一种生产锂电池高纯碳酸酯溶剂的工艺系统技术方案

本发明专利技术公开一种生产锂电池高纯碳酸酯溶剂的工艺系统，原料环氧乙烷与二氧化碳进入碳酸乙烯酯工段，在固载化离子液体催化下进行环加成反应并经过碳酸乙烯酯的分离纯化得到高纯碳酸乙烯酯；碳酸乙烯酯与甲醇进入碳酸二甲酯工段在碱金属氧化物的催化作用下进行醇解反应精馏，并经过变压共沸精馏分离与碳酸二甲酯精制系统得到高纯碳酸二甲酯；碳酸二甲酯与乙醇在碱金属氧化物的催化作用下进行酯交换反应精馏，并经碳酸甲乙酯与碳酸二乙酯精制系统得到高纯碳酸甲乙酯与碳酸二乙酯，碳酸二甲酯通过隔壁萃取精馏与碳酸二甲酯精制系统纯化后循环使用。化后循环使用。化后循环使用。

【技术实现步骤摘要】
一种生产锂电池高纯碳酸酯溶剂的工艺系统


[0001]本专利技术涉及电池电解液高纯溶剂领域，涉及碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯的生产方法，具体为一种生产锂电池高纯碳酸酯溶剂的工艺系统。

技术介绍

[0002]在“碳达峰”和“碳中和”背景下，新能源产业的快速发展，锂电池作为一种新能源电池，在近年来发展迅速。电解液是锂离子电池的“血液”，决定着锂离子电池的综合性能，由锂盐、溶剂、添加剂三部分构成。其中高纯溶剂就是五种碳酸酯(碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC))产品组成的混合体系。近年来，高纯碳酸甲乙酯与碳酸二乙酯作为锂离子电池电解液重要溶剂，其生产工艺方法成为关注对象。电池级的碳酸酯应用于电解液溶剂，在使用前必须严格控制质量，纯度要求一般在99.99％以上，甚至达到高纯级99.995％，才能满足锂离子电池电解液溶剂的要求，且严格控制有机溶剂的水分，对于配制合格锂电池电解液有着决定性影响。
[0003]合成碳酸乙烯酯主要采用环氧乙烷与二氧化碳作进行环加成反应获得，其中催化剂与反应条件密切相关，碳酸二甲酯的生产具有多种途径，具有工业化应用前景的为：碳酸乙烯酯或者碳酸丙烯酯与甲醇的酯交换法，尿素醇解法以及基于煤化工路线的甲醇羰基化法。碳酸甲乙酯与碳酸二乙酯的生产主流工艺通过碳酸二甲酯的与乙醇的酯交换获得。
[0004]CN112142599A公开了低能耗、绿色碳酸酯产品生产方法和系统，将生产过程划分为碳酸乙烯酯单元、碳酸二甲酯与碳酸甲乙酯单元，但是其中所产碳酸酯的纯度等关键信息未进行公开，碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯在有限的分离塔下产品高纯要求无法得到保证，且在碳酸乙烯酯的反应过程中采用KI溶液作为催化剂进行环加成反应。
[0005]CN114380692A公开了一种节能的电子级碳酸酯的制备方法，其中聚焦的过程重要以碳酸二甲酯作为原料，通过与乙醇进行酯交换生产碳酸甲乙酯并副产碳酸二乙酯，并且以反歧化反应器实现碳酸二甲酯与碳酸二乙酯反歧化反应为碳酸甲乙酯，在使用热泵精馏与热集成精馏的条件下碳酸甲乙酯过程的能耗为2.9t/t碳酸酯产品，电耗为168kWh/t碳酸酯产品。
[0006]碳酸酯生产过程中主要分为通过环氧乙烷与二氧化碳加成为碳酸乙烯酯/碳酸丙烯酯，碳酸乙烯酯/碳酸丙烯酯与甲醇进行酯交换生成碳酸二甲酯并副产乙二醇/丙二醇，以及碳酸二甲酯与乙醇进行酯交换生产碳酸甲乙酯与碳酸二乙酯。过程中采用的均相催化剂与碳酸酯产品之间分离困难，且均相催化剂会带来环境固废问题。本专利技术旨在构建采用非均相催化剂的碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯高纯溶剂生产系统，并且采用反应精馏、萃取隔壁精馏、热泵精馏、热集成精馏降低高纯碳酸酯系统的能耗。

技术实现思路

[0007]本专利技术旨在提供一种生产锂电池高纯碳酸酯溶剂的工艺系统，该系统在生产碳酸酯的三个工段均采用非均相催化剂，并且在碳酸二甲酯与碳酸甲乙酯工段中采用反应精馏
降低过程的能耗，碳酸二甲酯与甲醇共沸物分离过程中采用萃取隔壁精馏实现过程强化，在碳酸酯的纯化过程中采用精馏热集成与热泵精馏降低高纯产品分离纯化过程的能耗。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术提出的技术方案如下：原料环氧乙烷(EO)与二氧化碳进入碳酸乙烯酯工段在固载化离子液体催化下进行环加成反应并经过分离纯化得到高纯碳酸乙烯酯；碳酸乙烯酯与甲醇进入碳酸二甲酯工段在碱金属氧化物的催化作用下进行醇解反应并经过分离纯化后得到高纯碳酸二甲酯；碳酸二甲酯与乙醇在碱金属氧化物的催化作用下进行酯交换反应并经分离纯化系统后得到高纯碳酸甲乙酯/碳酸二乙酯。具体为：
[0009]二氧化碳与环氧乙烷进入装有非均相催化剂的第一反应器，其中非均相催化剂为固载化离子液体催化剂，出第一反应器的反应产物一部分循环返回第一反应器，一部分进入第二反应器，第二反应器反应产物进入闪蒸器，其中离开气液闪蒸罐的气相主要含有环氧乙烷与二氧化碳，液相主要为碳酸乙烯酯，气相流股通过吸收塔进行气相中环氧乙烷的脱除。离开气液闪蒸罐的液相进入后续精制单元进行高纯碳酸乙烯酯的分离纯化。
[0010]碳酸乙烯酯与甲醇作为原料进入碳酸乙烯酯醇解反应精馏塔进行同步反应与分离，反应精馏中装填有非均相催化剂。反应精馏塔塔顶为碳酸二甲酯与甲醇共沸物，通过后续变压精馏进行分离，高压塔的冷凝器为反应精馏塔的再沸器提供热量，低压塔中采用热泵精馏降低过程能耗，高压塔的塔釜采出碳酸二甲酯粗品后进入碳酸二甲酯精制塔进行后续分离，高纯碳酸二甲酯(质量分数99.99％)自碳酸二甲酯精馏塔侧线采出，醇解反应精馏塔塔釜为碳酸乙烯酯与乙二醇的混合物，进入乙二醇分离塔进行副产品的分离，碳酸乙烯酯返回到碳酸乙烯酯醇解反应精馏塔中。
[0011]碳酸二甲酯与原料乙醇进入预反应器进行初步反应，后进入酯交换反应精馏塔进行进一步反应，在反应精馏塔顶采出碳酸二甲酯与甲醇的混合物，在塔釜采出碳酸二甲酯/碳酸甲乙酯/碳酸二乙酯混合物。共沸物进入萃取隔壁精馏进行分离，萃取隔壁精馏塔中隔板进料侧采出甲醇，在另外一侧采出碳酸二甲酯，塔釜萃取剂循环使用。反应精馏塔塔釜依次进入碳酸二甲酯回收塔、碳酸甲乙酯/碳酸二乙酯粗分塔进行分离，其中粗分塔冷凝器与碳酸二甲酯回收塔再沸器进行热集成节能。得到的碳酸甲乙酯与碳酸二乙酯粗品分别进入脱轻脱重塔组合实现电子级碳酸甲乙酯与碳酸二乙酯的生产(质量分数99.99wt％)。在碳酸甲乙酯/碳酸二乙酯脱轻脱重塔中采用间接热泵精馏进行过程节能，碳酸甲乙酯/碳酸二乙酯在进入产品罐之前进行分子筛脱水，吸收水后饱和的分子筛采用热氮气进行吹脱再生。在碳酸甲乙酯市场需求量旺盛时，碳酸二乙酯与碳酸二甲酯通过反歧化反应器生产碳酸甲乙酯。
[0012]根据本专利技术提供的生产锂电池高纯碳酸酯溶剂系统，其特征在于环氧乙烷与二氧化碳的加成反应中采用非均相固载化离子液体催化剂，其中非均相固载化离子液体催化剂可为SiO2、TiO2、SBA
‑
16分子筛作为载体固载化季铵盐或咪唑离子液体。
[0013]根据本专利技术提供的生产锂电池高纯碳酸酯溶剂系统，其特征在于碳酸乙烯酯与甲醇的醇解反应在反应精馏中实现，其中醇解反应精馏塔中装填有催化填料，催化填料中装填的非均相催化剂可选用非均相催化剂带有氢氧根抗衡离子的强碱性季铵离子交换树脂(Amberlyst A
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26(OH))或者碱金属氧化物ZrO2‑
Al2O3。
[0014]根据本专利技术提供的生产锂电池高纯碳酸酯溶剂系统，其特征在于碳酸二甲酯与乙醇酯交换反应在反应精馏塔中实现，其中反应精馏塔段装填有催化填料，催化填料中装填
的非均相催化剂可选用碱金属氧化物MgO/HZSM
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5、聚乙二醇包覆的改性K2CO3。
[0015]根据本专利技术提供的生产锂电池高纯碳酸酯溶剂系统，其特征在于碳酸甲乙酯与碳酸二乙酯产品工段中碳酸二甲酯与甲醇的共沸物分离通过萃取隔壁精馏实现，其中萃取隔壁精馏由萃本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生产锂电池高纯碳酸酯溶剂的工艺系统，其特征在于针对碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯/碳酸二乙酯采用三个工段进行，碳酸乙烯酯以环氧乙烷与二氧化碳为原料，经过环加成反应与碳酸乙烯酯精制单元得到；碳酸二甲酯以碳酸乙烯酯与甲醇为原料，经过醇解反应精馏与后续碳酸二甲酯精制过程而得，过程副产乙二醇，未反应的碳酸乙烯酯与甲醇经过后续分离纯化过程后循环使用；碳酸甲乙酯与碳酸二乙酯以碳酸二甲酯与乙醇为原料，在预反应器与反应精馏塔中经过酯交换反应并经后续碳酸甲乙酯与碳酸二乙酯精制过程而得，碳酸二甲酯经过分离纯化过程后循环使用。2.根据权利要求1中所述的生产锂电池高纯碳酸酯溶剂的工艺系统，其特征在于环氧乙烷环加成反应在两级反应器中进行，所采用的催化剂为非均相催化剂，优选为使用SiO2、TiO2、SBA
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16分子筛固载的季胺盐或咪唑离子液体；碳酸乙烯酯醇解反应在反应精馏塔中进行，催化填料中装填的催化剂优选为带有氢氧根抗衡离子的强碱性季胺离子交换树脂(AmberlystA
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26(OH))、ZrO2‑
Al2O3；碳酸二甲酯的酯交换反应在反应精馏塔中进行，催化填料中装填的催化剂优选为碱金属氧化物MgO/HZSM
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5、采用聚乙二醇包覆的改性K2CO3。3.根据权利要求1中所述的生产锂电池高纯碳酸酯溶剂的工艺系统，其特征在于碳酸乙烯酯与甲醇的醇解反应在反应精馏塔中进行，其中碳酸二甲酯的回收工段采用高压塔与低压塔组合实现，低压塔采用直接热泵精馏降低过程能耗。4.根据权利要求1中所述的生产锂电池高纯碳酸酯溶剂的工艺系统，其特征在于在碳酸二甲酯生产工段，碳酸乙烯酯与甲醇醇解反应精馏塔与碳酸乙烯酯回收塔之间进行侧线热集成。5.根据权利要求1中所述的生产锂电池高纯碳酸酯溶剂的工艺系统，其特征在于碳酸二甲酯与乙醇进行酯交换制备碳酸甲乙酯与碳酸二乙酯的工段中碳酸二甲...

【专利技术属性】
技术研发人员：盖晓龙，刘柏彤，韩毅成，
申请(专利权)人：天津科技大学，
类型：发明
国别省市：