内容
申请人现在发现通过在催化剂的性能、寿命和因此生产率方面提供更好的结果的方法,甚至在存在相当量的水的情况下,在适合的反应条件下操作并使用包括MTW型催化剂的催化剂,可以用异丙醇(IPA)或异丙醇和丙烯的混合物作为烷基化试剂对苯进行烷基化得到异丙苯。
因此本发明的目的涉及用于用异丙醇或异丙醇和丙烯的混合物对苯进行烷基化的方法,其包括完全在气相中且在包含属于MTW族的沸石的催化系统的存在下实施所述反应:依照此,反应条件对应于反应物的完全气相,即该方法是在使得具有全部存在于气相中的反应物的压力和温度条件下实施的。
依照本发明的一方面,可以选择也对应于在该反应区中存在的整个混合物是完全气相的压力和温度条件:因此在这种情况中不仅反应物而且产物都是在气相中的。
依照本发明的另一方面,可以选择也对应于该反应产物至少部分是液相的温度和压力条件:因此在这种情况中反应物是在气相中的,而产物至少部分是液体。
依照本发明的方法能够在加入该反应区的进料中采用比现有技术中所用的更低得多的苯与异丙醇的摩尔比,其在具体工业实用性范围内,因此与在反应过程中生成的水的总量无关。
能够用于所述发明中的MTW结构类型的沸石例如是:ZSM-12、CZH-5、Nu-13、Theta-3和TPZ-12。CZH-5沸石描述于GB 2079735A中;Nu-1描述于EP59059中;Theta-3描述于EP 162719中;TPZ-12描述于US 4,557,919中。优选使用的MTW结构类型的沸石是SiO2/Al2O3摩尔比大于或等于20的硅铝酸盐。该沸石描述于A Katovic and G.Giordano,Chem.Ind.(Dekker)(Synthesis of Porous Materials)1997 69,127-137中。该铝能够完全或部分被B、Ga、Fe或其混合物取代,如Toktarev & Ione,在Chon等,Progress in Zeolites and Microporous Material,SSSC,vol.105,1997中所述。依照本专利申请的优选方面,使用ZSM-12沸石,其是在其煅烧和无水形态中具有符合下式的氧化物的摩尔组成的多孔晶体材料:
1.0±0.4M2/nO·W2O3·20-500YO2·zH2O
其中M是H+和/或具有价态n的碱金属或碱土金属的阳离子,W选自铝、镓或其混合物,Y选自硅和锗,z在0-60范围内。M优选选自钠、钾、氢或其混合物。W优选是铝,Y优选是硅。W能够至少部分被硼、铁或其混合物取代。ZSM-12沸石描述于US 3,832,449、Ernst等,Zeolites,1987,Vol.7,September、和Toktarev & Ione,Chon等,Progress in Zeolites and Microporous Material,SSSC,Vol.105,1997中。
该MTW沸石,特别是ZSM-12沸石,优选以其结构中存在的阳离子位置至少50%被氢离子占据的形式使用。特别优选至少90%的该阳离子位置被氢离子占据。
依照本发明的一方面,能够在该MTW沸石中添加磷。该添加能够通过使用任意已知的技术(例如机械混合、浸渍或气相沉积)用磷的化合物处理该沸石(优选以氨形式)而实施。该磷化合物选自相应的盐、酸和有机化合物,例如醇盐。优选使用浸渍技术,即优选将该沸石以氨形式用P的化合物的水溶液处理。将保持搅拌之后得到的悬浮液在真空在足以除去溶剂的温度下干燥。用于实施该浸渍的形式和条件是本领域技术人员已知的。然后将由该干燥得到的固体在400-600℃范围内的温度煅烧1-10小时。与该催化组合物的总重量相比,该P优选以小于3%的量存在,优选与该催化组合物的总重量相比,以大于或等于0.05%和小于或等于2wt%的量存在。
在本发明的方法中,沸石能够原样使用或以与无机配体结合的形式使用。其能够以例如由挤出得到的颗粒的形式或以通过喷雾干燥得到的微球的形式使用,这些技术都适用于原样的或与适合的无机配体混合的沸石。该配体能够是氧化铝、二氧化硅、硅铝酸盐、二氧化钛、二氧化锆或粘土。该配体优选是氧化铝。在该结合催化剂中,该沸石和配体的重量比能够在5/95-95/5的范围内,优选20/80-80/20。在优选实施方式中,该最终催化剂也特征在于沸石外(extrazeolite)孔隙率的特定特征,即不能归因于最终催化剂中存在的沸石的质量和数量的催化剂的孔隙率分数。特别地,所述沸石外孔隙率具有不低于0.4ml/g最终催化剂的值,以及具有大于100埃的直径的孔的分数等于所述沸石外孔隙率的至少50%。所述沸石外孔隙率能够用常规制备方法得到,且依照例如在Loweel,Seymour″Introduction to powder surface area″,Wiley Interscience中所述的已知方法适当测定。
依照本发明的方法的优选方面,操作温度在150℃-230℃的范围内,反应压力在1-20巴的范围内,且在任何情况中,都在使得具有完全存在于气相中的反应物的条件下,不同的是使用异丙醇或异丙醇和丙稀的混合物作为烷基化试剂。
可优选在低于10巴,优选5-9巴的压力操作。
在此处要求保护的方法中,苯和异丙醇的摩尔比优选在2-10范围内,甚至更优选为2-4。
在也另外使用丙烯与异丙醇一起作为烷基化试剂时,苯和烷基化试剂(异丙醇+丙烯)的摩尔比优选在2-10范围内,更优选为2-4。异丙醇和丙烯的摩尔比优选在10-0.01的范围内,甚至更优选为5-0.1。
用异丙醇对苯的烷基化能够以连续、半连续或间歇实施。
当该方法以连续形式进行时,也可以使用包括将离开反应区的流出物的有机相在冷却、解混并从该有机相中除去水相之后部分循环到该同一反应区中的反应系统构造操作。
尽管存在IPA,苯与IPA作为烷基化试剂或IPA和丙烯的混合物的烷基化反应在任何情况下仍保持是放热的,为了将温度保持在优选范围内并降低多烷基化芳香化合物的副产,能够将该催化剂设置于在固定床反应器内的多层中的反应器中。
在一层和另一层之间用惰性溶剂和部分苯和/或部分烷基化试剂(异丙醇或异丙醇/丙烯的混合物)实施急冷。
通过这样操作,可以在单一层中得到高的苯/烷基化试剂比,而不提高其总体比值,在异丙苯的选择性以及因此反应区下游的分离操作方面具有显著的优点。
该温度控制能够不仅通过实施反应物和/或惰性产物的急冷而且通过层之间的中间冷却而实施。
该烷基化反应能够便利地在两个或更多个串联的反应器中进行,进行中间冷却以控制温度。异丙醇(非必要地与丙烯混合)和/或苯的进料能够适宜地在各反应器和反应器的不同层之间分开进行,即在多于一个步骤中添加该烷基化试剂和苯。
本发明的目的也包括用于制备苯酚的方法,其包括以下步骤:
1)用异丙醇,或异丙醇和丙烯的混合物对苯进行烷基化,以得到异丙苯和水,包括完全在气相中以及在包括属于MTW族的沸石的催化系统的存在下实施所述烷基化反应;
2)将由此得到的异丙苯氧化成氢过氧化异丙苯;
3)用酸处理该氢过氧化异丙苯以得到苯酚和丙酮的混合物;
4)将该丙酮加氢为异丙醇,将其循环到步骤(1)中。
步骤(1)是依照本发明的烷基化方法的上述方面进行的。在步骤(2)中,用空气对由步骤(1)得到的异丙苯氧化以得到氢过氧化异丙苯,又对其用酸处理以得到苯酚和丙酮的混合物,将其分馏以将该苯酚与丙酮分离。在步骤(3)中,将步骤(2)中得到的丙酮部分或全部加氢成异丙醇,将其循环到步骤(1)中。
依照一个优选的方面,在第一步结束时,在通过分馏将所需产物异丙苯(其通往随后的氧化步骤)分离出之后,在单独步骤中将剩余的多异丙基苯的部分用于与苯的烷基转移反应以进一步回收异丙苯。
该烷基转移反应能够使用多异丙基苯与苯的烷基转移领域中的技术人员已知的任意催化剂进行,特别地,其能够在β沸石或基于β沸石的催化剂(尤其是依照EP 687500和EP 847802中所述制备的)的存在下实施。该烷基转移反应的温度条件能够在100℃-350℃选择,压力在10-50atm选择,WHSV在0.1小时-1-200小时-1范围内。这些条件都是依照EP 687500中所述的。
因此在步骤(2)中,将由步骤(1)和非必要的烷基转移步骤得到的异丙苯氧化成氢过氧化异丙苯。然后将该氢过氧化异丙苯转化为苯酚和丙酮。该氧化成氢过氧化异丙苯和随后的转化成苯酚能够如例如US 5,017,729中所述实施。在最后的步骤中,将由步骤(2)作为副产物得到的丙酮的一部分或全部加氢为异丙醇,并再次供给最初的步骤。
丙酮到异丙醇的加氢反应是已知的,且是使用基于拉尼镍(Nickel Raney)、镍-铜、铜-铬、铜-锌或基于铂族金属(例如铂、钯、钌、铑)的催化剂进行的。
优选使用基于拉尼镍或铜-铬的催化剂。
该丙酮的加氢反应条件尤其描述在US 5,015,786或US 5,017,729中。
此处要求保护的方法(特别是苯与异丙醇或丙烯和异丙醇的混合物在气相中在包含MTW沸石的催化剂存在下的烷基化步骤)的显著方面是与苯酚共同生成的丙酮(通过用氢气还原由其得到异丙醇)的重复利用的相当大的灵活性。
该灵活性事实上是由在申请人的方法中使用基于MTW沸石的催化剂所实现的,其保证了没有由于存在使用异丙醇作为苯的烷基化试剂生成的水而使得固体酸催化剂所典型的性能降低现象以及快速失活。
具体实施方式
以下实施例仅具有描述此处要求保护的发明的目的,而绝无限制其的目的。
实施例1
用异丙醇使用下述实验装置进行苯的烷基化试验。
该试验装置由以下构成:苯和异丙醇反应物的罐、将反应物加入反应器的进料泵、反应物的预热装置、位于电热炉内的钢反应器、反应器内的温度调节回路、反应器内的压力调节回路、反应器流出物的冷却剂以及液体和气体产物的收集系统。
特别地,该反应器由具有机械密封系统和等于约2cm的直径的圆柱钢管构成。
沿该反应器的较大轴,存在具有等于1mm的直径的测温空腔,在其内部包含沿该反应器的较大轴自由滑动的热电偶。
将包含如WO 2003/0069459的实施例2中所述制备的ZSM-12沸石的催化剂加入该反应器中。
将一定量的惰性物料装填到该催化床之上和之下以完成该床。
将在适当混合器中经预加热和预混合的苯和异丙醇(IPA)反应器以上升流加入该反应器中。
通过气相色谱法分析反应产物。试验进行的反应条件如下:
反应温度:190℃
反应压力:8巴
WHSV:4小时-1
进料中[苯]/[IPA]:3.25摩尔/摩尔
这些条件确保反应物在气相中且产物部分在液相中。
通过与相关组分和混合物现有的相图比较以及采用RKS状态方程(Soave.G.Chem.Eng.Sci 27,1197,(1972))计算实施该反应物混合物的物理状态的归属(attribution)。该方程的相互作用参数是由与烃-水混合物的液-气平衡和相互溶解度相关的文献(CC.Li,J.J.McKetta Jul.Chem.Eng.Data 8271-275(1963)和C.Tsonopoulos,G.M.Wilson ALCHE Journel29,990-999,(1983))的实验数据的回归得到的。
将使用上述方程的反应系统与以下系统关于组合物进行同化:
[苯]/[丙烯]=3.25和
[苯]/[水]=3.25。
在异丙醇反应物完全转化的该系统中存在的水的总浓度等于约5%。
图1描述了摩尔选择性[Ar]/[IPA](异丙苯+二异丙基苯+三异丙基苯与转化的IPA的总量相比)与以kg异丙苯/kg ZSM-12沸石表示的催化剂生产率相比的趋势以及摩尔选择性[Cum]/[IPA](异丙苯与转化的IPA的总量相比)与以kg异丙苯/kg ZSM-12沸石表示的催化剂生产率相比的趋势。
在整个试验时期内(约620小时),没有观察到催化剂的失活信号,例如醇转化率的降低(在图1中未示出但对于整个试验时期进行定量)或者多烷基化部分的增多。
事实上,在整个试验过程中的选择性保持不变,选择性[Cum]/[IPA]等于约82%的值,选择性[Ar]/[IPA]等于约98.8%的值。
实施例2(对比)
将前述实施例中得到的结果与使用包含如EP 847802的实施例4中所述制备的β沸石的催化剂得到的那些进行比较。
实施例1和对比例2的两种催化剂都包含约50%的活性相。
使用与实施例1中所述相同的试验装置,在相同的操作条件下操作,确保反应物在气相中而产物部分在液相中。
如前实施例1中所述实施该反应物混合物的物理状态归属。
图2描述了摩尔选择性[Ar]/[IPA]和摩尔选择性[Cum]/[IPA]与催化剂生产率相比的趋势。
在运行约160小时之后,醇的转化率已经降低了2.5%。该值清楚表明在相同的操作条件下,在用气相中的异丙醇对苯的烷基化中使用包含ZSM-12的催化剂时更大的稳定性以及因此其更高的生产率。
本发明的目的的包含ZSM-12的催化剂对所有有用的芳香族产物更有选择性(约0.5%更多)且图1和2中所示的趋势的比较也显示本发明的目的的包含ZSM-12的催化剂关于异丙苯具有更大得多的选择性(约20%更多)。
Claims (18)
1.利用异丙醇或异丙醇和丙烯的混合物对苯进行烷基化的方法,其包括在对应于反应物为完全气相的温度和压力下且在包含属于MTW族的沸石的催化系统的存在下实施所述烷基化反应。
2.权利要求1的方法,包括在对应于全部反应混合物是完全气相的温度和压力条件下实施所述反应。
3.权利要求1的方法,其包括在对应于反应物是完全气相且反应产物是至少部分液相的温度和压力条件下实施所述反应。
4.权利要求1、2或3的方法,其中使用ZSM-12沸石作为MTW沸石。
5.权利要求1、2、3或4的方法,其中沸石以沸石中存在的阳离子位置至少50%被氢离子占据的形式使用。
6.任意前述权利要求的方法,其中沸石以与配体结合的形式使用。
7.权利要求6的方法,其中配体选自氧化铝、二氧化硅、硅铝酸盐、二氧化钛、二氧化锆或粘土。
8.前述权利要求中一项或多项的用于苯的烷基化的方法,其中所述方法是在150-230℃范围内的温度和1-20巴范围内的压力实施的。
9.权利要求8的方法,其中压力低于10巴。
10.权利要求1、2、3或4的用于苯的烷基化的方法,其中苯与异丙醇,或苯与异丙醇和丙烯的混合物的摩尔比在2-10范围内。
11.前述权利要求的用于苯的烷基化的方法,其中反应是以在2-4的范围内的苯与异丙醇,或苯与异丙醇和丙烯的混合物的摩尔比进行的。
12.权利要求1、2、3或4的方法,其中当烷基化混合物由异丙醇和丙烯构成时,反应以在10-0.01范围内的异丙醇与丙烯的摩尔比进行。
13.前述权利要求的用于苯的烷基化的方法,其中反应以在5-0.1范围内的异丙醇与丙烯的摩尔比进行。
14.前述权利要求中的一项或多项的方法,其中催化系统包含磷。
15.权利要求14的方法,其中催化系统包含与催化组合物总重量相比含量低于3wt%的磷。
16.用于制备苯酚的方法,包括以下步骤:
1)用异丙醇和非必要的丙烯对苯进行烷基化,以得到异丙苯和水;
2)将由此得到的异丙苯氧化成氢过氧化异丙苯;
3)用酸处理氢过氧化异丙苯以得到苯酚和丙酮的混合物;
4)将丙酮加氢为异丙醇,
其特征在于步骤(1)中苯的烷基化是使用权利要求1-15中一项或多项的方法进行的。
17.权利要求1、2、3、4或16的用于苯的烷基化的方法,其中将反应流出物的有机相的一部分在冷却、将有机相与水相解混和除去水相之后再次进料到同一反应中。
18.权利要求1、2、3、4或16的用于苯的烷基化的方法,其中在特定的分馏区中将在来自烷基化反应的反应流出物中存在的多烷基化产物分离并送入与苯的烷基转移区。
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