本发明涉及化工材料合成领域，尤其涉及一种CO气相偶联合成草酸二甲酯的两种催化剂组合装填的方法。
背景技术：
乙二醇是一种重要的化工产品，用途广泛，随着中国经济发展，对乙二醇的需求量越来越大，且大量依赖进口。目前，煤基合成气经草酸二甲酯加氢制备乙二醇的方法是合成乙二醇的最有前景的工艺路线。该反应的第一步是CO与亚硝酸甲酯发生偶联反应合成草酸二甲酯，是乙二醇生产中的关键之一。因此，提供一种CO气相合成草酸二甲酯的方法在该产业中至关重要。
因工业化发展的需要，日本宇部和美国联碳公司共同合作研究，成功的开发出了液相合成草酸酯的合成工艺，并于1978年建成了一套6000吨规模的草酸酯工业生产装置。但液相法合成草酸酯的工艺条件苛刻，日本宇部兴产又和意大利蒙特爱迪生公司开发出了气相合成草酸酯的方法。
专利号为CN201010146999.2的发明专利，提供了一种CO气相法制备草酸酯的方法，该方法为采用引入C2～C4，制备草酸二甲酯的同时，联产草酸二乙酯、草酸二丙酯或草酸二丁酯。该方法大幅提高了原料气的利用率，联产的副产物为草酸酯类物质，也可以用于乙二醇工业生产。专利号为CN201220180806.X的发明专利，其设计了一种新型草酸二甲酯的冷凝设备，提高气相NO与液相草酸二甲酯的分离效果。申请号为CN201410314462.0的发明专利，提供了一种草酸二甲酯的生产方法，该方法中，刚反应得到的草酸二甲酯物流不经过冷却，直接进入草酸二甲酯回收塔，采用含甲醇的物流与产物物流接触，解决了草酸二甲酯易堵塞设备和管道的问题。
对于草酸酯合成过程中，亚硝酸甲酯与CO气相合成草酸二甲酯为高放热反应，反应温度很难控制。反应温度对于该反应的转化率和选择性都有至关重要影响，而且稍有不慎，反应物亚硝酸甲酯发生自分解，急剧放出大量热量，从而引发爆炸的危险。现有的CO气相合成草酸二甲酯的方案中，并没有出现有效解决反应温度的控制方案。
因此，本领域的技术人员致力于提供一种CO气相合成草酸二甲酯的方法，以克服现有技术中的不足。
技术实现要素：
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种CO气相合成草酸二甲酯的方法，力求提高目标产物的选择性，并解决以往技术中反应过程中控温成本高的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种CO气相催化合成草酸二甲酯的方法，该方法采用固定床反应器，固定床反应器中连续装填两种催化剂为催化剂a和催化剂b，反应气以亚硝酸甲酯和CO为原料，在N2的稀释作用下，反应气经预热依次连续经过反应器中的催化剂a和催化剂b，最终制得草酸二甲酯；催化剂a和催化剂b皆为钯负载氧化铝催化剂，催化剂b为较催化剂a钯含量高的催化剂。
进一步地，催化剂a为Pd/α-Al2O3，其中，α-Al2O3为载体，Pd为活性组分，Pd含量范围为0.05％～0.5％。
进一步地，催化剂b为Pd/α-Al2O3，其中，α-Al2O3为载体，Pd为活性组分，Pd含量范围为0.1％～1％。
进一步地，催化剂b的Pd含量比催化剂a的Pd含量高0.05-0.5％。
进一步地，催化剂a和催化剂b的装填体积比为1:3～3:1。
进一步地，固定床反应器温度为110℃～160℃，反应压力控制在常压至1MPa的条件下。
进一步地，亚硝酸甲酯的空速为200～2000h-1，亚硝酸甲酯的空速与CO的空速比为1:2-2:1。
进一步地，N2的空速与CO的空速比为2:1～10:1。
进一步地，草酸二甲酯的合成反应采用油浴恒温循环控温加热方式。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
(1)提供CO气相合成草酸二甲酯的方法对反应器的控温更为简单，催化剂的反应温度更为均匀，节约热能；
(2)亚硝酸甲酯在温度稍高的情况下容易发生温度骤然飙升，从而引发催化剂失活，甚至是发生爆炸现象，本发明提供的CO气相合成草酸二甲酯的方法使反应更简单的控制在合适的温度，降低发生温度飙升以及爆炸的风险；
(3)原料气先通过Pd含量更低的催化剂a，再通过Pd含量更高的催化剂b，避免了CO和亚硝酸甲酯的反应速率过快，充分保障了原料气的转化率，有效的提高了目标产物的选择性。
以下将结合实施例对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
具体实施方式
本发明提供了一种CO气相催化合成草酸二甲酯的方法，该方法采用固定床反应器，固定床反应器中连续装填两种催化剂为催化剂a和催化剂b，反应气以亚硝酸甲酯和CO为原料，在N2的稀释作用下，反应气经预热依次连续经过反应器中的催化剂a和催化剂b，最终制得草酸二甲酯；催化剂a和催化剂b皆为钯负载氧化铝催化剂，催化剂b为较催化剂a钯含量高的催化剂。
进一步地，催化剂a为Pd/α-Al2O3，其中，α-Al2O3为载体，Pd为活性组分，Pd含量范围为0.05％～0.5％。
进一步地，催化剂b为Pd/α-Al2O3，其中，α-Al2O3为载体，Pd为活性组分，Pd含量范围为0.1％～1％。
进一步地，催化剂b的Pd含量比催化剂a的Pd含量高0.05-0.5％。
进一步地，催化剂a和催化剂b的装填体积比为1:3～3:1。
进一步地，固定床反应器温度为110℃～160℃，反应压力控制在常压至1MPa的条件下。
进一步地，亚硝酸甲酯的空速为200～2000h-1，亚硝酸甲酯的空速与CO的空速比为1:2-2:1。
进一步地，N2的空速与CO的空速比为2:1～10:1。
合成草酸酯的反应过程如下：
偶联反应2CO+2RONO→2NO+(COOR)2 (1)
为检测本发明所述方法的控温效果，以及对催化剂反应转化率、选择性的影响，草酸二甲酯的合成反应采用油浴恒温循环控温加热方式，反应器分上中下三段测温，反应持续4小时，记录每0.5小时反应器三段温度，计算上中下三段温度反应的平均值，计算其中最大平均温差值。称量产物质量，采用气相色谱等手段检测分析产物，计算催化剂导致的亚硝酸甲酯的转化率与草酸二甲酯的选择性。
亚硝酸甲酯的转化率的计算公式为：
草酸二甲酯选择性：通过产物中草酸二甲酯含量来表示。
以下通过具体实施例来阐述工艺条件对催化剂的转化率以及选择性的影响。
实施例1
本实施例涉及的一种用于CO气相催化合成草酸二甲酯的方法，采用的催化剂a为Pd含量为0.2％的Pd/α-Al2O3，催化剂b为Pd含量为0.3％的Pd/α-Al2O3，催化剂a与催化剂b的装填量为1:1。反应器的油浴恒温温度设定为120℃，亚硝酸甲酯空速为300h-1，亚硝酸甲酯的空速与CO空速比为1:2，N2空速与CO空速比为5:2，反应压力控制在0.15MPa。计算得出反应器最大平均温差值为12℃；亚硝酸甲酯的转化率为80.7％，草酸二甲酯的选择性为96.6％。
实施例2
本实施例涉及的一种用于CO气相催化合成草酸二甲酯的方法，采用的催化剂a为Pd含量为0.1％的Pd/α-Al2O3，催化剂b为Pd含量为0.3％的Pd/α-Al2O3，催化剂a与催化剂b的装填量为1:1。反应器的油浴恒温温度设定为120℃，亚硝酸甲酯空速为300h-1，亚硝酸甲酯的空速与CO空速比为1:2，N2空速与CO空速比为5:2，反应压力控制在0.15MPa。计算得出反应器最大平均温差值为10℃；亚硝酸甲酯的转化率为79.8％，草酸二甲酯的选择性为96.7％。
实施例3
本实施例涉及的一种用于CO气相催化合成草酸二甲酯的方法，仅采用催化剂b来装填反应器，且催化剂b为Pd含量为0.3％的Pd/α-Al2O3。反应器的油浴恒温温度设定为120℃，亚硝酸甲酯空速为300h-1，亚硝酸甲酯的空速与CO空速比为1:2，N2空速与CO空速比为5:2，反应压力控制在0.15MPa。计算得出反应器最大平均温差值为18℃；亚硝酸甲酯的转化率为81.3％，草酸二甲酯的选择性为95.8％。
实施例4
本实施例涉及的一种用于CO气相催化合成草酸二甲酯的方法，仅采用催化剂a来装填反应器，且催化剂a为Pd含量为0.2％的Pd/α-Al2O3。反应器的油浴恒温温度设定为120℃，亚硝酸甲酯空速为300h-1，亚硝酸甲酯的空速与CO空速比为1:2，N2空速与CO空速比为5:2，反应压力控制在0.15MPa。计算得出反应器最大平均温差值为9℃；亚硝酸甲酯的转化率为71.5％，草酸二甲酯的选择性为96.7％。
实施例5
本实施例涉及的一种用于CO气相催化合成草酸二甲酯的方法，仅采用催化剂a来装填反应器，且催化剂a为Pd含量为0.1％的Pd/α-Al2O3。反应器的油浴恒温温度设定为120℃，亚硝酸甲酯空速为300h-1，亚硝酸甲酯的空速与CO空速比为1:2，N2空速与CO空速比为5:2，反应压力控制在0.15MPa。计算得出反应器最大平均温差值为8℃；亚硝酸甲酯的转化率为62.1％，草酸二甲酯的选择性为96.7％。
实施例6
本实施例涉及的一种用于CO气相催化合成草酸二甲酯的方法，采用的催化剂a为Pd含量为0.2％的Pd/α-Al2O3，催化剂b为Pd含量为0.3％的Pd/α-Al2O3，催化剂a与催化剂b的装填量为1:1。反应器的油浴恒温温度设定为130℃，亚硝酸甲酯空速为300h-1，亚硝酸甲酯的空速与CO空速比为1:2，N2空速与CO空速比为5:2，反应压力控制在0.15MPa。计算得出反应器最大平均温差值为13℃；亚硝酸甲酯的转化率为86.7％，草酸二甲酯的选择性为96.4％。
实施例7
本实施例涉及的一种用于CO气相催化合成草酸二甲酯的方法，采用的催化剂a为Pd含量为0.1％的Pd/α-Al2O3，催化剂b为Pd含量为0.3％的Pd/α-Al2O3，催化剂a与催化剂b的装填量为1:1。反应器的油浴恒温温度设定为130℃，亚硝酸甲酯空速为300h-1，亚硝酸甲酯的空速与CO空速比为1:2，N2空速与CO空速比为5:2，反应压力控制在0.15MPa。计算得出反应器最大平均温差值为12℃；亚硝酸甲酯的转化率为86.3％，草酸二甲酯的选择性为96.5％。
实施例8
本实施例涉及的一种用于CO气相催化合成草酸二甲酯的方法，仅采用催化剂b来装填反应器，且催化剂b为Pd含量为0.3％的Pd/α-Al2O3。反应器的油浴恒温温度设定为130℃，亚硝酸甲酯空速为300h-1，亚硝酸甲酯的空速与CO空速比为1:2，N2空速与CO空速比为5:2，反应压力控制在0.15MPa。计算得出反应器最大平均温差值为23℃；亚硝酸甲酯的转化率为86.8％，草酸二甲酯的选择性为90.6％。
实施例9
本实施例涉及的一种用于CO气相催化合成草酸二甲酯的方法，仅采用催化剂a来装填反应器，且催化剂a为Pd含量为0.2％的Pd/α-Al2O3。反应器的油浴恒温温度设定为130℃，亚硝酸甲酯空速为300h-1，亚硝酸甲酯的空速与CO空速比为1:2，N2空速与CO空速比为5:2，反应压力控制在0.15MPa。计算得出反应器最大平均温差值为10℃；亚硝酸甲酯的转化率为76.6％，草酸二甲酯的选择性为96.5％。
实施例10
本实施例涉及的一种用于CO气相催化合成草酸二甲酯的方法，仅采用催化剂a来装填反应器，且催化剂a为Pd含量为0.1％的Pd/α-Al2O3。反应器的油浴恒温温度设定为130℃，亚硝酸甲酯空速为300h-1，亚硝酸甲酯的空速与CO空速比为1:2，N2空速与CO空速比为5:2，反应压力控制在0.15MPa。计算得出反应器最大平均温差值为9℃；亚硝酸甲酯的转化率为71.3％，草酸二甲酯的选择性为96.5％。
实施例11
本实施例涉及的一种用于CO气相催化合成草酸二甲酯的方法，采用的催化剂a为Pd含量为0.2％的Pd/α-Al2O3，催化剂b为Pd含量为0.3％的Pd/α-Al2O3，催化剂a与催化剂b的装填量为1:1。反应器的油浴恒温温度设定为140℃，亚硝酸甲酯空速为300h-1，亚硝酸甲酯的空速与CO空速比为1:2，N2空速与CO空速比为5:2，反应压力控制在0.15MPa。计算得出反应器最大平均温差值为15℃；亚硝酸甲酯的转化率为90.3％，草酸二甲酯的选择性为88.1％。
实施例12
本实施例涉及的一种用于CO气相催化合成草酸二甲酯的方法，采用的催化剂a为Pd含量为0.1％的Pd/α-Al2O3，催化剂b为Pd含量为0.3％的Pd/α-Al2O3，催化剂a与催化剂b的装填量为1:1。反应器的油浴恒温温度设定为140℃，亚硝酸甲酯空速为300h-1，亚硝酸甲酯的空速与CO空速比为1:2，N2空速与CO空速比为5:2，反应压力控制在0.15MPa。计算得出反应器最大平均温差值为13℃；亚硝酸甲酯的转化率为90.1％，草酸二甲酯的选择性为88.3％。
实施例13
本实施例涉及的一种用于CO气相催化合成草酸二甲酯的方法，仅采用催化剂b来装填反应器，且催化剂b为Pd含量为0.3％的Pd/α-Al2O3。反应器的油浴恒温温度设定为140℃，亚硝酸甲酯空速为300h-1，亚硝酸甲酯的空速与CO空速比为1:2，N2空速与CO空速比为5:2，反应压力控制在0.15MPa。计算得出反应器最大平均温差值为28℃；亚硝酸甲酯的转化率为91.5％，草酸二甲酯的选择性为73.1％。
实施例14
本实施例涉及的一种用于CO气相催化合成草酸二甲酯的方法，仅采用催化剂a来装填反应器，且催化剂a为Pd含量为0.2％的Pd/α-Al2O3。反应器的油浴恒温温度设定为140℃，亚硝酸甲酯空速为300h-1，亚硝酸甲酯的空速与CO空速比为1:2，N2空速与CO空速比为5:2，反应压力控制在0.15MPa。计算得出反应器最大平均温差值为12℃；亚硝酸甲酯的转化率为77.1％，草酸二甲酯的选择性为89.4％。
实施例15
本实施例涉及的一种用于CO气相催化合成草酸二甲酯的方法，仅采用催化剂a来装填反应器，且催化剂a为Pd含量为0.1％的Pd/α-Al2O3。反应器的油浴恒温温度设定为140℃，亚硝酸甲酯空速为300h-1，亚硝酸甲酯的空速与CO空速比为1:2，N2空速与CO空速比为5:2，反应压力控制在0.15MPa。计算得出反应器最大平均温差值为10℃；亚硝酸甲酯的转化率为72.2％，草酸二甲酯的选择性为89.6％。
根据上述实施例的合成反应条件，记录催化剂的转化率与选择性，如下表所示：
根据上述的实施例测试结果，作出分析如下：
(1)固定床反应器中只装填一种催化剂的情况：通过实施例可以得知，当只装填催化剂a时，反应器最大平均温差大，反应温度难以均匀控制；当只装填催化剂b时，获得的草酸二甲酯的转化率与选择性相较于装填两种催化剂的结果偏低；以上两种结果结合，可以得出本发明在固定床反应器中装填两种催化剂的优势是反应器温差小、反应温度更均匀，更容易控制，转化率和选择性有提高并且总体均衡。
(2)转化率与选择性的提升因素：对比各实施例，可以看到，反应器设定温度与温差对反应的转化率与选择性影响很大，温度控制是合成草酸二甲酯反应的一个关键参数。因此可以通过精确控制反应温度来提高亚硝酸甲酯的转化率与选择性。而采用同时装填催化剂a与b的装填方法可减小反应器温差，使得反应器温度更容易控制。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
(1)提供CO气相合成草酸二甲酯的方法对反应器的控温更为简单，催化剂的反应温度更为均匀，节约热能；
(2)亚硝酸甲酯在温度稍高的情况下容易发生温度骤然飙升，从而引发催化剂失活，甚至是发生爆炸现象，本发明提供的CO气相合成草酸二甲酯的方法使反应更简单的控制在合适的温度，降低发生温度飙升以及爆炸的风险；
(3)原料气先通过Pd含量更低的催化剂a，再通过Pd含量更高的催化剂b，避免了CO和亚硝酸甲酯的反应速率过快，充分保障了原料气的转化率，有效的提高了目标产物的选择性。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。