【摘要】合成氣是以一氧化碳和氫氣為主要組分，用作化工原料的一種原料氣，其在工業(yè)上用途廣泛，例如，以合成氣為原料制備的產(chǎn)品主要包括氨、甲醇、費(fèi)托合成產(chǎn)品、氫甲?；a(chǎn)品以及其下游產(chǎn)品等，其中，應(yīng)用廣泛的聚氨酯即屬于氫甲?；a(chǎn)品中一種。合成氣作為一種起始原料在聚氨酯的工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。

【關(guān)鍵字】合成氣  聚氨酯  變壓吸附  異氰酸酯  多元醇

（一）聚氨酯的價(jià)值及現(xiàn)狀

聚氨酯是一種高分子材料,其主要特征是分子鏈中含有多個(gè)重復(fù)的“氨基甲酸酯”基團(tuán)。聚氨酯既有橡膠的彈性,又有塑料的強(qiáng)度和優(yōu)異的加工性能,因其同時(shí)具有橡膠和塑料的雙重優(yōu)點(diǎn),可以認(rèn)為是橡膠和塑料優(yōu)異性能的結(jié)合體。由于其有其它材料無(wú)法比擬的優(yōu)異特點(diǎn),從上世紀(jì)60年代后期開(kāi)始,聚氨酯逐漸實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn),從上世紀(jì)80年代開(kāi)始,聚氨酯開(kāi)始在全世界高速發(fā)展,已經(jīng)成為繼聚乙烯、聚氯乙稀、聚丙烯、聚苯乙烯之后的第五大塑料,目前其年產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)1000萬(wàn)噸,列全球塑料行業(yè)的第六位。

目前，世界平均聚氨酯人均消耗量為1.68公斤,其中，北美消耗量最大，高達(dá)9.33公斤,歐洲次之，約為4.69公斤,日本第三，約為4.10公斤。我國(guó)的人均消耗量?jī)H有1.39公斤,低于世界平均水平,僅為北美的14.9%,歐洲和日本的30%和34%。雖然聚氨酯具有重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，可與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)比,目前我國(guó)的聚氨酯人均消費(fèi)量還很低,仍有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＫ耘c“世界工廠”的地位與國(guó)際水平相比,我國(guó)的聚氨酯消費(fèi)市場(chǎng)還有很大的提升空間。

（二）合成氣在聚氨酯生產(chǎn)中的應(yīng)用

聚氨酯品種眾多,性能變化無(wú)窮,是一種多用途產(chǎn)品。聚氨酯是以異氰酸酯和多元醇為原料，經(jīng)縮聚反應(yīng)制備而成的，其中異氰酸酯有20多種: 如二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）、甲苯二異氰酸酯（TDI）、六亞甲基二異氰酸酯（HDI）、異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）;還有1，5-萘二異氰酸酯（NDI）、間苯二甲基異氰酸酯（XDI）等等,其中最主要的是MDI 和TDI,這兩種的用量占總用量的95%以上;多元醇也有20多種:聚醚多元醇（PPG）、聚四亞甲基醚二醇（PTMEG）、聚乙二醇（PEG）、聚酯多元醇、聚合物多元醇、聚己內(nèi)酯多元醇等。通過(guò)不同的原料配比,分子設(shè)計(jì),可以生產(chǎn)不同性能、不同狀況的聚氨酯制品。在異氰酸酯和多元醇的生產(chǎn)過(guò)程中，均需使用合成氣，具體反應(yīng)過(guò)程如下：

（1）合成多元醇    

如前所述，作為合成聚氨酯原料之一的多元醇有20種之多，但廣泛應(yīng)用的是辛二醇，辛二醇的全合成主要包括如下步驟：第一步，以丙烯和合成氣為原料反應(yīng)生成正丁醛；第二步，正丁醛進(jìn)行分子縮合生成5-羥基辛醛；第三步，5-羥基辛醛經(jīng)加氫還原，生成1，5-辛二醇。其簡(jiǎn)要合成原理如下：

（2）光氣法制備異氰酸酯

自從工業(yè)上廣泛使用的伯胺光氣化技術(shù)以來(lái)，光氣法便成為工業(yè)上生產(chǎn)異氰酸酯的主要方法。迄今為止,世界上絕大多數(shù)的異氰酸酯產(chǎn)品仍采用光氣法生產(chǎn)。液相光氣法第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了人類合成異氰酸酯的工業(yè)夢(mèng)，數(shù)十年來(lái)，隨著對(duì)生產(chǎn)工藝和技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)與優(yōu)化,逐漸形成了液相成鹽光氣法和液相直接光氣法兩種液相光氣生產(chǎn)工藝。首先，一氧化碳與氯氣進(jìn)行光化反應(yīng)，生成光氣；然后，光氣再與多胺進(jìn)一步反應(yīng)生成異氰酸酯，其簡(jiǎn)要合成原理如下：

（3）合成聚氨酯

以步驟（1）中的1，5-辛二醇和步驟（2）中的異氰酸酯為原料，反應(yīng)生成聚氨酯。

從上述反應(yīng)機(jī)理可以看出，在多元醇合成過(guò)程中，需要同時(shí)使用氫氣和一氧化碳，在異氰酸酯合成過(guò)程中，需要以一氧化碳為原料合成光氣，目前，合成氣的提純主要有兩種方法：變壓吸附提純法（PSA）及深冷提純法。

其中，深冷提純法工作原理是經(jīng)過(guò)壓縮、凈化、用熱交換的方法使原料氣液化成為液態(tài)，利用原料氣中各組分沸點(diǎn)不同的原理，通過(guò)精餾，達(dá)到分離出每種組分的目的，同時(shí)收集所需產(chǎn)品氣，如氫氣、一氧化碳等。PSA的工作原理為（以分離提純CO為例）：變壓吸附分離CO氣體技術(shù)是將原料氣通入到PSA-CO吸附塔，塔內(nèi)吸附劑吸附CO，尾氣從吸附塔頂部排出。經(jīng)過(guò)一定循環(huán)步驟后，吸附塔內(nèi)合格的CO通過(guò)逆向放壓和抽真空方式排出吸附塔。一部分CO作為產(chǎn)品氣送往后工序，一部分CO經(jīng)置換氣壓縮機(jī)后用于置換吸附塔內(nèi)殘存的雜質(zhì)組份。

深冷提純法的主要優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品氣純度高、裝置占地面積小等。但其劣勢(shì)也較明顯，如工藝流程復(fù)雜，設(shè)備較多；啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，一般在15～40小時(shí)，必須連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，不能間斷運(yùn)行，短暫停機(jī)，恢復(fù)工況時(shí)間長(zhǎng)；設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度高，維修保養(yǎng)技術(shù)難度大，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用高等。

與深冷提純法相比，PSA法則具有更多的優(yōu)點(diǎn)：低能耗，工藝適應(yīng)的壓力范圍較廣；產(chǎn)品純度高且可靈活調(diào)節(jié)；工藝流程簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)多種氣體的分離；自動(dòng)化程度高，操作方便，開(kāi)停車簡(jiǎn)單迅速；裝置調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，操作彈性大；吸附劑使用周期長(zhǎng)；裝置可靠性高等。

就變壓吸附提純法，北京北大先鋒科技有限公司PSA分離技術(shù)已十分成熟并廣泛應(yīng)用于合成氣提純領(lǐng)域，公司采用的一氧化碳吸附劑PU-1更好的實(shí)現(xiàn)了CO在混合氣中的高效提純。PU-1是一種載銅分子篩吸附劑，該吸附劑對(duì)CO有極高的吸附容量和選擇性，其性能指標(biāo)已居國(guó)際領(lǐng)先水平。根據(jù)PU-1的吸附特性，公司又開(kāi)發(fā)成功國(guó)際領(lǐng)先水平、高效低能耗的變壓吸附分離CO技術(shù)。CH4作為原料氣中常見(jiàn)的有害雜質(zhì)氣，在CO中的含量要求十分嚴(yán)格，其產(chǎn)生的副反應(yīng)為：

副產(chǎn)物四氯化碳會(huì)積累在光氣化反應(yīng)溶劑回收工序中，從而影響光氣質(zhì)量；另一副產(chǎn)物鹽酸則會(huì)加重設(shè)備的腐蝕，北大先鋒的PU-1吸附劑及變壓吸附技術(shù)成功的解決了從CH4雜質(zhì)含量高的原料氣中分離高純度CO的難題。

變壓吸附制氫吸附劑中，傳統(tǒng)的分子篩在成型階段會(huì)加入15%-20%的粘結(jié)劑，降低了分子篩原粉的含量，影響了實(shí)際吸附性能。北大先鋒在變壓吸附提純氫氣中使用的自主研發(fā)的新一代無(wú)粘結(jié)劑分子篩，生產(chǎn)時(shí)采用先成型后轉(zhuǎn)化的制備工藝，將粘結(jié)劑轉(zhuǎn)化為分子篩，更好的提高了分子篩吸附容量和強(qiáng)度。

（三）總結(jié)

   綜上所述，由于聚氨酯在越來(lái)越多的領(lǐng)域中的地位不斷升高，眼下，在一切都快速發(fā)展著的中國(guó)，自然擁有著非常好的應(yīng)用前景，而合成氣又是聚氨酯合成中重要的原料之一，因此，合成氣在該領(lǐng)域的需求也將會(huì)越來(lái)越大。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，擁有眾多優(yōu)勢(shì)的變壓吸附法提純合成氣將被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，擁有更廣闊的市場(chǎng)前景。