CN107694599B - 一种用于合成4-甲基-2,6-二叔丁基苯酚的催化剂及其应用 - Google Patents

一种用于合成4-甲基-2,6-二叔丁基苯酚的催化剂及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于合成4‑甲基‑2,6‑二叔丁基苯酚的催化剂及其应用,所述催化剂是以磷酸铵、磷酸氢铵、磷酸二氢铵中任意一种改性的分子筛为载体,负载活性组分A和活性组分B,其中所述的分子筛为Hβ分子筛、氢型丝光沸石、HY分子筛、USY分子筛、REY分子筛或SAPO‑5分子筛,活性组分A为Ba、K、Cs或Ce,活性组分B为Co、Cr、Ni、Fe、Cu、Al、La中至少一种;以载体计,活性组分A的负载量为0.01%~1%,活性组分B的负载量为2%~10%。本发明催化剂应用于对甲基苯酚与异丁烯或叔丁醇生产4‑甲基‑2,6‑二叔丁基苯酚,具有催化剂成本低、原料转化率高、产物选择性高、催化剂寿命长、使用工艺简单等优点。

Description

一种用于合成4-甲基-2,6-二叔丁基苯酚的催化剂及其应用
技术领域
本发明属于催化技术领域,具体涉及一种用于对甲基苯酚与异丁烯或叔丁醇反应合成4-甲基-2,6-二叔丁基苯酚的催化剂。
背景技术
4-甲基-2,6-二叔丁基苯酚(BHT)是一种重要的受阻酚类抗氧剂,广泛用于食品加工、油脂防腐、燃料油防腐以及食品、医疗用品包装材料、聚烯烃、合成橡胶、塑料等领域中。近年来BHT的需求量逐年递增,市场供不应求。各国研究学者对催化合成BHT进行了深入的研究,主要采用的催化剂有液体酸、金属氧化物、金属盐、离子交换树脂、固体超强酸和杂多酸等。
液体酸如硫酸、三氧化硫、磺基水杨酸、苯磺酸等,目前国内生产公司主要采用的是液体酸催化剂,此类催化剂具有用量少、廉价易得、原料转化高、选择性好的优点,但亦存在诸多问题,如催化剂与产品(或原料)需要进一步分离,导致生产成本高;催化剂腐蚀性强导致设备投资较大;废酸处理过程会生成大量的固体废弃物污染环境;粗品中残留的少量酸会在精馏分离过程中造成脱烃反应,导致产品质量差等,使其应用受到极大地限制。
金属盐催化剂如ZrCl4、AlCl3、FeCl3、TiCl4等,此类催化剂是最早应用于BHT合成的固体酸催化剂,虽然原料转化率较高,但较强的酸性导致副产物较多,同时存在与液体酸相似的后处理等问题导致其难以工业化应用。
Boisselet L.(J.Chem.Res.1958,856-857.)等以处理后的磺酸强酸性阳离子交换树脂作催化剂,对甲酚与异丁烯的摩尔比1:3,在釜式反应器中于60℃下搅拌反应,完全反应后得到收率为26%的BHT。树脂催化剂虽具有副产物少的优点,但存在耐热差、孔分布不均匀、寿命短、强度差等问题,应用于工业生产还需要作进一步改进。
Ganapati D.Y.(Ind.Eng.Chem.Res.1996,35:721-731)等以SO4/ZrO2为催化剂催化对甲酚与异丁烯合成BHT,催化活性和产物选择性都高于H2SO4,虽然固体超强酸具有较强的酸性和催化活性,但由于其活性稳定性差、寿命短、耐热差、强度差和不易制备等,难以适应工业化生产的要求。Biju M.Devassy(J.Mol.Cat.A:Chem.2004,210:125-130)等将磷钨酸负载于二氧化锆,制得杂多酸催化剂,应用于对甲酚与叔丁醇烷基化反应中。在反应温度130℃,醇酚摩尔比为3,空速4h-1,磷钨酸负载量为15wt%条件下,对甲酚转化率达到61.0%,2-叔丁基对甲酚选择性达到81.4%,4-甲基-2,6-二叔丁基苯酚选择性为18.1%。尽管杂多酸催化剂具有较好的烷基化催化活性和选择性,并且具有腐蚀性和挥发性小的优点,但其比表面积小、价格较贵、活性稳定性差、寿命短,且不易制备,尚不能满足工业化生产的要求。
美国Gulf公司以SiO2·Al2O3作为主催化剂,氧化锆、二氧化钛、氧化镁等为助剂,在固定床连续反应器内,空速为0.5~2h-1,反应温度为122~178℃,原料转化率为8%,目标产物选择性为19%,催化活性较低,失活快,不具备工业化价值。李文凤等(天津大学,2006,硕士论文)采用金属阳离子对Hβ沸石进行改性,对甲酚转化率达到70.2%,2-叔丁基对甲酚选择性为93.6%,但BHT收率仅达到3%左右,难以实现工业化应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述合成BHT用催化剂的缺点,提供一种用于催化对甲基苯酚与异丁烯或叔丁醇反应合成BHT,对甲基苯酚转化率高、BHT选择性好的催化剂。
解决上述技术问题所采用的催化剂是以磷酸铵、磷酸氢铵、磷酸二氢铵中任意一种改性的分子筛为载体,负载活性组分A和活性组分B,其中所述的分子筛为Hβ分子筛、氢型丝光沸石、HY分子筛、USY分子筛、REY分子筛、SAPO-5分子筛中任意一种,所述的活性组分A为Ba、K、Cs、Ce中任意一种,活性组分B为Co、Cr、Ni、Fe、Cu、Al、La中任意一种或两种以上;以载体计,活性组分A的负载量为0.01%~1%,活性组分B的负载量为2%~10%。
上述的载体优选以磷酸铵或磷酸氢铵改性的分子筛,其中所述的分子筛优选Hβ分子筛、氢型丝光沸石、USY分子筛、REY分子筛中任意一种。
上述分子筛的改性方法为:将分子筛与质量浓度为0.5%~3.0%的改性剂水溶液按质量比为1:1.8~4混合,在50~90℃下反应5~8小时,得到改性分子筛,其中改性剂为磷酸铵、磷酸氢铵、磷酸二氢铵中任意一种。
上述分子筛的改性方法进一步优选:将分子筛与质量浓度为1.0%~2.0%的改性剂水溶液按质量比为1:2~3混合,在60~80℃下反应6~7小时,得到改性分子筛,其中改性剂为磷酸铵或磷酸氢铵。
上述的活性组分A优选Ba、K、Ce中任意一种,活性组分B优选Co、Ni、La中任意一种或两种以上;以载体计,优选活性组分A的负载量为0.1%~0.5%、活性组分B的负载量为3%~8%。
上述催化剂的制备方法为:采用等体积浸渍法,先将载体与活性组分A的可溶性盐水溶液浸渍5~10小时,浸渍完后干燥,再用活性组分B的可溶性盐水溶液浸渍5~10小时,浸渍完后干燥,然后在400~600℃下焙烧3~6小时,得到催化剂。
上述催化剂的制备方法进一步优选:采用等体积浸渍法,先将载体与活性组分A的可溶性盐水溶液浸渍6~8小时,浸渍完后干燥,再用活性组分B的可溶性盐水溶液浸渍6~8小时,浸渍完后干燥,然后在450~550℃下焙烧4~5小时,即得催化剂。
本发明催化剂在催化对甲基苯酚与异丁烯或叔丁醇合成4-甲基-2,6-二叔丁基苯酚中的应用,具体使用方法为:将对甲基苯酚与异丁烯或叔丁醇按摩尔比为1:3~5,在催化剂作用下100~140℃下反应12~24小时,其中催化剂的加入量为对甲基苯酚质量的10%~70%,得到4-甲基-2,6-二叔丁基苯酚。
本发明催化剂成本低、制备工艺简单、无污染、能耗低、易于产业化生产,用于催化对甲基苯酚与异丁烯或叔丁醇反应合成BHT,对甲基苯酚转化率高、BHT选择性好,且催化剂使用寿命长。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步详细说明,本发明的保护范围不仅限于这些实施例。
实施例1
将100g Hβ分子筛加入到反应釜中,加入200g质量浓度为2.0%的磷酸铵水溶液,在70℃下搅拌6小时,降至常温、过滤、洗涤、60℃干燥,得到改性Hβ分子筛;采用等体积浸渍法,按照Ba的负载量0.3%、Co的负载量5%(均以载体计),先将改性Hβ分子筛与硝酸钡水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,再用硝酸钴水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,然后在500℃下焙烧4小时,得到0.3%Ba-5%Co/Hβ分子筛催化剂。
实施例2
将100g USY分子筛加入到反应釜中,加入300g质量浓度为1.0%的磷酸氢铵水溶液,在70℃下搅拌6小时,降至常温、过滤、洗涤、60℃干燥,得到改性USY分子筛;采用等体积浸渍法,按照Ba的负载量0.5%、Co的负载量3%(均以载体计),先将改性USY分子筛与硝酸钡水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,再用硝酸钴水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,然后在500℃下焙烧4小时,得到0.5%Ba-3%Co/USY分子筛催化剂。
实施例3
将100g REY分子筛加入到反应釜中,加入400g质量浓度为0.5%的磷酸二氢铵水溶液,在70℃下搅拌6小时,降至常温、过滤、洗涤、60℃干燥,得到改性REY分子筛;采用等体积浸渍法,按照Ba的负载量0.1%、Co的负载量8%(均以载体计),先将改性REY分子筛与硝酸钡水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,再用硝酸钴水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,然后在500℃下焙烧4小时,得到0.1%Ba-8%Co/REY分子筛催化剂。
实施例4
将100g氢型丝光沸石加入到反应釜中,加入180g质量浓度为3.0%的磷酸铵水溶液,在70℃下搅拌6小时,降至常温、过滤、洗涤、60℃干燥,得到改性氢型丝光沸石;采用等体积浸渍法,按照Ba的负载量1%、Co的负载量2%(均以载体计),先将改性氢型丝光沸石与硝酸钡水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,再用硝酸钴水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,然后在500℃下焙烧4小时,得到1%Ba-2%Co/氢型丝光沸石催化剂。
实施例5
将100g USY分子筛加入到反应釜中,加入300g质量浓度为1.0%的磷酸氢铵水溶液,在70℃下搅拌6小时,降至常温、过滤、洗涤、60℃干燥,得到改性USY分子筛;采用等体积浸渍法,按照Ba的负载量0.5%、Co的负载量3%、Ni的负载量为2%(均以载体计),先将改性USY分子筛与硝酸钡水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,再用硝酸钴和硝酸镍的水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,然后在500℃下焙烧4小时,得到0.5%Ba-3%Co-2%Ni/USY分子筛催化剂。
实施例6
将100g氢型丝光沸石加入到反应釜中,加入200g质量浓度为3.0%的磷酸二氢铵水溶液,在70℃下搅拌6小时,降至常温、过滤、洗涤、60℃干燥,得到改性氢型丝光沸石;采用等体积浸渍法,按照Ba的负载量0.3%、Co的负载量5%、Ni的负载量为3%(均以载体计),先将改性氢型丝光沸石与硝酸钡水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,再用硝酸钴和硝酸镍的水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,然后在500℃下焙烧4小时,得到0.3%Ba-5%Co-3%Ni/氢型丝光沸石催化剂。
实施例7
将100g Hβ分子筛加入到反应釜中,加入200g质量浓度为2.0%的磷酸铵水溶液,在70℃下搅拌6小时,降至常温、过滤、洗涤、60℃干燥,得到改性Hβ分子筛;采用等体积浸渍法,按照Ba的负载量0.3%、Co的负载量3%、Cr的负载量为3%(均以载体计),先将改性Hβ分子筛与硝酸钡水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,再用硝酸钴和硝酸铬的水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,然后在500℃下焙烧4小时,得到0.3%Ba-3%Co-3%Cr/Hβ分子筛催化剂。
实施例8
将100g SAPO-5分子筛加入到反应釜中,加入200g质量浓度为2.0%的磷酸铵水溶液,在70℃下搅拌6小时,降至常温、过滤、洗涤、60℃干燥,得到改性SAPO-5分子筛;采用等体积浸渍法,按照Ba的负载量0.3%、Ni的负载量3%、Cr的负载量为3%(均以载体计),先将改性SAPO-5分子筛与硝酸钡水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,再用硝酸镍和硝酸铬的水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,然后在500℃下焙烧4小时,得到0.3%Ba-3%Cr-3%Ni/SAPO-5分子筛催化剂。
实施例9
将100g SAPO-5分子筛加入到反应釜中,加入300g质量浓度为1.0%的磷酸氢铵水溶液,在70℃下搅拌6小时,降至常温、过滤、洗涤、60℃干燥,得到改性SAPO-5分子筛;采用等体积浸渍法,按照Ba的负载量0.5%、Ni的负载量3%、Cr的负载量为3%、Cu的负载量为1%(均以载体计),先将改性SAPO-5分子筛与硝酸钡水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,再用硝酸镍、硝酸铬及硝酸铜的水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,然后在500℃下焙烧4小时,得到0.5%Ba-3%Cr-3%Ni-1%Cu/SAPO-5分子筛催化剂。
实施例10
将100g USY分子筛加入到反应釜中,加入300g质量浓度为1.0%的磷酸氢铵水溶液,在70℃下搅拌6小时,降至常温、过滤、洗涤、60℃干燥,得到改性USY分子筛;采用等体积浸渍法,按照Ba的负载量0.5%、Ni的负载量2%、Fe的负载量为2%、Al的负载量为2%(均以载体计),先将改性USY分子筛与硝酸钡水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,再用硝酸镍、硝酸铁及硝酸铝的水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,然后在500℃下焙烧4小时,得到0.5%Ba-2%Ni-2%Fe-2%Al/USY分子筛催化剂。
实施例11
将100g REY分子筛加入到反应釜中,加入200g质量浓度为3.0%的磷酸铵水溶液,在70℃下搅拌6小时,降至常温、过滤、洗涤、60℃干燥,得到改性REY分子筛;采用等体积浸渍法,按照K的负载量0.3%、Ni的负载量2%、Cr的负载量2%(均以载体计),先将改性REY分子筛与氯化钾水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,再用硝酸镍和硝酸铬的水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,然后在500℃下焙烧4小时,得到0.3%K-2%Ni-2%Cr/REY分子筛催化剂。
实施例12
将100g HY分子筛加入到反应釜中,加入200g质量浓度为2.0%的磷酸氢铵水溶液,在70℃下搅拌6小时,降至常温、过滤、洗涤、60℃干燥,得到改性HY分子筛;采用等体积浸渍法,按照Cs的负载量1%、Fe的负载量3%、Ni的负载量3%(均以载体计),先将改性HY分子筛与硝酸铯水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,再用硝酸镍和硝酸铁的水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,然后在500℃下焙烧4小时,得到1%Cs-3%Fe-3%Ni/HY分子筛催化剂。
实施例13
将100g SAPO-5分子筛加入到反应釜中,加入200g质量浓度为2.0%的磷酸氢铵水溶液,在70℃下搅拌6小时,降至常温、过滤、洗涤、60℃干燥,得到改性SAPO-5分子筛;采用等体积浸渍法,按照Cs的负载量0.5%、Ni的负载量3%、Cu的负载量3%(均以载体计),先将改性SAPO-5分子筛与硝酸铯水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,再用硝酸镍和硝酸铜的水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,然后在500℃下焙烧4小时,得到0.5%Cs-3%Ni-3%Cu/SAPO-5分子筛催化剂。
实施例14
将100g Hβ分子筛加入到反应釜中,加入200g质量浓度为2.0%的磷酸铵水溶液,在70℃下搅拌6小时,降至常温、过滤、洗涤、60℃干燥,得到改性Hβ分子筛;采用等体积浸渍法,按照Ce的负载量0.3%、Co的负载量1%、Cr的负载量为1%、La的负载量为1%(均以载体计),先将改性Hβ分子筛与硝酸铈水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,再用硝酸钴、硝酸铬及硝酸镧的水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,然后在500℃下焙烧4小时,得到0.3%Ce-1%Co-1%Cr-1%La/Hβ分子筛催化剂。
实施例15
将100g HY分子筛加入到反应釜中,加入200g质量浓度为2.0%的磷酸氢铵水溶液,在70℃下搅拌6小时,降至常温、过滤、洗涤、60℃干燥,得到改性HY分子筛;采用等体积浸渍法,按照Cs的负载量1%、Co的负载量3%、Cu的负载量3%(均以载体计),先将改性HY分子筛与硝酸铯水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,再用硝酸钴和硝酸铜的水溶液浸渍8小时,浸渍完成后80℃干燥10小时,然后在500℃下焙烧4小时,得到1%Cs-3%Co-3%Cu/HY分子筛催化剂。
为了证明本发明的有益效果,发明人采用实施例1~15制备的催化剂催化对甲基苯酚与异丁烯反应合成4-甲基-2,6-二叔丁基苯酚,具体试验如下:
将108.14g(1mol)对甲基苯酚、224.44g(4mol)异丁烯、11g催化剂加入到反应釜中,120℃搅拌反应12小时,反应结果见表1。表1本发明催化剂催化反应结果
催化剂 对甲基苯酚转化率(%) 4-甲基-2,6-二叔丁基苯酚选择性(%)
实施例1 49.3 21.8
实施例2 63.5 29.2
实施例3 65.8 36.8
实施例4 53.1 25.7
实施例5 60.2 33.9
实施例6 52.4 28.4
实施例7 46.7 29.3
实施例8 48.8 30.6
实施例9 46.2 32.5
实施例10 56.5 31.5
实施例11 57.6 30.6
实施例12 55.0 31.1
实施例13 45.1 34.3
实施例14 46.8 28.2
实施例15 44.9 30.7

Claims (8)

1.一种用于合成4-甲基-2,6-二叔丁基苯酚的催化剂,其特征在于:所述的催化剂是以磷酸铵、磷酸氢铵、磷酸二氢铵中任意一种改性的分子筛为载体,负载活性组分A和活性组分B,其中所述的分子筛为Hβ分子筛、氢型丝光沸石、HY分子筛、USY分子筛、REY分子筛、SAPO-5分子筛中任意一种,所述的活性组分A为Ba、K、Cs中任意一种,活性组分B为Co、Cr、Ni、Fe、Cu中任意一种或两种以上;以载体计,活性组分A的负载量为0.01%~1%,活性组分B的负载量为2%~10%;
上述分子筛的改性方法为:将分子筛与质量浓度为0.5%~3.0%的改性剂水溶液按质量比为1:1.8~4混合,在50~90℃下反应5~8小时,得到改性分子筛,其中改性剂为磷酸铵、磷酸氢铵、磷酸二氢铵中任意一种;
上述催化剂的制备方法为:采用等体积浸渍法,先将载体与活性组分A的可溶性盐水溶液浸渍5~10小时,浸渍完后干燥,再用活性组分B的可溶性盐水溶液浸渍5~10小时,浸渍完后干燥,然后在400~600℃下焙烧3~6小时,得到催化剂。
2.根据权利要求1所述的用于合成4-甲基-2,6-二叔丁基苯酚的催化剂,其特征在于:所述的催化剂是以磷酸铵或磷酸氢铵改性的分子筛为载体。
3.根据权利要求2所述的用于合成4-甲基-2,6-二叔丁基苯酚的催化剂,其特征在于:所述的分子筛为Hβ分子筛、氢型丝光沸石、USY分子筛、REY分子筛中任意一种。
4.根据权利要求2或3所述的用于合成4-甲基-2,6-二叔丁基苯酚的催化剂,其特征在于所述分子筛的改性方法为:将分子筛与质量浓度为1.0%~2.0%的改性剂水溶液按质量比为1:2~3混合,在60~80℃下反应6~7小时,得到改性分子筛,其中改性剂为磷酸铵或磷酸氢铵。
5.根据权利要求1所述的用于合成4-甲基-2,6-二叔丁基苯酚的催化剂,其特征在于:所述的活性组分A为Ba、K中任意一种,活性组分B为Co、Ni中任意一种或两种;以载体计,活性组分A的负载量为0.1%~0.5%,活性组分B的负载量为3%~8%。
6.根据权利要求1或5所述的用于合成4-甲基-2,6-二叔丁基苯酚的催化剂,其特征在于所述催化剂的制备方法为:采用等体积浸渍法,先将载体与活性组分A的可溶性盐水溶液浸渍6~8小时,浸渍完后干燥,再用活性组分B的可溶性盐水溶液浸渍6~8小时,浸渍完后干燥,然后在450~550℃下焙烧4~5小时,即得催化剂。
7.权利要求1所述的催化剂在催化对甲基苯酚与异丁烯或叔丁醇合成4-甲基-2,6-二叔丁基苯酚中的应用。
8.根据权利要求7所述的催化剂在催化对甲基苯酚与异丁烯或叔丁醇合成4-甲基-2,6-二叔丁基苯酚中的应用,其特征在于:将对甲基苯酚与异丁烯或叔丁醇按摩尔比为1:3~5,在催化剂作用下100~140℃下反应12~24小时,其中催化剂的加入量为对甲基苯酚质量的10%~70%,得到4-甲基-2,6-二叔丁基苯酚。
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