碳一化學
碳一化學
20世紀20年代，德國就已開始由合成氣制烴類的研究工作。第二次世界大戰期間，由合成氣製取液體燃料的技術如費托合成已得到應用。但戰後，除南非因其特殊政治及地理條件，繼續建設以煤為原料由費托合成法生產液體燃料的工廠外，其他國家(地區)由於有廉價的石油及天然氣供應，該項技術沒有得到發展。70年代石油大幅度漲價后，廉價豐富的石油、天然氣穩定供應的形勢受到衝擊。石油進口國各大企業為尋找“化工原料多樣化”和替代能源的途徑，紛紛重新考慮從合成氣製取基本有機化工原料和發動機燃料。70年代中期，首先在日本提出了C□化學的概念。與此同時，美國孟山都公司用低壓甲醇羰基化（見羰基合成）製取醋酸技術獲得工業應用；美國莫比爾化學公司ZSM－5分子篩催化劑成功地應用於甲醇轉化制汽油；中東、加拿大等天然氣產量豐富的國家，由天然氣制甲醇生產能力加速提高，導致大量甲醇進入市場。因此，近年來C□化學不僅研究以合成氣，而且也研究以甲醇作為重要的基礎原料，來合成一系列以乙烯為基礎原料生產的基本有機化工產品。
迄今，已工業化的C1化學生產技術有：
①醋酸合成 以甲醇、一氧化碳為原料，在銠－碘催化劑存在下，進行羰化反應，反應條件2.8MPa、175℃。以甲醇計，選擇性為99％；以一氧化碳計，選擇性為90％以上。
②醋酐合成 美國田納西州的伊斯曼化學產品公司以銠系催化劑生產醋酐的方法是：
哈康－科學研究公司開發的方法則是將醋酸甲酯與一氧化碳生成的醋酐，一半直接作為產品，而另一半與甲醇反應生成醋酸甲酯，即：
總的結果為：
③草酸合成 現已工業化的方法是日本宇部興產公司的工藝，其反應過程為：
上述反應以鈀為催化劑，在亞硝酸丁酯的存在下進行，反應溫度80～100℃，一氧化碳分壓，催化劑濃度，亞硝酸丁酯濃度10％，按丁醇計反應選擇性為90％～93％，按一氧化碳計選擇性為75％～80％。所得草酸丁酯經酸化后可得草酸及丁醇。後者可循環使用。
④費托合成 用鐵系催化劑，由一氧化碳和氫氣合成液體燃料。此法在第二次世界大戰期間曾得到應用，戰後只在南非得到繼續發展。
⑤莫比爾法70年代莫比爾化學公司開發成功的C1化學新技術。它採用ZSM-5分子篩催化劑，在340℃、1.0～2.0MPa條件下使甲醇一步轉化為高辛烷值汽油。紐西蘭利用其豐富廉價的天然氣資源，已投資建設以天然氣為原料的大型甲醇合成工廠，和以莫比爾法合成汽油的工廠。此法生產每噸汽油需耗2.4t甲醇。
①乙二醇 開發的路線很多，其中以甲醇甲醛縮合法、乙二酸酯法及甲醛氫甲醯化法的結果較好。
②醋酸乙烯 已經開發的路線為：
反應過程中產生的醋酸可循環使用。此法有可能在近期內工業化。
③烯烴 由合成氣或由甲醇合成等不同路線。
④乙醇 也有合成氣和甲醇兩種路線，前者有氣相法和液相法。
當前C1化學的進展主要集中在合成氣化工和甲醇化工方面。
我國C1化學化工經20多年的研究與開發，通過“七五”、“八五”、“九五”、“十五”攻關，取得了一批不同階段的試驗成果，湧現一批科研從事C1化學研究與開發的研究單位和人才，目前已有20多個單位從事C1化學的研究工作，為我國今後C1化學化工的發展奠定了一定的基礎。已取得的試驗成果有:
(1)合成氣製備工藝技術及催化劑；
(2)甲醇脫水或合成氣一步制二甲醚；
(3)甲醇脫氫制甲酸甲酯催化劑及工藝技術；
(4)甲醇脫水或合成氣一步制二甲醚；
(5)合成氣制烴類；
(6)合成碳酸二甲酯(DMC)；
(7)甲醇制烯烴；
(8)甲醇羰基合成醋酸；
(9)偶聯制草酸酯、草酸、乙二醇；
(10)合成氣制乙醇；
(11)含氣體中凈化提純的研究與開發；
(12)高濃度甲醛的合成技術研究；
(13)化工利用研究。
C1化工是21世紀值得重視的能源和化工領域，它有可能改變目前的能源和化工結構。為此，我國應當從長遠考慮出發，結合中國的具體實際，加強C1化工技術的產業化。在發展目標中，將重點放在合成油和大宗有機化工原料生產領域。聯合國內的研究開發和工程設計單位，儘快使我國的C1化工技術水平達到國際當代水平。可持續發展意味著要最大程度地綜合利用資源、能源，追求經濟、社會、環境綜合效益，因此C1化學化工的研究應為實現煤化工和天然氣化工，特別是在合成燃料、含氧化合物方面進入世界先進行列研究開發出新工藝和新型高效催化劑。
(1)進行C1化學的催化劑基礎研究。C1化學過程基本上都使用催化劑，而且由於合成目的產物或合成工藝不同採用的催化劑各不相同。為了促進C1化學有突破性地進展，必須繼續進行C1化學的催化基礎研究，開發出適合國情的，特別是在合成燃料、低碳烯烴和含氧有機化學品方面的新型催化劑或為催化劑的改進提供依據，為開展催化劑設計積累科學基礎。
通過催化劑體系和反應機理的基礎研究，提出新的催化過程和新催化材料，在合成燃料、含氧化合物和制烯烴等方面有所突破。
(4)甲醇制烯烴技術的工程開發。完成萬噸級工業示範裝置建設和試驗並消化吸收國外MTO或MTP技術的基礎上，開發出具有中國特色的合成烯烴工藝和催化劑。
(5)適合於各種大型或超大型甲醇裝置的合成甲醇催化劑的研製與開發。我國目前有甲醇廠150家左右，2003年底生產能力已達6Mt，2004年生產能力為7Mt，預計2005年為8.67Mt，2006年為10.97Mt。，國內已經能提供全部國產化技術的成套天然氣制甲醇軟體包。以煤為原料為甲醇裝置技術已經成熟。但近年來，國內建設大型化單系列，已由上升到，以及最近的。這些大型裝置合成甲醇催化劑均為國外配套，因此為了適應這一形勢，國內必需開發新型合成甲醇催化劑替代進口催化劑。
開展合成氣三相床合成甲醇(或二甲醚)新型催化劑的研製與開發，和低溫液相合成甲醇催化劑的研究。
(6)甲醇羰基化制醋酸新型催化劑和合成醋酐新工藝及其催化劑開發研究，對現有裝置進行技術改造，節能降耗，提高生產能力。
(7)甲醇羰基合成甲酸甲酯及其下游產品的開發研究。
(8)非光氣法合成碳酸二甲酯、碳酸二苯酯及聚碳酸酯和異氰酸酯合成工藝，及其催化體系的開發研究。
(10)資源再利用，工業廢氣的凈化、分離、提純和利用。包括:①煤礦瓦斯氣的凈化、脫氧和富集及化工利用技術的研究；②黃磷尾氣、電石爐尾氣的脫硫、脫砷、脫氟和提純供羰基合成應用的工程開發研究；③城市垃圾發酵氣凈化濃縮制城市煤氣技術的工程開發研究；④硝酸尾氣(或NOx)的回收技術的工程研究；⑤催化裂解干氣中濃縮回收乙烯的工程研究；⑥聚氯乙烯尾氣濃縮的工程研究。
(11)天然氣、合成氣和焦爐氣等脫硫新技術的研究與開發。
(12)製取高含量甲醛工藝及催化劑、甲醛下游產品的研究與開發。
(13)合成氣合成乙二醇工藝技術的研究與開發。包括氧化偶聯制草酸酯、加氫制乙二醇，甲醛二聚、加氫制乙二醇，甲酸甲酯、甲醛、加氫制乙二醇，合成氣直接合成乙二醇等的研究與開發。
(15)CO2的化工利用研究。包括二氧化碳加氫合成烴類和含氧化合物的研究，及合成生物降解塑料技術的工程開發研究。
6“十一五”重點科研項目建議
(1)羰基合成醋酸新型均相催化劑體系及其工藝研究和開發；
(2)醋酸甲酯羰基合成醋酐及醋酸醋酐聯產工藝及催化劑的研究與開發；
(3)黃磷尾氣羰基合成系列化學品；
(4)草酸酯加氫制乙二醇催化劑及其工藝的研究與開發；
(5)工業廢氣治理與再利用。包括：垃圾發酵氣濃縮制城市煤氣，黃磷尾氣羰基合成系列化學品，催化裂解干氣中濃縮回收乙烯，聚氯乙烯尾氣濃縮，硝酸尾氣提純增產硝酸，煤礦瓦斯氣提純制天然氣，電石爐尾氣凈化提純一氧化碳等；
(6)二氧化碳制甲醇模試；
(7)催化裂解天然氣製備碳納米管和氫氣的中間試驗；
(8)天然氣等離子體法裂解制500噸乙炔/年和氫氣；
(9)天然氣、焦爐氣部分氧化制合成氣的催化劑及其工藝的研究與開發；
(10)超大型合成甲醇催化劑國產化；
(11)400kt/a焦爐氣制甲醇新工藝示範工程；
(12)鋼鐵廠三氣(焦爐氣轉爐氣高爐氣)有效綜合利用制甲醇新工藝；
(13)鐵鉬法甲醇制甲醛催化劑及其工藝的研究與開發；
(14)四氯化碳催化加氫脫氯技術的開發；
(15)小型甲醇制氫裝置配燃料電池；
(16)煤層氣催化脫氧的催化劑及其工藝研究與開發；
(17)煤礦瓦斯氣提純制天然氣；
(18)煤礦乏風甲烷催化氧化處理的催化劑及其工藝的研究與開發；
(19)工業廢水治理與再利用；
(20)甲酸甲酯氫甲醯化制碳酸二甲酯；
(21)脫除天然氣及煤制氣中硫化物的新型凈化工藝的研究和開發。