背景技术
95110509.4中介绍了一种采用金属钴与醋酸及过氧化氢直接反应制备醋酸钴的方法,其特征为在一个柱形或罐式反应器中,加入金属钴,在反应器顶部,加入醋酸和氧化剂过氧化氢,同时从反应器底部连续排出醋酸钴溶液,制备醋酸钴的方法。
95110509.4存在的弊病之一是反应液在反应中仅靠自身重力下降与金属钴接触反应,传质速度慢,副反应加剧,表现为过氧化氢利用率低,这在通过提高过氧化氢加料速度提高过程生产率时表现更为显著;此外随过氧化氢浓度升高,如超过3%时,过氧化氢利用率下降显著。
95110509.4存在的弊病之二是未兼顾压力、温度等因素影响,也表现为过氧化氢利用率显著降低。
95110509.4存在的弊病之三是对于比表面积更小(小于0.4cm2/g)的工业级金属钴没有考察反应行为。
95110509.4存在的弊病之四是未能兼顾过氧化氢利用率及过程生产率,过氧化氢利用率过低,导致生产成本升高,忽视了实用性要求。
94111509.7介绍了一种草酸钴的制备方法,其特征是采用硫酸和硝酸溶解金属钴,再加入草酸、氨得到草酸钴。
94111509.7存在的弊病之一是工艺复杂,金属钴经过硫酸和硝酸溶解后,要进行结晶,再溶解、升温、除杂,再中和、沉淀等过程后才得到草酸钴。
94111509.7存在的弊病之二是钴盐在与草酸盐反应生成草酸钴的同时伴有大量副产品如硫酸铵、氯化铵及少量硝酸铵,需耗用大量水洗涤产品。
94111509.7存在的弊病之三是存在显著的NO或NO2气体及废水环境污染。
发明内容
本发明的目的之一就是克服专利95110509.4存在的弊病,采用新的技术特征,促进液固充分接触和反应,提高过氧化氢的利用率,兼顾生产率;本发明的目的之二是提供一种过氧化醋酸与金属钴直接反应制备醋酸钴的方法;本发明的目的之三就是克服94111509.7存在的弊病,提供一种由醋酸钴直接与草酸反应制备草酸钴的方法。
为了达到本发明的目的,本发明采用在反应器顶部设置液体喷淋头或喷淋管以促进反应液分配或导流和通过调整反应温度及压力促使反应液加快传质过程,减少因反应液分散不均匀、传质时间长或反应速度慢导致的过氧化物分解;研究考察过氧化醋酸与金属钴的反应行为;直接使用工业级金属钴作为原料,并兼顾过氧化氢利用率和过程生产率;借助醋酸钴制备过程中反应液对钴中主要杂质铜、镍产生钝化,生成的醋酸钴溶液中杂质含量低的特点,直接将草酸加入得到的醋酸钴溶液中制备草酸钴。
下面详细介绍本发明:
本发明是在一带有加热及冷凝装置的反应器中,加入金属钴,将过氧化醋酸或过氧化氢、醋酸与水通过液体分配或导流装置从位于金属钴上部的反应器进料口注入反应器中,过氧化醋酸的浓度为0.5~20%或过氧化氢的浓度为0.2~10%,醋酸浓度为3~40%,通过调节反应器上加热及冷凝装置,使反应器温度保持在50~140℃之间,反应器压力为5×104Pa~4.0×105Pa,促进金属钴与过氧化醋酸或过氧化氢、醋酸反应转化为醋酸钴,将生成的醋酸钴盐溶液经反应器底部排出,经过滤器过滤后可直接用于调配由芳烃经液相氧化制造芳香族羧酸的催化剂或经过结晶制备晶体醋酸钴或其他钴盐。
将上述过程得到的醋酸钴盐溶液加入另一反应器中,直接加入工业级草酸,控制草酸与醋酸钴的摩尔比为1∶0.8~1.2,搅拌10~15分钟,静止冷却至常温,过滤分离出生成的草酸钴沉淀,得到四水草酸钴,进一步在100±5℃干燥,得到二水草酸钴,滤液回收用于调配制备醋酸钴的原料液。
本发明所述的醋酸钴的制备方法,当过氧化醋酸的浓度低于0.5%或过氧化氢的浓度低于0.2%、醋酸浓度低于3%时,虽然能容易保持过氧化醋酸或过氧化氢的利用率在100%,但由于过程生产率过低,得到的溶液中醋酸钴浓度较低,不适用于直接作为催化剂,而用于制备晶体醋酸钴或其他钴盐时,生产效率低,能耗也大;当过氧化醋酸的浓度高于20%或过氧化氢的浓度高于10%及醋酸浓度高于40%时,随过氧化物浓度升高,溶液中会产生大量黑色粒子,反应生成的醋酸钴浓度变化不明显,过氧化醋酸或过氧化氢的利用率下降,因此本发明选择过氧化醋酸的浓度为0.5~20%或过氧化氢的浓度为0.2~10%、醋酸浓度为3~40%。
本发明所述的醋酸钴的制备方法,通过调节反应器上加热及冷凝装置,使反应温度保持在50~140℃,压力在5.0×104Pa~4.0×105Pa之间,当醋酸钴合成反应器内温度低于50℃或压力低于5.0×104Pa时,反应速度慢、反应不完全,过氧化醋酸或过氧化氢及醋酸的利用率低,醋酸钴生产率也低;当温度高于140℃或压力超过4.0×105Pa时,过氧化醋酸或过氧化氢自分解副反应加剧,同时产生大量热和气体,过氧化醋酸或过氧化氢及醋酸的利用率反而降低,对设备技术要求也增加,因此本发明控制反应温度在50~140℃、反应压力在5.0×104Pa~4.0×105Pa。
本发明所述的醋酸钴的制备方法,通过控制过氧化醋酸或过氧化氢及醋酸浓度、控制反应液加料速度,可有效兼顾过氧化醋酸或过氧化氢的利用率及醋酸钴的生产率。
本发明所述的草酸钴的制备方法,是将草酸直接加入醋酸钴溶液中,醋酸钴在与草酸反应生成草酸钴沉淀的同时,释放出醋酸,经过滤或离心分离出草酸钴后,溶液可回收再用于制备醋酸钴。
本发明所述的草酸钴的制备方法,通过草酸过量或醋酸钴过量均能够得到草酸钴沉淀。但当草酸与醋酸钴的摩尔比大于1∶0.8时,沉淀完成后溶液中会残留较大量的草酸;而当草酸与醋酸钴的摩尔比小于1∶1.2时,沉淀完成后的溶液中会残留较大量的钴离子;本发明一般控制草酸与醋酸钴的摩尔比为1∶0.8~1.2,此时分离沉淀后得到的溶液更便于回收利用。
具体实施方案
下面通过实施例进一步说明本发明:
实施例1:在容积为500ml(有效容积约377ml)的反应器中,加入800g不经任何超细分散处理的工业级金属钴,钴中镍含量为0.3%。将过氧化醋酸、醋酸与水通过液体分配或导流装置从位于金属钴层上部的反应器进料口注入反应器中,加料速度为105g/min,过氧化醋酸的浓度为0.5%,醋酸浓度为3%,通过调节反应器上加热及冷凝装置,使反应温度保持在135±5℃,此时反应器压力为(4.0±0.2)×105Pa,生成的醋酸钴盐溶液从反应器底部连续排出,过滤,取样品测定,产品质量符合中国GB1290-77及HG/T2302-1999标准要求,其中溶液中不含硝酸盐、氯化物、镍含量低于标准要求的1/100,醋酸钴的生产率为274g/l.h,过氧化醋酸的利用率为100%。
实施例2:在容积为500ml(有效容积约377ml)的反应器中,加入800g不经任何超细分散处理的工业级金属钴,钴中镍含量为0.3%。将过氧化醋酸、醋酸与水通过液体分配或导流装置从位于金属钴层上部的反应器进料口注入反应器中,加料速度为100g/min,过氧化醋酸的浓度为2%,醋酸浓度为6%,通过调节反应器上加热及冷凝装置,使反应温度保持在120±5℃,此时反应器压力为(2.5±0.2)×105Pa,生成的醋酸钴盐溶液从反应器底部连续排出,过滤,取样品测定,产品质量符合中国GB1290-77及HG/T2302-1999标准要求,其中溶液中不含硝酸盐、氯化物、镍含量低于标准要求的1/100,醋酸钴的生产率为960g/l.h,过氧化醋酸的利用率为92%。
实施例3
在容积为500ml(有效容积约377ml)并在出料口连接真空***的反应器中,加入800g不经任何超细分散处理的工业级金属钴,钴中镍含量为0.3%。将过氧化醋酸、醋酸与水通过液体分配或导流装置从位于金属钴层上部的反应器进料口注入反应器中,加料速度为80g/min,过氧化醋酸的浓度为5%,醋酸浓度为6%,通过调节反应器上加热及冷凝装置,使反应温度保持在90±5℃,调节真空度为(6.0±0.2)×104Pa,生成的醋酸钴盐溶液从反应器底部连续排出,过滤,取样品测定,产品质量符合中国GB1290-77及HG/T2302-1999标准要求,其中溶液中不含硝酸盐、氯化物、镍含量低于标准要求的1/100,醋酸钴的生产率为1732g/l.h,过氧化醋酸的利用率为83%。
实施例4
在容积为500ml(有效容积约377ml)并在出料口连接真空***的反应器中,加入800g不经任何超细分散处理的工业级金属钴,钴中镍含量为0.3%。将过氧化醋酸、醋酸与水通过液体分配或导流装置从位于金属钴层上部的反应器进料口注入反应器中,加料速度为75g/min,过氧化醋酸的浓度为5%,醋酸浓度为10%,通过调节反应器上加热及冷凝装置,使反应温度保持在90±5℃,调节真空度为(6.0±0.2)×104Pa,生成的醋酸钴盐溶液从反应器底部连续排出,过滤,取样品测定,产品质量符合中国GB1290-77及HG/T2302-1999标准要求,其中溶液中不含硝酸盐、氯化物、镍含量低于标准要求的1/100,醋酸钴的生产率为1663g/l.h,过氧化醋酸的利用率为85%。
取200g醋酸钴盐溶液加入另一反应器中,加入16.95g工业级草酸,草酸与醋酸钴的摩尔比为1∶0.8,搅拌10~15分钟,静止冷却至常温,过滤分离出草酸钴沉淀,得到四水草酸钴,进一步在100±5℃干燥,得到二水草酸钴,产品质量达到分析纯标准要求。滤液回收返回用于调配制备醋酸钴的原料液。
实施例5
在容积为500ml(有效容积约377ml)的反应器中,加入800g不经任何超细分散处理的工业级金属钴,钴中镍含量为0.3%,再向反应器中加入80g金属镍,将过氧化醋酸、醋酸与水通过液体分配或导流装置从位于金属钴层上部的反应器进料口注入反应器中,加料速度为100g/min,过氧化醋酸的浓度为5%,醋酸浓度为10%,通过调节反应器上加热及冷凝装置,使反应温度保持在100±5℃,此时反应器压力为1.0×105Pa,生成的醋酸钴盐溶液从反应器底部连续排出,过滤,取样品测定,产品质量符合中国GB1290-77及HG/T2302-1999标准要求,其中溶液中不含硝酸盐、氯化物、镍含量仍低于标准要求的1/100,醋酸钴的生产率为2034g/l.h,过氧化醋酸的利用率为78%。
实施例6
在容积为500ml(有效容积约377ml)的反应器中,加入800g不经任何超细分散处理的工业级金属钴,钴中镍含量为0.3%。将过氧化醋酸、醋酸与水通过液体分配或导流装置从位于金属钴层上部的反应器进料口注入反应器中,加料速度为80g/min,过氧化醋酸的浓度为12%,醋酸浓度为15%,通过调节反应器上加热及冷凝装置,使反应温度保持在50±5℃,此时反应器压力为1.0×105Pa,生成的醋酸钴盐溶液从反应器底部连续排出,过滤,取样品测定,产品质量符合中国GB1290-77及HG/T2302-1999标准要求,其中溶液中不含硝酸盐、氯化物、镍含量低于标准要求的1/100,醋酸钴的生产率为3605g/l.h,过氧化醋酸的利用率为72%。
实施例7
在容积为500ml(有效容积约377ml)的反应器中,加入800g不经任何超细分散处理的工业级金属钴,钴中镍含量为0.3%。将过氧化醋酸、醋酸与水通过液体分配或导流装置从位于金属钴层上部的反应器进料口注入反应器中,加料速度为80g/min,过氧化醋酸的浓度为12%,醋酸浓度为18%,通过调节反应器上加热及冷凝装置,使反应温度保持在60±5℃,此时反应器压力为1.0×105Pa,生成的醋酸钴盐溶液从反应器底部连续排出,过滤,取样品测定,产品质量符合中国GB1290-77及HG/T2302-1999标准要求,其中溶液中不含硝酸盐、氯化物、镍含量低于标准要求的1/100,醋酸钴的生产率为3655g/l.h,过氧化醋酸的利用率为73%。
实施例8
在容积为500ml(有效容积约377ml)并在出料口连接真空***的反应器中,加入800g不经任何超细分散处理的工业级金属钴,钴中镍含量为0.3%。将过氧化醋酸、醋酸与水通过液体分配或导流装置从位于金属钴层上部的反应器进料口注入反应器中,加料速度为65g/min,过氧化醋酸的浓度为20%,醋酸浓度为25%,通过调节反应器上加热及冷凝装置,使反应温度保持在95±5℃,调节真空度为(8.0±0.2)×101Pa,生成的醋酸钴盐溶液从反应器底部连续排出,过滤,取样品测定,产品质量符合中国GB1290-77及HG/T2302-1999标准要求,其中溶液中不含硝酸盐、氯化物、镍含量低于标准要求的1/100,醋酸钴的生产率为4204g/l.h,过氧化醋酸的利用率为62%。
实施例9
在容积为500ml(有效容积约377ml)的反应器中,加入800g不经任何超细分散处理的工业级金属钴,钴中镍含量为0.3%。将过氧化氢、醋酸与水通过液体分配或导流装置从位于金属钴层上部的反应器进料口注入反应器中,加料速度为105g/min,过氧化氢的浓度为0.2%,醋酸浓度为2%,通过调节反应器上加热及冷凝装置,使反应温度保持在125±5℃,此时反应器压力为(3.0±0.2)×105Pa,生成的醋酸钴盐溶液从反应器底部连续排出,过滤,取样品测定,产品质量符合中国GB1290-77及HG/T2302-1999标准要求,其中溶液中不含硝酸盐、氯化物、镍含量低于标准要求的1/100,醋酸钴的生产率为245g/l.h,过氧化氢的利用率为100%。
实施例10
在容积为500ml(有效容积约377ml)并在出料口连接真空***的反应器中,加入800g不经任何超细分散处理的工业级金属钴,钴中镍含量为0.3%。将过氧化氢、醋酸与水通过液体分配或导流装置从位于金属钴层上部的反应器进料口注入反应器中,加料速度为70g/min,过氧化氢的浓度为2.5%,醋酸浓度为10%,通过调节反应器上加热及冷凝装置,使反应温度保持在100±5℃,调节真空度为(8.0±0.2)×104Pa,生成的醋酸钴盐溶液从反应器底部连续排出,过滤,取样品测定,产品质量符合中国GB1290-77及HG/T2302-1999标准要求,其中溶液中不含硝酸盐、氯化物、镍含量低于标准要求的1/100,醋酸钴的生产率为1754g/l.h,过氧化氢的利用率为86%。
实施例11
在容积为500ml(有效容积约377ml)并在出料口连接真空***的反应器中,加入800g不经任何超细分散处理的工业级金属钴,钴中镍含量为0.3%。将过氧化氢、醋酸与水通过液体分配或导流装置从位于金属钴层上部的反应器进料口注入反应器中,加料速度为105g/min,过氧化氢的浓度为2.5%,醋酸浓度为10%,通过调节反应器上加热及冷凝装置,使反应温度保持在100±5℃,调节真空度为(5.0±0.2)×104Pa,生成的醋酸钴盐溶液从反应器底部连续排出,过滤,取样品测定,产品质量符合中国GB1290-77及HG/T2302-1999标准要求,其中溶液中不含硝酸盐、氯化物、镍含量低于标准要求的1/100,醋酸钴的生产率为2326g/l.h,过氧化氢的利用率为76%。
实施例12
在容积为500ml(有效容积约377ml)的反应器中,加入800g不经任何超细分散处理的工业级金属钴,钴中镍含量为0.3%,再在反应器中加入80g金属镍和50g金属铜。将过氧化氢、醋酸与水通过液体分配或导流装置从位于金属钴层上部的反应器进料口注入反应器中,加料速度为70g/min,过氧化氢的浓度为3%,醋酸浓度为12%,通过调节反应器上加热及冷凝装置,使反应温度保持在85±5℃,此时反应器压力为1.0×105Pa,生成的醋酸钴盐溶液从反应器底部连续排出,过滤,取样品测定,产品质量符合中国GB1290-77及HG/T2302-1999标准要求,其中溶液中不含硝酸盐、氯化物、镍含量仍低于标准要求的1/100,醋酸钴的生产率为1959g/l.h,过氧化氢的利用率为80%。
实施例13
在容积为500ml(有效容积约377ml)的反应器中,加入800g不经任何超细分散处理的工业级金属钴,钴中镍含量为0.3%,再在反应器中加入80g金属镍。将过氧化氢、醋酸与水通过液体分配或导流装置从位于金属钴层上部的反应器进料口注入反应器中,加料速度为120g/min,过氧化氢的浓度为3%,醋酸浓度为12%,通过调节反应器上加热及冷凝装置,使反应温度保持在85±5℃,此时反应器压力为1.0×105Pa,生成的醋酸钴盐溶液从反应器底部连续排出,过滤,取样品测定,产品质量符合中国GB1290-77及HG/T2302-1999标准要求,其中溶液中不含硝酸盐、氯化物、镍含量仍低于标准要求的1/100,醋酸钴的生产率为2812g/l.h,过氧化氢的利用率为67%。
取200g醋酸钴盐溶液加入另一反应器中,加入11.97g工业级草酸,草酸与醋酸钴的摩尔比为1∶1.2,搅拌10~15分钟,静止冷却至常温,过滤分离出草酸钴沉淀,得到四水草酸钴,进一步在100±5℃干燥,得到二水草酸钴,产品质量达到分析纯标准要求。滤液回收返回用于调配制备醋酸钴的原料液。
实施例14
在容积为500ml(有效容积约377ml)的反应器中,加入800g不经任何超细分散处理的工业级金属钴,钴中镍含量为0.3%。将过氧化氢、醋酸与水通过液体分配或导流装置从位于金属钴层上部的反应器进料口注入反应器中,加料速度为80g/min,过氧化氢的浓度为5%,醋酸浓度为20%,通过调节反应器上加热及冷凝装置,使反应温度保持在135±5℃,此时反应器压力为(4.0±0.2)×105Pa,生成的醋酸钴盐溶液从反应器底部连续排出,过滤,取样品测定,产品质量符合中国GB1290-77及HG/T2302-1999标准要求,其中溶液中不含硝酸盐、氯化物、镍含量低于标准要求的1/100,醋酸钴的生产率为3451g/l.h,过氧化氢的利用率为74%。
实施例15
在容积为500ml(有效容积约377ml)的反应器中,加入800g不经任何超细分散处理的工业级金属钴,钴中镍含量为0.3%。将过氧化氢、醋酸与水通过液体分配或导流装置从位于金属钴层上部的反应器进料口注入反应器中,加料速度为70g/min,过氧化氢的浓度为10%,醋酸浓度为40%,通过调节反应器上加热及冷凝装置,使反应温度保持在50±5℃,此时反应器压力为1.0×105Pa,生成的醋酸钴盐溶液从反应器底部连续排出,过滤,取样品测定,产品质量符合中国GB1290-77及HG/T2302-1999标准要求,其中溶液中不含硝酸盐、氯化物、镍含量低于标准要求的1/100,醋酸钴的生产率为4733g/l.h,过氧化氢的利用率为58%。
实施例16
在有效容积为80l的反应器中,加入250kg不经任何超细分散处理的工业级金属钴(比表面积<4.0cm2/g,其中<1cm2/g的金属钴至少占80%,金属钴最小比表面积小于0.09cm2/g),钴中镍含量为0.3%。将过氧化氢、醋酸与水通过液体分配或导流装置从位于金属钴层上部的反应器进料口注入反应器中,加料速度为500kg/h,过氧化氢的浓度为5%,醋酸浓度为20%,通过调节反应器上加热及冷凝装置,使反应温度保持在90±5℃,此时反应器压力为1.0×105Pa,生成的醋酸钴盐溶液从反应器底部连续排出,过滤,取样品测定,产品质量符合中国GB1290-77及HG/T2302-1999标准要求,其中溶液中不含硝酸盐、氯化物、镍含量低于标准要求的1/100,醋酸钴的生产率为1717g/l.h,过氧化氢的利用率为75%。
实施例17
在有效容积为80l的反应器中,加入250kg与实施例16相同的工业级金属钴。将过氧化氢、醋酸与水通过液体分配或导流装置从位于金属钴层上部的反应器进料口注入反应器中,加料速度为900kg/h,过氧化氢的浓度为2.5%,醋酸浓度为12%,通过调节反应器上加热及冷凝装置,使反应温度保持在100±5℃,此时反应器压力为1.0×105Pa,生成的醋酸钴盐溶液从反应器底部连续排出,过滤,取样品测定,产品质量符合中国GB1290-77及HG/T2302-1999标准要求,其中溶液中不含硝酸盐、氯化物、镍含量低于标准要求的1/100,醋酸钴的生产率为1607g/l.h,过氧化氢的利用率为78%。
将100kg醋酸钴盐溶液加入另一反应器中,加入7.35kg工业级草酸,草酸与醋酸钴的摩尔比为1∶0.95,搅拌15~20分钟,静止冷却至常温,离心分离出草酸钴沉淀,得到四水草酸钴,进一步在100±5℃干燥,得到二水草酸钴,产品质量达到分析纯标准要求。滤液回收返回用于调配制备醋酸钴的原料液。
实施例18
在有效容积为80l并在出料口连接真空***的反应器中,加入250kg与实施例16相同的工业级金属钴。将过氧化醋酸、醋酸与水通过液体分配或导流装置从位于金属钴层上部的反应器进料口注入反应器中,加料速度为1100kg/h,过氧化醋酸的浓度为5%,醋酸浓度为8%,通过调节反应器上加热及冷凝装置,使反应温度保持在95±5℃,调节真空度为(9.0±0.2)×104Pa,生成的醋酸钴盐溶液从反应器底部连续排出,过滤,取样品测定,产品质量符合中国GB1290-77及HG/T2302-1999标准要求,其中溶液中不含硝酸盐、氯化物、镍含量低于标准要求的1/100,醋酸钴的生产率为1825g/l.h,过氧化醋酸的利用率为81%。
本发明中运用符号说明:
%:质量百分比;g:克;kg:千克;min:分钟;h:小时;ml:毫升;l:升;cm:厘米;Pa:帕。
本发明的醋酸钴生产率是指每升有效反应器在单位时间内所能生产出的四水醋酸钴的量。
本发明的过氧化醋酸或过氧化氢的利用率为:由化学反应计量式计算得到的过氧化醋酸或过氧化氢理论消耗量与实际消耗量之比,并通过下列公式计算:
本发明中涉及的化学反应计量式为:
方程式括号中S代表固体;L代表液体。
本发明中醋酸钴的质量分析方法采用中国GB1290-77及HG/T2302-1999标准。
本发明中草酸钴的质量标准参照《化工百科全书》编委会编,《化工百科全书》,第一版,第六卷,111页表18,化学工业出版社,北京,1994年8月。本发明中草酸钴中钴的测定采用滴定法,金属杂质采用原子吸收法、氯化物及硫酸盐采用比色法、碱金属采用重量法测定。