第六章原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)..ppt

第六章原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng) 提高原子經(jīng)濟(jì)性的途徑 一 采用新合成原料提高反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性二 開發(fā)新催化材料提高反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性三 采用新反應(yīng)加工途徑提高反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性四 化工生產(chǎn)的 零排放 其聚合物聚甲基丙烯酸甲酯 即俗稱的有機(jī)玻璃 具有透明性高 耐候性好 光學(xué)性質(zhì)優(yōu)良等特殊性能 常被用作耐磨材料 路標(biāo) 廣告牌 建筑材料 飛機(jī)艙蓋 汽車尾燈和光學(xué)材料等 采用新合成原料提高反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性 甲基丙烯酸甲酯 簡稱MMA 是一種重要的有機(jī)化工原料 實(shí)例 甲基丙烯酸甲酯的合成 甲基丙烯酸甲酯的合成方法 當(dāng)前 工業(yè)上生產(chǎn)MMA主要采用丙酮 氰醇法 ACH 該方法是英國帝國化學(xué)工業(yè)公司 ICI 于1932年首次實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的 在美國和西歐生產(chǎn)MMA的主要地區(qū)中 ACH法始終處于主導(dǎo)地位 分別占兩地區(qū)MMA生產(chǎn)能力的100 和95 ACH生產(chǎn)工藝包括ACH合成 甲基丙烯酰胺硫酸鹽 MAS 合成 酯化 MMA回收和提純 酸性廢水回收和處理等五個工序 其中ACH合成采用等摩爾丙酮和氫氰酸與30 NaOH溶液的催化劑在液相攪拌反應(yīng)器內(nèi) 29 38oC條件下發(fā)生氰化反應(yīng) 在MAS合成中 ACH與過量50 純度為100 硫酸 由98 硫酸和20 發(fā)煙硫酸配制而成 在兩個或三個串聯(lián)的攪拌反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行水解反應(yīng) ACH工藝合成MMA 30 NaOH29 38oC 丙酮氰醇 ACH 合成MMA的新工藝 1996年 Shell公司開發(fā)了用二價的鈀化合物 可取代的有機(jī)磷配位體 質(zhì)子酸和一種胺添加劑所組成的均相鈀催化劑體系 將甲基乙炔在甲醇存在下羰基化一步制得MMA 選擇性高達(dá)99 9 單程收率高達(dá)98 9 該工藝具有原料費(fèi)用低 無硫酸 MMA單程收率高等特點(diǎn) 因而得到世界MMA行家的看好 最近ICIAcrylics公司購買了這一技術(shù) 并認(rèn)為是一種具有潛在的較好經(jīng)濟(jì)性的生產(chǎn)MMA新技術(shù) 60OC 6MPa 9 6min停留時間 甲基丙烯酸甲酯的新舊工藝比較 傳統(tǒng)工藝 綠色工藝 開發(fā)新催化材料提高反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性 據(jù)統(tǒng)計 80 以上的化學(xué)品均是通過催化劑制備的 催化劑在當(dāng)今化工生產(chǎn)中占有極為重要的地位 而新催化材料是創(chuàng)造發(fā)明新催化劑的源泉 也是開發(fā)綠色化工技術(shù)的重要基礎(chǔ) 通過新催化劑的開發(fā)形成新工藝新技術(shù) 可最終提高反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性 鈦硅沸石 titaniumsilicalites 略寫為TS 是由鈦氧四面體和硅氧四面體構(gòu)成的一類雜原子分子篩 它是指在分子篩骨架中含有鈦原子的一種新催化材料 這種分子篩具有很高的熱穩(wěn)定性 抗酸性 疏水性 良好的催化活性和選擇性 尤其是在溫和條件下 常壓低溫 對以工業(yè)級雙氧水為氧化劑的多種有機(jī)物的氧化反應(yīng) 如烷烴的氧化 烯烴環(huán)氧化 醇氧化 苯及苯酚的羥基化 酮類氨氧化等 具有獨(dú)特的擇形催化功能 且不會深度氧化和污染環(huán)境 被譽(yù)為綠色化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的新型催化劑 受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界高度重視 鈦硅分子篩的獨(dú)特性能為研究高選擇性的烴類氧化反應(yīng)和開發(fā)環(huán)境友好新工藝奠定了基礎(chǔ) 它的發(fā)明被認(rèn)為是近十多年來沸石催化領(lǐng)域的里程牌 新型催化材料 鈦硅沸石的開發(fā) 使很多反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性得到顯著提高 鈦硅分子篩的研究已有二十多年歷史 其類型由1983年最初合成的TS 1已發(fā)展到TS 2 Ti b ETS 10 Ti MCM 41 Ti MCM 48 Ti HMS Ti SBA 15等多種類型 其中活性最高 應(yīng)用前景最為看好的是TS 1型鈦硅分子篩 TS 1也是目前唯一實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用的鈦硅分子篩 國內(nèi)外均有工業(yè)化生產(chǎn) DOW BASF和Bayer公司的氯醇法生產(chǎn)工藝過程 次氯酸 1 氯丙醇 2 氯丙醇 石灰 廢渣污水 Forexample TS 1沸石提高環(huán)氧丙烷生產(chǎn)的原子經(jīng)濟(jì)性 Ugine公司和Enichem公司開發(fā)的TS 1分子篩催化過氧化氫氧化丙烯新工藝 原子利用率 76 新工藝使用TS 1沸石催化劑 反應(yīng)條件溫和 溫度約為40 50OC 壓力低于0 1MPa 氧源安全易得 采用30 H2O2水溶液 反應(yīng)幾乎以化學(xué)計量的關(guān)系進(jìn)行 以H2O2計算的轉(zhuǎn)化率為93 環(huán)氧丙烷的選擇性達(dá)到97 以上 僅聯(lián)產(chǎn)水 是低能耗 無污染的綠色化工過程 該法的不足之處是H2O2成本高 在經(jīng)濟(jì)上可能缺乏競爭力 新反應(yīng)加工途徑提高反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性 在精細(xì)化工和藥物化學(xué)中 有些化合物往往需要多步合成才能得到 盡管有時單步反應(yīng)的收率提高 但整個反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性卻不甚理想 若改變反應(yīng)途徑 簡化合成步驟 就能大大提高反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性 Forexample 提高布洛芬 Ibuprofen 合成的原子經(jīng)濟(jì)性 布洛芬是藥物Motrin Advil和Medipren中的主要成分 在藥物中起止痛的作用 與阿司匹林 Aspirin 一樣 都是非類固醇消炎劑 因此常被用作消腫和消炎 2 對 異丁苯基 丙酸 芬必得 傳統(tǒng)方法 Boots公司的Brown合成方法 經(jīng)六步反應(yīng)得到產(chǎn)品 原子利用率僅為40 04 試劑被利用部分未利用部分分子式分子量分子式分子量分子式分子量1C10H14134C10H13133H12C4H6O3102C2H327C2H3O3754C4H7ClO2122 5CH13C3H6ClO2109 55C2H5ONa680C2H5ONa687H3O190H3O199NH3O330NH3O3312H4O236HO233H33反應(yīng)物合計布洛芬廢物C20H42NO10ClNa514 5C13H18O2206C7H24NO8ClNa308 5原子經(jīng)濟(jì)性 布洛芬分子量 所有反應(yīng)物分子量 100 206 514 5 100 40 表1Brown法合成異布洛芬的原子經(jīng)濟(jì)性 英國諾丁漢州的布特公司PLC 異布洛芬的發(fā)現(xiàn)者 在1960年取得了布洛芬合成的專利 U S patent 3 385 886 許多年來工業(yè)上生產(chǎn)異布洛芬都采用這一方法 過去四十年來 這一合成方法不僅生產(chǎn)了上千噸的布洛芬 同時也伴隨著產(chǎn)生了幾千噸的不希望的和不能循環(huán)使用的副產(chǎn)物 這些副產(chǎn)物必須加以處理 BASF公司與HoechstCelanesee公司合資的BHC公司發(fā)明了生產(chǎn)布洛芬的新方法 該方法只采用三步反應(yīng)即可得到產(chǎn)品布洛芬 其原子經(jīng)濟(jì)性達(dá)到77 44 公司因此獲得年度美國 總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎 的變更合成路線獎 3 3 3 3 3 3 3 表2綠色法合成異布洛芬的原子經(jīng)濟(jì)性 第一步都是經(jīng)異丁基苯的?；a(chǎn)生相同的產(chǎn)物 在第一步中老方法使用化學(xué)計量的三氯化鋁 這會產(chǎn)生大量無用副產(chǎn)物水合三氯化鋁 通常此廢物未回收 新方法以氟化氫作為可回收利用的催化劑 顯示出優(yōu)越性 步驟2和3的雷尼鎳與鈀催化劑也可回收利用 老方法 六步 新方法 三步 消除了大量的廢物 生產(chǎn)能力大得多 在較短的時間和較少的資金投入下 生產(chǎn)效率高得多等優(yōu)點(diǎn) 在環(huán)境效益與低投入獲益方面 綠色合成顯示出極大的優(yōu)勢 對比兩條路線 BHC公司的異布洛芬合成方法的研制成功 1997年贏得美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎 1993年還贏得了Kirpafrick化學(xué)成就獎 化工生產(chǎn)的零排放 在許多場合 要用單一來實(shí)現(xiàn)原子經(jīng)濟(jì)性十分困難 甚至不可能 但我們可以充分利用相關(guān)化學(xué)反應(yīng)的集成 即把一個反應(yīng)排出的廢物作為另一個反應(yīng)的原料 從而通過 封閉循環(huán) 實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)的零排放 零排放在化肥生產(chǎn)中的體現(xiàn) 磷酸磷銨生產(chǎn)是化肥工業(yè)中的一個重要組成部分 隨著國內(nèi)外對磷酸磷銨和重過磷酸鈣需求量的不斷增長 產(chǎn)生的 三廢 也隨之大幅度增加 特別是磷石膏廢渣 一般每生產(chǎn)1噸磷酸要排出5噸磷石膏 到2000年我國排放的該種廢渣已超過2000萬噸 應(yīng)綜合利用 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程零排放的理想目標(biāo) 1 利用磷礦萃取工藝中產(chǎn)生的廢氣 HF 生產(chǎn)有用的化工原料Na2SiF6 氟硅酸鈉 4HF SiO2 SiF4 2H2O3SiF4 3H2O 2H2SiF6 SiO2 H2OH2SiF6 2Na2SO4 Na2SiF6 H2SO4 2 利用磷礦萃取工藝中產(chǎn)生的廢渣生產(chǎn)氮 磷 鉀三大營養(yǎng)元素的三元復(fù)合肥 氯化銨母