CN106316743B - 内酯类化合物生产芳烃的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内酯类化合物生产芳烃的方法。该方法包括在芳构化条件下,使内酯类化合物与复合锆氧化物催化剂接触生成含苯、甲苯和二甲苯的芳烃物流的步骤;其中,所述内酯类化合物具有结构式(I):式(I)中,R1为任选取代的C1‑20直链或支链烷基、任选取代的C2‑20直链或支链烯基、任选取代的C2‑20直链或支链炔基、任选取代的C3‑20环烷基或者任选取代的C6‑20芳基;R2为氢、任选取代的C1‑20直链或支链羧基、呋喃基、或者羟烃基呋喃基;其中,所述羟烃基呋喃基具有结构式(II):式(II)中,R3为任选取代的C1‑20直链或支链烷基、任选取代的C2‑20直链或支链烯基、任选取代的C2‑20直链或支链炔基。该方法可用于非化石资源制芳烃领域。

Description

内酯类化合物生产芳烃的方法
技术领域
本发明涉及一种内酯类化合物生产芳烃的方法,特别涉及一种内酯类化合物芳构化制备苯、甲苯、二甲苯轻质芳烃的方法。
背景技术
BTX是苯、甲苯和二甲苯这三类芳烃物质的简称。BTX是社会发展的重要基本有机化工原料,其自身或是经过再生产可衍生出多种产品链,产品广泛应用于聚酯、化纤、橡胶、医药以及精细化工等诸多领域,国内消费量达到上千万吨,对国民经济发展具有重要影响。苯是一种多用途基本石化原料,可以生产其衍生的众多产品,包括乙苯/苯乙烯、异丙苯/苯酚等等。对二甲苯主要用于制造对苯二甲酸,通过对苯二甲酸(PTA)或对苯二甲酸二乙酯(DMT)中间体,用于生产聚酷纤维如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、树脂和薄膜。目前国内外芳烃的生产主要依赖于不可再生的化石资源,如可通过在催化剂上将石油经过加氢、重整、芳烃转化和分离等工艺过程获得。但是,化石资源储量有限和不可再生性,使得以石油为主要炼制原料生产芳烃的成本愈见高涨。另外,化石资源的不断开发利用产生大量温室气体排放,所引起的一系列环境问题日趋严重,因此发展从可再生资源路线生产芳烃有重要意义和应用价值。
生物质内酯类化合物典型如戊内酯,可由纤维素经过水解脱氧后获得。γ-戊内酯已被列为生物质平台化合物之一,可以通过催化的手段转化为汽油、添加剂和其他化学品。比如,酸性载体负载的贵金属催化剂作用下使用H2还原,能够得到戊酸。戊酸经过氧化铈和氧化锆的混合物催化能够发生脱羧偶联反应,生成5-壬酮,再经过加氢还原可以得到汽油组分。使用Pd/NbO2催化剂,在325℃,3.5MPa对50%γ-戊内酯水溶液加氢,戊酸的产率为92%(J.C.Serrano-Ruiz,D.Wang,J.A.Dumesic,Catalytic upgrading of levulinicacid to 5-nonanone,Green Chemistry 2010,12,574-577.)。
总体上看,戊内酯的转化主要集中在转化为油品、油品添加剂以及吡咯烷酮等精细化学品,鲜有报道将其转化为苯、甲苯、二甲苯等芳烃。
发明内容
本发明旨在提供一种内酯类化合物生产芳烃的方法。该方法具有成本低,芳构化效率高,BTX选择性高的特点。
为实现上述发明目的,本发明采用的技术方案如下:一种内酯类化合物生产芳烃的方法,包括在芳构化条件下,使内酯类化合物与催化剂接触生成含苯、甲苯和二甲苯的芳烃物流的步骤;其中,所述内酯类化合物具有结构式(I):
式(I)中,R1为任选取代的C1-20直链或支链烷基、任选取代的C2-20直链或支链烯基、任选取代的C2-20直链或支链炔基、任选取代的C3-20环烷基或者任选取代的C6-20芳基;R2为氢、任选取代的C1-20直链或支链羧基、呋喃基、或者羟烃基呋喃基;其中,所述羟烃基呋喃基具有结构式(II):
式(II)中,R3为任选取代的C1-20直链或支链烷基、任选取代的C2-20直链或支链烯基、任选取代的C2-20直链或支链炔基;
所述催化剂选自复合锆氧化物XaOb/ZrO2;其中,X选自钨、钼、铈、镧或锰中的至少一种,a和b为化学计量数;所述复合锆氧化物中,以重量份数计,XaOb的用量为0.1~40份,ZrO2的用量为60~99.9份。
上述技术方案中,优选地,R1为任选取代的C2-10直链或支链烷基、任选取代的C2-10直链或支链烯基。
上述技术方案中,优选地,R2为任选取代的C2-10直链或支链羧基。
上述技术方案中,优选地,R3为任选取代的C2-10直链或支链烷基、任选取代的C2-10直链或支链烯基。
上述技术方案中,优选地,所述复合锆氧化物中,以重量份数计,XaOb的用量为1~40份,ZrO2的用量为60~99份。
上述技术方案中,优选地,所述芳构化条件为:反应温度300~800℃,氢气压力以表压计0.1~5MPa,原料重量空速0.1~10小时-1。更优选地,所述芳构化条件为:反应温度300~650℃,氢气压力以表压计0.5~4MPa,原料重量空速0.3~5小时-1
上述技术方案中,优选地,所述内酯类化合物来自生物质材料。
上述技术方案中,优选地,所述内酯类化合物来自木糖醇、葡萄糖、果糖、纤维二糖、半纤维素或木质素中的至少一种。
上述技术方案中,优选地,所述内酯类化合物来自甘蔗渣、葡萄糖、木材、玉米秸或稻草秸中的至少一种。
本发明方法中,所述内酯类化合物来自生物质材料。例如戊内酯,可由纤维素经过水解脱氧后获得,可参见文献“Direct conversion of cellulose to levulinic acidand gamma-valerolactone using solid acid catalysts,Catal.Sci.Technol.,2013,3,927-931;Production of levulinic acid and gamma-valerolactone(GVL)fromcellulose using GVL as a solvent in biphasic systems,Energy Environ.Sci.,2012,5,8199-8203”。
本发明中所述的复合锆氧化物XaOb/ZrO2;其中,X选自钨、钼、铈、镧或锰中的至少一种,a和b为化学计量数,这与所选金属的化合价有关。当所选金属确定时,各下标即具有确定的数值。其制备可采用本领域所熟知的浸渍法或沉淀法。浸渍法是将钨、钼、铈、镧或锰以盐溶液形式浸渍到氧化锆上,浸渍12~48小时后倒掉多余液体,100~200℃干燥处理,将水分蒸发出来留下活性组分,再经过培烧、活化工序处理后即得高度分散的载体催化别。沉淀法可通过将钨、钼、铈、镧或锰的金属盐水溶液、锆的金属水溶液和沉淀剂氨水同时加入,生成固体沉淀。生成的沉淀经洗涤、过滤、干燥、在400~600℃下焙烧经后可得到催化剂。
本发明方法对内酯类化合物有较好的转化率,对苯、甲苯、二甲苯产物有较好的选择性,解决了以往生物质制芳烃过程中芳烃收率低和反应步骤长的问题。采用本发明方法,原料转化率最高可达到99%;苯、甲苯、二甲苯目标产物的选择性最高可达95%,取得了较好的技术效果。
下面通过实施例对本发明作进一步阐述。
具体实施方式
【实施例1】
称取60克玉米秸,置于压力釜中并加入700克水,再加入水质量7%的5mol/L的硫酸溶液,升温到180℃下反应45分钟,之后冷却,将冷却后的反应液过滤,得到滤饼和过滤液,过滤液为纤维素的水解液,反应结束后,采用质谱对反应结果进行鉴定主要产物为乙酰丙酸,其产生量为18克。得到的乙酰丙酸在固定床中在20%金属负载量的Cu/SiO2上加氢得到γ-戊内酯,转化率为99%,产物收率为99%。
称取5克经120℃下干燥除水12小时的WO3/ZrO2催化剂,金属氧化物的份额比例为3/97,装入固定床反应器。反应底物为γ-戊内酯重量空速0.5小时-1,氢气压力1.0MPa,流量20ml min-1,温度400℃。反应结束后,采用质谱对反应结果进行定性分析,色谱对反应结果进行定量分析。反应底物转化率为99%,BTX的选择性为92%。
【实施例2】
称取5克经120℃下干燥除水12小时的WO3/ZrO2催化剂,金属氧化物的份额比例为5/95,装入固定床反应器。反应底物为丙位十二内酯重量空速1.0小时-1,氢气压力1.0MPa,流量50ml min-1,温度450℃。反应结束后,采用质谱对反应结果进行定性分析,色谱对反应结果进行定量分析。反应底物转化率为90%,BTX的选择性为93%。
【实施例3】
称取5克经120℃下干燥除水12小时的WO3/ZrO2催化剂,金属氧化物的份额比例为20/80,装入固定床反应器。反应底物为丙位己内酯重量空速2.5小时-1,氢气压力2.0MPa,流量20ml min-1,温度380℃。反应结束后,采用质谱对反应结果进行定性分析,色谱对反应结果进行定量分析。反应底物转化率为96%,BTX的选择性为87%。
【实施例4】
称取5克经120℃下干燥除水12小时的MoO3/ZrO2催化剂,金属氧化物的份额比例为20/80,装入固定床反应器。反应底物为丙位癸内酯重量空速3.0小时-1,氢气压力1.0MPa,流量20ml min-1,温度480℃。反应结束后,采用质谱对反应结果进行定性分析,色谱对反应结果进行定量分析。反应底物转化率为89%,BTX的选择性为83%。
【实施例5】
称取5克经120℃下干燥除水12小时的CeO2/ZrO2催化剂,金属氧化物的份额比例为10/90,装入固定床反应器。反应底物为丙位庚内酯重量空速3.0小时-1,氢气压力1.0MPa,流量20ml min-1,温度450℃。反应结束后,采用质谱对反应结果进行定性分析,色谱对反应结果进行定量分析。反应底物转化率为90%,BTX的选择性为88%。
【实施例6】
称取5克经120℃下干燥除水12小时的WO3/ZrO2催化剂,金属氧化物的份额比例为15/85,装入固定床反应器。反应底物为丙位辛内酯重量空速5.0小时-1,氢气压力3.0MPa,流量20ml min-1,温度500℃。反应结束后,采用质谱对反应结果进行定性分析,色谱对反应结果进行定量分析。反应底物转化率为92%,BTX的选择性为87%。
【实施例7】
称取5克经120℃下干燥除水12小时的MoO3/ZrO2催化剂,金属氧化物的份额比例为13/87,装入固定床反应器。反应底物为γ-丁内酯重量空速1.5小时-1,氢气压力1.5MPa,流量20ml min-1,温度420℃。反应结束后,采用质谱对反应结果进行定性分析,色谱对反应结果进行定量分析。反应底物转化率为89%,BTX的选择性为88%。
【实施例8】
称取5克经120℃下干燥除水12小时的La2O3/ZrO2催化剂,金属氧化物的份额比例为15/85,装入固定床反应器。反应底物为ε-己内酯重量空速1.5小时-1,氢气压力1.5MPa,流量20ml min-1,温度440℃。反应结束后,采用质谱对反应结果进行定性分析,色谱对反应结果进行定量分析。反应底物转化率为96%,BTX的选择性为95%。
【实施例9】
称取5克经120℃下干燥除水12小时的WO3/ZrO2催化剂,金属氧化物的份额比例为10/90,装入固定床反应器。反应底物为δ-戊内酯重量空速1.5小时-1,氢气压力1.5MPa,流量20ml min-1,温度390℃。反应结束后,采用质谱对反应结果进行定性分析,色谱对反应结果进行定量分析。反应底物转化率为98%,BTX的选择性为92%。
【实施例10】
称取30克木材,置于压力釜中并加入400克水,再加入水质量7%的5mol/L的硫酸溶液,升温到200℃下反应30分钟,之后冷却,将冷却后的反应液过滤,得到滤饼和过滤液,过滤液为纤维素的水解液,反应结束后,采用质谱对反应结果进行鉴定主要产物为乙酰丙酸,其产生量为10.5克。得到的乙酰丙酸在固定床中在20%金属负载量的Cu/SiO2上加氢得到γ-戊内酯,转化率为99%,产物收率为99%。
称取5克经120℃下干燥除水12小时的WO3/ZrO2催化剂,金属氧化物的份额比例为40/60,装入固定床反应器。反应底物为γ-戊内酯重量空速1.0小时-1,氢气压力1.5MPa,流量40ml min-1,温度450℃。反应结束后,采用质谱对反应结果进行定性分析,色谱对反应结果进行定量分析。反应底物转化率为99%,BTX的选择性为93%。
【实施例11】
称取5克经120℃下干燥除水12小时的MoO3/ZrO2催化剂,金属氧化物的份额比例为30/70,装入固定床反应器。反应底物为当归内酯,重量空速1.0小时-1,氢气压力2.5MPa,流量40ml min-1,温度450℃。反应结束后,采用质谱对反应结果进行定性分析,色谱对反应结果进行定量分析。反应底物转化率为99%,BTX的选择性为87%。
【实施例12】
称取5克经120℃下干燥除水12小时的MnO3/ZrO2催化剂,金属氧化物的份额比例为8/92,装入固定床反应器。反应底物为γ-戊内酯,重量空速1.0小时-1,氢气压力1.5MPa,流量40ml min-1,温度450℃。反应结束后,采用质谱对反应结果进行定性分析,色谱对反应结果进行定量分析。反应底物转化率为88%,BTX的选择性为93%。
【实施例13】
称取5克经120℃下干燥除水12小时的MnO2-WO3/ZrO2催化剂,金属氧化物的份额比例为8/92,装入固定床反应器。反应底物为β-丙内酯重量空速1.0小时-1,氢气压力1.5MPa,流量40ml min-1,温度450℃。反应结束后,采用质谱对反应结果进行定性分析,色谱对反应结果进行定量分析。反应底物转化率为93%,BTX的选择性为86%。
【实施例14】
称取5克经120℃下干燥除水12小时的La2O3-WO3/ZrO2催化剂,金属氧化物的份额比例为8/92,装入固定床反应器。反应底物为丙位己内酯,重量空速1.0小时-1,氢气压力1.5MPa,流量40ml min-1,温度450℃。反应结束后,采用质谱对反应结果进行定性分析,色谱对反应结果进行定量分析。反应底物转化率为88%,BTX的选择性为94%。
【实施例15】
称取5克经120℃下干燥除水12小时的CeO2-WO3/ZrO2催化剂,金属氧化物的份额比例为8/92,装入固定床反应器。反应底物为γ-丁内酯,重量空速1.0小时-1,氢气压力1.5MPa,流量40ml min-1,温度450℃。反应结束后,采用质谱对反应结果进行定性分析,色谱对反应结果进行定量分析。反应底物转化率为89%,BTX的选择性为91%。
实施例 底物 催化剂 转化率/% BTX选择性/%
1 γ-戊内酯 WO<sub>3</sub>/ZrO<sub>2</sub> 99 92
2 丙位十二内酯 WO<sub>3</sub>/ZrO<sub>2</sub> 90 93
3 丙位己内酯 WO<sub>3</sub>/ZrO<sub>2</sub> 96 87
4 丙位癸内酯 MoO<sub>3</sub>/ZrO<sub>2</sub> 89 83
5 丙位庚内酯 CeO<sub>2</sub>/ZrO<sub>2</sub> 90 88
6 丙位辛内酯 WO<sub>3</sub>/ZrO<sub>2</sub> 92 87
7 γ-丁内酯 MoO<sub>3</sub>/ZrO<sub>2</sub> 89 88
8 ε-己内酯 La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/ZrO<sub>2</sub> 96 95
9 δ-戊内酯 WO<sub>3</sub>/ZrO<sub>2</sub> 98 92
10 γ-戊内酯 WO<sub>3</sub>/ZrO<sub>2</sub> 99 93
11 当归内酯 MoO<sub>3</sub>/ZrO<sub>2</sub> 99 87
12 γ-戊内酯 MnO<sub>2</sub>/ZrO<sub>2</sub> 88 93
13 β-丙内酯 MnO<sub>2</sub>-WO<sub>3</sub>/ZrO<sub>2</sub> 93 86
14 丙位己内酯 La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-WO<sub>3</sub>/ZrO<sub>2</sub> 88 94
15 γ-丁内酯 CeO<sub>2</sub>-WO<sub>3</sub>/ZrO<sub>2</sub> 89 91

Claims (10)

1.一种内酯类化合物生产芳烃的方法,包括在芳构化条件下,使内酯类化合物与催化剂接触生成含苯、甲苯和二甲苯的芳烃物流的步骤;其中,所述内酯类化合物具有结构式(I):
式(I)中,R1为任选取代的C1-20直链或支链烷基;R2为氢、任选取代的C1-20直链或支链羧基、呋喃基、或者羟烃基呋喃基;其中,所述羟烃基呋喃基具有结构式(II):
式(II)中,R3为任选取代的C1-20直链或支链烷基、任选取代的C2-20直链或支链烯基、任选取代的C2-20直链或支链炔基;
所述催化剂选自复合锆氧化物XaOb/ZrO2;其中,X选自钨、钼、铈、镧或锰中的至少一种,a和b为化学计量数;所述复合锆氧化物中,以重量份数计,XaOb的用量为0.1~40份,ZrO2的用量为60~99.9份。
2.根据权利要求1所述内酯类化合物生产芳烃的方法,其特征在于式(I)中,R1为任选取代的C2-10直链或支链烷基。
3.根据权利要求1所述内酯类化合物生产芳烃的方法,其特征在于式(I)中,R2为任选取代的C2-10直链或支链羧基。
4.根据权利要求1所述内酯类化合物生产芳烃的方法,其特征在于式(II)中,R3为任选取代的C2-10直链或支链烷基、任选取代的C2-10直链或支链烯基。
5.根据权利要求1所述内酯类化合物生产芳烃的方法,其特征在于所述复合锆氧化物中,以重量份数计,XaOb的用量为1~40份,ZrO2的用量为60~99份。
6.根据权利要求1所述内酯类化合物生产芳烃的方法,其特征在于所述芳构化条件为:反应温度300~800℃,氢气压力以表压计0.1~5MPa,原料重量空速0.1~10小时-1
7.根据权利要求6所述内酯类化合物生产芳烃的方法,其特征在于所述芳构化条件为:反应温度300~650℃,氢气压力以表压计0.5~4MPa,原料重量空速0.3~5小时-1
8.根据权利要求1所述内酯类化合物生产芳烃的方法,其特征在于所述内酯类化合物来自生物质材料。
9.根据权利要求1所述内酯类化合物生产芳烃的方法,其特征在于所述内酯类化合物来自木糖醇、葡萄糖、果糖、纤维二糖、半纤维素或木质素中的至少一种。
10.根据权利要求1所述内酯类化合物生产芳烃的方法,其特征在于所述内酯类化合物来自甘蔗渣、葡萄糖、木材、玉米秸或稻草秸中的至少一种。
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