CN105837409A - 一种利用一氧化碳气体(co)去除苯甲醚中微量水分的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用一氧化碳气体(CO)去除苯甲醚中微量水分的方法,其特征在于,所述方法包括以下过程:将含有微量水的苯甲醚溶液加入载有催化剂的反应器中,通入1.0‑5.0 MPa的CO气体,控制反应温度150‑350℃反应,CO与苯甲醚中微量水发生水煤气变换反应(CO+H2O=CO2+H2),最终得到无水的苯甲醚溶液;原料中苯甲醚含量为70%‑99%;原料中CO的纯度为10%‑99.99%。本发明可以有效的去除苯甲醚液体中微量级的水,主要是利用水煤气反应,通入的CO气体与原料苯甲醚液体中的微量水反应生成气体CO2和H2,如方程(6)所示。从而解决了用苯甲醚‑三氟化硼络合物法生产硼同位素时因其中含水量较高而引起的副反应。
Description
技术领域
本发明涉及一种去除苯甲醚中微量水分的方法,特别是涉及一种利用一氧化碳气体(CO)去除苯甲醚中微量水分的方法。
背景技术
在元素周期表中,硼是第五号元素,它有两种稳定的同位素B10和B11,B10 对热中子的吸收截面是自然丰度硼的 5 倍还多,是石墨的 20 多倍,是作为中子防护材料的混凝土的 500 多倍。正是由于对热中子的强烈吸收倾向使得富集B10 的材料成为非常有用的商品,在现代工业及军事装备上得到较广泛的应用;特别是随着核电的发展,其使用量在不断增加;另外硼 10 在治疗癌症上也有所应用。如何将B10 从天然的硼中分离出来,并加以浓缩,而且达到 95%以上,以满足我国核工业、医学、钢铁业的迫切需要,具有重大深远的意义。富集同位素B10 的方法有许多种,如:三氟化硼化学交换精馏法;三氟化硼低温蒸馏法;三氟化硼—二氧化硫低温交换法;硼酸溶液离子交换法;三氟化硼在串联膜中逆流循环法;三氟化硼—氟甲烷络合物的低温蒸馏法及用氧和氨的红外激光振动活化三溴化硼的化学反应法等等,但是这些方法多数未能实现工业规模生产。迄今为止,真正实现工业化生产的方法只有化学交换精馏法。化学交换精馏法分为三种:乙醚-三氟化硼减压交换蒸馏法;甲醚-三氟化硼减压交换蒸馏法和苯甲醚-三氟化硼化学交换精馏法。而三氟化硼-苯甲醚的操作是在常温常压下进行,比其他两种络合物更为优越。该方法借助三氟化硼与络合剂形成络合体进行分离B10,体系中的水是对分离同位素B10的严重威胁,因为水和三氟化硼(BF3)发生化学反应, 产物为硼酸(H3BO3)、氟硼酸(HBF4)、氢氟酸(HF),如方程式(1-2)所示:
4BF3+3H2O=H3BO3+3HBF4………………………………………………………………(1)
HBF4=HF+BF3…………………………………………………………………………… (2)
因为硼酸是固体,长时间的累积可能会堵塞反应系统,而且,氢氟酸具有强腐蚀性,对反应器材质要求较高,增加了生产成本。并且在高温条件下苯甲醚与氟化氢会发生一系列副反应,如方程式(3-5)所示:
C6H5OCH3+HF→C6H5OH+CH3F…………………………………………………………(3)
C6H5OCH3+CH3F→o-(p)-CH3-C6H4OCH3+HF……………………………………………(4)
C6H5OH+CH3F→o-(p)-CH3-C6H4OH+HF…………………………………………………(5)
CO+H2O=CO2+H2…………………………………………………………………………(6)
CO气体与苯甲醚溶液中微量水反应机理如下:
CO(g)→CO(ads) …………………………………………………………………………(7)
H2O(g)→H2O(ads) ………………………………………………………………………(8)
H2O(ads)→OH(ads)+H(ads) ……………………………………………………………(9)
CO(ads)+OH(ads)→OCOH(ads) ………………………………………………………(10)
OCOH(ads)→CO2(g)+H(ads) …………………………………………………………(11)
H(ads)→H2(g) …………………………………………………………………………(12)
目前,已工业化的水煤气变换催化剂包括铁系高温变换催化剂、铜系低温变换催化剂和钴钼系耐硫宽温变换催化剂等,如方程式(3)所示,BF3与水反应生成的HF又能够和苯甲醚发生反应,生成苯酚和CH3F。而CH3F在大量BF3作为催化剂存在的条件下能够与苯甲醚(方程式4)或者苯酚(方程式5)发生取代反应,生成多种邻位或者间位和对位的甲基苯甲醚或者甲基苯酚,同时释放出HF,又再次循环参与(3)-(5)反应。生成的苯酚或者多种甲基苯酚与BF3的络合能力远强于苯甲醚。所以在分离B10的过程中,水的主要来源是络合剂苯甲醚溶剂中所含的微量水,因此去除苯甲醚中的微量水对生产B10起着重要作用。
对于不同溶剂中的微量的水可以用分子筛或者无水硫酸铜等方法去除。其中苯甲醚中水的脱出,有的采用氧化钙脱除的方法,但此种方法对工业中含水量多时较为经济有效,但对苯甲醚试剂中的微量水除水效果并不理想;还可以使用金属钠来除水,但是金属钠非常活泼,遇水剧烈反应,有很大的危险性;也可以使用氮气气提法,但此种方法能耗大,气提过程中也会造成原料苯甲醚的损耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用一氧化碳气体(CO)去除苯甲醚中微量水分的方法,本发明可以有效的去除苯甲醚液体中微量级的水,主要是利用水煤气反应,通入的CO气体与原料苯甲醚液体中的微量水反应生成气体CO2和H2,如方程(6)所示。从而解决了用苯甲醚-三氟化硼络合物法生产硼同位素时因其中含水量较高而引起的副反应。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种利用一氧化碳气体(CO)去除苯甲醚中微量水分的方法,所述方法包括以下过程:将含有微量水的苯甲醚溶液加入载有催化剂的反应器中,通入1.0-5.0 MPa的CO气体,控制反应温度150-350 ℃反应,CO与苯甲醚中微量水发生水煤气变换反应(CO+H2O=CO2+H2),最终得到无水的苯甲醚溶液;原料中苯甲醚含量为70%-99%;原料中CO的纯度为10%-99.99%。
所述的一种利用一氧化碳气体(CO)去除苯甲醚中微量水分的方法,所述催化剂为金属催化剂,质量0.5-5 g。
所述的一种利用一氧化碳气体(CO)去除苯甲醚中微量水分的方法,所述金属催化剂为贵金属金催化剂Au/Al2O3、Au/SiO2、Au/ZrO2、Au/CeO2和Au/CeO2+Al2O3催化剂中的一种或者多种混合。
所述的一种利用一氧化碳气体(CO)去除苯甲醚中微量水分的方法,所述CeO2+Al2O3载体采用共沉淀法制备。
所述的一种利用一氧化碳气体(CO)去除苯甲醚中微量水分的方法,所述Au负载的金属催化剂均采用浸渍法制备。
所述的一种利用一氧化碳气体(CO)去除苯甲醚中微量水分的方法,所述Au/Al2O3、Au/SiO2、Au/ZrO2、Au/CeO2和Au/CeO2+Al2O3催化剂中Au的负载量均为1%。
所述的一种利用一氧化碳气体(CO)去除苯甲醚中微量水分的方法,所述Au/CeO2+Al2O3催化剂中Au的负载量为1%-10%。
所述的一种利用一氧化碳气体(CO)去除苯甲醚中微量水分的方法,优选反应温度为150-350 ℃;优选反应压力为5 MPa。
所述的一种利用一氧化碳气体(CO)去除苯甲醚中微量水分的方法,所述反应器为浆态床釜式反应器。
本发明的优点与效果是:
本发明的优点是涉及的化学反应简单:只是通入的CO与苯甲醚中的水发生反应,且反应后产物为CO2、H2气体与苯甲醚液体两相,不存在产物分离的问题,也不会引入其他杂质,且本发明能耗较小,除水效果好,能把苯甲醚中含水量降至10 ppm。
附图说明
图1为反应温度对除水效果的影响示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
本发明所使用的的为不同载体的贵金属金催化剂。装置使用前,必须保证其干燥,用99.99%的CO气体吹扫系统,将系统中的水分去除。所使用的CO气体纯度为99.99%,本身不含水。
实施例
催化剂的制备:共沉淀法:采用共沉淀法制备CeO2-Al2O3催化剂。将Al(NO3)3·6H2O和Ce(NO3)3·6H2O溶液按一定比例混合均匀,在室温下快速搅拌,加入4mol/L的氨水,调节溶液至pH=10,继续搅拌1.5 h,静置12 h。离心分离并用一定量的去离子水洗涤三次,所得沉淀物在333 K干燥24 h,873 K空气气氛中焙烧4 h,得到CeO2-Al2O3载体,并压片造粒,取20-40目备用。
用等体积浸渍法制备金负载量为1%的Au/CeO2-Al2O3催化剂。取一定量2 g/L的HAuCl4溶液,加入稀KOH溶液调节其pH至7-8,稳定后加入一定量的载体,搅拌均匀,室温下浸渍12 h。然后用pH值为9-10的稀氨水浸泡两次,每次12 h,再用去离子水洗涤至无Cl-离子。最后经333 K干燥24 h后于523 K空气气氛中焙烧3 h,制得Au/CeO2-Al2O3催化剂。用相同方法制备Au/CeO2、Au/ZrO2、Au/Al2O3、Au/SiO2催化剂。
所使用原料为:进口苯甲醚液体、CO气体、Au/CeO2-Al2O3催化剂。所使用的设备为:带搅拌与程序升温的浆态床高压釜式反应器、卡尔费休微量水分测定仪(SF101型,灵敏度0.1 ug H2O,测量范围:0.1 ug-200 mg H2O)等。反应前先将催化剂于200 ℃下纯H2气氛中还原2 h,之后用高纯N2吹扫,然后降至室温。采用卡尔费休微量水分析仪分析实验当天实验原料(苯甲醚)中微量水的含量为400 ppm。
1、将一定体积(50 mL)的苯甲醚和5 g 1% Au负载量的Au/CeO2、Au/ZrO2、Au/Al2O3、Au/SiO2 和Au/CeO2+Al2O3催化剂分别加入到带程序升温装置的反应釜中,而后在室温条件下用CO在1.0MPa条件下置换釜内的空气三次,使釜内剩余的空气含量低于0.1%,并再次通入2.0 MPa CO,静置30 min,用于反应釜测漏,确保装置不漏气后排空釜内气体。反应釜搅拌速度500 转/分,通入5.0 MPa CO,控制反应温度分别为150 ℃,并停留3小时。反应后降至室温,取苯甲醚清液用卡尔费休微量水分测定仪分析水含量,结果如表1所示。
表1、不同载体对苯甲醚除水效果影响
如表1所示,在相同的温度压力条件下,相同Au负载量不同载体的氧化剂,载体为SiO2时产物中含水28 ppm,当载体为Al2O3时,反应后产物中的含水量为20 ppm, ZrO2作载体时产物中含水15 ppm,当CeO2作载体时产物中含水13 ppm,而CeO2和Al2O3共同作为载体时,产物中含水量10 ppm。
2、将一定体积(50 mL)的苯甲醚和5g 1%Au的Au/CeO2+Al2O3催化剂加入到带程序升温装置的反应釜中,而后在室温条件下用CO在1.0 MPa条件下置换釜内的空气三次,使釜内剩余的空气含量低于0.1%,并再次通入2.0 MPa CO,静置30 min,用于反应釜测漏,确保装置不漏气后排空釜内气体。反应釜搅拌速度500 转/分,通入5.0 MPa CO,控制反应温度分别为100℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃、300 ℃、350 ℃,并停留3小时。反应后降至室温,取苯甲醚清液用卡尔费休微量水分测定仪分析水含量,结果如表2所示。
表2、不同温度对苯甲醚除水效果的影响
如表2所示,相同载体且催化剂质量相同,CO压力也相同的条件下,当反应温度为100℃时,产物中剩余水含量为25 ppm,随着温度的升高,产物中剩余水含量逐渐减小,当温度达到350 ℃时,产物中剩余水含量达到3 ppm。
3、将一定体积(50 mL)的苯甲醚和5 g 1%Au的Au/CeO2+Al2O3催化剂加入到带程序升温装置的反应釜中,而后在室温条件下用CO在1.0 MPa条件下置换釜内的空气三次,使釜内剩余的空气含量低于0.1%,并再次通入2.0 MPa CO,静置30 min,用于反应釜测漏,确保装置不漏气后排空釜内气体。反应釜搅拌速度500 转/分,通入一定量(1.0 MPa、2.0 MPa、3.0 MPa、4.0 MPa、5.0 MPa)CO,控制反应温度为200 ℃,并停留3小时。反应后降至室温,取苯甲醚清液用卡尔费休微量水分测定仪分析水含量,结果如表3所示。
表3、不同CO压力对苯甲醚除水效果的影响
如表3所示,当载体与催化剂质量相同,反应温度150 ℃条件下,通入CO气体压力为1.0MPa时,产物中含水量为29 ppm,随着通入CO气体压力的增大,产物中含水量逐渐减小,而当CO气体通入压力为5.0 MPa时,产物中含水量为10 ppm。
4、将一定体积(50 mL)的苯甲醚和一定量(0.5 g、1.5 g、3 g、4 g、5 g)1%Au的Au/CeO2+Al2O3催化剂加入到带程序升温装置的反应釜中,而后在室温条件下用CO在1.0 MPa条件下置换釜内的空气三次,使釜内剩余的空气含量低于0.1%,并再次通入2.0 MPa CO,静置30 min,用于反应釜测漏,确保装置不漏气后排空釜内气体。反应釜搅拌速度500 转/分,通入5.0 MPa CO,控制反应温度分别为150 ℃,并停留3小时。反应后降至室温,取苯甲醚清液用卡尔费休微量水分测定仪分析水含量,结果如表4所示。
表4、不同催化剂量对苯甲醚除水效果的影响
如表4所示,相同反应温度、压力的条件下,催化剂用量为0.5 g时,产物中水含量为40ppm,随着催化剂量的增加,产物中含水量逐渐减少,当催化剂量为5 g时,产物中水含量为10 ppm。
1、将一定体积(50 mL)的苯甲醚和5 g Au负载量分别为1%、3%、5%、7%、10%的Au/CeO2+Al2O3催化剂分别加入到带程序升温装置的反应釜中,而后在室温条件下用CO在1.0MPa条件下置换釜内的空气三次,使釜内剩余的空气含量低于0.1%,并再次通入2.0 MPaCO,静置30 min,用于反应釜测漏,确保装置不漏气后排空釜内气体。反应釜搅拌速度500转/分,通入5.0 MPa CO,控制反应温度分别为150 ℃,并停留3小时。反应后降至室温,取苯甲醚清液用卡尔费休微量水分测定仪分析水含量,结果如表5所示。
表5、不同Au负载量对苯甲醚除水效果的影响
如表5所示,相同反应温度、压力、催化剂用量的条件下,当催化剂中Au负载量为1%时,产物中水含量10ppm,随着催化剂中Au负载量的增加,产物中水含量逐渐减少,当催化剂中Au负载量为10%时,产物中水含量3ppm。
Claims (9)
1.一种利用一氧化碳气体(CO)去除苯甲醚中微量水分的方法,其特征在于,所述方法包括以下过程:将含有微量水的苯甲醚溶液加入载有催化剂的反应器中,通入1.0-5.0 MPa的CO气体,控制反应温度150-350 ℃反应,CO与苯甲醚中微量水发生水煤气变换反应(CO+H2O=CO2+H2),最终得到无水的苯甲醚溶液;原料中苯甲醚含量为70%-99%;原料中CO的纯度为10%-99.99%。
2.根据权利要求1所述的一种利用一氧化碳气体(CO)去除苯甲醚中微量水分的方法,其特征在于,所述催化剂为金属催化剂,质量0.5-5 g。
3.根据权利要求1所述的一种利用一氧化碳气体(CO)去除苯甲醚中微量水分的方法,其特征在于,所述金属催化剂为贵金属金催化剂Au/Al2O3、Au/SiO2、Au/ZrO2、Au/CeO2和Au/CeO2+Al2O3催化剂中的一种或者多种混合。
4.根据权利要求1所述的一种利用一氧化碳气体(CO)去除苯甲醚中微量水分的方法,其特征在于,所述CeO2+Al2O3载体采用共沉淀法制备。
5.根据权利要求1所述的一种利用一氧化碳气体(CO)去除苯甲醚中微量水分的方法,其特征在于,所述Au负载的金属催化剂均采用浸渍法制备。
6.根据权利要求1所述的一种利用一氧化碳气体(CO)去除苯甲醚中微量水分的方法,其特征在于,所述Au/Al2O3、Au/SiO2、Au/ZrO2、Au/CeO2和Au/CeO2+Al2O3催化剂中Au的负载量均为1%。
7.根据权利要求1所述的一种利用一氧化碳气体(CO)去除苯甲醚中微量水分的方法,其特征在于,所述Au/CeO2+Al2O3催化剂中Au的负载量为1%-10%。
8.根据权利要求1所述的一种利用一氧化碳气体(CO)去除苯甲醚中微量水分的方法,其特征在于,优选反应温度为150-350 ℃;优选反应压力为5 MPa。
9.根据权利要求1所述的一种利用一氧化碳气体(CO)去除苯甲醚中微量水分的方法,其特征在于,所述反应器为浆态床釜式反应器。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160810 |
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |