用于聚甲醛二甲醚合成的催化劑及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于聚甲醛二甲醚合成的催化劑、所述催化劑在聚甲醛二甲醚合成中 的應(yīng)用、以及聚甲醛二甲醚的合成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，我國(guó)油價(jià)不斷走高，而且頻發(fā)汽柴油饑荒；石油資源日益緊張，石油供給 壓力空前增大。預(yù)計(jì)未來(lái)10?20年，我國(guó)石油供給率只有50%左右。因此新型油品替代 品的開(kāi)發(fā)日益受到人們的重視。
[0003] 二甲醚最早被提出作為一種柴油的添加劑，然而由于其自身冷啟動(dòng)性能差、常溫 下蒸汽壓高、容易產(chǎn)生氣阻使得二甲醚作為車用替代燃料的成本明顯升高。聚甲醛二甲醚， 即Polyoxymethylene dimethyl ethers (P0DE)，是一類物質(zhì)的通稱，其簡(jiǎn)式可以表示為 CH30(CH20)nCH 3，具有較高的辛烷值（> 30)和氧含量（42?51 %)。當(dāng)n的取值為2?10時(shí)， 其物理性質(zhì)、燃燒性能與柴油非常接近，較好的解決了二甲醚作為車用柴油稠和組分存在 的缺陷。聚甲醛二甲醚作為新型的清潔柴油組分，可以改善柴油在發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒狀況，提 高熱效率，降低尾氣中的顆粒物以及C0 X和N0X的排放。據(jù)報(bào)道，添加5?30%的CH30CH20CH 3 可降低N0X排放7?10%，PM降低5?35%。預(yù)計(jì)2013年我國(guó)柴油消費(fèi)量將達(dá)1. 64億噸， 若有10%的柴油被P0DE取代，我國(guó)對(duì)柴油的進(jìn)口依存度將減少1600萬(wàn)噸，這將具有重要的 能源安全戰(zhàn)略意義。
[0004] P0DE-般是由提供封端甲基的化合物如甲醇、甲縮醛、二甲醚等與提供鏈增長(zhǎng) 段一（CH 20)-的化合物如甲醛、三聚甲醛、多聚甲醛等在酸催化作用下反應(yīng)制得。
[0005] 實(shí)驗(yàn)室中聚甲醛二甲醚可以通過(guò)痕量硫酸或鹽酸存在下于150?180°C加熱低聚 合度多聚甲醛或低聚甲醛與甲醇反應(yīng)的方法制備。近年來(lái)，聚甲醛二甲醚合成技術(shù)取得了 進(jìn)展。
[0006] US2, 449, 469描述了一種以甲縮醛與低聚甲醛為原料、以硫酸作為催化劑高溫制 備n=2?4的聚甲醛二甲醚的方法。
[0007] CN 101182367A介紹了采用酸性離子液作為催化劑，通過(guò)甲醇和三聚甲醛為反應(yīng) 物合成聚甲醛二甲醚的方法。CN 200910056820. 1和CN 200910056819. 9介紹了以甲醇和 三聚甲醛為原料在固體酸催化作用下制備聚甲醛二甲醚。然而這些工藝都具有一個(gè)共性， 產(chǎn)物中副產(chǎn)物甲縮醛的選擇性在20?50%，甲縮醛會(huì)降低柴油混合物的閃點(diǎn)并因此損害了 其質(zhì)量，使得產(chǎn)品不太適合作為柴油添加劑。使用甲醇作為原料，反應(yīng)體系中不可避免會(huì)有 水生成；水的存在會(huì)導(dǎo)致P0DE收率降低，而且不利于產(chǎn)物精餾分離。
[0008] US5, 746, 785與TO2006/045506A1描述了以質(zhì)子酸（如甲酸、硫酸和三氟甲磺 酸）為催化劑，以甲縮醛和低聚甲醛為原料的聚甲醛二甲醚的合成工藝，這種質(zhì)子酸催 化劑雖然廉價(jià)易得，但腐蝕性強(qiáng)，難于分離，環(huán)境污染大，對(duì)設(shè)備的要求高。US6160174和 US6265528與CN101048357A所述采用離子交換樹(shù)脂作為催化劑制得聚甲醛二甲醚。雖然有 效的避免了這種缺陷，但反應(yīng)轉(zhuǎn)化率低，產(chǎn)率不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題之一是現(xiàn)有技術(shù)以甲縮醛和聚甲醛為原料合成聚甲 醛二甲醚的過(guò)程中選擇性差、收率低的問(wèn)題，提供一種新的用于聚甲醛二甲醚合成的催化 齊U。該催化劑具有對(duì)聚合度n=2?10的產(chǎn)物選擇性好，收率高的優(yōu)點(diǎn)。
[0010] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題之二是與上述問(wèn)題之一相應(yīng)的催化劑的應(yīng)用。
[0011] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題之三是與上述技術(shù)問(wèn)題之一相應(yīng)的聚甲醛二甲醚的 合成方法。
[0012] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題之一，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：用于聚甲醛二甲醚合成的 催化劑，所述催化劑為金屬離子改性的氫型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂；所述改性金屬選自 Al、Fe、Sn、Zn中的至少一種，所述催化劑中改性金屬的交換度為> 0且< 50%。尤其優(yōu)選 所述改性金屬包括A1和Fe、Sn、Zn中的至少一種。更優(yōu)選所述改性金屬包括A1和Sn ;最 優(yōu)選金屬改性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂催化劑中的A1交換度與Sn的交換度之比為1:3?4:1。
[0013] 上述技術(shù)方案中，所述的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂優(yōu)選為磺酸型交聯(lián)聚苯乙烯樹(shù)脂。
[0014] 陽(yáng)離子交換樹(shù)脂分為凝膠型和大孔型，它們均可用于本發(fā)明，但由于大孔型利于 傳質(zhì)和傳熱，上述技術(shù)方案中，所述陽(yáng)離子交換樹(shù)脂優(yōu)選為大孔陽(yáng)離子交換樹(shù)脂。
[0015] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題之二，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：上述技術(shù)問(wèn)題之一的技術(shù) 方案中任一項(xiàng)所述催化劑在聚甲醛二甲醚合成中的應(yīng)用。
[0016] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題之三，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：聚甲醛二甲醚的合成方法， 在上述技術(shù)問(wèn)題之一的技術(shù)方案中任一項(xiàng)所述催化劑存在下，以甲縮醛與聚甲醛為原料， 反應(yīng)生成聚甲醛二甲醚。
[0017] 上述技術(shù)方案中甲縮醛與聚甲醛的質(zhì)量比優(yōu)選為（0.5?10) :1，更優(yōu)選為 (0? 5 ?3. 0) : 1。
[0018] 上述技術(shù)方案中反應(yīng)的溫度優(yōu)選為50?200°C，更優(yōu)選為80?140°C。
[0019] 上述技術(shù)方案中反應(yīng)的壓力優(yōu)選為0?6MPa，更優(yōu)選為0? 4?4. 0 MPa。
[0020] 上述技術(shù)方案中，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以合理確定催化劑的用量，但優(yōu)選為原料重 量的0. 1?10. 0%，更優(yōu)選1. 0?4. 0%。反應(yīng)時(shí)間優(yōu)選為l-10h，更優(yōu)選為3?6h。
[0021] 本發(fā)明中，金屬改性的程度用金屬的交換度表示，其具有本領(lǐng)域通用的涵義，為氫 型樹(shù)脂中礦離子被所述金屬交換的摩爾數(shù)百分比。本發(fā)明【具體實(shí)施方式】部分所用的氫型 苯乙烯系強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂均為大孔磺酸型交聯(lián)聚苯乙烯樹(shù)脂。
[0022] 本發(fā)明中催化劑為金屬改性的強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，其不僅保持了強(qiáng)酸性(布 朗斯特酸或B酸)，而且通過(guò)質(zhì)子交換，一部分質(zhì)子酸中心被路易斯酸（L酸)中心取代，從而 使催化活性中心種類有了變化，B酸L酸之間會(huì)產(chǎn)生協(xié)同作用，特別是當(dāng)改性的不同金屬之 間即兩種以上L酸復(fù)配時(shí)會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的協(xié)同作用，使催化活性更高。另外，使用本發(fā)明方 法，由于催化劑為金屬改性固體酸催化劑，因此不會(huì)產(chǎn)生酸性廢液，催化劑與反應(yīng)產(chǎn)物分離 簡(jiǎn)單，且可采用蒸餾的辦法使副產(chǎn)物循環(huán)利用，因而聚合度n=2?10的產(chǎn)物收率高。在同 比條件下，采用不經(jīng)金屬改性的離子交換樹(shù)脂時(shí)n=2?10的產(chǎn)物收率僅為42. 4%，而采用本 發(fā)明金屬改性離子交換樹(shù)脂時(shí)n=2?10的產(chǎn)物收率高達(dá)63. 2%，取得了較好的技術(shù)效果。
[0023] 下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。
[0024]
【具體實(shí)施方式】
[0025]【實(shí)施例1】 1、制備金屬改性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂：將48g氫型苯乙烯系強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂用去離 子水洗滌6次，每次15min，在90°C下放真空干燥箱中干燥24h ;將干燥后的氫型苯乙烯系 強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂與267g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的A1C13乙醇溶液一起攪拌10h，用無(wú)水乙醇 洗滌6次，每次15min，在90°C下放真空干燥箱中干燥24h即得到金屬改性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂 催化劑。
[0026] 2、在300毫升釜式反應(yīng)器中加入2. 45g此樹(shù)脂催化劑，60g甲縮醛和60g三聚甲 醛，在90°C和0.4MPa自生壓力下反應(yīng)4h，抽取試樣離心分離后由氣相色譜分析。產(chǎn)物中 包含聚甲醛二甲醚以及未反應(yīng)的原料，其組成分布見(jiàn)表1。
[0027]【實(shí)施例2】 1、制備金屬改性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂：將48g氫型苯乙烯系強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂用去離 子水洗滌6次，每次15min，在90°C下放真空干燥箱中干燥24h ;將干燥后的氫型苯乙烯系 強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂與325g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的FeCl3乙醇溶液一起攪拌10h，用無(wú)水乙醇 洗滌6次，每次15min，在90°C下放真空干燥箱中干燥24h即得到金屬改性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂 催化劑。
[0028] 2、在300毫升釜式反應(yīng)器中加入2. 51g此樹(shù)脂催化劑，60g甲縮醛和60g三聚甲 醛，在90°C和0.4MPa自生壓力下反應(yīng)4h，抽取試樣離心分離后由氣相色譜分析。產(chǎn)物中 包含聚甲醛二甲醚以及未反應(yīng)的原料，其組成分布見(jiàn)表1。