CN111250113A - 超强酸催化剂在己二酸直接合成己二腈中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开提供超强酸催化剂在己二酸直接合成己二腈中的应用,所述催化剂组成为SO4 2‑和氧化物载体,氧化物载体为SiO2、CeO2、TiO2、ZrO2、Al2O3至少一种。固体酸催化剂和传统的磷酸类催化剂相比,固体强酸催化剂具有相似的催化效果,它不仅能够克服液体磷酸催化剂多聚的问题,而且能够减少催化剂流失和降低催化剂分离的难度。固体强酸催化剂为己二酸的液相合成工业化提供了一种新的可能,具有广阔的发展空间和极大的市场应用价值,更符合可持续发展的要求。
Description
技术领域
本发明属于石油化工领域,具体涉及超强酸催化剂在己二酸直接合成己二腈中的应用。
背景技术
己二腈(Adiponitrile)是一种无色透明的油状液体,分子式为C6H8N2,易燃且有毒性和腐蚀性,沸点295℃,密度962kg,微溶于水、醚,溶于醇。遇明火、热可燃,与强氧化剂可发生反应,受热分解放出有毒的氧化氮烟气。己二腈是生产己二胺、己内酰胺、尼龙66盐、1,6-己二异氰酸酯的重要原料。可用于制取橡胶助剂、杀虫剂、火箭燃料、高分子材料;也可用作增塑剂、添加剂、着色剂、纺织助剂和芳控抽提的萃取剂等。其最重要的工业用途是己二腈和己二胺反应生产尼龙66盐,约占世界己二腈总产量的90%以上。
传统的己二腈生产工艺路线主要有己二酸氨化法、丙烯腈电解二聚法、丁二烯氰化法和己内酰胺降解水解法四种。己二酸是一种重要的有机二元酸,己二酸氨化法制己二腈生产工艺,最早在20世纪60年代末,由法国罗纳普朗克公司开发成功,继而形成工业化的有巴斯夫公司、拉蒂西化工厂和中国辽化四厂。主要有液相法和气相法两种生产工艺。液相法分为间歇法和连续法,工艺较为成熟,但产品质量较差,杂质较多且收率低,约84%和93%。气相法又分为巴斯夫法和孟山都法两类,产品质量和收率较液相法有明显提高,收率可以达到92%~96%。但是气相法的生产工艺流程过长,反应温度较高,加上能耗过大,始终无法代替液相法,目前连续液相法是主要的生产方法。
己二酸液相法一般情况下,采用以磷酸或者磷酸酯等液体催化剂。酸性的含磷液体催化剂对反应器有强烈的腐蚀作用,影响到生产的安全,其次,均相的液体催化剂容易流失,同时不易分离,增加了生产成本。更致命的是,磷酸催化剂会在反应中生成聚磷酸,沉积在反应器壁上,导致反应过程中传热较差,使反应难以进行。有专利为了使传热均匀,减少磷酸的聚集,将磷酸负载到载体上面,载体作为吸附剂能够定向吸附多聚磷酸,但是对后续的分离等工艺提出了巨大的挑战。因此,该系列催化剂至今没有大规模的工业应用。
发明内容
和传统的磷酸类催化剂相比,固体强酸催化剂具有相似的催化效果,它不仅能够克服液体磷酸催化剂多聚的问题,而且能够减少催化剂流失和降低催化剂分离的难度。固体强酸催化剂为己二酸的液相合成工业化提供了一种新的可能。
基于以上背景技术,本发明采用如下技术方案:
本发明一方面提供一种固体酸催化剂,所述催化剂活性组分为SO4 2-/氧化物;所述氧化物为SiO2、CeO2、TiO2、ZrO2、Al2O3至少一种;其中硫酸盐和氧化物之间通过负载的方法担载到氧化物表面,而氧化物可以是其中一种或者是几种氧化物的混合。
本发明再一方面提供一种上述的固体酸催化剂的制备方法,所述方法包括如下步骤:
(1)将氧化物前驱体溶于去离子水中,配置成0.01-3mol/l的溶液,搅拌0.1-12h,并滴加浓氨水溶液使溶液pH为9,静置、洗涤、干燥,得到氧化物载体;
(2)将所述氧化物载体加入到磺酸盐溶液中,超声分散0.1-3h后,在300-700℃下焙烧0.1-12h,得到所述固体酸催化剂
基于以上技术方案,优选的,所述氧化物前驱体为氯化铝、硝酸铝、氯化钛、硫酸铈、硝酸铈、硝酸锆、氯化锆基于以上技术方案,优选的,所述浓氨水溶液的浓度为0.1-10mol/l
基于以上技术方案,优选的,所述静置时间为12-24h;所述干燥温度为50-120℃,干燥时间为12-24h。
基于以上技术方案,优选的,所述磺酸盐为氯磺酸或者硫酸。
基于以上技术方案,优选的,所述焙烧温度为为550℃。
本发明另一方面提供一种上述催化剂的应用,其特征在于,所述催化剂应用在己二酸液相法生产己二腈中,一般步骤为:投入一定质量的己二酸,同时加入一定量的稀释剂,加入固体超强酸催化剂,充入氨气,控制氨气流量,打开搅拌,调整转速在一定的反应温度保持一定时间。
基于以上技术方案,优选的,所述稀释剂为己二腈、戊二腈和庚二腈中的一种或几种,优选为己二腈;所述己二酸与稀释剂的质量比优选为0.1-5,优选为1:2。
基于以上技术方案,优选的,所述反应的搅拌转速为1000-4000r/min;反应温度为230℃-330℃,反应时间为0.5-4h;反应时通入的氨气流量为150L/h-400L/h。
有益效果
相比于传统的液体磷酸催化剂,副反应不易发生,己二腈的收率更高;其次是相比于液体催化剂,超强酸固体催化剂利于回收,简化了工艺,降低了能耗,同时能够减少酸对环境的污染,最后通过固体酸催化剂不腐蚀设备,提高了生产的安全性。固体酸催化剂应用于己二酸直接合成己二腈中,该工艺具有广阔的发展空间和极大的市场应用价值,更符合可持续发展的要求。
具体实施方式
实施例1-6为己二腈合成过程中使用的固体超强酸催化剂
实施例1
制备SO4 2-/SiO2的催化剂样品的制备,以AlCl3为铝盐的原料,将其溶解于去离子水中,配置成溶液,分别配置15%30%50%及过饱和的四种溶液,然后移入到通风橱中,在机械搅拌器1000转的转速下,滴加浓氨水溶液,出现白色絮状沉淀,调节溶液的PH为9,然后在鼓风干燥箱中干燥12-24小时,得到氧化铝载体。将所得的载体加入到1mol/L的硫酸溶液中,超声一个小时,使其分散均匀,再在550℃空气气氛下焙烧4小时,制得SO4 2-/SiO2催化剂。
实施例2
SO4 2-/SiO2-TiO2的催化剂样品的制备,以TiCl4为钛源,在通风橱中快速用移液枪量取TiCl4以溶液ml,配置成15%(w/v)的TiCl4溶液。将氯化铝饱和溶液和上述钛的溶液混合,在搅拌的情况下,滴加浓氨水溶液,出现白色絮状沉淀,调节溶液的PH为9,放置12-24小时后抽滤,然后在鼓风干燥箱中干燥12-24小时,得到铝钛氧化物载体。将所得的载体加入到1mol/L的硫酸溶液中,超声一个小时,使其分散均匀,再在550℃空气气氛下焙烧4小时,制得SO4 2-/SiO2-TiO2催化剂。
实施例3
SO4 2-/SiO2-CeO2的催化剂样品的制备,以硫酸铈为铈源,配置成15%(w/v)的硫酸铈溶液。将氯化铝饱和溶液和上述铈的溶液混合,在搅拌的情况下,滴加浓氨水溶液,出现白色絮状沉淀,调节溶液的PH为9,放置12-24小时后抽滤,然后在鼓风干燥箱中干燥12-24小时,得到铝钛氧化物载体。将所得的载体加入到1mol/L的硫酸溶液中,超声一个小时,使其分散均匀,再在550℃空气气氛下焙烧4小时,制得SO4 2-/SiO2-CeO2催化剂。
实施例4
SO4 2-/SiO2-ZrO2的催化剂样品的制备,以氯化锆为锆源,配置成15%(w/v)的氯化锆溶液。将氯化铝饱和溶液和上述锆的溶液混合,在搅拌的情况下,滴加浓氨水溶液,出现白色絮状沉淀,调节溶液的PH为9,放置12-24小时后抽滤,然后在鼓风干燥箱中干燥12-24小时,得到铝锆氧化物载体。将所得的载体加入到1mol/L的硫酸溶液中,超声一个小时,使其分散均匀,再在550℃空气气氛下焙烧4小时,制得SO4 2-/SiO2-ZrO2催化剂。
实施例5
SO4 2-/SiO2-ZrO2的催化剂样品的制备,以氯化锆为锆源,配置成15%(w/v)的氯化锆溶液。将氯化铝饱和溶液和上述锆的溶液混合,在搅拌的情况下,滴加浓氨水溶液,出现白色絮状沉淀,调节溶液的PH为9,放置12-24小时后抽滤,然后在鼓风干燥箱中干燥12-24小时,得到铝锆氧化物载体。将所得的载体加入到1mol/L的氯磺酸溶液中,超声一个小时,使其分散均匀,再在550℃空气气氛下焙烧4小时,制得SO4 2-/SiO2-ZrO2催化剂。
实施例6
用与实施例5相似的方法进行实验,制备氯磺酸的摩尔浓度变为为9mol/l的样品,样品标记为SO4 2-/SiO2-ZrO2。
实施例7
己二酸液相法工艺中,己二酸的投入量为100g,己二腈的投入量为200g,加入实施例1制备的SO4 2-/SiO2固体超强酸催化剂的质量占反应物总质量的1%,氨气流量为200L/h,搅拌转速为2000r/min,反应温度为280℃。发现反应一小时后,脱水率最高达到了95.4%
实施例8
己二酸液相法工艺中,己二酸的投入量为100g,己二腈的投入量为200g,加入固体超强酸SO4 2-/SiO2-ZrO2催化剂的质量占反应物总质量的10%,氨气流量为200L/h,搅拌转速为2000r/min,反应温度为280℃。发现反应一小时后,脱水率最高达到了97.4%
实施例9
己二酸液相法工艺中,己二酸的投入量为100g,己二腈的投入量为200g,固体超强酸SO4 2-/SiO2-ZrO2催化剂的质量占反应物总质量的1%,氨气流量为200L/h,搅拌转速为2000r/min,反应温度为280℃。发现反应一小时后,脱水率最高达到了97.4%
实施例10
己二酸液相法工艺中,己二酸的投入量为100g,己二腈的投入量为200g,固体超强酸SO4 2-/SiO2-ZrO2催化剂的质量占反应物总质量的1%,氨气流量为200L/h,搅拌转速为500r/min,反应温度为280℃。发现反应一小时后,脱水率最高达到了72.5%
实施例11
己二酸液相法工艺中,己二酸的投入量为100g,庚二腈的投入量为200g,固体超强酸SO4 2-/SiO2-ZrO2催化剂的质量占反应物总质量的1%,氨气流量为200L/h,搅拌转速为2000r/min,反应温度为280℃。发现反应一小时后,脱水率最高达到了91.1%
实施例12
己二酸液相法工艺中,己二酸的投入量为100g,戊二腈的投入量为200g,固体超强酸SO4 2-/SiO2-ZrO2催化剂的质量占反应物总质量的1%,氨气流量为200L/h,搅拌转速为2000r/min,反应温度为280℃。发现反应一小时后,脱水率最高达到了95.3%
实施例13
己二酸液相法工艺中,己二酸的投入量为100g,己二腈的投入量为400g,固体超强酸SO4 2-/SiO2-ZrO2催化剂的质量占反应物总质量的1%,氨气流量为100L/h,搅拌转速为2000r/min,反应温度为280℃。发现反应一小时后,脱水率最高达到了83.7%
实施例14
己二酸液相法工艺中,己二酸的投入量为100g,己二腈的投入量为100g,固体超强酸SO4 2-/SiO2-ZrO2催化剂的质量占反应物总质量的1%,氨气流量为400L/h,搅拌转速为2000r/min,反应温度为280℃。发现反应一小时后,脱水率最高达到了62.3%。
实施例15
己二酸液相法工艺中,己二酸的投入量为100g,己二腈的投入量为200g,固体超强酸SO4 2-/SiO2-ZrO2催化剂的质量占反应物总质量的1%,氨气流量为200L/h,搅拌转速为2000r/min,反应温度为280℃。发现反应5小时后,脱水率最高达到了96.5%。
实施例16
己二酸液相法工艺中,己二酸的投入量为100g,己二腈的投入量为200g,固体超强酸SO4 2-/SiO2-ZrO2催化剂的质量占反应物总质量的1%,氨气流量为200L/h,搅拌转速为2000r/min,反应温度为230℃。发现反应1小时后,脱水率最高达到了91.8%。
实施例17
己二酸液相法工艺中,己二酸的投入量为100g,己二腈的投入量为200g,固体超强酸SO4 2-/SiO2-ZrO2催化剂的质量占反应物总质量的1%,氨气流量为200L/h,搅拌转速为2000r/min,反应温度为330℃。发现反应5小时后,脱水率最高达到了88.6%。每次实验的催化剂结果概述于表1中。
表1
Claims (10)
1.一种固体酸催化剂,其特征在于,所述催化剂活性组分为SO4 2-/氧化物;所述氧化物为SiO2、CeO2、TiO2、ZrO2、Al2O3至少一种;所述SO4 2-与氧化物的质量比为0.01-0.3。
2.一种权利要求1所述的固体酸催化剂的制备方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
(1)将氧化物前驱体溶于去离子水中,配置成0.01-3mol/l的溶液,搅拌0.1-12h,并滴加浓氨水溶液使溶液pH为9,静置、洗涤、干燥,得到氧化物载体;
(2)将所述氧化物载体加入到磺酸盐溶液中,超声分散0.1-3h后,离心、洗涤、干燥,然后在300-700℃下焙烧0.1-12h,得到所述固体酸催化剂。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述氧化物前驱体为氯化铝、硝酸铝、氯化钛、硫酸铈、硝酸铈、硝酸锆、氯化锆。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述浓氨水溶液的浓度为0.1-10mol/l。
5.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述静置时间为12-24h;所述干燥温度为50-120℃,干燥时间为12-24h。
6.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述磺酸盐为氯磺酸或者硫酸。
7.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述焙烧温度为为550℃。
8.一种权利要求1所述催化剂的应用,其特征在于,所述催化剂应用在己二酸液相法生产己二腈中,步骤如下:向反应器中投入己二酸,同时加入稀释剂,加入所述固体超强酸催化剂,充入氨气,控制氨气流量,打开搅拌,调整转速在一定的反应温度保持一定时间。
9.根据权利要求8所述的应用,其特征在于,所述稀释剂为己二腈、戊二腈和庚二腈中的一种或几种,优选为己二腈;所述己二酸与稀释剂的质量比为0.1-5:1,优选为1:2。
10.根据权利要求8所述的应用,其特征在于,所述反应的搅拌转速为1000-4000r/min;反应温度为230℃-330℃,反应时间为0.5-4h;反应时通入的氨气流量为150L/h-400L/h。
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