異丁烯二步法制備甲基丙烯酸甲酯的研究

展江宏，聶宏元，徐新良

（中國石油烏魯木齊石化公司研究院，烏魯木齊830019）

異丁烯二步法制備甲基丙烯酸甲酯的研究

展江宏，聶宏元，徐新良

（中國石油烏魯木齊石化公司研究院，烏魯木齊830019）

制備了用于異丁烯選擇性氧化制備甲基丙烯醛（MAL）和MAL氧化酯化制備甲基丙烯酸甲酯（MMA）的復合氧化物和負載貴金屬催化劑，開發了異丁烯二步法制備MMA新工藝。在異丁烯氧化制備MAL反應過程中，反應溫度為380℃，反應壓力為0.03MPa，異丁烯平均轉化率達到93.7%，MAL平均選擇性達到92.3%。在MAL氧化酯化制備MMA反應過程中，反應溫度為90℃，反應壓力為0.27MPa，對于間歇反應，MAL平均轉化率為93.35%，MMA平均選擇性為83.50%；對于雙程連續反應，MAL平均轉化率為93.24%，MMA平均選擇性為80.06%。

異丁烯 氧化 酯化 甲基丙烯酸甲酯

甲基丙烯酸甲酯（MMA）是重要的丙烯酸樹脂單體，市場應用前景十分廣闊。但目前工業生產MMA的主要工藝是傳統的丙酮氰醇法工藝［1］，反應過程中需使用高腐蝕性的硫酸，并副產大量難以處理的硫酸氫銨，整個反應的原子利用率（化學反應式中進入主產物的原子質量之和占原料原子質量之和的分率）只有47%，生產規模小，工藝技術落后，污染嚴重。在我國丙酮氰醇法生產MMA的原材料供應嚴重不足，因為丙酮氰醇法是由丙烯腈的副產物氫氰酸和丙酮合成，但丙烯腈裝置規模小，副產的氫氰酸還要拿出一部分生產氰化鈉；丙酮氰醇法生產的MMA成本高，也一直制約著我國MMA行業的發展。

以異丁烯為原料制MMA是一條工業應用前景良好的清潔工藝技術路線。該路線以煉油廠碳四資源為原料，副產物為水，與丙酮氰醇法相比，無論反應原料還是生產過程的綠色化程度，均有顯著提高，整個工藝的原子利用率達到74%［2］。

以異丁烯為原料制備MMA工藝分為三步法和二步法［3］兩種方法。三步法是異丁烯在催化劑作用下氧化生成甲基丙烯醛（MAL），然后MAL在催化劑作用下氧化生成甲基丙烯酸（MAA），最后MAA在強酸催化劑存在下酯化生成MMA。二步法又稱直接甲基化法，將生成的MAL在催化劑作用下一步氧化酯化生成MMA，該法工藝進一步簡化，也避免了生成中間酸而腐蝕設備并增加分離能耗，綠色化程度進一步提高。如果將異丁烯二步法制備MMA技術工業化，則可有效利用C4中異丁烯資源，創造很高的經濟和社會效益。本課題主要研究異丁烯二步法制備MMA工藝，包括二步催化反應關鍵技術的開發和放大試驗，為取代傳統丙酮氰醇法奠定基礎。

1 異丁烯選擇性氧化制備甲基丙烯醛

1.1 反應過程

異丁烯選擇性氧化制備MAL的主反應和副反應如下：

1.2 催化劑制備與穩定性評價

1.2.1 催化劑的制備 異丁烯選擇氧化制備MAL的催化劑為一種含鉬和鎳的復合氧化物［4］。催化劑制備方法為：在水中溶解一定質量的鉬酸銨，制得溶液A；在硝酸水溶液中，溶解一定量的

硝酸鎳等，制得溶液B；在攪拌條件下，將溶液B滴加到溶液A中得到淤漿。將所制得的淤漿用氨水調節pH值后，攪拌、蒸發、干燥，然后在120℃下干燥12h，在200℃下干燥4h，最后在一定溫度下焙燒3h。將焙燒得到的催化劑研磨后，篩選20～30目的顆粒進行催化性能評價。1.2.2 反應裝置 異丁烯氧化生成MAL的固定床放大反應裝置如圖1所示。將異丁烯用泵打入預熱器氣化并與空氣混合后進入反應器，反應器用熔鹽加熱至360℃使異丁烯發生催化氧化反應，反應產物經過冷凝器2水冷和冷凝器1深冷后得到MAL產物。

圖1 異丁烯氧化生成MAL的放大裝置示意

1.2.3 反應器內床層溫度分布 固定床反應器中的床層溫度分布如圖2所示。從圖2可以看出：當只通入空氣時，控制循環熔鹽溫度為360℃，反應器中沒有反應發生，反應器內床層溫度分布均勻，為（360±2）℃；而在空速1 800h－1、n（O2）∶n（異丁烯）＝3∶1的條件下通入異丁烯反應時，床層溫度為（375±5）℃，在反應器的中部溫升較大，反應器底部氧化反應程度較小，溫升較低。

圖2 反應器內床層溫度分布

1.2.4 催化劑穩定性評價 反應器中通入空氣后，開啟設備升溫，熔鹽升溫至360℃時，通入反應原料，穩定混合約12h后，繼續升溫，并開始計時和采樣分析。反應器溫度緩慢升至380℃后，調節加熱速率使反應溫度穩定在380℃左右，然后進行1 500h以上的連續運轉。反應條件為：異丁烯（質量分數55%）進料速率382mL/h，空氣進料速率6.9L/min；反應器內溫度380℃，原料氣預熱溫度200～320℃，反應壓力0.03MPa。異丁烯氧化制備MAL催化劑穩定性評價結果見圖3。從圖3可以看出，在1 800h連續試驗過程中，異丁烯氧化制備MAL反應的轉化率和選擇性波動較小，異丁烯平均轉化率達到93.7%，最大為99.10%；MAL平均選擇性達到92.3%，最大為98.27%，說明催化劑具有良好的穩定性。

圖3 異丁烯氧化制備MAL的催化劑穩定性評價結果

2 甲基丙烯醛氧化酯化制備甲基丙烯酸甲酯

2.1 反應過程

MAL氧化酯化生成MMA的反應方程為：

2.2 催化劑制備與穩定性評價

2.2.1 催化劑的制備 MAL氧化酯化制備MMA的催化劑為一種貴金屬Pd催化劑。將PdCl2攪拌溶解在一定濃度的硝酸水溶液中，然后加入氧化鎂載體，攪拌浸漬30min，經過濾、水洗、真空干燥后得到催化劑。

2.2.2 試驗裝置 MAL氧化酯化生成MMA的放大試驗裝置見圖4。反應釜容積為500mL。裝置開啟時，依次開啟加熱裝置、冷卻裝置，在反應釜內加入催化劑和MAL，通入空氣，升溫至90℃后進行反應。

圖4 MAL氧化酯化生成MMA的放大試驗裝置

2.2.3 試驗結果 放大試驗反應條件為：空氣壓力0.45MPa，MAL流量302mL/min，反應壓力0.27MPa，反應溫度90℃，尾氣量160mL/min，冷凝溫度－20℃，反應停留時間2h。試驗所采用的單釜間歇操作是在反應釜內加入MAL和催化劑，直接通入空氣，在2h內完成反應，沒有物料的連續進出；單釜單程連續操作是間歇反應2h后，將MAL用泵連續打入反應釜中，反應產物溢流出反應釜，催化劑在釜內循環使用；單釜雙程連續操作是將單釜單程連續反應收集到的反應產物取代MAL再次連續進入反應釜內，連續接觸釜內催化劑并進行氧化酯化反應，充分反應后的物料連續溢流出反應釜，取樣分析。單釜間歇操作、單釜單程連續操作、單釜雙程連續操作的試驗結果見圖5～圖7。由圖5可見，在單釜間歇操作時，隨著反應次數的增加，MAL轉化率和MMA選擇性都維持在較高的水平，反應物料在同一空間和固定時間內攪拌混合均勻，平均轉化率為93.35%，最高值為97.32%；MMA平均選擇性為83.50%，最高值為92.00%。由圖6可見，在單釜單程連續操作時，隨著反應時間的增加，轉化率和選擇性比間歇操作時低，尤其是轉化率更低，這是因為單釜連續反應時，由于部分物料存在返混現象，反應停留時間縮短，導致反應程度降低，反應平均轉化率為71%，MMA平均選擇性為82%。由圖7可見，在單釜雙程連續操作時，MAL氧化酯化制備MMA反應的平均轉化率為93.24%，最高值為98.49%；MMA平均選擇性為80.06%，最高值為85.22%。這是由于單釜單程反應完的物料再次回到反應釜進行連續反應，物料能更好地與空氣和催化劑接觸反應，進一步提高了MAL的反應轉化率。

圖5 制備MMA的單釜間歇試驗結果

圖6 制備MMA的單釜單程連續試驗結果

圖7 制備MMA的單釜雙程連續試驗結果

第二步MAL氧化酯化合成MMA反應的選擇性低于第一步異丁烯氧化合成MAL反應的選擇性。第一步中氧化反應速率快，第二步中氧化和酯化兩個反應過程同時存在，反應選擇性有所降低，并且MAL催化氧化酯化合成MMA在釜式反應器中進行，不可避免地存在一定的物料返混現象。第二步反應過程中空氣、MAL與催化劑接觸，屬于氣液固三相反應，存在攪拌分散效率的問題，導致反應轉化率、選擇性有所波動。

MAL催化氧化酯化合成MMA的連續反應相對于間歇反應能提高MMA的生產能力，穩定產品的質量，更適合于工業化大批量生產。在工業設計時建議采用多釜串聯連續反應方式。

3 結 論

（1）制備了用于異丁烯選擇氧化制備甲基丙烯醛（MAL）和MAL氧化酯化制備甲基丙烯酸甲酯（MMA）的復合氧化物和負載貴金屬催化劑，試驗結果表明催化劑的活性、選擇性和穩定性良好。

（2）建立了異丁烯制備MMA二步法反應的放大試驗裝置，獲得了優化的工藝操作參數。

（3）異丁烯氧化制備MAL反應過程中，反應溫度為380℃，反應壓力為0.03MPa，異丁烯的平均轉化率達到93.7%，最大值為99.10%；MAL的平均選擇性達到92.3%，最大值為98.27%。

（4）MAL氧化酯化制備MMA反應過程中，反應溫度為90℃，反應壓力為0.27MPa。對于間歇反應，MAL平均轉化率為93.35%，最高值為97.32%；MMA平均選擇性為83.50%，最高值為92%。對于雙程連續反應，MAL平均轉化率為93.24%，最高值為98.49%；MMA平均選擇性為80.06%，最高值為85.22%。

［1］ 梁西良，王素漪.徐虹.甲基丙烯酸甲酯合成及生產［J］.化學與黏合，2005，27（1）：57－60

［2］ 李桂花，李銘岫，張鎖江.C4氧化法制備甲基丙烯酸甲酯的研究進展［J］.工業催化，2005，12（S）：293－298

［3］ 丁曉偉，袁本旺，李吉春，等.異丁烯（叔丁醇）氧化法制備甲基丙烯酸甲酯的工藝［J］.石化技術與應用，2008（1）：34－38

［4］ 王小強，馬艷捷，蔡小霞.異丁烯（IB）氧化法制甲基丙烯酸甲酯（MMA）催化劑研究進展［J］.化學工程與裝備，2009（10）：107－108

A STUDY OF TWO－STEP SYNTHESIS OF METHYL METHACRYLATE FROM ISOBUTENE

Zhan Jianghong，Nie Hongyuan，Xu Xinliang
（Research Institute of PetroChina Urumqi Petrochemical Company，Urumqi 830019）

Compound oxide catalyst for isobutene selective oxidation to methacrolein（MAL）and supported noble metal catalyst for MAL oxidative esterification to methyl methacrylate（MMA）were prepared，and a new process for two－step synthesis of MMA from isobutene was developed.For isobutene to MAL process，under a reaction temperature of 380℃and a reaction pressure of 0.03MPa，the average conversion of isobutene and the average selectivity of MAL reached 93.7%and 92.3%，respectively.For MAL to MMA process，under a reaction temperature of 90℃and a reaction pressure of 0.27MPa，in batch reaction mode，the MAL average conversion and the average selectivity of MMA was 93.35%and 83.50%，respectively；under two－stage continuous operation mode，the MAL average conversion and the average selectivity of MMA was 93.24%and 80.06%，respectively.

isobutene；oxidation；esterification；methyl methacrylate

2011－12－26；修改稿收到日期：2012－03－05。

展江宏（1969—），男，高級工程師，長期從事石油化工工藝技術應用研究工作，獲得專利16項，在省級以上刊物發表論文11篇。

展江宏，E－mail：zhanjhws＠petrochina.com.cn。