CN117797874A - 氢氰化催化剂、制备方法及其应用 - Google Patents

氢氰化催化剂、制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

氢氰化催化剂、制备方法及其应用,包括以下重量份的组分:镍‑磷配体5~30份、助剂0~10份、载体35~93.5份、粘结剂1~15份、路易斯酸0.5~10份,其中,磷配体为亚磷酸酯;助剂选自钼、铜、钴中的一种或者几种组合;路易斯酸选自氯化锌、三氯化铝、四氯化钛中的一种或者几种组合;载体选自氧化锆、氧化硅和氧化钛中的一种或者几种组合;粘结剂选择氧化铝。本申请的氢氰化催化剂为同时具备氰化和异构活性的用于丁二烯氰化制戊烯腈的固相催化剂,具有稳定性好、易回收的特点。

Description

氢氰化催化剂、制备方法及其应用
技术领域
本发明属于丁二烯氢氰化法技术领域,尤指一种氢氰化催化剂、制备方法及其应用。
背景技术
戊烯腈特别是3-戊烯腈(3PN)在丁二烯氢氰化生产己二腈(ADN)工艺中是非常重要的中间体,而己二腈则是生产尼龙66的关键中间体。
近年来,随着我国经济的快速发展,尼龙工程塑料行业高速增长,尼龙纤维需求持续扩大,尤其是以高速发展的汽车行业为代表的消费市场的推动,使得国内对尼龙66的需求量逐年上升。我国已经成为了全球最大的尼龙66生产国和消费国,所以己二腈需求量也是不断上升。
目前,己二腈的生产技术路线主要有己二酸催化氨化法、丙烯腈二聚法、丁二烯氢氰化法和己内酰胺法这4种。其中以丁二烯直接氢氰化制备己二腈的方法是这些生产技术当中最热门的技术路线。
丁二烯直接氢氰化合成己二腈主要分为三个步骤,首先丁二烯一次氢氰化得到戊烯腈,再将其中2-甲基-3-丁烯腈异构化成3-戊烯腈、最后3-戊烯腈二次氢氰化得到己二腈。
现有的丁二烯氢氰化工艺基本都采用含有零价镍、路易斯酸、磷配体的均相催化剂,反应结束后催化剂需采用精馏分离、萃取分离等方法从反应产物中进行回收,存在工艺流程复杂、能耗大,且催化剂高温易失活等问题。
例如专利CN200580003699.6公开了一种通过采用均相溶解的镍(0)配合物催化剂将1,3-丁二烯氢氰化制备3-戊烯腈的方法,并通过多次蒸馏分离实现催化剂的回收,但部分催化剂因在反应和蒸馏分离阶段高温失活、长时间停留分解或回收不完全等原因形成损失,因而该工艺实施过程中需要连续补加新鲜催化剂,这将大大增加生产成本。
发明内容
针对背景技术中存在的丁二烯氢氰化合成戊烯腈过程中镍(0)-配合物催化剂回收困难的问题,本发明的目的在于提供一种氢氰化催化剂、制备方法及其应用,该催化剂为同时具备氰化和异构活性的用于丁二烯氰化制戊烯腈的固相催化剂,具有稳定性好、易回收的特点。
为了实现上述目的,本发明所采用的技术方案如下:
氢氰化催化剂,包括以下重量份的组分:
其中,所述磷配体为亚磷酸酯;
所述助剂选自钼、铜、钴中的一种或者几种组合;
所述路易斯酸选自氯化锌、三氯化铝、四氯化钛中的一种或者几种组合。
一些技术方案中,氢氰化催化剂,包括以下重量份的组分:
其中,所述亚磷酸酯选自亚磷酸三苯酯、亚磷酸三丁酯和亚磷酸三丙酯中的一种或者几种组合,且所述亚磷酸酯与金属镍的摩尔比为0.1~0.5:1。
一些技术方案中,所述载体选自氧化锆、氧化硅和氧化钛中的一种或者几种组合,所述载体的粒径分布在10-50微米;
和/或,所述粘结剂选择氧化铝。
根据本发明的另一方面,进一步提供一种氢氰化催化剂的制备方法,包括以下步骤:
a)将含铜、钴、钼中的至少一种金属的镍铝合金粉、粘结剂、载体和适量致孔剂捏合、挤条、烘干、焙烧成催化剂前体1;
b)将上述催化剂前体1放置入催化剂制备器内,加入至2~5倍催化剂前体1体积的去离子水中,并用泵将其中的浸渍液做自循环;
c)将氢氧化钠水溶液缓慢滴加进催化剂制备器内,控制pH值为12~13,在循环浸渍液泵出口添加磷配体使其和浸渍液混合后进入催化剂制备器内,3~10小时后浸渍结束,得到催化剂前体2和催化剂浸渍剩余液;
d)将去离子水缓慢置换催化剂制备器内浸渍剩余液至pH小于7.5,再在惰性气体氛围下将水分蒸干,得到催化剂前体3;
e)配制路易斯酸无水乙醇溶液,并使该溶液过量浸渍于催化剂前体3,待至老化充分后于惰性气氛下烘干,得到氢氰化催化剂。
一些技术方案中,步骤a中:
所述镍铝合金粉的粒径为10~50微米;和/或,
所述致孔剂选自田菁粉、甲基纤维素和尿素中的至少一种。
一些技术方案中,步骤c中:
所述磷配体配制成5~20%的亚磷酸酯乙醇溶液;和/或,
所述氢氧化钠水溶液的浓度为8~20%。
一些技术方案中,步骤d中的所述路易斯酸配制成0.3~5%的氯化锌、三氯化铝和/或四氯化钛乙醇溶液。
一些技术方案中,步骤a中的烘干温度为80~150℃,烘干时长为4~20小时,焙烧温度400~550℃及焙烧时长为3~7小时;和/或,
步骤e中的老化温度为40~60℃,老化时长为3-24小时。
根据本发明的又一方面,进一步提供一种氢氰化催化剂在烯烃氢氰化合成己二腈中的应用,
所述氢氰化催化剂为上述的氢氰化催化剂或上述的制备方法进行制取的氢氰化催化剂。
一些技术方案中,所述氢氰化催化剂应用至丁二烯氰化合成戊烯腈的一级氰化反应中,原料氰化氢和1,3丁二烯混合、汽化后与所述氢氰化催化剂接触进行氢氰化反应,反应温度为60~150℃,压力为0.1~0.5MPa,氰化氢的重量空速为0.05~0.5小时-1,氰化氢和1,3丁二烯的摩尔比为0.4~0.9:1。
本发明采用以上技术方案至少具有如下的有益效果:
1.本发明提出的氢氰化催化剂,通过载体、粘结剂等组分的添加,使得氰化与异构活性组分均匀分散并固定至载体表面及孔隙部位,从而能够制取得到固相催化剂,并具有催化活性高、稳定性好、易回收的特点;
2.本发明提出的氢氰化催化剂的制备方法,通过将各原料组分捏合、挤条、烘干、焙烧成催化剂前体1,再依次调碱浸渍磷配体与调酸浸渍路易斯酸制得氢氰化催化剂,在制备过程中精准的控制了氰化和异构两种活性中心的强度和分布,提高了产物线性选择性,提高了技术的经济性;
3.本发明提出的氢氰化催化剂在丁二烯氰化合成戊烯腈中的应用,采用本申请中价格低廉的镍铝合金为镍源制备同时具有氰化和异构活性的丁二烯氰化制戊烯腈的固相催化剂,实现了丁二烯氰化合成戊烯腈的非均相反应合成工艺,该技术实施可大大简化己二腈生产过程中催化剂的回收流程,有利于技术大型工业化生产;
4.本发明提出的氢氰化催化剂、制备方法及其应用,丁二烯一级氰化反应丁二烯转化率最高可达86%,产物中线性戊烯腈(包括3-戊烯腈、4-戊烯腈和2-戊烯腈)的总选择性最高为85%,取得了较好的技术效果。
具体实施方式
本发明方案由下面非限制性的典型实施例阐明。除非有另外指明,所有份数、比例和百分比均按重量计算,所涉试剂均为市售产品。
实施例1
取20g粒径分布为15~50微米的含0.5%铜的镍铝合金粉、200g粒径为10~50微米氧化硅、5g田菁粉、40g 40%浓度的铝溶胶和适量水捏合40分钟后用挤条机挤条,120℃烘干,480℃焙烧5小时成催化剂前体1;将上述催化剂前体1放置入催化剂制备器内,加入至2L去离子水中,并用泵将其中的浸渍液做自循环。循环建立后将15%氢氧化钠水溶液缓慢滴加进催化剂制备器内,控制反应器内液体pH值为12~13,同时在循环浸渍液泵出口按15g/h速度泵入10%亚磷酸三苯酯乙醇溶液使其和浸渍液混合后进入催化剂制备器内,10小时后浸渍结束,得到催化剂前体2和催化剂浸渍剩余液;用去离子水缓慢置换催化剂制备反应器内的浸渍剩余液至pH小于7.5,再在氮气保护氛围下将水份蒸干,得到丁二烯氢氰化合成戊烯腈的催化剂前体3。配制250g 1%氯化锌乙醇溶液,并使该溶液过量浸渍于催化剂前体3,50℃老化10小时后,氮气氛围100℃烘干,得到丁二烯氢氰化合成戊烯腈的催化剂A1
实施例2
取10g粒径分布为15~50微米的含0.5%铜的镍铝合金粉、200g粒径为10~50微米氧化硅、5g田菁粉、40g 40%浓度的铝溶胶和适量水捏合40分钟后用挤条机挤条,120℃烘干,480℃焙烧5小时成催化剂前体1;将上述催化剂前体1放置入催化剂制备器内,加入至2L去离子水中,并用泵将其中的浸渍液做自循环。循环建立后将15%氢氧化钠水溶液缓慢滴加进催化剂制备器内,控制反应器内液体pH值为12~13,同时在循环浸渍液泵出口按8g/h速度泵入10%亚磷酸三苯酯乙醇溶液使其和浸渍液混合后进入催化剂制备器内,10小时后浸渍结束,得到催化剂前体2和催化剂浸渍剩余液;用去离子水缓慢置换催化剂制备反应器内的浸渍剩余液至pH小于7.5,再在氮气保护氛围下将水份蒸干,得到丁二烯氢氰化合成戊烯腈的催化剂前体3。配制250g 1%氯化锌乙醇溶液,并使该溶液过量浸渍于催化剂前体3,50℃老化10小时后,氮气氛围100℃烘干,得到丁二烯氢氰化合成戊烯腈的催化剂A2
实施例3
取25g粒径分布为15~50微米的含2.5%铜的镍铝合金粉、200g粒径为10~50微米氧化硅、5g田菁粉、40g 40%浓度的铝溶胶和适量水捏合40分钟后用挤条机挤条,120℃烘干,480℃焙烧5小时成催化剂前体1;将上述催化剂前体1放置入催化剂制备器内,加入至2L去离子水中,并用泵将其中的浸渍液做自循环。循环建立后将15%氢氧化钠水溶液缓慢滴加进催化剂制备器内,控制反应器内液体pH值为12~13,同时在循环浸渍液泵出口按20g/h速度泵入10%亚磷酸三苯酯乙醇溶液使其和浸渍液混合后进入催化剂制备器内,10小时后浸渍结束,得到催化剂前体2和催化剂浸渍剩余液;用去离子水缓慢置换催化剂制备反应器内的浸渍剩余液至pH小于7.5,再在氮气保护氛围下将水份蒸干,得到丁二烯氢氰化合成戊烯腈的催化剂前体3。配制250g 1%氯化锌乙醇溶液,并使该溶液过量浸渍于催化剂前体3,50℃老化10小时后,氮气氛围100℃烘干,得到丁二烯氢氰化合成戊烯腈的催化剂A3
实施例4
取20g粒径分布为15~50微米的含0.5%钼的镍铝合金粉、200g粒径为10~50微米氧化硅、5g田菁粉、40g 40%浓度的铝溶胶和适量水捏合40分钟后用挤条机挤条,120℃烘干,480℃焙烧5小时成催化剂前体1;将上述催化剂前体1放置入催化剂制备器内,加入至2L去离子水中,并用泵将其中的浸渍液做自循环。循环建立后将15%氢氧化钠水溶液缓慢滴加进催化剂制备器内,控制反应器内液体pH值为12~13,同时在循环浸渍液泵出口按15g/h速度泵入10%亚磷酸三苯酯乙醇溶液使其和浸渍液混合后进入催化剂制备器内,10小时后浸渍结束,得到催化剂前体2和催化剂浸渍剩余液;用去离子水缓慢置换催化剂制备反应器内的浸渍剩余液至pH小于7.5,再在氮气保护氛围下将水份蒸干,得到丁二烯氢氰化合成戊烯腈的催化剂前体3。配制250g 1%氯化锌乙醇溶液,并使该溶液过量浸渍于催化剂前体3,50℃老化10小时后,氮气氛围100℃烘干,得到丁二烯氢氰化合成戊烯腈的催化剂A4
实施例5
取20g粒径分布为15~50微米的含0.5%钴的镍铝合金粉、200g粒径为10~30微米氧化锆、5g田菁粉、40g 40%浓度的铝溶胶和适量水捏合40分钟后用挤条机挤条,120℃烘干,480℃焙烧5小时成催化剂前体1;将上述催化剂前体1放置入催化剂制备器内,加入至2L去离子水中,并用泵将其中的浸渍液做自循环。循环建立后将15%氢氧化钠水溶液缓慢滴加进催化剂制备器内,控制反应器内液体pH值为12~13,同时在循环浸渍液泵出口按15g/h速度泵入10%亚磷酸三苯酯乙醇溶液使其和浸渍液混合后进入催化剂制备器内,10小时后浸渍结束,得到催化剂前体2和催化剂浸渍剩余液;用去离子水缓慢置换催化剂制备反应器内的浸渍剩余液至pH小于7.5,再在氮气保护氛围下将水份蒸干,得到丁二烯氢氰化合成戊烯腈的催化剂前体3。配制250g 1%氯化锌乙醇溶液,并使该溶液过量浸渍于催化剂前体3,50℃老化10小时后,氮气氛围100℃烘干,得到丁二烯氢氰化合成戊烯腈的催化剂A5
实施例6
取20g粒径分布为15~50微米的含0.5%铜的镍铝合金粉、200g粒径为10~40微米氧化钛、5g田菁粉、40g 40%浓度的铝溶胶和适量水捏合40分钟后用挤条机挤条,120℃烘干,480℃焙烧5小时成催化剂前体1;将上述催化剂前体1放置入催化剂制备器内,加入2L去离子水中,并用泵将其中的浸渍液做自循环。循环建立后将15%氢氧化钠水溶液缓慢滴加进催化剂制备器内,控制反应器内液体pH值为12~13,同时在循环浸渍液泵出口按22g/h速度泵入10%亚磷酸三丁酯乙醇溶液使其和浸渍液混合后进入催化剂制备器内,10小时后浸渍结束,得到催化剂前体2和催化剂浸渍剩余液;用去离子水缓慢置换催化剂制备反应器内的浸渍剩余液至ph小于7.5,再在氮气保护氛围下将水份蒸干,得到丁二烯氢氰化合成戊烯腈的催化剂前体3。配制250g 4%三氯化铝乙醇溶液,并使该溶液过量浸渍于催化剂前体3,50℃老化10小时后,氮气氛围100℃烘干,得到丁二烯氢氰化合成戊烯腈的催化剂A6
实施例7
取17g粒径分布为10~20微米的含0.5%铜的镍铝合金粉、200g粒径为10~50微米氧化硅、5g田菁粉、40g 40%浓度的铝溶胶和适量水捏合40分钟后用挤条机挤条,120℃烘干,480℃焙烧5小时成催化剂前体1;将上述催化剂前体1放置入催化剂制备器内,加入至2L去离子水中,并用泵将其中的浸渍液做自循环。循环建立后将15%氢氧化钠水溶液缓慢滴加进催化剂制备器内,控制反应器内液体pH值为12~13,同时在循环浸渍液泵出口按4.4g/h速度泵入10%亚磷酸三丙酯乙醇溶液使其和浸渍液混合后进入催化剂制备器内,10小时后浸渍结束,得到催化剂前体2和催化剂浸渍剩余液;用去离子水缓慢置换催化剂制备反应器内的浸渍剩余液至pH小于7.5,再在氮气保护氛围下将水份蒸干,得到丁二烯氢氰化合成戊烯腈催化剂前体3。配制240g 1%氯化锌乙醇溶液,并使该溶液过量浸渍于催化剂前体3,50℃老化10小时后,氮气氛围100℃烘干,得到丁二烯氢氰化合成戊烯腈的催化剂A7
实施例8
取20g粒径分布为15~50微米的含1%铜的镍铝合金粉、200g粒径为10~50微米氧化硅、5g田菁粉、15g 40%浓度的铝溶胶和适量水捏合40分钟后用挤条机挤条,120℃烘干,480℃焙烧5小时成催化剂前体1;将上述催化剂前体1放置入催化剂制备器内,加入至2L去离子水中,并用泵将其中的浸渍液做自循环。循环建立后将15%氢氧化钠水溶液缓慢滴加进催化剂制备器内,控制反应器内液体pH值为12~13,同时在循环浸渍液泵出口按15g/h速度泵入10%亚磷酸三丙酯乙醇溶液使其和浸渍液混合后进入催化剂制备器内,10小时后浸渍结束,得到催化剂前体2和催化剂浸渍剩余液;用去离子水缓慢置换催化剂制备反应器内的浸渍剩余液至pH小于7.5,再在氮气保护氛围下将水份蒸干,得到丁二烯氢氰化合成戊烯腈的催化剂前体3。配制250g 2%氯化锌乙醇溶液,并使该溶液过量浸渍于催化剂前体3,50℃老化10小时后,氮气氛围100℃烘干,得到丁二烯氢氰化合成戊烯腈的催化剂A8
实施例9
分别取实施例1至实施例8所得催化剂进行考评。将氰化氢和1,3丁二烯按摩尔比0.9:1混合、汽化后进入到反应器与催化剂接触,在反应温度为100℃、压力0.3MPa、氰化氢的重量空速为0.2小时-1条件下进行氢氰化反应,待反应稳定后对产物进行取样分析,结果见表1。
表1
催化剂编号 丁二烯转化率,% 线性戊烯腈总选择性,%
A1 85.67 82.33
A2 83.24 83.11
A3 84.78 83.77
A4 82.59 84.69
A5 85.29 81.47
A6 84.67 81.55
A7 86.33 85.71
A8 85.37 83.11
由表1的试验数据分析可得:
丁二烯转化率受镍-磷配体的含量的影响比较大,催化剂A2的活性组分含量较低,不足以影响催化剂的活性,因而采用A2催化剂的丁二烯转化率偏低;其次,适当含量的钼、铜、钴多价态助剂有调节催化剂电子效应的作用,对催化剂活性有一定影响,催化剂A4由于助剂添加量较低因而丁二烯的转化率偏低;再有,制备过程中镍铝合金粉的粒径对催化剂活性有一定影响,催化剂A7所涉镍铝合金粉的粒径分布为10~20微米,更小的粒径使得有效活性中心增加,利于提升催化剂活性,提高丁二烯转化率。
线性产物选择性则受镍-磷配体和路易斯酸含量间的匹配影响较大。过低氰化产物中的一些非直链产物的异构化转化速率慢,因而产物中线性产物选择性偏低。而过高则也会造成一些其他副反应的增多,影响选择性。因而,催化剂A5和A6选择性偏低。
实施例10
取实施例7所得催化剂进行反应考评,改变工艺条件进行试验,反应条件以及结果见表2。
表2
由表2可知,在其余反应条件恒定的基础上,随着氰化氢和1,3丁二烯摩尔比在0.4~0.9:1区间内提升时,丁二烯的转化率呈现上升趋势,且当氰化氢和1,3丁二烯摩尔比达到区间内的最大值0.9:1时,随着反应温度的升高,丁二烯的转化率呈现进一步的提升趋势,线性戊烯腈总选择性略有提升;此外,当氢氰化反应压力提升,且氰化氢重量空速减小时,对于丁二烯的转化率略有提升,线性戊烯腈总选择性略有下降,反之亦然。
实施例11
取实施例1所得催化剂进行稳定性考察。将氰化氢和1,3丁二烯按摩尔比0.9:1混合、汽化后进入到反应器与催化剂接触,在反应温度为100℃、压力0.3MPa、氰化氢重量空速为0.2小时-1条件下进行氢氰化反应,待反应稳定后定时对产物进行取样分析,结果见表3。
表3催化剂稳定性试验
反应时间,h 丁二烯转化率,% 线性戊烯腈总选择性,%
15 85.67 82.33
200 85.88 82.74
600 84.96 82.36
800 85.37 82.67
1000 85.21 81.96
1200 85.46 81.79
1400 85.69 82.35
1600 84.89 82.67
1800 85.21 82.31
2000 85.76 82.56
由表3数据可知,采用本申请工艺及配方改进的氢氰化催化剂在气固两相反应条件下,稳定性良好。
以上详细描述了本发明的具体实施方式,但是,本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合,这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容,均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.氢氰化催化剂,其特征在于,包括以下重量份的组分:
其中,所述磷配体为亚磷酸酯;
所述助剂选自钼、铜、钴中的一种或者几种组合;
所述路易斯酸选自氯化锌、三氯化铝、四氯化钛中的一种或者几种组合。
2.根据权利要求1所述的氢氰化催化剂,其特征在于,包括以下重量份的组分:
其中,所述亚磷酸酯选自亚磷酸三苯酯、亚磷酸三丁酯和亚磷酸三丙酯中的一种或者几种组合,且所述亚磷酸酯与金属镍的摩尔比为0.1~0.5:1。
3.根据权利要求1或2所述的氢氰化催化剂,其特征在于,
所述载体选自氧化锆、氧化硅和氧化钛中的一种或者几种组合,所述载体的粒径分布在10-50微米;
和/或,所述粘结剂选择氧化铝。
4.权利要求1-3任一所述的氢氰化催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
a)将含铜、钴、钼中的至少一种金属的镍铝合金粉、粘结剂、载体和适量致孔剂捏合、挤条、烘干、焙烧成催化剂前体1;
b)将上述催化剂前体1放置入催化剂制备器内,加入至2~5倍催化剂前体1体积的去离子水中,并用泵将其中的浸渍液做自循环;
c)将氢氧化钠水溶液缓慢滴加进催化剂制备器内,控制pH值为12~13,在循环浸渍液泵出口添加磷配体使其和浸渍液混合后进入催化剂制备器内,3~10小时后浸渍结束,得到催化剂前体2和催化剂浸渍剩余液;
d)将去离子水缓慢置换催化剂制备器内浸渍剩余液至pH小于7.5,再在惰性气体氛围下将水分蒸干,得到催化剂前体3;
e)配制路易斯酸无水乙醇溶液,并使该溶液过量浸渍于催化剂前体3,待至老化充分后于惰性气氛下烘干,得到氢氰化催化剂。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,步骤a中:
所述镍铝合金粉的粒径为10~50微米;和/或,
所述致孔剂选自田菁粉、甲基纤维素和尿素中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,步骤c中:
所述磷配体配制成5~20%的亚磷酸酯乙醇溶液;和/或,
所述氢氧化钠水溶液的浓度为8~20%。
7.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,
步骤d中的所述路易斯酸配制成0.3~5%的氯化锌、三氯化铝和/或四氯化钛乙醇溶液。
8.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,
步骤a中的烘干温度为80~150℃,烘干时长为4~20小时,焙烧温度400~550℃及焙烧时长为3~7小时;和/或,
步骤e中的老化温度为40~60℃,老化时长为3-24小时。
9.氢氰化催化剂在烯烃氢氰化合成己二腈中的应用,其特征在于,
所述氢氰化催化剂为权利要求1-3任一所述的氢氰化催化剂或权利要求4-8任一所述的制备方法进行制取的氢氰化催化剂。
10.根据权利要求9所述的应用,其特征在于,
所述氢氰化催化剂应用至丁二烯氰化合成戊烯腈的一级氰化反应中,原料氰化氢和1,3丁二烯混合、汽化后与所述氢氰化催化剂接触进行氢氰化反应,反应温度为60~150℃,压力为0.1~0.5MPa,氰化氢的重量空速为0.05~0.5小时-1,氰化氢和1,3丁二烯的摩尔比为0.4~0.9:1。
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