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        醛加氫法制備三羥甲基丙烷加氫工藝的研究

        2016-09-14 09:34:40柴勇利劉玉霞王大陸崔炳春
        河南化工 2016年8期
        關(guān)鍵詞:丁醛丙烷反應(yīng)時(shí)間

        柴勇利 , 張 辰 , 劉玉霞 , 王大陸 , 李 明 , 崔炳春

        (1.河南省化工研究所有限責(zé)任公司 , 河南 鄭州 450052 ; 2.河南省正德環(huán)??萍加邢薰?, 河南 鄭州 450052)

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        醛加氫法制備三羥甲基丙烷加氫工藝的研究

        柴勇利1, 張辰2, 劉玉霞1, 王大陸1, 李明1, 崔炳春1

        (1.河南省化工研究所有限責(zé)任公司 , 河南 鄭州450052 ; 2.河南省正德環(huán)保科技有限公司 , 河南 鄭州450052)

        介紹了高壓反應(yīng)釜中2,2-二羥甲基丁醛在自制Cu-Zn-Mn/γ-Al2O3催化劑作用下,在不同催化劑用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力和反應(yīng)時(shí)間加氫制備三羥甲基丙烷的研究,從2,2-二羥甲基丁醛轉(zhuǎn)化率和三羥甲基丙烷收率兩方面進(jìn)行優(yōu)化。通過實(shí)驗(yàn),得到了2,2-二羥甲基丁醛加氫制三羥甲基丙烷的最佳工藝條件:催化劑用量為正丁醛質(zhì)量的2.0%,反應(yīng)溫度120 ℃,反應(yīng)壓力5.5 MPa,反應(yīng)時(shí)間3.5 h,2,2-二羥甲基丁醛轉(zhuǎn)化率和三羥甲基丙烷的收率最好,分別為96.53%和86.58%。

        醛加氫法 ; 2,2-二羥甲基丁醛 ; 三羥甲基丙烷 ; 催化加氫

        0 前言

        三羥甲基丙烷(Trimethylolpropane,簡稱TMP)是一種重要的精細(xì)化工產(chǎn)品和有機(jī)化工原料。主要用于生產(chǎn)醇樹脂及聚氨酯,還可用于生產(chǎn)高檔涂料、松香酯、表面活性劑、纖維加工劑、增塑劑和高級(jí)潤滑油等[1-2]。

        三羥甲基丙烷是一種穩(wěn)定的三元醇,制備采用的主要原料是甲醛和正丁醛。目前工業(yè)上的合成工藝主要有兩種:①康尼扎羅法(Cannizzaro),該法副產(chǎn)物較多,產(chǎn)品質(zhì)量差,后處理工作量較大,產(chǎn)品收率僅為60%~70%;②醛加氫還原法,該法副反應(yīng)產(chǎn)物相對(duì)較少,產(chǎn)品質(zhì)量好,產(chǎn)品羥值達(dá)37.5%,產(chǎn)品收率>80%,目前歐美國家的一些三羥甲基丙烷生產(chǎn)廠家主要采用該法進(jìn)行生產(chǎn)[3-4]。醛加氫還原法主要分兩步進(jìn)行,第一步,正丁醛和甲醛溶液在三乙胺催化作用下通過羥醛縮合反應(yīng)生成2,2-二羥甲基丁醛(DMB),第二步加氫反應(yīng)是2,2-二羥甲基丁醛在加氫催化劑作用下加氫生成三羥甲基丙烷,其反應(yīng)路徑如下:

        該研究在實(shí)驗(yàn)室自制加氫催化劑Cu-Zn-Mn/γ-Al2O3作用下,考察第二步加氫反應(yīng)中不同催化劑的用量、溫度、壓力以及時(shí)間等對(duì)反應(yīng)的影響,從第一步中間產(chǎn)物2,2-二羥甲基丁醛轉(zhuǎn)化率和三羥甲基丙烷收率兩方面進(jìn)行工藝條件的優(yōu)化,最終得到最佳的加氫工藝條件。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1試劑及實(shí)驗(yàn)裝置

        三羥甲基丙烷(A.R,湖北宜化集團(tuán)有限公司);2.2-二羥甲基丁醛(自制);1,6己二醇(A.R,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);催化劑Cu-Zn-Mn/γ-Al2O3(自制);GSH500mL高壓反應(yīng)釜(威?;C(jī)械有限公司),F(xiàn)L9790-Ⅱ型氣相色譜儀(浙江福立分析有限公司)。

        1.2實(shí)驗(yàn)方法與步驟

        將第一步的反應(yīng)產(chǎn)物定容到350 mL,加入到500 mL的高壓反應(yīng)釜中,放入適量的固體加氫催化劑,在一定溫度、壓力條件下反應(yīng)3 h左右。反應(yīng)結(jié)束后產(chǎn)物經(jīng)過減壓蒸餾,取樣用FL9790-Ⅱ型氣相色譜儀分析。

        1.3產(chǎn)物分析與計(jì)算

        色譜采用TDX-01毛細(xì)柱、氮?dú)鉃檩d氣,柱溫采用程序升溫,初始60 ℃保持5 min,升溫速率為8 ℃/min,升溫至300 ℃保持10 min,檢測室和進(jìn)樣器均為250 ℃,其數(shù)據(jù)采用面積歸一化法來分析產(chǎn)物中各組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。2.2-二羥甲基丁醛轉(zhuǎn)化率和三羥甲基丙烷的收率計(jì)算方法如下:

        DMB轉(zhuǎn)化率/%=

        2 結(jié)果與討論

        2.1催化劑加入量對(duì)DMB轉(zhuǎn)化率和TMP收率的影響

        在120 ℃、4.5 MPa的反應(yīng)條件下,反應(yīng)3 h,通過對(duì)不同催化劑加入量條件下加氫產(chǎn)物的分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

        圖1 催化劑加入量對(duì)DMB轉(zhuǎn)化率和TMP收率的影響

        從圖1可以看出,DMB轉(zhuǎn)化率和TMP收率隨著催化劑用量的增加而增加,當(dāng)催化劑用量達(dá)到2.0%時(shí),TMP收率達(dá)到最大值。但是,當(dāng)催化劑用量超過2.0%時(shí),DMB轉(zhuǎn)化率趨于平衡,增幅減小,而TMP收率卻略有下降。隨著催化劑用量的增加,相應(yīng)的活性組分也增加,活性中心數(shù)目增加,反應(yīng)物與催化劑表面接觸的機(jī)會(huì)增加,表現(xiàn)為TMP的收率增加[5]。但是,當(dāng)催化劑增加到一定數(shù)量之后,生成的TMP不能及時(shí)從催化劑表面脫離出來,可能就會(huì)進(jìn)一步加氫而生成烴類,造成TMP收率的下降。所以,經(jīng)過綜合DMB轉(zhuǎn)化率和TMP收率兩方面因素,催化劑的加入量是正丁醛質(zhì)量的2.0%為最佳。

        2.2反應(yīng)溫度對(duì)DMB轉(zhuǎn)化率和TMP收率的影響

        加氫反應(yīng)是可逆、放熱和分子數(shù)減少的反應(yīng),根據(jù)這一特性,加氫反應(yīng)液有其最適溫度,此時(shí)催化劑催化活性最大。當(dāng)反應(yīng)溫度從100 ℃逐步升高到140 ℃,考察反應(yīng)溫度對(duì)DMB轉(zhuǎn)化率和TMP收率的影響,結(jié)果如圖2所示。

        圖2 反應(yīng)溫度對(duì)DMB轉(zhuǎn)化率和TMP收率的影響

        由圖2可以看出,DMB加氫作為可逆放熱反應(yīng),隨著溫度的升高,此時(shí)正反應(yīng)速率也隨著增大,同時(shí)正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率,表現(xiàn)在DMB轉(zhuǎn)化率和TMP的收率提高,在120 ℃時(shí),TMP收率達(dá)到最大值。但當(dāng)反應(yīng)溫度繼續(xù)升高時(shí),DMB轉(zhuǎn)化率雖然在提高,但增幅已經(jīng)減小很多,溫度繼續(xù)升高,DMB加氫會(huì)有其他副反應(yīng)發(fā)生。同時(shí)加氫反應(yīng)的逆反應(yīng)速率開始大于正反應(yīng)速率,反應(yīng)向著三羥甲基丙烷分解的方向進(jìn)行,TMP收率降低,這與文獻(xiàn)所述相符合[6]。所以,DMB加氫反應(yīng)中最佳反應(yīng)溫度是120 ℃。

        2.3反應(yīng)壓力對(duì)DMB轉(zhuǎn)化率和TMP收率的影響

        加氫反應(yīng)是分子減少的過程,通常反應(yīng)壓力越高越有利于加氫反應(yīng)的進(jìn)行,當(dāng)壓力增加到一定程度后,對(duì)反應(yīng)的影響逐漸減少。當(dāng)反應(yīng)壓力從3.0 MPa升高到6.5 MPa,考察反應(yīng)壓力對(duì)DMB轉(zhuǎn)化率和TMP收率的影響,結(jié)果如圖3所示。

        圖3 反應(yīng)壓力對(duì)DMB轉(zhuǎn)化率和TMP收率的影響

        從圖3可以看出,反應(yīng)壓力從3.0 MPa增加到6.5 MPa的過程中,TMP的收率隨壓力的增高而增加。從化學(xué)平衡上講,增大氫氣的量,反應(yīng)向正方向進(jìn)行,增加了DMB的轉(zhuǎn)化率和TMP的收率;同時(shí),氫在此反應(yīng)體系中的液—固傳質(zhì)為速控步,反應(yīng)速率與氫壓有關(guān),增大氫壓,有助于提高反應(yīng)速率。當(dāng)壓力增加到一定程度后,繼續(xù)增加壓力,對(duì)TMP收率的影響減小,同時(shí)反應(yīng)設(shè)備也受到一定的限制。因此,在此體系中最佳反應(yīng)壓力為5.5 MPa。

        2.4反應(yīng)時(shí)間對(duì)DMB轉(zhuǎn)化率和TMP收率的影響

        化學(xué)反應(yīng)通常是反應(yīng)時(shí)間越長,相應(yīng)的目的產(chǎn)物收率越高,當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到一定積累后,趨于反應(yīng)平衡,目的產(chǎn)物的收率增加變得越來越不明顯,因此通過實(shí)驗(yàn)研究,確定最佳的反應(yīng)時(shí)間有利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn),確立最佳的生產(chǎn)效率。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間從2 h增加到5 h,考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)DMB轉(zhuǎn)化率和TMP收率的影響,其他評(píng)價(jià)條件如表1所示。

        表1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)TMP收率的影響

        由表1可以看出,隨著反應(yīng)時(shí)間的增加,DMB轉(zhuǎn)化率和TMP收率都有不同程度的增加。但是當(dāng)反應(yīng)時(shí)間延長至3.5 h以后,DMB轉(zhuǎn)化率增加的幅度很小,而TMP的收率卻開始降低。這可能是因?yàn)殡S著加氫時(shí)間的延長,生成的TMP在催化劑表面被過度加氫,從而生成烴類和CO、CO2氣體,造成TMP的收率降低。所以,加氫時(shí)間應(yīng)該控制在3.5 h。

        3 結(jié)論

        通過對(duì)2,2-二羥甲基丁醛在自制Cu-Zn-Mn/γ-Al2O3催化劑作用下,不同催化劑用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力和反應(yīng)時(shí)間加氫制備三羥甲基丙烷的研究,并從2,2-二羥甲基丁醛轉(zhuǎn)化率和三羥甲基丙烷收率兩方面進(jìn)行優(yōu)化,最后得到催化劑用量為正丁醛質(zhì)量的2%,反應(yīng)溫度為120 ℃,反應(yīng)壓力為5.5 MPa,反應(yīng)時(shí)間為3.5 h,2,2-二羥甲基丁醛轉(zhuǎn)化率和三羥甲基丙烷收率最好,分別為96.53%和86.58%。

        [1]張衛(wèi)紅,馮亞青,董寧.三羥甲基丙烷的合成研究[J].化學(xué)工業(yè)與工程,1998,15(2):12-16.

        [2]馬自立,宋師中.三羥甲基丙烷(TMP)生產(chǎn)及市場概況[J].精細(xì)與專用化學(xué)品,2002(5):6-8.

        [3]侯雋婷.三羥甲基丙烷的合成與應(yīng)用[J].齊魯石油化工,2002,30(1):53-55.

        [4]金棟,崔曉明.三羥甲基丙烷的生產(chǎn)應(yīng)用及市場前景[J].化工中間體,2002(13):12-15.

        [5]Zhu Bingchen.Chemical Reaction Engineering[M].4th ed.Beijing:Chemical Industry Press,2006.

        [6]張輝,蔡玉,胡昌龍,等.醛還原法制備三羥甲基丙烷工藝研究[J].廣州化工,2013,41(6):102-105.

        Hygrogenation Technology Research of Aldehyde Hygrogenation for Preparation of Trimethylopropane

        CHAI Yongli1, ZHANG Chen2, LIU Yuxia1, WANG Dalu1, LI Ming1, CUI Bingchun1

        (1.Henan Chemical Industry Research Institute Co. Ltd , Zhengzhou450052 , China ; 2.Henan Zhengde Environmental Protection Technology Co.Ltd , Zhengzhou450052 , China)

        Using Cu-Zn-Mn/γ-Al2O3as catalyst, the catalytic hydrogenation of 2,2-dihydroxymethylbutanal to trimethylopropane is described at different catalyst content(wt%),reaction temperatures,reaction pressures and reaction time.The different hydrogenation effects are compared at 2,2-dihydroxymethylbutanal conversion and trimethylopropane yield.Through experiments,the optimum conditions are determined for hydrogenation of 2,2-dihydroxymethylbutana as a reaction the amount of catalyst is n-butanal 2%,reaction temperature 120 ℃,reaction pressure 5.5 MPa,reaction time 3.5 h,the 2,2-dihydroxymethylbutana conversion and trimethylopropane yield are the best,respectively up to 96.53% and 86.58%.

        aldehyde hygrogenation ; 2,2-dihydroxymethylbutanal ; trimethylopropane ; catalytic hydrogenation

        2016-05-28

        柴勇利(1979-),男,工程師,從事催化加氫方面的研究工作,電話:15036015101。

        TQ032

        A

        1003-3467(2016)08-0022-03

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