本发明属于精细化工技术领域，涉及一种二氧化碳直接羧化制备芳香酸的装置及方法。
背景技术：
芳香酸是一类用途十分广泛的有机化工产品，广泛用于医药、食品添加剂、染料、光敏剂、增塑剂、香料、化妆品的生产中。但是大多数芳香酸的生产往往涉及多步反应及氧化反应，存在副产物多、原子经济性差、成本高和环境不友好等缺点。利用CO2直接羧化法制备芳香酸具有反应流程短，原料来源广、成本低、过程绿色等优点。如，Olah等人以AlCl3/Al体系为催化剂在相对温和条件下得到了一系列有应用价值的芳香酸(J.Am.Chem.Soc.2002,124,11379-11391)。Munshi等人发现将CO2预先用AlCl3活化，可以显著加快反应进行(Ind.Eng.Chem.Res.2009,48,1059-1062；Ind.Eng.Chem.Res.2012,51,5174-5180)。
现有的CO2直接羧化法制备芳香酸是在高压反应釜中进行的，具体是先将原料和催化剂加入高压反应釜中，然后向高压反应釜中通入CO2气体，当达到一定压力后开始反应。由于反应需要的CO2的量比较大，而CO2在原料液中的溶解度比较小，从而导致反应效率较低，CO2的利用率低、原料的转化率低，限制了CO2直接羧化制备芳香酸这种工艺的发展应用。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种二氧化碳直接羧化制备芳香酸的装置及方法，该装置和方法采用鼓泡反应器，CO2气体可以从下向上经分布器以气泡形式通过液层，使CO2气体可以充分与原料芳烃和催化剂路易斯酸接触，提高反应效率，并且CO2气体循环利用，提高了CO2气体利用率和芳烃转化率。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种二氧化碳直接羧化制备芳香酸的装置，包括鼓泡反应器和CO2储罐，CO2储罐的输出口通过气体输入管道与鼓泡反应器下部的气体输入口连通，鼓泡反应器上部的气体输出口通过气体循环管道与鼓泡反应器下部的气体输入口连通；鼓泡反应器上还设有用于将芳烃和路易斯酸加入鼓泡反应器中的进料口，以及引出产物的出料口。
优选的，还包括CO2缓冲罐和冷凝器，CO2缓冲罐设置在气体循环管道上；冷凝器设置在鼓泡反应器上部的气体输出口处，用于将气化的芳烃冷凝回流至鼓泡反应器中；气体循环管道的气体输出端及气体输入管道上均设有计量泵；
优选的，还包括有机碱储罐，有机碱储罐的输出口通过有机碱输入管道与鼓泡反应器的进料口连通，有机碱输入管道上设有计量泵。
优选的，计量泵为高压计量泵，至少耐11MPa的压力。
优选的，鼓泡反应器为鼓泡塔反应器，鼓泡塔反应器内置加热和控温系统，鼓泡塔反应器的塔壁上设有循环侧管，使液相上下运动形成回路。
一种二氧化碳直接羧化制备芳香酸的方法，包括如下步骤，
步骤1，将芳烃和路易斯酸加入鼓泡反应器中；
步骤2，将CO2气体经气体分布器从鼓泡反应器底部均匀鼓泡输入鼓泡反应器内，CO2气体经过反应段反应，未反应的CO2气体从鼓泡反应器上部输出，再返回鼓泡反应器底部输入鼓泡反应器内，形成CO2气体循环回路，制得芳香酸。
优选的，步骤2中，反应压力为2-8MPa，反应温度为30～80℃。
优选的，还包括步骤3：当步骤2中反应进行0.5～3h后，向鼓泡反应器内加入有机碱；路易斯酸和有机碱的摩尔比为1：(0.1～2)。
进一步的，有机碱为烷基胺、咪唑与吡啶中的至少一种。
再进一步的，烷基胺为伯胺R-NH2、仲胺R1R2-NH或叔胺R1R2R3-N，其中R1、R2和R3均为C1～C18烷基、烯丙基、仲烷基或叔烷基；咪唑为N-烷基取代咪唑，其中，烷基是C1～C18烷基、烯丙烷基、烯丙基、仲烷基或叔烷基；吡啶为烷基取代吡啶，其中，烷基是C1～C18烷基、烯丙烷基、烯丙基、仲烷基或叔烷基。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明装置采用鼓泡反应器，使用时CO2气体经气体分布器从鼓泡反应器底部均匀鼓泡进入鼓泡反应器内，从下向上以气泡形式通过液层，使CO2气体可以充分与液相混合，有利于反应的进行，能够克服由于CO2气体溶解度低而导致的反应效率低的问题，可以提高反应效率，可以提高CO2气体利用率和芳烃转化率。未反应的CO2气体从鼓泡反应器顶部输出后，可以通过气体循环管道重新返回鼓泡反应器中，从而进一步的提高了CO2气体利用率。本发明装置结构简单，操作压力范围大，造价低，易于放大。
本发明的方法，将CO2气体经气体分布器从鼓泡反应器底部均匀鼓泡进入鼓泡反应器内，从下向上以气泡形式通过液层，使CO2气体可以充分与原料芳烃和催化剂路易斯酸接触，克服了由于CO2气体溶解度低而导致的反应效率低的问题，提高了反应效率，提高了CO2气体利用率和芳烃转化率。未反应的CO2气体从鼓泡反应器顶部输出后，通过循环重新返回鼓泡反应器中，从而进一步的提高了CO2气体利用率。而且由于CO2气泡的搅拌作用可使液相充分混合，有利于反应的进行。
进一步的，本发明在反应进行一段时间后，加入有机碱进行反应。开始一段时间内CO2和芳烃在路易斯酸的催化作用下反应，CO2预活化生成高反应活性的CO2-路易斯酸物种，CO2羧化生成卤化氢；然后加入有机碱，通过有机碱和CO2羧化反应过程中生成的卤化氢反应原位生成离子液体，离子液体在路易斯酸存在下进一步转化成具有更高催化活性的路易斯酸型离子液体，得到的路易斯酸型离子液体作为第二催化剂在体系中直接作用于CO2与芳烃反应，快速催化得到芳香酸。本发明不需要单独制备离子液体，而是通过有机碱在羧化反应体系中原位生成路易斯酸型离子液体，直接参与催化反应，避免了离子液体复杂的制备过程。本发明先加入芳烃、路易斯酸和CO2进行反应，一段时间后再加入有机碱，可以方便、高效地实现CO2预活化，提高反应效果。而且离子液体对于CO2具有优异的溶解能力，极大的降低了气液两相的混合难度，增强了反应效果，提高反应速率，缩短反应时间并且降低了反应压力，有利于工业化生产。结果表明，利用原位生成离子液体的方法比单独用路易斯酸可以显著促进CO2羧化反应，有望实现CO2羧制备芳香酸的工业化。本发明对促进CO2化工利用、减少碳排放具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明所述二氧化碳直接羧化制备芳香酸的装置示意图。
图中：1为溶剂储罐；2为液体原料储罐；3为鼓泡反应器；4为冷凝器；5为有机碱储罐；6为CO2缓冲罐；7为CO2储罐；8为第一高压计量泵；9为第二高压计量泵；10为第三高压计量泵；11为固体原料进料口；12为出料口。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明二氧化碳直接羧化制备芳香酸的装置，包括原料进料系统、鼓泡反应器3、CO2循环系统和有机碱高压进料系统。
CO2循环系统包括CO2储罐7，CO2储罐7的输出口通过气体输入管道与鼓泡反应器3下部的气体输入口连通，鼓泡反应器3上部的气体输出口与气体循环管道的输入口连通，气体循环管道的输出口通过气体输入管道与鼓泡反应器3下部的气体输入口连通。气体输入管道上设有第一高压计量泵8，气体循环管道上设有第二高压计量泵9，第一高压计量泵8和第二高压计量泵9用于计量CO2气体流量，并可以耐至少11MPa的高压。第一高压计量泵8和第二高压计量泵9均是一开一备。
CO2循环系统还包括CO2缓冲罐6和冷凝器4，CO2缓冲罐6设置在气体循环管道上，用于缓存从鼓泡反应器3中输出的CO2气体。冷凝器4设置在鼓泡反应器3上部的气体输出口处，冷凝器4使溶剂或液体反应物冷凝回流至鼓泡反应器3中。工作时，CO2经冷凝器4冷凝后首先回收至CO2缓冲罐6中，然后经第二高压计量泵9输送至气体输入管道中，使未反应的CO2重新经鼓泡反应器3回到反应体系中。
原料进料系统包括液体原料储罐2、溶剂储罐1、液体原料计量泵和溶剂计量泵。如果芳烃为液体，则芳烃先储存在液体原料储罐2中，使用时通过液体原料管道和液体原料计量泵输入鼓泡反应器3中；如果有溶剂，则溶剂通过溶剂管道和溶剂计量泵输入鼓泡反应器3中；液体原料计量泵和溶剂计量泵均是一开一备。如果芳烃为固体，则芳烃从鼓泡反应器3上的固体原料进料口11加入鼓泡反应器3中，路易斯酸催化剂也从固体原料进料口11加入；固体原料进料口11设置两个，一个为常用进料口，另一个为预留进料口。
鼓泡反应器3的底部还设有出料口12，反应产物从出料口导出。
有机碱高压进料系统包括有机碱储罐5，有机碱储罐5的输出口通过有机碱输入管道与鼓泡反应器3的有机碱进料口连通。有机碱输入管道上设有第三高压计量泵10，第三高压计量泵10用于计量有机碱的流量，并可以耐至少11MPa的高压。反应开始一段时间后，经第三高压计量泵10向鼓泡反应器3中加入一定量的有机碱，以便及时反应掉生成的卤化氢，同时在路易斯酸存在下生成离子液体，第三高压计量泵10一开一备。
本发明鼓泡反应器3优选为鼓泡塔反应器，鼓泡塔反应器内置加热和控温系统，使反应液维持一定温度。鼓泡塔反应器的塔壁上设有循环侧管，使液体上下运动形成回路。
本发明所述CO2直接羧化制备芳香酸装置的工作过程为：路易斯酸催化剂和固体原料经固体原料进料口11加入到鼓泡反应器3中；反应溶剂和液体原料预先存贮在溶剂储罐1和液体原料储罐2中，经计量泵准确加入到鼓泡反应器3内；CO2气体经气体分布器从鼓泡反应器3塔底均匀鼓泡，气体经过反应段后至塔顶，再经过经冷凝器4，溶剂和液体原料冷却回流至鼓泡反应器3中，CO2气体则进入缓冲罐6中，经第二高压计量泵9后从新送回至CO2入口，实现循环利用。反应进行到一定程度时，将有机碱储罐5中的有机碱经过第三高压计量泵10慢慢加入到鼓泡反应器3中，及时与反应生成的卤化氢反应，并原位形成离子液体进一步催化反应的进行。
本发明的装置可以进行间歇式反应，也可以进行连续式反应。
本发明二氧化碳直接羧化制备芳香酸的方法，包括如下步骤，
步骤1，将芳烃和路易斯酸加入鼓泡反应器3中；
步骤2，打开高压计量泵9将CO2气体经气体分布器从鼓泡反应器3底部均匀鼓泡输入鼓泡反应器3内，当鼓泡反应器内压力达到2～8MPa时，关闭高压计量泵9，开启鼓泡反应器电加热，使温度升至30～80℃，CO2气体在反应段与三氯化铝进行预活化，未反应的CO2气体从鼓泡反应器上部输出，再返回鼓泡反应器3底部输入鼓泡反应器3内，形成CO2气体循环回路；
步骤3，当步骤2中反应进行0.5～3h后，向鼓泡反应器3内输入有机碱进行反应，制得芳香酸。
其中，路易斯酸和有机碱的摩尔比为1：(0.1～2)；当芳烃只作为反应物时，芳烃与路易斯酸的摩尔比为(0.5～2)：1。
芳烃为苯、烷基取代苯、卤代苯、萘或烷基取代萘；烷基取代苯为甲苯、1,2-二甲苯、1,3-二甲苯、1,4-二甲苯、1,3,5-三甲苯、乙丙或叔丁基苯。
路易斯酸为AlCl3、AlBr3、FeCl3、FeBr3、BF3、SbF5、NbCl5和La(CF3SO3)3中的一种，优选是AlCl3，次优选是AlBr3、FeCl3或FeBr3。
有机碱为烷基胺、咪唑与吡啶中的至少一种。烷基胺为伯胺R-NH2、仲胺R1R2-NH或叔胺R1R2R3-N，其中R1、R2和R3均为C1～C18烷基、烯丙基、仲烷基或叔烷基；咪唑为N-烷基取代咪唑，其中，烷基是C1～C18烷基、烯丙烷基、烯丙基、仲烷基或叔烷基；吡啶为烷基取代吡啶，其中，烷基是C1～C18烷基、烯丙烷基、烯丙基、仲烷基或叔烷基。
具体实施例如下。
实施例1
步骤1，将60mL的干燥的1,3,5-三甲苯和3.60g三氯化铝从固体进料口加入鼓泡反应器3中；
步骤2，打开第一高压计量泵8将CO2经气体分布器从鼓泡反应器3底部均匀鼓泡输入鼓泡反应器3内，当鼓泡反应器3内压力达到4MPa时，关闭第一高压计量泵8，开启鼓泡反应器电加热，使温度升至50℃，CO2气体在反应段与三氯化铝进行预活化，未反应的CO2气体从鼓泡反应器3上部输出，到达CO2缓冲罐后经第二高压计量泵9返回鼓泡反应器3内，形成CO2气体循环回路，反应过程中保持体系内压力为4MPa。
步骤3，当步骤2中反应进行3h后，向鼓泡反应器3内经第三高压进料泵10将0.29g 1-烯丙基咪唑从有机碱储罐5内送入鼓泡反应器3内，反应维持12h。
反应完毕后，慢慢卸掉体系的压力，打开鼓泡反应器3底部的卸料阀将反应液放400mL烧瓶内，加入200mL水，搅拌30min，然后，将物料放入500mL分液漏斗，之后用80mL乙醚萃取3次，合并萃取液并浓缩干燥后得到3.92g灰白色固体。将上述灰白色固体溶于40mL 10％wt氢氧化钠溶液中，过滤不溶物得到滤液，然后将该滤液用1mol/L HCl调节pH值到1，在常温下静置60min析晶，然后再转移至-20℃条件下进一步析晶，过滤得到晶体，将晶体进行干燥得到苯甲酸白色固体3.60g，2,4,6-三甲基苯甲酸的产率为81.3％。
实施例2
步骤1，将60mL的1,3,5-三甲苯和3.60g三氯化铝从固体进料口加入鼓泡反应器3中；
步骤2，打开第一高压计量泵8将CO2经气体分布器从鼓泡反应器3底部均匀鼓泡输入鼓泡反应器3内，当鼓泡反应器3内压力达到4MPa时，关闭第一高压计量泵8，开启鼓泡反应器3电加热，使温度升至80℃，CO2气体在反应段与三氯化铝进行预活化，未反应的CO2气体从鼓泡反应器3上部输出，到达CO2缓冲罐后经第二高压计量泵9返回鼓泡反应器3内，形成CO2气体循环回路，反应过程中保持体系内压力为4MPa。
步骤3，当步骤2中反应进行2h后，向鼓泡反应器3内经第三高压进料泵10将2.92g 1-烯丙基咪唑从有机碱储罐5内送入鼓泡反应器3内，反应维持24h。
反应完毕后，慢慢卸掉体系的压力，打开鼓泡反应器3底部的卸料阀将反应液放400mL烧瓶内，加入200mL水，搅拌30min，然后，将物料放入500mL分液漏斗，之后用80mL乙醚萃取3次，合并萃取液并浓缩干燥后得到4.09g灰白色固体。将上述灰白色固体溶于40mL 10％wt氢氧化钠溶液中，过滤不溶物得到滤液，然后将该滤液用1mol/L HCl调节pH值到1，在常温下静置60min析晶，然后再转移至-20℃条件下进一步析晶，过滤得到晶体，将晶体进行干燥得到苯甲酸白色固体3.95g，2,4,6-三甲基苯甲酸的产率为89.1％。
实施例3
步骤1，将60mL的干燥的1,3,5-三甲苯和3.60g三氯化铝从固体进料口加入鼓泡反应器3中；
步骤2，打开第一高压计量泵8将CO2经气体分布器从鼓泡反应器3底部均匀鼓泡输入鼓泡反应器3内，当鼓泡反应器3内压力达到8MPa时，关闭第一高压计量泵8，开启鼓泡反应器3电加热，使温度升至30℃，CO2气体在反应段与三氯化铝进行预活化，未反应的CO2气体从鼓泡反应器3上部输出，到达CO2缓冲罐后经第二高压计量泵9返回鼓泡反应器3内，形成CO2气体循环回路，反应过程中保持体系内压力为8MPa。
步骤3，当步骤2中反应进行0.5h后，向鼓泡反应器3内经第三高压进料泵10将5.84g 1-烯丙基咪唑从有机碱储罐5内送入鼓泡反应器3内，反应维持12h。
反应完毕后，慢慢卸掉体系的压力，打开鼓泡反应器3底部的卸料阀将反应液放400mL烧瓶内，加入200mL水，搅拌30min，然后，将物料放入500mL分液漏斗，之后用80mL乙醚萃取3次，合并萃取液并浓缩干燥后得到3.37g灰白色固体。将上述灰白色固体溶于40mL 10％wt氢氧化钠溶液中，过滤不溶物得到滤液，然后将该滤液用1mol/L HCl调节pH值到1，在常温下静置60min析晶，然后再转移至-20℃条件下进一步析晶，过滤得到晶体，将晶体进行干燥得到苯甲酸白色固体3.19g，2,4,6-三甲基苯甲酸的产率为72.02％。
实施例4
步骤1，将60mL的干燥的苯和3.60g三氯化铝从固体进料口加入鼓泡反应器3中；
步骤2，打开第一高压计量泵8将CO2经气体分布器从鼓泡反应器3底部均匀鼓泡输入鼓泡反应器3内，当鼓泡反应器3内压力达到2MPa时，关闭第一高压计量泵8，开启鼓泡反应器3电加热，使温度升至30℃，CO2气体在反应段与三氯化铝进行预活化，未反应的CO2气体从鼓泡反应器3上部输出，到达CO2缓冲罐后经第二高压计量泵9返回鼓泡反应器3内，形成CO2气体循环回路，反应过程中保持体系内压力为2MPa。
步骤3，当步骤2进行0.5h后，向鼓泡反应器33内经高压进料泵10将1.05g N-甲基二环己基胺从有机碱储罐5内送入鼓泡反应器3内，反应维持12h。
反应完毕后，慢慢卸掉体系的压力，打开鼓泡反应器3底部的卸料阀将反应液放400mL烧瓶内，加入200mL水，搅拌30min，然后，将物料放入500mL分液漏斗，之后用80mL乙醚萃取3次，合并萃取液并浓缩干燥后得到2.97g灰白色固体。将上述灰白色固体溶于40mL 10％wt氢氧化钠溶液中，过滤不溶物得到滤液，然后将该滤液用1mol/L HCl调节pH值到1，在常温下静置60min析晶，然后再转移至-20℃条件下进一步析晶，过滤得到晶体，将晶体进行干燥得到苯甲酸白色固体2.85g，苯甲酸的产率为86.40％。
本发明采用鼓泡反应器，将CO2气体经气体分布器从鼓泡反应器底部均匀鼓泡进入鼓泡反应器内，从下向上以气泡形式通过液层，使CO2气体可以充分与原料芳烃和催化剂路易斯酸接触，克服了由于CO2气体溶解度低而导致的反应效率低的问题，提高了反应效率，提高了CO2气体利用率和芳烃转化率。未反应的CO2气体从鼓泡反应器顶部输出后，通过循环重新返回鼓泡反应器中，从而进一步的提高了CO2气体利用率。而且由于CO2气泡的搅拌作用可使液相充分混合，有利于反应的进行。并且，本发明在反应进行一段时间后，加入有机碱进行反应。开始一段时间内CO2和芳烃在路易斯酸的催化作用下反应，CO2预活化生成高反应活性的CO2-路易斯酸物种，CO2羧化生成卤化氢；然后加入有机碱，通过有机碱和CO2羧化反应过程中生成的卤化氢反应原位生成离子液体，离子液体在路易斯酸存在下进一步转化成具有更高催化活性的路易斯酸型离子液体，得到的路易斯酸型离子液体作为第二催化剂在体系中直接作用于CO2与芳烃反应，快速催化得到芳香酸。本发明通过有机碱在羧化反应体系中原位生成路易斯酸型离子液体，直接参与催化反应，避免了离子液体复杂的制备过程。本发明先加入芳烃、路易斯酸和CO2进行反应，一段时间后再加入有机碱，可以方便、高效地实现CO2预活化，提高反应效果。而且离子液体对于CO2具有优异的溶解能力，极大的降低了气液两相的混合难度，增强了反应效果，提高反应速率，缩短反应时间并且降低了反应压力，有利于工业化生产。结果表明，本发明通过CO2循环和原位生成离子液体的方法可以显著促进CO2羧化反应，芳香酸的产率均在70％以上，最高达到89％，有望实现工业生产。