羥醛縮合法制甲基丙烯酸甲酯催化劑研究及技術經濟性分析

王光永，李榮，鄢義，諶曉玲，賈繪如，毛震波，王大軍

（西南化工研究設計院有限公司，國家碳一化學工程技術研究中心，工業排放氣綜合利用國家重點實驗室，四川成都610225）

甲基丙烯酸甲酯（MMA）是航空航天、電子信息、光導纖維、光學鏡片、機器人等高端材料的基礎原料。2019年全球MMA總產能約為514.3萬噸，中國產能占比24.6%，成為全球MMA產能最大的國家。近年來，中國市場MMA需求快速增長，MMA產業迅速發展，與此同時，也面臨更大的環保和技術升級壓力。

MMA工業生產方法有丙酮氰醇（ACH）法、異丁烯氧化法、羥醛縮合法（乙烯路線）等。傳統的ACH法市場占比近70%，由英國ICI公司開發，于1937年實現工業化，目前我國已掌握ACH法MMA生產技術。該路線以劇毒的氫氰酸以及濃硫酸為原料，產生大量的副產物（需配套廢酸再生裝置），環保與安全壓力大，因此國家發展改革委員會出臺的《產業結構調整指導目錄（2019年本）》再次把丙酮氰醇法列為限制類[1]。異丁烯法由日本觸媒化學工業公司和三菱人造絲公司于1982年開發，全球超過20%的MMA產能采用異丁烯法。2017年，該路線實現國產化，尚存在工藝流程長、設備復雜、MMA總選擇性較低，投資和生產成本較高等問題。

羥醛縮合法合成MMA，是當前MMA合成技術開發的熱點。代表性的α-MMA技術采用乙烯、甲醛為原料，經羰基化和羥醛縮合兩步合成MMA，由殼牌公司開發并轉移給璐彩特公司（現被日本三菱化學收購），后者進一步開發并實現工業化，于2008年在新加坡建成首套12萬噸/年MMA工業裝置，目前建于沙特的25萬噸/年MMA工業裝置也投入運行。該路線原料易得、工藝條件溫和、安全環保，投資和生產成本較傳統的ACH法大幅降低。目前該技術由日本三菱化學壟斷。

羥醛縮合路線開發的核心難點在于研制滿足工業應用要求的高性能縮合催化劑[2]。酯醛縮合催化劑可分為V、Si、P等酸性氧化物和Cs、K等負載型堿金屬體系[3-7]。璐彩特公司專利公開的固定床Cs/SiO2催化體系丙酸甲酯基MMA選擇性約95%，MMA收率約10%[8-9]，長周期運行后MMA收率為8%[8]。國內研發機構開展了大量工作，在反應機理認識和指標提升等方面取得進展[10-15]，Cs/SBA-15催化劑上縮合反應選擇性可達93%～95%[10-11]，單程使用時間僅7h[10]，Cs/Al2O3催化劑丙酸甲酯基MMA選擇性可維持在接近90%[15-17]，需采用流化床或移動床反應器連續再生。可見，以工業應用為目的，催化劑穩定性尚需提升。此外，羥醛縮合法制MMA選擇性很高，單程轉化率較低，原料成本較傳統C3、C4路線具有競爭優勢，但也面臨分離能耗較高等問題。

本文研究了高選擇性、長壽命羥醛縮合催化劑，并以此為基礎，探討了煤基路線合成MMA的可行性和技術經濟性。開發具有自主知識產權的煤基MMA合成綠色新工藝可實現MMA合成路線變革，為我國煤化工企業進軍MMA合成技術領域提供重要途徑，豐富我國煤化工產品鏈，極大地提升我國MMA產業的國際競爭力，契合我國富煤、貧油、少氣的能源格局。應用推廣該新技術有望逐步替代或淘汰ACH法落后產能，促進MMA產業綠色發展。

1 實驗部分

1.1 催化劑制備與表征

稱取經預處理的SiO2載體，按既定配比引入活性組分、活性助劑和結構助劑，置于烘箱中110℃下干燥6h，再放入馬弗爐600℃焙燒8h，制得催化劑（活性組分質量分數為6%～8%），破碎至20～40目備用。

催化劑晶相特征采用DX-2700型X射線衍射儀（XRD）測定，Cu靶Kα輻射源，管電壓和電流分別為40kV、30mA，在2θ=0°～90°的掃描范圍內，以5°/min的掃描速率進行掃描。催化劑積炭分析在德國耐馳STA449F3型熱分析儀（TG-DTA）上進行，空氣氣氛，氣體流速50mL/min，初溫為30℃，以10℃/min的升溫速率程序升溫至750℃。催化劑活性組分跟蹤分析采用日本島津XRF-1800，4kW薄窗、Rh靶。形貌分析在日本電子JSM-7500F場發射掃描電子顯微鏡（SEM）上進行，加速電壓為0.1～30kV。

1.2 實驗裝置及方法

催化劑性能評價在固定床管式反應器中進行，見圖1，反應管內徑為15mm，催化劑尺寸20～40目，裝填量5～10g，熱電偶伸至催化劑床層中部，實時監測反應溫度。實驗過程中，提濃至80%的濃甲醛（FA）和丙酸甲酯（MP）原料經200℃預熱后隨載氣進入催化床層，產物經多級深冷換熱后，尾氣連續外排，液相產物收集并周期性外排。穩定運行后，取樣分析液相產物和尾氣，取樣時長4～6h，實驗重復性和穩定性良好，反應器進出口質量平衡在98%以上。甲醛轉化率為反應過程中轉化的甲醛與進料中甲醛的百分比，丙酸甲酯轉化率為反應過程中轉化的丙酸甲酯與進料中丙酸甲酯的百分比，MMA選擇性為產物中MMA和甲基丙烯酸（MAA）的摩爾數與轉化的丙酸甲酯的摩爾數的百分比，MMA收率為丙酸甲酯轉化率與MMA選擇性的乘積。

甲醛含量分析采用乙酰丙酮分光光度法，在過量銨鹽存在下，甲醛與乙酰丙酮生成黃色的化合物，該有色物質在410nm波長處有最大吸收，相對誤差低于1%。水含量分析采用卡爾費休法，樣品中的水分與費休試劑作用，消耗費休試劑中的碘，通過測定消耗的卡爾費休試劑的量，計算樣品中水分含量，相對誤差低于0.2%。尾氣分析采用安捷倫7820氣相色譜儀三閥四柱系統，FID和TCD檢測器同時檢測各種氣體組分，條件如下：填充柱PorapakQ、毛細管柱FFAP、柱流速FFAP 1mL/min、填充柱25mL/min、檢測器溫度TCD 250℃-FID 300℃、分流比20∶1。其他液相原料和產品分析采用安捷倫8890氣相色譜儀，條件如下：色譜柱Agilent HP-INNOWax，載 氣He，流 速2mL/min，檢測器FID 300℃，分流比100∶1，自動進樣。

2 結果與討論

2.1 催化劑活性和壽命測試

采用更為廉價易得的濃縮甲醛為甲醛源，酯醛比4∶1（摩爾比），處理量0.2mL/min，反應溫度340℃。催化劑活性及穩定性實驗結果如表1和圖2所示，單程1000h反應過程中，丙酸甲酯轉化率13%～15%，甲醛轉化率60%～65%，丙酸甲酯為基準的MMA選擇性93%～95%。

表1 不同活性組分含量下催化劑活性

丙酸甲酯轉化率、選擇性等指標與Luciteα-MMA專利值接近[10-11]，催化劑穩定性較高，可采用固定床反應器，工業37%甲醛濃縮后直接作為反應原料與Luciteα-MMA工藝技術一致，較目前研究工作中普遍采用的三聚甲醛和多聚甲醛等替代甲醛源更具可靠性，更容易放大和實現工業化。

2.2 催化劑組成和結構變化跟蹤

圖2 羥醛縮合反應性及穩定性

對新鮮催化劑和660h反應后的催化劑晶相結構進行XRD分析，見圖3，僅發現20°～25°間的無定形SiO2特征峰，未檢出負載活性組分和助劑的特征峰，表明制備過程中活性組分和助劑分散性良好，且長周期運行過程中未發生明顯聚集。

圖3 反應前后催化劑晶相結構分析

1200h反應前后催化劑的形貌特征如圖4所示，表面均較為致密，整體較為平整，未觀察到明顯變化。

為揭示催化劑制備和反應過程中可能存在的銫流失，對焙燒前、焙燒后的新鮮催化劑和不同反應時長后的催化劑進行XRF測定，如表2所示。結果表明，催化劑焙燒及長周期運行過程中，Cs/Si無明顯減少，表明在反應過程中未出現明顯的銫流失現象。為進一步驗證該結論，對反應粗產品液進行原子吸收分析，靈敏度0.1μL/L，未檢測到銫的特征峰，說明銫元素并未進入液相產品。

對不同反應時長的催化劑進行TG-DTA分析，如圖5所示，60h反應后催化劑僅出現輕微熱失重，660h反應后催化劑熱失重增至5.7%。熱失重峰在380～420℃間，并出現強放熱峰，這是由于在反應過程中催化劑表面有積炭發生，催化劑顏色明顯變深，有類似黑色附著物生成，在含氧氣氛下發生燒碳反應，再生后催化劑外觀與新鮮催化劑一致。

圖4 反應前后催化劑形貌分析

表2 催化劑活性組分分析

圖5 催化劑積炭分析

2.3 催化劑再生

對1000h測試后的催化劑開展原位再生，采用O2體積分數約4%的混合氣，升溫燒碳，根據尾氣中CO和CO2濃度的變化調整燒碳溫度和時間，直至尾氣中碳氧化合物含量降至零左右。催化劑再生溫度與積炭催化劑的熱重燒碳曲線規律基本一致，400℃左右燒碳即可有效進行，450℃前燒碳完成。原位燒碳升溫程序和尾氣碳氧化合物濃度變化見圖6。

圖6 催化劑再生過程

再生后催化劑活性得到恢復，初始活性高于新鮮催化劑，隨著反應的進行，甲醛、丙酸甲酯轉化率等指標逐漸趨穩，接近再生前的平均水平。如圖7所示，在近1700h的反應時長內，以丙酸甲酯為基準的MMA選擇性為93%～95%，催化劑總體穩定性較好。

2.4 技術經濟性分析

不同MMA合成路線綜合性能對比如表3所示，傳統的ACH法使用劇毒氫氰酸為原料，一般僅與丙烯腈裝置配產，需要耐酸設備，副產大量廢酸液，須配套造價昂貴的廢酸再生裝置，而國產化的異丁烯氧化法路線尚存在較大的技術提升空間。羥醛縮合法使用甲醛、乙烯等為原料，價廉易得，如果使用煤基乙酸或乙酸甲酯為原料，來源更廣，且反應過程也更加高效環保。

圖7 再生催化劑活性與穩定性

從投資和成本來看，丙酮氰醇法在規模比較大時經濟效益才較明顯，國產化的異丁烯法路線長、總選擇性較低，投資和成本較高，羥醛縮合法制MMA投資和成本更為低廉，具有一定競爭優勢，見表4。

從政策層面，早在2011年，國家發展改革委員會已在出臺的《產業結構調整指導目錄》將丙酮氰醇法列為限制類，迫于國內快速增長的MMA市場需求，研發高效、環保的MMA生產新技術已成為MMA行業綠色高質量發展的必然選擇。

從產業鏈布局來看，國內MMA生產集中于石化產品下游，開發具有自主知識產權的煤基MMA合成綠色新工藝，實現MMA合成路線變革，為我國煤化工企業進軍MMA合成技術領域提供了重要途徑，可豐富我國煤化工產品鏈，助力我國MMA產業國際競爭力的進一步提升。以羥醛縮合作為核心技術的煤基MMA合成新技術，契合我國富煤、貧油、少氣的資源結構和國家煤化工產業政策、產業升級鼓勵政策，可突破C2和C4路線商業技術的專利封鎖，改變MMA行業現有技術格局，同時可消化國內乙酸、甲醛的過剩產能以及大量低值化利用的副產乙酸甲酯。目前，西南化工研究設計院有限公司已完成乙酸甲酯路線合成MMA千噸級中試概念設計并形成工藝方案，乙酸路線合成丙烯酸已進入中試，作為本院甲醇低壓羰基合成乙酸優勢技術的延伸，該羥醛縮合技術體系還可實現丙烯酸、丙烯酸酯和MMA等高值化學品的聯產（見圖8），提升生成企業對抗市場風險的能力。

表3 不同路線綜合性能對比

表4 10萬噸/年MMA裝置技術經濟性分析（基于2019年12月原料市場價格）

3 結論

采用80%的濃縮甲醛為甲醛源，酯醛比4∶1（摩爾比），處理量0.2mL/min，反應溫度340℃，單程1000h反應過程中，丙酸甲酯轉化率13%～15%，甲醛轉化率60%～65%，以丙酸甲酯為基準的MMA選擇性為93%～95%。

制備過程中活性組分和助劑分散性良好，長周期運行過程中未發生明顯聚集。1200h反應后，催化劑形貌未發生顯著變化。活性組分Cs未出現明顯流失。隨著反應的進行，催化劑積炭量有所增加，燒碳熱失重峰在380～420℃間。

原位燒碳再生后，催化劑活性得到恢復，初始活性高于新鮮催化劑，隨著反應的進行，甲醛、丙酸甲酯轉化率等指標逐漸趨穩，接近再生前的平均水平。在近1700h的反應時長內，以丙酸甲酯為基準的MMA選擇性為93%～95%，催化劑穩定性較高，采用固定床反應器并使用工業37%甲醛濃縮后直接作為反應原料，這與Luciteα-MMA工藝技術一致，較目前研究工作中普遍采用的三聚甲醛和多聚甲醛等替代甲醛源更具可靠性，更容易放大和實現工業化。

圖8 煤基路線合成MMA反應路徑

技術經濟分析表明，以羥醛縮合為核心技術的煤基MMA合成新路線，較傳統的丙酮氰醇法和異丁烯氧化法MMA技術安全環保，經濟高效，契合我國富煤、貧油、少氣的資源結構和國家煤化工產業政策、產業升級鼓勵政策，可突破C2和C4路線商業技術的專利封鎖，改變MMA行業現有技術格局，為煤化工企業進軍MMA合成技術領域提供重要途徑，同時可消化國內乙酸、甲醛的過剩產能以及大量低值化利用的副產乙酸甲酯，豐富我國煤化工產品鏈。