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        苯胺與二氧化碳、甲醇反應(yīng)一步合成苯氨基甲酸甲酯的研究

        2015-06-05 03:12:22王哲凱王海鷗胥歡歡王延吉
        精細(xì)石油化工 2015年3期
        關(guān)鍵詞:脫水劑苯胺分子篩

        王哲凱,馮 磊,王海鷗,趙 茜,胥歡歡,袁 燁,李 芳,王延吉

        (河北工業(yè)大學(xué)綠色化工與高效節(jié)能河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300130)

        CO2是產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”的主要?dú)怏w,由于CO2排放所引起的全球氣候變暖問(wèn)題已經(jīng)引起了人們的擔(dān)憂(yōu)。通過(guò)化學(xué)方法將CO2資源化,既可消除CO2對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響,又可將廉價(jià)的碳資源轉(zhuǎn)化成具有高附加值的化工產(chǎn)品[1-2]。

        二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)是合成聚氨酯的重要原料。目前,MDI的工業(yè)生產(chǎn)仍然采用光氣法。由于光氣劇毒,存在安全事故隱患及環(huán)境污染可能,因此,開(kāi)發(fā)MDI非光氣合成工藝顯得尤為重要。在MDI非光氣合成工藝中,以苯胺、CO2和甲醇為原料的合成工藝尤為引人關(guān)注。該路線由三步反應(yīng)構(gòu)成,即首先以苯胺、CO2和甲醇為原料合成苯氨基甲酸甲酯(MPC),然后MPC與甲醛縮合生成二苯甲烷二氨基甲酸甲酯(MDC),最后MDC裂解得到MDI。該方法利用價(jià)廉的溫室氣體CO2和大宗化工產(chǎn)品甲醇為原料合成具有高附加值的化工產(chǎn)品,具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

        該工藝的第一步以苯胺、CO2和甲醇為原料合成MPC是該工藝路線的關(guān)鍵步驟。目前,有關(guān)以胺、CO2和醇為原料合成MPC的文獻(xiàn)報(bào)道較少,而多集中于脂肪族氨基甲酸酯的合成[3-6]。使用的催化劑多為均相催化劑,如Bu2SnO[3]、Ni(OAc)2

        [4]、Cs2CO3或 Rb2CO3[5]、二環(huán)脒[6]等。此外,由于該反應(yīng)副產(chǎn)水,而水會(huì)對(duì)催化劑性能產(chǎn)生不利的影響,因此在進(jìn)行反應(yīng)時(shí)需要加入脫水劑;一方面可以消除水的影響,另一方面也可以促使化學(xué)平衡向利于氨基甲酸酯生成的方向移動(dòng)。故上述反應(yīng)過(guò)程中均需要加入化學(xué)脫水劑如二乙氧基丙 烷[3]、二 甲 基 乙 縮 醛[4]、二 甲 氧 基 丙 烷[5]等。Abla等[3]以Bu2SnO為催化劑,二乙氧基丙烷為脫水劑,CO2壓力30MPa,在200℃反應(yīng)24 h,叔丁胺轉(zhuǎn)化率為59%,叔丁氨基甲酸乙酯選擇性為90%。趙新強(qiáng)等[6]研究了不同堿催化劑和溶劑對(duì)苯胺、甲醇和CO2反應(yīng)的影響。結(jié)果表明,以二環(huán)脒為催化劑,乙腈為溶劑和脫水劑,當(dāng)CO2壓力1MPa,在180℃反應(yīng)5h,苯胺轉(zhuǎn)化率為7.1%,MPC選擇性為25.3%。然而使用均相催化劑和化學(xué)脫水劑存在分離回收困難等問(wèn)題,為克服上述問(wèn)題,Honda等[7]開(kāi)發(fā)了非均相CeO2催化劑。在不使用脫水劑的情況下,該催化劑對(duì)芐胺、甲醇和CO2的反應(yīng)具有較好的催化活性,芐胺轉(zhuǎn)化率最高可達(dá)99%,芐基氨基甲酸甲酯選擇性為92%。然而,該催化劑對(duì)苯胺、醇和CO2的催化性能較差,苯胺轉(zhuǎn)化率為3%,MPC的選擇性為56%。

        綜上所述,利用苯胺和甲醇、CO2一步反應(yīng)合成MPC,存在催化劑活性差的缺點(diǎn),同時(shí)反應(yīng)過(guò)程需要加入化學(xué)脫水劑,帶來(lái)產(chǎn)物分離回收困難等問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題,本文以4A分子篩為脫水劑、以CeO2-ZrO2為催化劑研究了 MPC的合成,并考察了催化劑制備條件和反應(yīng)條件對(duì)催化劑活性的影響。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 主要試劑

        苯胺、Ce(NO3)3·6H2O,分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;甲醇,色譜純,天津市康科德科技有限公司;4A分子篩、Zr(NO3)4·5H2O,分析純,天津市福晨化學(xué)試劑廠;尿素,分析純,天津市化學(xué)試劑一廠。

        1.2 催化劑的制備

        稱(chēng)取一定量的Ce(NO3)3·6H2O、尿素和水置于三口瓶中,加熱攪拌,在80℃攪拌10h,反應(yīng)結(jié)束后,經(jīng)離心分離、干燥后得到Ce(OH)3;采用等體積浸漬法將一定量的Zr(NO3)4·5H2O水溶液均勻滴加到Ce(OH)3上,浸漬24h,再將試樣干燥、焙燒(600℃、4h)制得催化劑 CeO2-ZrO2。

        1.3 催化劑的活性評(píng)價(jià)

        將一定量的苯胺、甲醇、4A分子篩和催化劑加入到100mL不銹鋼高壓反應(yīng)釜中,利用CO2置換3次后充入一定量的CO2,加熱至設(shè)定溫度后開(kāi)始計(jì)時(shí);反應(yīng)結(jié)束后停止加熱,反應(yīng)釜冷卻至室溫,將未反應(yīng)CO2的放空,取出混合產(chǎn)物減壓過(guò)濾,濾液利用高效液相色譜進(jìn)行定量分析。

        1.4 產(chǎn)物分析方法

        采用美國(guó)Waters高效液相色譜系統(tǒng)(HPLC)對(duì)反應(yīng)的主產(chǎn)物、副產(chǎn)物進(jìn)行定量分析,采用2998型雙波長(zhǎng)紫外檢測(cè)器(λ=254nm),Kromasil C-18色譜柱(φ4.6mm×150mm,粒徑:5μm),流動(dòng)相:V(甲醇)∶V(水)=60∶40,流速:0.5mL/min;利用硝基苯為內(nèi)標(biāo)物對(duì)反應(yīng)液進(jìn)行定量分析。

        1.5 催化劑的表征方法

        采用日本理學(xué)D/MAX-2500型X射線衍射儀對(duì)對(duì)催化劑進(jìn)行物相表征,激發(fā)光源為Cu Kα(λ=0.154 056nm),石墨單色濾光片,狹縫SS/DS1°,RS 0.15mm,管電壓40kV,管電流100 mA,計(jì)數(shù)器SC,掃描范圍2θ=5°~90°。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 脫水劑的影響

        對(duì)于苯胺、甲醇和CO2合成苯氨基甲酸甲酯的反應(yīng),通常先生成中間產(chǎn)物碳酸二甲酯(DMC),DMC 再和苯胺反應(yīng)生成 MPC[7-8]。由于甲醇和CO2合成DMC的反應(yīng)是受熱力學(xué)平衡限制的反應(yīng),為了促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行,在進(jìn)行反應(yīng)時(shí)通常需要及時(shí)移除反應(yīng)中生成的水[9]。為提高M(jìn)PC的收率,以4A分子篩為脫水劑,考察了加入脫水劑前后對(duì)合成MPC的影響,結(jié)果見(jiàn)表1所示。可以看出,當(dāng)不加入脫水劑4A分子篩時(shí),MPC的選擇性為48.9%,該反應(yīng)的副產(chǎn)物為N-甲基苯胺(NMA),其反應(yīng)方程式如下:

        加入4A分子篩后盡管苯胺的轉(zhuǎn)化率略有下降,但MPC的選擇性提高至66.7%。為此考察了脫水劑用量對(duì)合成MPC反應(yīng)的影響,結(jié)果見(jiàn)表2所示??梢钥闯?,隨著4A分子篩用量的增大,苯胺的轉(zhuǎn)化率起初變化不明顯,當(dāng)4A分子篩用量為5.0g時(shí),苯胺的轉(zhuǎn)化率增至11.2%;MPC的選擇性則呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。由此可見(jiàn),4A分子篩用量過(guò)大,會(huì)利于NMA的合成,造成MPC的選擇性下降,因此,脫水劑的最佳用量為4.0g。

        表1 脫水劑對(duì)合成MPC的影響

        表2 脫水劑用量對(duì)合成MPC反應(yīng)的影響

        2.2 鈰鋯比(n(Ce)∶n(Zr))對(duì)CeO2-ZrO2 催化性能的影響

        考察了n(Ce)∶n(Zr)對(duì)CeO2-ZrO2催化劑催化性能的影響,結(jié)果見(jiàn)表3所示。由表3可以看出,以ZrO2為催化劑時(shí),MPC的選擇性為0,反應(yīng)中僅有NMA生成。以CeO2為催化劑時(shí),苯胺的轉(zhuǎn)化率為10.0%,MPC的選擇性為32.3%。而以CeO2-ZrO2為催化劑時(shí),苯胺的轉(zhuǎn)化率n(Ce)∶n(Zr)對(duì)苯胺的轉(zhuǎn)化率影響不大;隨著Zr含量的增大,MPC的選擇性隨之增大,當(dāng)n(Ce)∶n(Zr)=2時(shí),MPC的選擇性最高,繼續(xù)增大Zr含量,MPC的選擇性有所下降。

        表3 n(Ce)∶n(Zr)對(duì)催化劑CeO2-ZrO2性能的影響

        圖1 不同條件下制備的CeO2-ZrO2催化劑的XRD譜a—CeO2;b—CeO2-ZrO2(n(Ce)∶n(Zr)=4∶1);c—CeO2-ZrO2(n(Ce)∶n(Zr)=2∶1);d—CeO2-ZrO2(n(Ce)∶n(Zr)=1∶1)

        將不同n(Ce)∶n(Zr)條件下制備的CeO2-ZrO2催化劑進(jìn)行了XRD表征,結(jié)果見(jiàn)圖1所示。可以看出,不同n(Ce)∶n(Zr)條件下制備的CeO2-ZrO2催化劑均出現(xiàn)了立方相螢石結(jié)構(gòu)CeO2的衍射峰,并且隨著n(Ce)∶n(Zr)的增大,催化劑的衍射峰出現(xiàn)寬化現(xiàn)象,這說(shuō)明ZrO2的存在,可在一定程度上抑制催化劑晶粒長(zhǎng)大。此外,隨著n(Ce)∶n(Zr)的增大,CeO2-ZrO2催化劑出現(xiàn)了CexZr1-xO2的衍射峰。由表3可知,CeO2和ZrO2為催化劑時(shí),其對(duì)MPC的選擇性分別為32.3%和0,隨著ZrO2用量的增大,MPC的選擇性隨之增大,由此可以推測(cè),CexZr1-xO2的形成是其選擇性提高的原因。

        2.3 反應(yīng)條件對(duì)MPC合成反應(yīng)的影響

        2.3.1 反應(yīng)溫度的影響

        以CeO2-ZrO2(n(Ce)∶n(Zr)=2∶1)為催化劑,考察了反應(yīng)溫度對(duì)MPC合成反應(yīng)的影響,結(jié)果見(jiàn)圖2所示。由圖2可以看出,隨著反應(yīng)溫度的升高,苯胺的轉(zhuǎn)化率隨之增大,可見(jiàn)升高溫度有利于苯胺的轉(zhuǎn)化;同樣,MPC的選擇性隨著反應(yīng)溫度的升高而升高,當(dāng)反應(yīng)溫度為160℃時(shí),MPC的選擇性達(dá)到最大,繼續(xù)升高反應(yīng)溫度,MPC的選擇性反而下降,這是由于高溫利于NMA的生成。

        圖2 反應(yīng)溫度對(duì)MPC合成反應(yīng)的影響反應(yīng)條件:m(CeO2-ZrO2)∶m(苯胺)=0.43,n(苯胺)∶n(甲醇)=1∶100(苯胺0.46mL),初始 CO2壓力4.0MPa,8h,4A分子篩4g。

        2.3.2 CO2初始?jí)毫Φ挠绊?/p>

        考察了CO2初始?jí)毫?duì)MPC合成反應(yīng)的影響,結(jié)果見(jiàn)圖3所示。

        由圖3可以看出,隨著CO2初始?jí)毫Φ脑龃螅桨返霓D(zhuǎn)化率呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì),這是由于,隨著CO2初始?jí)毫Φ脑龃?,?huì)使得液相中CO2的濃度增大,從而有利于反應(yīng)的進(jìn)行。對(duì)MPC的選擇性而言,MPC的選擇性隨著CO2初始?jí)毫Φ脑龃蠖龃螅?dāng)CO2初始?jí)毫?.0MPa時(shí),MPC的選擇性達(dá)到最大,繼續(xù)增大CO2初始?jí)毫?,反而?huì)使得MPC的選擇性下降。這可能是由于CO2壓力增大,會(huì)導(dǎo)致副產(chǎn)物水在液相中的濃度增大,從而對(duì)催化劑的性能產(chǎn)生影響,造成MPC的選擇性下降。

        圖3 CO2初始?jí)毫?duì)MPC合成反應(yīng)的影響反應(yīng)條件:m(CeO2-ZrO2)∶m(苯胺)=0.43,n(苯胺)∶n(甲醇)=1∶100(苯胺0.46mL),160℃,8h,4A分子篩4g。

        2.3.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)合成MPC的影響

        反應(yīng)時(shí)間對(duì)MPC合成反應(yīng)的影響見(jiàn)圖4。

        圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)MPC合成反應(yīng)的影響反應(yīng)條件:m(CeO2-ZrO2)∶m(苯胺)=0.43,n(苯胺)∶n(甲醇)=1∶100(苯胺0.46mL),初始 CO2壓力4.0MPa,160℃,4A分子篩4g

        由圖4可以看出,隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),苯胺的轉(zhuǎn)化率隨之增大,而當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為10h,苯胺的轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大,繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間,苯胺的轉(zhuǎn)化率幾乎不變。同樣,MPC的選擇性隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為8h時(shí),MPC的選擇性達(dá)到最大,繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間,導(dǎo)致反應(yīng)中副產(chǎn)物NMA增多,從而降低了MPC的選擇性。

        2.3.4 甲醇與苯胺的摩爾比對(duì)合成MPC的影響

        以CeO2-ZrO2為催化劑時(shí),利用GC-MS檢測(cè)到中間產(chǎn)物DMC,因此,該反應(yīng)的反應(yīng)歷程為:由甲醇、CO2先合成DMC,DMC再與苯胺合成MPC,反應(yīng)式如下:

        甲醇在第一步反應(yīng)中作為原料,而在第二步反應(yīng)中作為副產(chǎn)物,因此其用量會(huì)對(duì)MPC的合成產(chǎn)生影響,為此考察了甲醇與苯胺的摩爾比對(duì)合成MPC的影響,結(jié)果見(jiàn)表4所示。可以看出,隨著甲醇用量的增大,苯胺的轉(zhuǎn)化率下降,這是由于甲醇用量的增大會(huì)稀釋反應(yīng)物的濃度,造成反應(yīng)速率下降。而當(dāng)n(苯胺)∶n(甲醇)=100時(shí),MPC的選擇性達(dá)到最大。

        表4 甲醇與苯胺的摩爾比對(duì)合成MPC的影響

        3 結(jié) 論

        a.與CeO2、ZrO2相比,CeO2-ZrO2(n(Ce)∶n(Zr)=2∶1)對(duì)于 MPC的選擇性明顯提高,這是由于CeO2-ZrO2可以形成CexZr1-xO2,從而提高其選擇性。

        b.當(dāng)n(Ce)∶n(Zr)=2∶1時(shí),以CeO2-ZrO2為催化劑,以4A分子篩為脫水劑,考察了反應(yīng)條件對(duì)合成MPC的影響,當(dāng)n(苯胺)∶n(甲醇)=1∶100(苯胺0.46mL)、m(CeO2-ZrO2)∶m(苯胺)=0.43、CO2反應(yīng)初始反應(yīng)壓力為4.0MPa、反應(yīng)溫度為160℃、反應(yīng)時(shí)間為8h,4A分子篩為4g,苯胺的轉(zhuǎn)化率為7.8%,MPC的選擇性為66.7%。

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