劉霞,呂志果,王金金
(青島科技大學(xué)化工學(xué)院,山東青島 266042)
α-羥基-β,β-二甲基-γ-丁內(nèi)酯(DL-γ-泛內(nèi)酯)是制備泛酸系列產(chǎn)品最重要的中間體[1-2]。泛酸鈣(維生素B5)是生物正常生長必需的營養(yǎng)物質(zhì)之一,廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、飼料和食品等行業(yè)中[3];泛醇(維生素原B5)屬維生素B族類營養(yǎng)增補劑,廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化妝品、食品、飼料等領(lǐng)域,隨著人們生活水平的提高,在日用化學(xué)品中的應(yīng)用不斷增長[4]。目前,DL-γ-泛內(nèi)酯合成技術(shù)是制約開發(fā)泛酸鈣技術(shù)的關(guān)鍵因素。
α-羥基-β,β-二甲基-γ-丁內(nèi)酯的主要生產(chǎn)方法有:異丁醛、甲醛、氫氰酸法[5-6],異丁醛、羥乙腈法,異丁醛、乙醛酸法[7]。這3種方法使用分步合成法,生產(chǎn)過程不連續(xù),操作不方便,產(chǎn)品質(zhì)量不易控制;工藝流程長,消耗大,生產(chǎn)成本高;使用劇毒原料,污染環(huán)境同時增加安全費用。還有報道以草酸二乙酯、異丁醛、甲醛為原料,合成酮基泛內(nèi)酯再經(jīng)催化加氫合成DL-泛內(nèi)酯[8-10],但選擇性較差,收率低。
本文采用乙醛酸和異丁醛在三乙胺的催化下進行羥醛縮合反應(yīng),然后采用固定床反應(yīng)器,在銅基加氫催化劑作用下將其連續(xù)加氫、脫水環(huán)化制得DL-泛內(nèi)酯,這種方法具有產(chǎn)品收率高,副產(chǎn)物少,工藝流程短,產(chǎn)品純度高,成本低等特點[11-12]。
硝酸銅、氫氧化鈉、硅膠、異丁醛、乙醛酸、三乙胺均為工業(yè)品。
固定床反應(yīng)器為華東理工大學(xué)聯(lián)反所研制;GC-SP6800A型氣相色譜儀;D/MAX-2500/PC型X射線衍射儀;JSM-6700F型掃描電鏡。
催化劑制備采用共沉淀法。將Cu(NO3)2·3H2O水溶液和NaOH水溶液在攪拌下并流滴加入置于恒溫水浴的500 mL三口燒瓶中,并依次滴加助劑、硅溶膠,升溫至80℃,老化6 h。抽濾、洗滌,120℃干燥12 h,500℃焙燒12 h。加壓成型,破碎、篩分出15~40目的催化劑,備用。
將50%乙醛酸裝入帶有攪拌和冷凝裝置的三口燒瓶中,在30~40℃下滴加三乙胺,滴加完畢后,將溫度升至40℃,滴加異丁醛。在60℃下反應(yīng)2 h。反應(yīng)結(jié)束后,在60~70℃下減壓蒸餾,脫出未反應(yīng)的異丁醛和三乙胺。
催化劑的活性評價采用高壓微型連續(xù)固定床反應(yīng)裝置,催化劑的裝填量6 mL,催化劑床層上下填充石英砂。工藝流程見圖1,催化劑采 V(H2)∶V(N2)=3∶17 的混合氣體,控制溫度 50,200,250 ℃的升溫程序進行還原,降溫后切換成反應(yīng)氣,再將制備好的羥醛縮合產(chǎn)物用計量泵按一定流量與經(jīng)質(zhì)量流量計控制和計量的氫氣混合、預(yù)熱進入反應(yīng)器。反應(yīng)器為內(nèi)徑20 mm的不銹鋼鋼管式反應(yīng)器,軸心設(shè)有熱偶套管,管內(nèi)熱電偶可以直接測量催化劑床層溫度,反應(yīng)系統(tǒng)壓力由背壓閥控制。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)低溫冷凝和氣液分離,收集液體樣品以備分析。
圖1 加氫反應(yīng)裝置流程圖Fig.1 Reactor systems for catalytic hydrogenation
采用毛細管色譜法對產(chǎn)物進行定性定量分析。色譜條件為:色譜柱為PEG-30毛細管色譜柱,氫火焰離子化檢測器,柱溫由初溫60℃,以10℃/min升溫至240℃,保持2 min,檢測室溫度280℃,氣化室溫度280℃,N2為載氣,空氣為助燃氣,進樣量0.1 μL。
2.1.1 氫氣壓力對反應(yīng)的影響 在反應(yīng)溫度為120 ℃,氫醛摩爾比為 80∶1,液空速為 0.6 h-1的條件下,考察氫氣壓力對加氫反應(yīng)的影響,結(jié)果見圖2。
圖2 氫氣壓力對DL-泛內(nèi)酯收率影響Fig.2 Effect of the reaction pressure on the yield of DL-pantolactone
由圖2可知,隨著氫氣壓力的升高,DL-泛內(nèi)酯的收率明顯提高。這是因為氫氣作為反應(yīng)物之一,其壓力的提高,有利于氫氣向催化劑孔內(nèi)擴散,有助于反應(yīng)物在催化劑活性組分上的吸附,提高了DL-泛內(nèi)酯的收率。氫氣壓力超過7 MPa后,壓力對產(chǎn)物的收率貢獻減弱。因此,反應(yīng)的最佳壓力是7 MPa。
2.1.2 溫度對反應(yīng)的影響 在壓力為7 MPa,氫醛摩爾比為 80∶1,液空速為 0.6 h-1條件下,考察溫度對加氫反應(yīng)的影響,結(jié)果見圖3。
圖3 反應(yīng)溫度對DL-泛內(nèi)酯收率影響Fig.3 Effect of the reaction temperature on the yield of DL-pantolactone
由圖3可知,隨溫度的升高,DL-泛內(nèi)酯的收率先增大后減少,在120℃達到最大。這可能由于溫度升高,有助于催化劑的活性提高,加快反應(yīng)速率,DL-泛內(nèi)酯的收率提高;但隨著溫度進一步升高,會加劇副產(chǎn)物的生成,而且可能加劇催化劑的燒結(jié)或結(jié)焦。因此,反應(yīng)的最佳溫度為120℃。
2.1.3 液空速對反應(yīng)的影響 在反應(yīng)溫度為120℃,壓力為7 MPa,氫醛摩爾比為80∶1條件下,考察液空速對加氫反應(yīng)的影響,結(jié)果見圖4。
圖4 液空速對DL-泛內(nèi)酯收率影響Fig.4 Effect of liquid hourly space velocity on the yield of DL-pantolactone
由圖4可知,隨著液空速的增大,DL-泛內(nèi)酯的收率逐漸減小。這是由于隨著液空速的增大,中間產(chǎn)物在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間減少,不利于在催化劑活性中心上的吸附,反應(yīng)不完全,產(chǎn)物的收率減小。液空速在超過0.8 h-1后,DL-泛內(nèi)酯的收率明顯下降。因此,比較合適的液空速是 0.6 ~0.8 h-1。
2.1.4 氫醛比對反應(yīng)的影響 在反應(yīng)溫度為120 ℃,壓力為 7 MPa,液空速為 0.6 h-1條件下,考察氫醛摩爾比對加氫反應(yīng)的影響,結(jié)果見圖5。
圖5 氫醛摩爾比對DL-泛內(nèi)酯收率影響Fig.5 Effect of hydrogen/aldehyde molar ratio on the yield of DL-pantolactone
由圖5可知,隨著氫醛比的增大,DL-泛內(nèi)酯的收率明顯提高,在n(氫)∶n(醛)=80∶1時達到最大。由于中間產(chǎn)物和氫氣存在競爭吸附,氫醛比過小,吸附在催化劑表面的氫氣量少,反應(yīng)不充分,產(chǎn)物收率降低。當(dāng)n(氫)∶n(醛)=80∶1時,產(chǎn)物收率達到最大,繼續(xù)增加氫氣量,產(chǎn)物收率稍有下降,但過高的氫醛比也意味過高的能耗。因此,最佳氫醛摩爾比為 80∶1。
采用高壓微型固定床反應(yīng)器進行催化劑穩(wěn)定性評價。在反應(yīng)溫度120℃,壓力為7 MPa,液空速為0.6 h-1,氫醛摩爾比為 80∶1 的實驗條件下,進行700 h連續(xù)加氫反應(yīng),定期取樣分析,結(jié)果見圖6。
圖6 催化劑穩(wěn)定性評價Fig.6 Catalyst stability evaluation
由圖6可知,700 h連續(xù)催化加氫反應(yīng),DL-泛內(nèi)酯的平均收率>96%。在催化劑初始反應(yīng)階段,活性呈上升的趨勢,由于催化劑存在誘導(dǎo)期,在此階段催化劑逐步的達到最佳的物理和化學(xué)特性。表明采用共沉淀法制備的銅基催化劑,在反應(yīng)溫度120℃,壓力7 MPa,液空速 0.6 h-1,氫醛摩爾比為 80∶1 操作條件下活性穩(wěn)定。
2.3.1 XRD分析 催化劑反應(yīng)前后XRD圖譜見圖7。
圖7 銅基催化劑的XRD譜圖Fig.7 XRD patterns of copper-based catalyst
由圖7a 可知,在2θ=35.485,38.855°兩處有明顯的氧化銅衍射峰,以其半峰寬計算,其平均粒度分別為 12.21 nm。由圖 7b 可知,在 2θ=43.281,50.466,74.349°出現(xiàn) 3 個明顯的銅衍射峰,以其半峰寬計算,其平均粒度為14.73 nm,催化劑在使用前后,銅元素由氧化態(tài)變?yōu)檫€原態(tài),其晶粒有所增長。反應(yīng)前后,催化劑都具有納米結(jié)構(gòu),說明采用共沉淀法制備的催化劑擁有較大的比表面積,具有良好的催化活性與穩(wěn)定性。
2.3.2 SEM分析 圖8為催化劑反應(yīng)前后表面形貌的SEM圖。
圖8 銅基催化劑的SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM images of copper-based catalyst
由圖8可知,反應(yīng)前后銅基催化劑顆粒細小為納米級,具有良好的催化活性,與XRD分析相符。使用前的催化劑,顆粒大小均勻,且分散良好,表明催化劑具有良好的孔徑結(jié)構(gòu)。反應(yīng)后的催化劑,顆粒呈球形,且有聚集現(xiàn)象,導(dǎo)致催化劑的形貌和粒徑的變化。
(1)采用共沉淀法制備的銅基催化劑對加氫制備DL-泛內(nèi)酯具有很高催化活性。在反應(yīng)溫度120 ℃,氫氣壓力 7 MPa,液空速 0.6 ~ 0.8 h-1,n(H2)∶n(醛)=80∶1 的條件下,DL-泛內(nèi)酯的收率高達98%。
(2)采用固定床反應(yīng)器對催化劑進行700 h穩(wěn)定性考察,平均收率高于96%,無明顯失活,催化劑具有較好的穩(wěn)定性,預(yù)計有較長的使用壽命。(3)XRD、SEM表明,采用共沉淀法制備的銅基催化劑具有納米結(jié)構(gòu),有較大的比表面積,良好的催化活性與穩(wěn)定性。
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