CN112079699A - 一种用于异丁醛合成甲乙酮的催化剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于催化剂技术领域,具体公开了一种用于异丁醛合成甲乙酮(MEK)的催化剂的制备方法,将原料进行研磨,使其分布均匀,通过一锅无溶剂共调节法制备了Ge‑ZSM‑5催化剂,在制备过程中,没有使用溶剂,也没有进行前后处理,减少了废水的排出,极大的简化了催化剂的合成步骤。本发明制备的催化剂结构良好、金属分布均匀,具有较好的表面分布状态、酸强度高等优点,用于异丁醛异构化合成甲乙酮中,能显著改善催化剂的催化活性,提高甲乙酮的收率,异丁醛转化率达到94%以上,收率达到93%以上,具有很大的应用前景。

Description

一种用于异丁醛合成甲乙酮的催化剂的制备方法
技术领域
本发明属于催化剂技术领域,特别涉及一种用于异丁醛催化合成甲乙酮(MEK)的催化剂的制备方法。
背景技术
甲乙酮(CH3COCH2CH3),又名丁酮,是一种无色透明的液体,是异丁醛的下游产品之一。广泛应用于生产硝化纤维素、酚醛树脂等有机物。现如今生产甲乙酮的工艺有正丁烯两步法、正丁烷液相氧化法、异丁苯法以及异丁醛异构化法等,异丁醛异构化法在化学反应中有着重要应用。中国科学院大连化学物理所许章林等报道了NH4F改性ZSM-5,BZSM-5的酸度更低,使其在反应过程失活较少,成为了在醛类异构化成酮产率更高的催化剂。但是使用BZSM-5催化剂的反应过程消耗水蒸气更多,不利于工业化发展。中国科学院大连化学物理所的王敬春等在BZSM-5催化剂加入水蒸气对金属阳离子使其改性,但是反应温度较高,异丁醛的转化率较低。
ZSM-5沸石是结晶多孔固体,有规则而均匀的孔道结构和较高的表面积,具有较好的热稳定性和高酸强度。沸石的制备一般是用水热合成法,其方法使用了大量的溶剂和模板剂,溶剂中含有硅酸盐等物质,降低了产率。无溶剂路径可以更容易的将杂原子掺杂沸石骨架,最大限度减少了废水,环境良好,在反应过程中,尽量的避免了高压设备的使用。专利CN106517233A,采用无氟无溶剂路线合成B形体富集的Beta沸石分子筛,整个生产过程没有使用溶剂和高毒的氟物种,减少了在生产过程中不必要的损耗,但是在反应过程中并没有将杂质去除,产率降低,目标产物不稳定。因此,如何得到一种新催化剂,不仅能满足绿色环保的要求,而且还能显著提高甲乙酮(MEK)的收率以及催化活性稳定性,是本发明所要解决的技术问题。
发明内容
为了克服沸石微孔结构和扩散限制,本发明提供了一锅无溶剂制备催化剂Ge-ZSM-5的方法。该催化剂是通过研磨将原料混合。在制备过程中,没有使用溶剂,也没有进行前后处理,极大的简化了催化剂的合成步骤。本发明制备的催化剂具有结构良好、使金属分布均匀,具有较好的表面分布状态、酸强度高等优点。将其用于催化异丁醛合成中,不仅多次循环使用仍能保证催化活性,使用寿命增长,而且能显著提高异丁醛的转化率,提高甲乙酮(MEK)的收率。
为了达到上述技术目的,本发明提供了一种用于异丁醛合成甲乙酮(MEK)催化剂的制备方法,其具体制备方法步骤如下:
(1)将四丙基溴化铵(TPABr),勃姆石,NaSiO3 9H2O,氯化铵和H2GeO3放入研钵中,磨成细粉;
其中,四丙基溴化铵、勃姆石、NaSiO3 9H2O、氯化铵和H2GeO3的质量比为:2-6:0.012-0.016:1-2:1.2-1.8:0.1-0.5;其中,四丙基溴化铵是模板剂,勃姆石粒径小、比表面和孔容大。
(2)将步骤(1)研磨后的原料与硅溶胶LUDOX HS-40(30wt%SiO2)混合,研磨5-10分钟,获得前驱体,转移到具有特氟龙内衬的不锈钢高压釜进行反应,反应温度160-220℃,反应时间24-48h。
其中,硅溶胶LUDOX HS-40与步骤(1)原料的质量比为1-1.2:0.5-0.9;
硅溶胶LUDOX HS-40(30wt%SiO2),又名胶态氧化硅,是纳米级二氧化硅在水中均与形成的胶体溶液,有很大的比表面积,粘度低,可以均匀分散粉料,增加悬浮体稳定性。
(3)将步骤(2)的产物冷却,过滤分离产物,洗涤,产物在恒定氨流300m3/h下煅烧,温度保持500-800℃,保持时间1-4h;优选煅烧温度为550℃。
(4)将步骤(3)得到的样品冷却至室温,加入1-3molNaNO3溶液,交换三次以上,过滤,去离子水洗涤,100-120℃干燥,放入马弗炉中,温度保持在500-600℃,煅烧4-8h,制得催化剂Ge-ZSM-5。
其中,加入NaNO3溶液洗涤,目的是去除Br-、Cl-
本发明方法制备的催化剂用于2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯的酯化反应中,具体如下:
在连续流动固定床反应器中,Ge-ZSM-5催化剂,粒度为20-50目,异丁醛液体空速为0.8-4.0h-1,催化剂的用量为反应物总质量的0.1%~3%,控制反应温度250-400℃,反应时间1-10h,即得到甲乙酮(MEK)。并且回收Ge-ZSM-5催化剂进行重复使用。
作为优选,催化剂的用量为异丁醛质量的0.1%~3%。
有益效果:
本发明通过研磨将原料混合。在制备过程中,没有使用溶剂,也没有进行前后处理,极大的简化了催化剂的合成步骤,制备的催化剂具有稳定性好、酸强度高等优点。将其用于催化异丁醛合成中,不仅多次循环使用仍能保证催化活性,使用寿命增长,而且能显著提高异丁醛的转化率,提高甲乙酮(MEK)的收率。作为合成甲乙酮的催化剂,异丁醛转化率达到94%以上,收率达到93%以上。
本实验中原料进行混合研磨,具有较好的表面分布状态,并且催化剂既有酸活性中心又有金属活性中心,催化活性较高,并且不易脱落,减少设备腐蚀性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的方案作进一步说明。其中实施例中所用原料、设备,若无特别说明,均为本领域的常用原料、设备;本发明中所用方法,若无特别说明,均为本领域的常规方法。在下述工艺中,未公开的条件常用的已知方法。
实施例1
一、制备催化剂
(1)取3.35g四丙基溴化铵(TPABr),0.014g勃姆石,1.35gNaSiO3 9H2O,1.3g氯化铵,0.3gH2GeO3放入研钵中,磨成细粉。
(2)将步骤(1)的原料与12.63g LUDOX HS-40(30wt%SiO2)混合,研磨10分钟,获得前驱体,转移到特氟龙内衬的不锈钢高压釜,保持温度190℃,维持时间48h。
(3)将步骤(2)的产物高压釜冷却,过滤分离产物,洗涤,产物在恒定氨流下煅烧,温度保持600℃,保持时间2h。
(4)将步骤(3)得到的样品冷却至室温,加入2molNaNO3溶液,交换三次以上,过滤,去离子水洗涤,100℃干燥,放入马弗炉中,温度保持在550℃,煅烧4h,即得到Ge-ZSM-5催化剂。
二、异丁醛异构化法合成甲乙酮(MEK)。
在连续流动固定床反应器中,加入异丁醛,液体空速为3.0h-1,0.2g Ge-ZSM-5催化剂,粒度为20目,控制反应温度300℃,反应时间2h,得到的反应产物分离干燥,减压蒸馏,即得到异丁腈(IBN)。并且回收改性Ge-ZSM-5进行重复使用。
实施例2
1)取3.2g四丙基溴化铵(TPABr),0.012g勃姆石,1.0gNaSiO3 9H2O,1.2g氯化铵,0.1gH2GeO3放入研钵中,磨成细粉。
(2)将步骤(1)的原料与11.02gLUDOX HS-40(30wt%SiO2)混合,研磨5分钟,获得前驱体,转移到特氟龙内衬的不锈钢高压釜,保持温度170℃,维持时间24h。
(3)将步骤(2)的产物高压釜冷却,过滤分离产物,洗涤,产物在恒定氨流下煅烧,温度保持500℃,保持时间1h.
(4)将步骤(3)得到的样品冷却至室温,加入1molNaNO3溶液,交换三次以上,过滤,去离子水洗涤,120℃干燥,放入马弗炉中,温度保持在500℃,煅烧8h,即得到Ge-ZSM-5催化剂。
二、异丁醛异构化法合成甲乙酮(MEK)。
在连续流动固定床反应器中,加入异丁醛,液体空速为3.0h-1,0.5gGe-ZSM-5催化剂,粒度为20目,控制反应温度250℃,反应时间2h,得到的反应产物分离干燥,减压蒸馏,即得到异丁腈(IBN)。并且回收改性Ge-ZSM-5进行重复使用。
实施例3
(1)取4.21g四丙基溴化铵(TPABr),0.015g勃姆石,2.0gNaSiO3 9H2O,1.4g氯化铵,0.24gH2GeO3放入研钵中,磨成细粉。
(2)将步骤(1)的原料与15.73gLUDOX HS-40(30wt%SiO2)混合,研磨10分钟,获得前驱体,转移到特氟龙内衬的不锈钢高压釜,保持温度200℃,维持时间48h。
(3)将步骤(2)的产物高压釜冷却,过滤分离产物,洗涤,产物在恒定氨流下煅烧,温度保持650℃,保持时间2h.
(4)将步骤(3)得到的样品冷却至室温,加入3molNaNO3溶液,交换三次以上,过滤,去离子水洗涤,100℃干燥,放入马弗炉中,温度保持在600℃,煅烧8h,即得到Ge-ZSM-5催化剂。
二、异丁醛异构化法合成甲乙酮(MEK)。
在连续流动固定床反应器中,加入异丁醛,液体空速为3.0h-1,0.4gGe-ZSM-5催化剂,粒度为20目,控制反应温度400℃,反应时间2h,得到的反应产物分离干燥,减压蒸馏,即得到异丁腈(IBN)。并且回收改性Ge-ZSM-5进行重复使用。
实施例4
(1)2g四丙基溴化铵、0.015g勃姆石、1.8g NaSiO3 9H2O、1.6g氯化铵和0.4gH2GeO3放入研钵中,磨成细粉。
(2)将步骤(1)的原料与11.63g LUDOX HS-40(30wt%SiO2)混合,研磨10分钟,获得前驱体,转移到特氟龙内衬的不锈钢高压釜,保持温度180℃,维持时间36h。
(3)将步骤(2)的产物高压釜冷却,过滤分离产物,洗涤,产物在恒定氨流下煅烧,温度保持600℃,保持时间2h。
(4)将步骤(3)得到的样品冷却至室温,加入2molNaNO3溶液,交换三次以上,过滤,去离子水洗涤,100℃干燥,放入马弗炉中,温度保持在550℃,煅烧4h,即得到Ge-ZSM-5催化剂。
二、异丁醛异构化法合成甲乙酮(MEK)。
在连续流动固定床反应器中,加入异丁醛,液体空速为3.0h-1,0.2gGe-ZSM-5催化剂,粒度为20目,控制反应温度300℃,反应时间2h,得到的反应产物分离干燥,减压蒸馏,即得到异丁腈(IBN)。并且回收改性Ge-ZSM-5进行重复使用。
实施例5
(1)2.68g四丙基溴化铵、0.014g勃姆石、1.5gNaSiO3 9H2O、1.6g氯化铵和0.3gH2GeO3,磨成细粉。
(2)将步骤(1)的原料与12.19g LUDOX HS-40(30wt%SiO2)混合,研磨10分钟,获得前驱体,转移到特氟龙内衬的不锈钢高压釜,保持温度200℃,维持时间48h。
(3)将步骤(2)的产物高压釜冷却,过滤分离产物,洗涤,产物在恒定氨流下煅烧,温度保持600℃,保持时间2h。
(4)将步骤(3)得到的样品冷却至室温,加入2molNaNO3溶液,交换三次以上,过滤,去离子水洗涤,100℃干燥,放入马弗炉中,温度保持在550℃,煅烧4h,即得到Ge-ZSM-5催化剂。
二、异丁醛异构化法合成甲乙酮(MEK)。
在连续流动固定床反应器中,加入异丁醛,液体空速为3.0h-1,0.2gGe-ZSM-5催化剂,粒度为20目,控制反应温度300℃,反应时间2h,得到的反应产物分离干燥,减压蒸馏,即得到异丁腈(IBN)。并且回收改性Ge-ZSM-5进行重复使用。
对比例1
对比例1与实施例1相比,区别在于:将步骤(1)中H2GeO3替换为同摩尔量的H3BO3,其它操作与实施例1相同。
异丁醛合成甲乙酮(MEK)同实施例1。
对比例2
对比例2与实施例1相比,区别在于:将步骤(2)LUDOX HS-40(30wt%SiO2)替换为二氧化硅含量相同的气相法二氧化硅,其它操作与实施例1相同。
异丁醛合成甲乙酮(MEK)同实施例1。
本发明制备的Ge-ZSM-5催化剂更具环保性,弥补了固体酸催化剂比表面积小,活性低,在有机反应中易结焦积碳失活的缺点。与B-ZSM-5催化剂相比,Ge-ZSM-5催化剂具有反应速度快,催化活性高,环境友好,是一种性能优良的酯化反应催化剂。本发明实施例和比较例实验数据见表1。
表1实施例和对比例实验数据
表1序号 异丁醛转化率/% 甲乙酮(MEK)选择性/% 收率/%
实施例1 96.2 98.1 94.5
实施例2 95.9 98.0 94.1
实施例3 95.8 98.1 94.0
实施例4 94.8 98.0 92.9
实施例5 94.2 98.2 92.50
对比例1 90.8 95.7 86.9
对比例2 93.5 96.3 90.0
将实施例1、对比例1、对比例2制备得到的催化剂重复循环10、20次,其中第10次,第20次的催化效果见表2。
表2:催化剂多次循环反应后实验数据
Figure BDA0002708239270000081
本发明中所用原料、设备,若无特别说明,均为本领域的常用原料、设备;本发明中所用方法,若无特别说明,均为本领域的常规方法。以上描述了本发明的可选实施方案,以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明方案,已经对一些常规技术方面进行了简化和省去。本领域技术人员应该理解源自这方面的变型,均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于异丁醛合成甲乙酮的催化剂的制备方法,其特征在于,所述制备方法步骤如下:
(1)将四丙基溴化铵(TPABr),勃姆石,NaSiO3 9H2O,氯化铵和H2GeO3放入研钵中,磨成细粉;
(2)将步骤(1)的原料与硅溶胶LUDOX HS-40混合,研磨5-10分钟,获得前驱体,然后转移到特氟龙内衬的不锈钢高压釜进行反应,其中,硅溶胶中SiO2含量30wt%;
(3)将步骤(2)的产物冷却,过滤分离产物,洗涤,产物在恒定氨流下煅烧;
(4)将步骤(3)得到的样品冷却至室温,加入1-3molNaNO3溶液,交换三次以上,过滤,去离子水洗涤,100-120℃干燥,放入马弗炉中煅烧,得到催化剂Ge-ZMS-5。
2.如权利要求1所述的用于异丁醛合成甲乙酮的催化剂的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,四丙基溴化铵、勃姆石、NaSiO3 9H2O、氯化铵和H2GeO3的质量比为:2-6:0.012-0.016:1-2:1.2-1.8:0.1-0.5。
3.如权利要求1所述的用于异丁醛合成甲乙酮的催化剂的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,硅溶胶LUDOX HS-40与步骤(1)原料的质量比为1-1.2:0.5-0.9;反应温度160-220℃,反应时间24-48h。
4.如权利要求1所述的用于异丁醛合成甲乙酮的催化剂的制备方法,其特征在于:步骤(3)中,煅烧温度500-800℃,煅烧时间1-4h;氨气流量300m3/h。
5.如权利要求1所述的用于异丁醛合成甲乙酮的催化剂制备方法,其特征在于:步骤(4)中,煅烧温度500-600℃,煅烧时间4-8h。
6.一种如权利要求1-5任一项所述方法制备的催化剂。
7.一种如权利要求1-5任一项所述方法制备的催化剂用于催化异丁醛合成甲乙酮,其特征在于:所述应用方法为:依次加入异丁醛、Ge-ZMS-5催化剂,在常压下控制反应温度在250-450℃,反应时间1-10h,即得到甲乙酮。
8.如权利要求7所述催化剂的应用,其特征在于,所述应用方法为:反应器为连续流动固定床反应器,通入氨气作为保护气,异丁醛液体体积空速为0.8-4.0h-1,催化剂的用量为反应物总质量的0.1%~3%。
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