CN114160054B - 一种连续流氢化反应装置、不饱和醛酮的选择性还原方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种连续流氢化反应装置及基于该装置的不饱和醛酮的选择性还原方法，所述方法包括：将氢气和不饱和醛酮送入所述反应器内，流经所述催化剂床层，反应得到气液混合料，将气液混合料分离得到还原产物。采用连续流氢化反应装置构建了一个完整的气‑液‑固（催化剂）三相反应系统，整套装置占地面积小，单位空间产量大，安全系数高。本发明装置用于不饱和醛酮的选择性还原方法，采用连续式的氢化方式能够最大程度的将产物及时脱离催化体系，避免产物中的羰基被进一步还原，有助于进一步提高反应的选择性，提高催化剂的利用率，提高了单位时间的产量。

Description

一种连续流氢化反应装置、不饱和醛酮的选择性还原方法

技术领域

本发明属于不饱和醛酮的还原技术领域，特别涉及一种连续流氢化反应装置及基于该装置的不饱和醛酮的选择性还原方法。

背景技术

随着国家对安全生产日益提高的要求和监管，医药和精细化工行业采用传统的间歇式高压釜进行氢化还原反应面临着越来越多的安全挑战。因此，医药和精细化工行业迫切的需要用连续式的氢化还原工艺替换原有的间歇式氢化还原工艺。

在1970年公布的专利US3520934中，发明人也用连续流的设备进行了肉桂醛类化合物的双键选择性还原。虽然该专利也采用了连续氢化的方式，提高了反应的安全性和反应的效率。但是为了得到选择性氢化的目的，专利中采用了醋酸钾、碳酸钾这些碱性的钾盐来降低钯催化剂的活性，与此同时提高了反应的温度，最低70℃，最高250℃，适宜的温度在100-150℃之间。虽然该专利获得了较高的选择性，而且也尝试了不同的反应底物获得了良好的效果。该专利报道的添加钾盐方式提高了终产品的处理难度，不利于产品的纯化分离等后续操作，存在一定的弊端。

从α，β不饱和醛酮类化合物的选择性还原分析来看，采用钯作为催化剂进行氢化还原会优先还原双键，这个在众多的书籍资料中都有讲述，比如《Handbook ofheterogeneous catalytic hydrogenation for organic synthesis》中的一些案例。但是醛、酮羰基仍然可以被钯进一步还原，特别是在间歇式氢化过程中，反应得到的产物不能及时脱离反应体系，从而被催化剂和氢气进一步将羰基还原，造成产品收率降低。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种连续流氢化反应装置及基于该装置的不饱和醛酮的选择性还原方法。

为实现上述目的，采用以下技术方案：

本发明目的之一在于提供一种连续流氢化反应装置，包括反应器，所述反应器包括相连通的混合器和反应管，所述混合器上设有气路入口和液路入口，所述反应管内设有催化剂床层；所述混合器包括气路孔道和液路孔道，所述气路孔道和液路孔道连通设置，所述气路孔道和液路孔道的直径为0.1-0.5mm，所述气路入口设于气路孔道上，所述液路入口设于液路孔道上。

优选地，还包括气路控制箱、液路控制箱、预热箱和电器控制箱，所述气路控制箱通过所述气路入口与所述反应器管道连通，所述液路控制箱通过所述液路入口与所述反应器管道连通，所述预热箱设于所述反应器入口端处，所述气路控制箱、液路控制箱和预热箱分别与电器控制箱电连接。

优选地，所述气路孔道为蛇形管，所述液路孔道为横管，蛇形管与横管通过竖管相连通。

优选地，所述气路孔道为横管，所述液路孔道为蛇形管，蛇形管与横管通过竖管相连通。

本发明目的之二在于提供一种不饱和醛酮的选择性还原方法，基于连续流氢化反应装置，包括：将氢气和不饱和醛酮送入所述反应器内，流经所述催化剂床层，反应得到气液混合料，将气液混合料分离得到还原产物。

优选地，所述将氢气和不饱和醛酮送入所述反应器内，流经所述催化剂床层具体为：

所述氢气由所述气路控制箱控制流速，经所述气路入口送入所述混合器内；

所述不饱和醛酮由所述液路控制箱控制流速，经所述液路入口送入所述混合器内；

所述氢气和不饱和醛酮在混合器内混合后进入所述反应管内，流经所述催化剂床层。

优选地，控制所述氢气流速为0.1-400SCCM，更优选10-100 SCCM；控制所述不饱和醛酮的流速为0.1-10 SCCM，优选0.5-5mL/min；氢气与不饱和醛酮流速比20-60（SCCM/(mL/min)）为佳；控制氢气压力0.5-1.5MPa；所述不饱和醛酮的质量浓度优选5-20%，溶剂可以是甲醇、乙醇、异丙醇、四氢呋喃等等常用溶剂。

优选地，所述氢气和不饱和醛酮进入所述反应器前，先经预热箱预热至温度30-80℃，更优选30-60℃，最优选35-45℃。

优选地，所述催化剂床层高度30-50cm，所述反应管体积为5-25mL。

优选地，所述催化剂采用金属负载于载体上，金属负载量0.5%-5%；所述金属选自钯、铂、钌、铑、钴或镍中的任意一种或几种，所述载体选自氧化铝、活性炭或硅胶中的任意一种或几种；所述不饱和醛酮为α,β不饱和醛酮。

本发明具有以下有益效果：采用连续流氢化反应装置构建了一个完整的气-液-固（催化剂）三相反应系统，整套装置占地面积小，单位空间产量大，安全系数高。本发明装置用于不饱和醛酮的选择性还原方法，采用连续式的氢化方式能够最大程度的将产物及时脱离催化体系，避免产物中的羰基被进一步还原，良好的气液预混效果也能够减少物料在经过催化剂床层的过程中出现的“壁流”和“沟流”等现象，有助于进一步提高反应的选择性，提高催化剂的利用率，提高了单位时间的产量。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明连续流氢化反应装置的结构示意图；

图2为本发明反应器的结构示意图；

图3为本发明混合器A部分；

图4为本发明混合器B部分；

图5为本发明混合器左侧斜视示意图；

图6为本发明混合器右侧斜视示意图；

图中，1、反应器；2、气路控制箱；3、液路控制箱；4、电器控制箱；5、预热箱；6、反应管；7、混合器；8、出料冷却装置；9、通道一；10、通道二；11、通道三；12、通道四；13、通道五；14、管道六；15、管道七；16、管道八。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种连续流氢化反应装置，如图1所示，包括反应器1、气路控制箱2、液路控制箱3、预热箱5和电器控制箱4，所述反应器1顶端分别设有气路入口和液路入口，反应器1底端设有物料出口，所述反应器内设有催化剂床层；所述气路控制箱2通过所述气路入口与所述反应器1管道连通，所述液路控制箱3通过所述液路入口与所述反应器管1道连通，所述预热箱5设于所述反应器1入口端处，所述气路控制箱2、液路控制箱3和预热箱5分别与电器控制箱4电连接，气路控制箱2、液路控制箱3和预热箱5的参数设定由电器控制箱4控制，预热箱用于对原料气体和/或原料液体的预加热。

进一步地，如图2所示，所述反应器1包括混合器7和反应管6，所述气路入口和液路入口设于所述混合器7上，混合器可置于预热箱内部，所述催化剂床层设于所述反应管6内，所述混合器7和所述反应管6连通连接。

进一步地，所述混合器内部设有气路孔道和液路孔道，所述气路孔道和液路孔道连通设置，所述气路孔道和液路孔道的直径为0.1-0.5mm（气路孔道和液路孔道的直径可以相同也可以不相同，优选地，气路的孔径小于液路孔径。示例性地，气路孔道直径为0.1mm、0.2mm或0.3mm，液路孔道的直径为0.2mm、0.4mm或0.5mm），所述气路入口设于所述气路孔道上，所述液路入口设于所述液路孔道上。

混合器可以设计为管路连接结构，如气路孔道设计为一个蛇形管，液路孔道设计为若干个横管，蛇形管与横管通过设计的若干个竖管相连通，如此，即可形成混合器管路结构。显然，混合器也可以设计成将上述所述的管路结构内置于某设备中的形式，从而可形成稳固而整体且美观的设备结构。

如果将混合器设计成上述所述稳固而整体且美观的设备结构，那么混合器可被设计分为A部分和B部分，A部分包括蛇形管、若干个横向管和若干个竖向管，若干个横向管分别交错设置在蛇形管的弯折区域内；若干个竖向管垂直横向管和蛇形管设置，并与横向管和蛇形管连通。示例性地，如图3所示，蛇形管为通道一9，横向管包括通道二10、通道三11、通道四12和通道五13，竖向管包括管道六14、管道七15和管道八16，管道八16与通道二10、通道四12的尾端连通，管道六14与通道三11、通道五13的尾端连通。B部分结构与A部分结构呈中心对称设置，使得A部分与B部分相扣合时，如图4所示。气体和液体在管路里面多次交叉混合，从而带来较好的混合效果。其中，通道一9可作为液路孔道，两端分别为进口和出口，通道二10、通道三11、通道四12、通道五13均作为气路孔道，在实际使用中可以将通道二10、通道四12合并对应一个进气口；通道三11、通道五13合并对应进气口，也可以将通道二10、通道三11、通道四12、通道五13统统合并为一个进气口。在实际的加工过程中可以通过开孔、螺纹、螺帽、不锈钢管组合将气路孔道和液路孔道连通连接。气路孔道和液路孔道的直径可以根据实际的需求调整，气路孔道和液路孔道的长度也可以根据实际需求进行调整。此外，通道一9也可以作为气路孔道，此时，通道二10、通道三11、通道四12、通道五13作为液路孔道。混合器材质可选优质不锈钢316L、双相合金钢以及哈氏合金HC276等材质。在制造过程中分别在A和B材料上进行机加工得到特定形状的半圆形凹槽，将A和B两部分合并即可得到完全体的混合器，例如可以在A和B两部分分别打孔，然后用螺丝将两部分拧紧，也可以采用焊接的方式将两部分进行焊接。进一步地，A和B两部分的贴合面之间设有密封材料如可以采用聚四氟乙烯衬垫，用来增加密封性。

实施例2

一种不饱和醛酮的选择性还原方法，基于上述连续流氢化反应装置，包括：所述氢气由所述气路控制箱控制流速，控制所述氢气流速为100SCCM，经所述气路入口送入所述混合器内；

所述不饱和醛酮由所述液路控制箱控制流速，控制所述不饱和醛酮的流速为2mL/min，经所述液路入口送入所述混合器内，不饱和醛酮的质量浓度为20%，不饱和醛酮的溶剂为甲醇；

所述氢气和不饱和醛酮在混合器内混合后进入所述反应管内，反应管体积为20mL，流经所述催化剂床层，催化剂床层高度50cm，反应得到气液混合料，将气液混合料分离得到还原产物；其中，所述氢气和不饱和醛酮进入所述反应器前，先经预热箱预热至温度60℃；所述催化剂示例性地选用钯负载氧化铝，所述不饱和醛酮为α,β不饱和醛酮。采用混合器可以避免气体和液体流速变化而导致的混合不均匀的现象，得到较好的混合效果。

实施例3

一种不饱和醛酮的选择性还原方法，基于上述连续流氢化反应装置，包括：所述氢气由所述气路控制箱控制流速，控制所述氢气流速为10SCCM，经所述气路入口送入所述混合器内；

所述不饱和醛酮由所述液路控制箱控制流速，控制所述不饱和醛酮的流速为0.5mL/min，经所述液路入口送入所述混合器内，不饱和醛酮的质量浓度为5%，溶剂为异丙醇；

所述氢气和不饱和醛酮在混合器内混合后进入所述反应管内，反应管体积为5mL，流经所述催化剂床层，催化剂床层高度30cm，反应得到气液混合料，将气液混合料分离得到还原产物；其中，所述氢气和不饱和醛酮进入所述反应器前，先经预热箱预热至温度35℃；所述催化剂示例性地选用钯负载活性炭，所述不饱和醛酮示例性地选用肉桂醛，反应式如下：

。

实施例4

一种不饱和醛酮的选择性还原方法，基于上述连续流氢化反应装置，包括：所述氢气由所述气路控制箱控制流速，控制所述氢气流速为50SCCM，经所述气路入口送入所述混合器内；

所述不饱和醛酮由所述液路控制箱控制流速，控制所述不饱和醛酮的流速为1mL/min，经所述液路入口送入所述混合器内，不饱和醛酮的质量浓度为10%，溶剂为乙醇；

所述氢气和不饱和醛酮在混合器内混合后进入所述反应管内，反应管体积约20mL，流经所述催化剂床层，催化剂床层高度40cm，反应得到气液混合料，将气液混合料分离得到还原产物；其中，所述氢气和不饱和醛酮进入所述反应器前，先经预热箱预热至温度40℃；所述催化剂示例性地选用钯负载活性炭，所述不饱和醛酮示例性地选用肉桂醛。

测试例：

以实施例4的方法对肉桂醛进行选择性还原，经预热箱预热后反应温度为40度，其中氢气压力0.5-0.6MPa，反应在40cm长内径4mm的反应管内进行，钯负载活性炭的粒径为0.5mm，钯负载量1%。测得产物苯丙醛在HPLC（高效液相色谱）上显示纯度可以达到99%，其中原料剩余0.3%，过度氢化的副产物苯丙醇0.5%，一些未知小杂质合并为0.2%。

本发明提供了能够满足医药和精细化工行业研发需求的桌面型连续流氢化反应装置。并将此装置运用到了α,β不饱和醛酮类化合物的选择性还原过程中，尤其针对肉桂醛类化合物的选择性氢化在该装置上进行了尝试，不仅体现出了高选择性，而且体现出高转化率和高效率。

本发明所用的连续流氢化反应装置具有模块化设计，可以灵活切换，而且设计了具有良好气-液-固混合效果的反应器，满足小型化连续反应的需求，采用气-液-固三相反应装置来完成不饱和醛酮类化合物的选择性还原反应不仅能够做到高选择性还原（99%以上），而且整套装置占地面积小，单位空间产量大，安全系数高。

气体反应物（即氢气）和液体反应物（即不饱和醛酮）经过装填有催化剂的床层，反应结束后得到气液混合料，再经过分离得到所需要产品。气体反应物和液体反应物同时在催化剂床层上进行混合，连续的反应方式减少了“返混”，大大提高了反应的选择性。良好的气-液混合效果可以显著的提高反应的效率，提高单位时间和空间的产量。采用恒压液体输送泵将气体反应物（即氢气）和液体反应物同时注入到反应器内，控制液体和气体的流速、温度、压力等参数，通过气相色谱来检测反应的效果。根据反应效果的不同更换不同的催化剂来实现不同的效果。产物收率达70-99%之间。

本发明的反应器内设置有混合器，该混合器为在小型连续式固定床设备的气液混合器，通过该气液混合器能够有效的将气体反应物和液体反应物进行充分的混合，从而提高了气体和液体之间的传质效率，也加快了反应的速率。由此可以将连续式的氢化的反应温度降低至30-70℃之间，优选40-60℃。在低温下反应可以有效的避免羰基被钯所还原，但是并不影响双键的还原。而且采用连续式的氢化方式能够最大程度的将产物及时脱离催化体系，避免产物中的羰基被进一步还原。良好的气液预混效果也能够减少物料在经过催化剂床层的过程中出现的“壁流”和“沟流”等现象，物料从上往下的流经方式能够实现近似“平推流”的流型，有助于进一步提高反应的选择性，提高催化剂的利用率，提高了单位时间的产量。

综上所述，本发明连续流氢化反应装置具有以下优点：小型化的特点，能够摆放在研发实验室的通风橱内，占地面积小；集成化程度高，整套装置涵盖气路控制系统，液路控制系统，与温度控制等。设备安装有电子显示屏，实现良好的人机交互，而且可以实现数据的存储和输出；设计合理，整套反应管路包括三个部分：预热部分，反应管部分和冷却管道八。三个部分彼此独立能够实现对物料的预热、反应和最终的冷却。而且通过温度的实时监测达到对反应参数的实时跟踪；预热部分采用电加热装置（即预热箱），能够实现对反应物料的提前加热，确保反应效果稳定可靠；该反应装置安装有气-液混合器，该混合器利用文丘里效应，能够实现气-液之间的良好混合，从而实现良好的反应效果；整个反应装置采用优质金属进行组装完成，设备承受压力达到10MPa，能够满足绝大部分氢化反应的工况需求；连续流反应管的设计采用涓流床的设计原理，实现近似平推流的反应效果，这样避免在氢化过程中的一些副反应，达到高选择性和高效率的反应效果。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种连续流氢化反应装置，包括反应器，其特征在于，所述反应器包括相连通的混合器和反应管，所述混合器上设有气路入口和液路入口，所述反应管内设有催化剂床层；所述混合器包括气路孔道和液路孔道，所述气路孔道和液路孔道连通设置，所述气路孔道和液路孔道的直径为0.1-0.5mm，所述气路入口设于气路孔道上，所述液路入口设于液路孔道上；所述反应器还包括气路控制箱、液路控制箱、预热箱和电器控制箱，所述气路控制箱通过所述气路入口与所述反应器管道连通，所述液路控制箱通过所述液路入口与所述反应器管道连通，所述预热箱设于所述反应器入口端处，所述气路控制箱、液路控制箱和预热箱分别与电器控制箱电连接；所述混合器包括蛇形管、若干个横向管和若干个竖向管，若干个横向管分别交错设置在蛇形管的弯折区域内；若干个竖向管垂直横向管和蛇形管设置，并与横向管和蛇形管连通。

2.根据权利要求1所述的连续流氢化反应装置，其特征在于，所述气路孔道为蛇形管，所述液路孔道为横管，蛇形管与横管通过竖管相连通。

3.根据权利要求1所述的连续流氢化反应装置，其特征在于，所述气路孔道为横管，所述液路孔道为蛇形管，蛇形管与横管通过竖管相连通。

4.一种不饱和醛酮的选择性还原方法，其特征在于，基于如权利要求1-3任一所述的连续流氢化反应装置，包括：将氢气和不饱和醛酮送入所述反应器内，流经所述催化剂床层，反应得到气液混合料，将气液混合料分离得到还原产物。

5.根据权利要求4所述的不饱和醛酮的选择性还原方法，其特征在于，所述将氢气和不饱和醛酮送入所述反应器内，流经所述催化剂床层具体为：

所述氢气由所述气路控制箱控制流速，经所述气路入口送入所述混合器内；

所述不饱和醛酮由所述液路控制箱控制流速，经所述液路入口送入所述混合器内；

所述氢气和不饱和醛酮在混合器内混合后进入所述反应管内，流经所述催化剂床层。

6.根据权利要求5所述的不饱和醛酮的选择性还原方法，其特征在于，控制所述氢气流速为0.1-400SCCM；控制所述不饱和醛酮的流速为0.1-10mL/min。

7.根据权利要求5所述的不饱和醛酮的选择性还原方法，其特征在于，所述不饱和醛酮配制成质量浓度为5-20%的溶液。

8.根据权利要求5所述的不饱和醛酮的选择性还原方法，其特征在于，所述氢气和不饱和醛酮进入所述反应器前，先经预热箱预热至温度30-80℃。

9.根据权利要求5所述的不饱和醛酮的选择性还原方法，其特征在于，所述催化剂床层高度30-50cm，所述反应管体积为5-20mL。

10.根据权利要求5-9任一所述的不饱和醛酮的选择性还原方法，其特征在于，所述催化剂采用金属负载于载体上，所述金属选自钯、铂、钌、铑、钴或镍中的任意一种或几种，所述载体选自氧化铝、活性炭或硅胶中的任意一种或几种；所述不饱和醛酮为α,β不饱和醛酮。

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