對(duì)銠-碘催化體系的改良之一是選擇優(yōu)良的助催化劑或促進(jìn)劑,以提高催化劑的活性和穩(wěn)定性。向銠-碘催化體系中加入含鹵素的羧酸衍生物和可溶性堿金屬碘化物后,可顯著提高催化劑的穩(wěn)定性和產(chǎn)率,使反應(yīng)在較低的水濃度下進(jìn)行,且有較高產(chǎn)率。加入這些組分后,反應(yīng)時(shí)空收率可提高2~3倍,最高時(shí)可達(dá)25mol醋酸/(L·h),甲醇的轉(zhuǎn)化率和選擇性均大于99%。
塞拉尼斯公司的中國專利公開了以氫碘酸鹽,特別是碘化鋰為穩(wěn)定劑,在銠-碘甲烷催化劑體系上,甲醇羰基法生產(chǎn)醋酸的方法。反應(yīng)介質(zhì)含有銠、碘甲烷、碘化鋰、水、醋酸甲酯和醋酸。碘化鋰、醋酸甲酯濃度對(duì)醋酸時(shí)空收率的影響見表2-16。
表2-16 碘化鋰、醋酸甲酯濃度對(duì)醋酸時(shí)空收率的影響
項(xiàng)目 | 試驗(yàn)a | 試驗(yàn)b | 試驗(yàn)c | 試驗(yàn)d | 試驗(yàn)e |
反應(yīng)物 |
高水、低醋酸甲酯無碘化鋰 |
低水、低醋酸甲酯低碘化鋰 |
低水、高醋酸甲酯無碘化鋰 |
低水、低醋酸甲酯高碘化鋰 |
低水、高醋酸甲酯高碘化鋰 |
水/%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) | 14 | 4 | 4 | 4 | 4 |
醋酸甲酯/%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) | 1 | 1~1.5 | 4 | 1 | 4 |
碘化鋰/%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) | 0 | 2.5 | 0 | 20 | 20 |
銠/(mg/m3) | 400 | 400 | 400 | 400 | 400 |
碘甲烷/%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) | 14 | 13~15 | 14 | 14 | 13.5 |
時(shí)空收率/[mol 醋酸/(L·h)] | 16.9 | 5.2 | 10.4 | 11.0 | 15.8 |
在低水含量的反應(yīng)體系中添加碘鹽可實(shí)現(xiàn)如同高水濃度時(shí)一樣的羰化反應(yīng)速率,其原因在于碘鹽可使反應(yīng)體系中產(chǎn)生大量的乙酸根和碘負(fù)離子,并與[Rh(CO)2I2]-形成親核能力更強(qiáng)、活性更高的五配位中間體[Rh(CO)2I2(L)]2-(L=I-或AcO-),從而有利于提高氧化加成反應(yīng)的速率。
添加碘化鋰后另一個(gè)有益的效果就是副產(chǎn)物CO2、H2和丙酸下降到未添加碘化鋰時(shí)的1/10以下。
CO+H2O → CO2+H2
CH3COOH+2H2 → C2H5OH+H2O
C2H5OH+CO → C2H5COOH
由以上反應(yīng)式可見,水含量高時(shí),副產(chǎn)物CO2、H2和丙酸較多。當(dāng)系統(tǒng)加入碘鹽后,水含量降低,副產(chǎn)物CO2、H2和丙酸大為減少。具體數(shù)據(jù)見表2-17。
表2-17 添加碘化鋰對(duì)抑制副產(chǎn)物的效果
反應(yīng)介質(zhì)中水含量/%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) |
CO2/(mol/100mol 醋酸) |
H2/(mol/100mol 醋酸) | 丙酸/(mg/m3) | 醋酸得率(以甲醇計(jì))/% |
無碘化鋰 | 2.3 | 1.9 | 1345 | 99 |
有碘化鋰 | 0.2 | 0.1 | 91 | 99 |
該專利還報(bào)道了羰基化反應(yīng)速率與各種介質(zhì)濃度的關(guān)系。
i.醋酸甲酯:醋酸甲酯濃度升高羰基化速率加快,但醋酸甲酯濃度高于4%~5%時(shí),達(dá)到最大,隨后趨于平穩(wěn),甚至有所下降。
ii.碘化鋰:羰基化速率隨著碘化鋰的濃度增加而增大,最高碘化鋰的濃度可以達(dá)到甚至超過20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。
iii.水:隨著水濃度的下降有所下降,拐點(diǎn)出現(xiàn)在2%左右水濃度時(shí),因此水分宜控制在4%左右。
iv.碘甲烷:隨著碘甲烷濃度上升,羰基化反應(yīng)速率加快,但其濃度超過12%后上升趨勢(shì)變緩。
v.銠濃度:羰基化反應(yīng)速率幾乎與銠濃度的增加呈線性上升,當(dāng)銠濃度高于600×10-6以上時(shí)趨勢(shì)變緩。維持反應(yīng)釜液內(nèi)銠濃度超過1000×10-6是一件比較困難的事,因?yàn)殂櫲芙舛扔邢?;銠濃度過高,沉降的速度也會(huì)很驚人。