牛樂(lè)朋,馮閆閆, 張 明,白榮光
(1.煉焦煤資源開(kāi)發(fā)及綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)平煤神馬集團(tuán)能源化工研究院,河南 平頂山 467000; 2. 南陽(yáng)第三中等職業(yè)學(xué)校,河南 南陽(yáng) 473126)
己內(nèi)酰胺是重要的有機(jī)化工原料之一,主要用作生產(chǎn)錦綸6和尼龍6工程塑料的原料單體。己內(nèi)酰胺應(yīng)用面廣,需求量大,目前對(duì)其需求量逐年增加。在我國(guó),由于生產(chǎn)技術(shù)原因,高端己內(nèi)酰胺的生產(chǎn)能力不能滿足國(guó)內(nèi)實(shí)際需求,產(chǎn)品的自給率較低,每年進(jìn)口量巨大,因此加強(qiáng)對(duì)己內(nèi)酰胺生產(chǎn)工藝的技術(shù)革新有著現(xiàn)實(shí)性意義。己內(nèi)酰胺的生產(chǎn)方法主要有氨肟化法、甲苯法、光亞硝化法、苯酚法等,其中接近90% 的生產(chǎn)工藝都需經(jīng)過(guò)環(huán)己酮肟Beckmann重排[1]。
當(dāng)前,環(huán)己酮肟Beckmann重排生產(chǎn)己內(nèi)酰胺工藝主要是以濃硫酸或發(fā)煙硫酸催化,然后用氨中和制得己內(nèi)酰胺。環(huán)己酮肟在硫酸介質(zhì)中進(jìn)行液相Beckmann重排制己內(nèi)酰胺工藝具有操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)條件溫和、對(duì)設(shè)備要求較低、催化劑與產(chǎn)品易分離、有利于現(xiàn)有裝置的改造和利用等優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)今世界現(xiàn)行生產(chǎn)己內(nèi)酰胺的主要工藝。但由于濃硫酸對(duì)管道具有強(qiáng)烈的腐蝕性,使用后處理困難,副產(chǎn)物硫酸銨(俗稱硫銨)量大且經(jīng)濟(jì)價(jià)值低,污染環(huán)境,這是限制其應(yīng)用的一大技術(shù)瓶頸。20世紀(jì)70年代以來(lái),如何降低環(huán)己酮肟Beckmann重排過(guò)程中濃硫酸的用量,進(jìn)而減少酸性廢水和副產(chǎn)物硫銨的產(chǎn)生,以及反應(yīng)過(guò)程集成化,降低反應(yīng)條件要求一直是該工藝研究的熱點(diǎn)。
作者從低硫銨、無(wú)硫銨兩方面,對(duì)近年來(lái)環(huán)己酮肟Beckmann重排工藝的研究進(jìn)行綜述,詳細(xì)介紹了多級(jí)重排、溶劑法重排、氣相重排、離子液體體系重排、固體酸催化重排、微反應(yīng)器重排、微波輔助重排等工藝的研究進(jìn)展情況。
環(huán)己酮肟Beckmann重排制己內(nèi)酰胺的工藝最初采用的是一級(jí)重排,即在一個(gè)反應(yīng)器中完成重排反應(yīng)。隨著己內(nèi)酰胺生產(chǎn)工藝的研究發(fā)展,20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了二級(jí)以及三級(jí)重排工藝,即相對(duì)于一級(jí)重排反應(yīng)等量的反應(yīng)物料在一個(gè)連續(xù)的多級(jí)循環(huán)體系中反應(yīng),能夠進(jìn)一步改善各個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的傳質(zhì),降低反應(yīng)溫度以優(yōu)化各級(jí)的工藝條件,如表1所示[2-3]。
表1 一級(jí)重排與二級(jí)重排工藝效果對(duì)比Tab.1 Comparison of first-order and second-order rearrangement
多級(jí)重排相對(duì)于一級(jí)重排可使等量的反應(yīng)物料在一個(gè)連續(xù)的多級(jí)循環(huán)體系中反應(yīng),從而改善物料傳質(zhì),降低反應(yīng)溫度,提高產(chǎn)品質(zhì)量,而且大幅度減少反應(yīng)過(guò)程中發(fā)煙硫酸與氨氣的用量,達(dá)到降低硫銨的目的。目前,環(huán)己酮肟的二級(jí)Beckmann重排已成為己內(nèi)酰胺生產(chǎn)的主導(dǎo)工藝。
目前,己內(nèi)酰胺的生產(chǎn)工藝主要以濃硫酸或發(fā)煙硫酸作為重排介質(zhì),其在反應(yīng)中還起到稀釋劑與散熱劑的作用,促進(jìn)Beckmann重排反應(yīng)順利進(jìn)行[4]。溶劑法重排工藝是在環(huán)己酮肟Beckmann重排過(guò)程中加入其他溶劑,通過(guò)溶劑的顯熱和汽化潛熱移出重排反應(yīng)產(chǎn)生的熱量,使重排反應(yīng)能在較低溫度下進(jìn)行,從而達(dá)到減少發(fā)煙硫酸用量和提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的[5]。劉國(guó)清[4]、羅和安等[6]在發(fā)煙硫酸體系中,以環(huán)己烷為溶劑,考察了環(huán)己酮肟液相 Beckmann 重排工藝,與傳統(tǒng)的己內(nèi)酰胺液相重排工藝相比,此法獲得質(zhì)量合格的己內(nèi)酰胺產(chǎn)物所需的酸肟比以及發(fā)煙硫酸中三氧化硫(SO3)濃度均有所降低,從而減少了副產(chǎn)物硫銨。
雖然以濃硫酸作催化劑的環(huán)己酮肟Beckmann重排具有很高的選擇性和相當(dāng)成熟的工藝技術(shù)優(yōu)勢(shì),但隨著環(huán)保要求的提高,其生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量硫銨經(jīng)濟(jì)及實(shí)用價(jià)值低,且用量逐漸減少,而且使用濃硫酸會(huì)產(chǎn)生腐蝕反應(yīng)設(shè)備、污染環(huán)境等一系列問(wèn)題,針對(duì)此工藝進(jìn)行過(guò)多方面的改進(jìn),仍無(wú)法徹底解決上述缺點(diǎn)。近年來(lái),針對(duì)無(wú)濃硫酸參與的環(huán)己酮肟Beckmann重排制己內(nèi)酰胺技術(shù)研究取得了一定的成就。
環(huán)己酮肟氣相Beckmann重排制己內(nèi)酰胺工藝即先將環(huán)己酮肟氣化后,在固體酸催化劑作用下進(jìn)行多相催化反應(yīng),重排生成己內(nèi)酰胺。此工藝使用固體酸代替濃硫酸,生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)副產(chǎn)物硫銨生成[4]。
在環(huán)己酮肟氣相Beckmann重排工藝中,固體酸催化劑的種類和結(jié)構(gòu)性能對(duì)反應(yīng)的影響較大,因此,該工藝的研究主要集中在固體酸催化劑的開(kāi)發(fā)和選擇上。環(huán)己酮肟氣相Beckmann重排反應(yīng)的催化劑主要有氧化物/改性氧化物和分子篩催化劑[7]。
2.1.1 氧化物催化劑
人們最早研究的氧化物催化劑是單組分氧化物,如二氧化硅(SiO2)、三氧化二鋁(Al2O3)和三氧化二硼(B2O3)等,單一的氧化物催化劑的催化活性和選擇性均較低,于是負(fù)載其他氧化物或直接合成二元甚至多元氧化物得到了越來(lái)越多的研究和應(yīng)用,其中研究最多的是將B2O3負(fù)載于其他氧化物載體上,如B2O3/Al2O3,B2O3/ SiO2,B2O3/二氧化鋯(ZrO2),此外還有含五氧化二鉭(Ta2O5)或三氧化鎢(WO3)等負(fù)載型催化劑,如Ta2O5/SiO2,WO3/SiO2[8-9]。張晟等[10]制備出一種B2O3/Al2O3-二氧化鈦(TiO2)復(fù)合載體催化劑,考察了其對(duì)環(huán)己酮肟氣相Beckmann重排制己內(nèi)酰胺反應(yīng)的催化性能;研究發(fā)現(xiàn),載體中TiO2的含量、B2O3的負(fù)載量、載體的預(yù)處理溫度及催化劑的焙燒溫度等對(duì)催化劑的性能均可產(chǎn)生明顯的影響;當(dāng)載體中TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%,負(fù)載B2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%,催化劑經(jīng)350 ℃焙燒時(shí),環(huán)己酮肟的轉(zhuǎn)化率可達(dá)到100%,己內(nèi)酰胺選擇性達(dá)到85.8%。尹雙鳳等[11]研究了催化劑活化焙燒溫度(500~800 ℃)對(duì)B2O3/ZrO2催化劑結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)和環(huán)己酮肟氣相重排反應(yīng)的影響,發(fā)現(xiàn)在相同實(shí)驗(yàn)條件下,B2O3/ZrO2催化劑在700 ℃活化焙燒后,其催化環(huán)己酮肟Beckmann反應(yīng)的活性穩(wěn)定性最高,環(huán)己酮肟的轉(zhuǎn)化率接近99%,己內(nèi)酰胺選擇性達(dá)到98.5%。Mao Dongsen等[12]以氨水為共沉淀劑,采用共沉淀法制備出不同Ti/Zr摩爾比的復(fù)合氧化物TiO2-ZrO2后,采用等體積浸漬法制備出B2O3/TiO2-ZrO2催化劑,以其催化環(huán)己酮肟氣相Beckmann重排反應(yīng),環(huán)己酮肟的轉(zhuǎn)化率為100%,己內(nèi)酰胺選擇性也高達(dá)97.4%,催化活性比B2O3/SiO2-TiO2,B2O3/SiO2-Al2O3,B2O3/Al2O3-TiO2,B2O3/SiO2-ZrO2,B2O3/Al2O3-ZrO2等催化劑好。
2.1.2 分子篩催化劑
分子篩擁有獨(dú)特的結(jié)構(gòu),使其在各領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)60年代開(kāi)始, 隨著合成分子篩催化劑在催化裂化中的成功應(yīng)用, 人們開(kāi)始將其應(yīng)用于環(huán)己酮肟氣相Beckmann重排反應(yīng)。目前作為環(huán)己酮肟氣相Beckmann重排反應(yīng)催化劑研究較多,且活性較高的的分子篩主要有Y型、MCM-22型、中孔MCM- 41,MCM- 48,F(xiàn)SM-16型,以及SAPO型、MFI型等,其中以MFI型分子篩最重要,研究最多,具有工業(yè)化的應(yīng)用前景[13]。MFI型分子篩催化劑包括鈦硅分子篩(TS-1)、全硅分子篩(S-1)、沸石分子篩(ZSM-5)以及用鈣(Ca)、鐵(Fe)等金屬改性的ZSM-5催化劑。
尹雙鳳等[14]對(duì)比研究了具有MFI結(jié)構(gòu)的TS-1,S-1, Al-ZSM-5和B-ZSM-5分子篩對(duì)環(huán)己酮肟氣相Beckmann重排反應(yīng)的催化性能,結(jié)果顯示,相同實(shí)驗(yàn)條件下,TS-1用作環(huán)己酮肟氣相Beckmann重排反應(yīng)的催化劑時(shí),環(huán)己酮肟轉(zhuǎn)化率達(dá)98.8%,己內(nèi)酰胺選擇性達(dá)96.0%,而含骨架B或Al的ZSM-5分子篩的催化性能較差。史雪芳等[15]合成了一種具有MFI結(jié)構(gòu)的高硅亞微米級(jí)分子篩MS1,其對(duì)環(huán)己酮肟氣相Beckmann重排反應(yīng)的催化效果較為理想,在優(yōu)化的反應(yīng)條件下環(huán)己酮肟轉(zhuǎn)化率大于等于99.5%,己內(nèi)酰胺選擇性大于等于95%,且催化劑穩(wěn)定性較好,分子篩制備工藝簡(jiǎn)單、原料成本低、環(huán)境友好,具有良好的工業(yè)化應(yīng)用前景。
目前,成功應(yīng)用于環(huán)己酮肟氣相Beckmann重排制己內(nèi)酰胺工業(yè)裝置上的分子篩催化劑分別為日本住友化學(xué)公司研制開(kāi)發(fā)的MFI型硅分子篩催化劑、中國(guó)石油化工科學(xué)研究院研制的MFI結(jié)構(gòu)的硅分子篩RBS-1,應(yīng)用前者研制開(kāi)發(fā)的MFI型硅分子篩催化劑,環(huán)己酮肟的轉(zhuǎn)化率為99.8%,己內(nèi)酰胺的選擇性可達(dá)96.9%,但在較高質(zhì)量空速的條件下,此催化劑壽命較短,再生頻繁[16-17]。中國(guó)石油化工科學(xué)研究院研制的硅分子篩RBS-1催化劑運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng),環(huán)己酮肟轉(zhuǎn)化率在99.5%以上,己內(nèi)酰胺的平均選擇性達(dá)96.5%左右[18-19]。
環(huán)己酮肟氣相Beckmann重排制己內(nèi)酰胺是目前的研究熱點(diǎn),其特點(diǎn)是無(wú)硫銨生成,可采用芳烴以外的原料,對(duì)環(huán)境污染小,但該工藝需要采用新設(shè)備,前期資金投入較大,反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜,且所用催化劑價(jià)格昂貴,這就需要人們繼續(xù)改進(jìn)此類催化劑的合成工藝,尋找低價(jià)可替代的合成原材料,進(jìn)一步降低催化劑成本,促進(jìn)該工藝的進(jìn)一步的推廣。
離子液體是一種新型溶劑,也可作為催化劑,是由離子構(gòu)成且在室溫或低溫環(huán)境下為液體的鹽。在離子液體體系中,環(huán)己酮肟可發(fā)生高效的Beckmann重排,且反應(yīng)條件溫和,不使用其他有機(jī)溶劑,使得反應(yīng)體積數(shù)大為減少,反應(yīng)副產(chǎn)物少,無(wú)硫銨產(chǎn)生[20]。
趙江琨等[21]研究了以乙腈作溶劑,在酸性離子液體-氯化鋅(ZnCl2)催化體系中,環(huán)己酮肟液相Beckmann重排制己內(nèi)酰胺的反應(yīng)。在優(yōu)化的反應(yīng)條件下,環(huán)己酮肟轉(zhuǎn)化率達(dá)100%,己內(nèi)酰胺收率為94.9%,反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的唯一副產(chǎn)物為環(huán)己酮,其可以通過(guò)氨氧化反應(yīng)生成原料環(huán)己酮肟。郭強(qiáng)等[22]以氯鋁酸離子液體作為催化劑和反應(yīng)介質(zhì),進(jìn)行環(huán)己酮肟Beckmann重排反應(yīng),環(huán)己酮肟轉(zhuǎn)化率和己內(nèi)酰胺的選擇性隨著離子液體酸性的增強(qiáng)而逐漸增大,反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間以及離子液體用量對(duì)環(huán)己酮肟Beckmann重排都有著較大的影響,在優(yōu)化的反應(yīng)條件下,環(huán)己酮肟的轉(zhuǎn)化率達(dá)到99.7%,己內(nèi)酰胺選擇性達(dá)到98.0%,己內(nèi)酰胺收率為97.8%。Peng Jiajian等[23]在離子液體BPyBF4與五氯化磷(PCl5)催化體系中進(jìn)行環(huán)己酮肟Beckmann重排反應(yīng),環(huán)己酮肟轉(zhuǎn)化率接近100%,己內(nèi)酰胺選擇性也接近100%。周云[24]研究了離予液體[HSO3Bmim][HSO4]和Lewis酸ZnCl2構(gòu)成的催化體系對(duì)環(huán)己酮肟液相Beckmann重排反應(yīng)的催化效果,己內(nèi)酰胺收率達(dá)79.47%,而后將離子液體[HSO3Bmim][HSO4]負(fù)載到氧化石墨上,環(huán)己酮肟轉(zhuǎn)化率為89.46%,己內(nèi)酰胺的選擇性達(dá)96.35%。
在離子液體體系中進(jìn)行環(huán)己酮肟Beckmann重排反應(yīng),條件溫和,副產(chǎn)物少,但存在離子液體價(jià)格昂貴,且反應(yīng)后產(chǎn)物與溶劑結(jié)合度高,增大了兩者的分離難度,不利于產(chǎn)物的精制及下游產(chǎn)品的生產(chǎn),這些問(wèn)題都將限制此工藝的工業(yè)化推廣。
傳統(tǒng)的硫酸催化重排是均相反應(yīng),雖然反應(yīng)條件溫和,但存在原料和產(chǎn)物與催化劑分離困難, 腐蝕設(shè)備等缺點(diǎn)。為解決以上問(wèn)題,可將液體酸固載化,以及直接使用固體酸催化劑進(jìn)行環(huán)己酮肟Beckmann重排制己內(nèi)酰胺。
張風(fēng)雷等[25]以對(duì)甲苯磺酰氯(TsCl)為催化劑,乙腈作溶劑,催化環(huán)己酮肟液相Beckmann重排制備己內(nèi)酰胺。在優(yōu)化的反應(yīng)條件下,環(huán)己酮肟轉(zhuǎn)化率高達(dá)98.4%,己內(nèi)酰胺選擇性達(dá)93.6%。劉賢響等[26]以大孔氫型耐高溫磺酸樹(shù)脂Amberlyst 70為催化劑, 在常壓、反應(yīng)溫度130 ℃下,環(huán)己酮肟轉(zhuǎn)化率高達(dá)99.4%,己內(nèi)酰胺選擇性達(dá)90.2%,而且該催化劑經(jīng)再生可恢復(fù)較好的活性,便于重復(fù)利用。賈金峰[27]以三聚氯氰為催化劑,三氟乙酸/甲苯為溶劑,在反應(yīng)溫度80 ℃、反應(yīng)時(shí)間2.5 h的條件下,進(jìn)行環(huán)己酮肟Beckmann重排,環(huán)己酮肟轉(zhuǎn)化率為98.4%,己內(nèi)酰胺選擇性為97.2%,環(huán)己酮為主要副產(chǎn)物。
固體酸催化環(huán)己酮肟Beckmann重排反應(yīng)制己內(nèi)酰胺工藝,反應(yīng)條件溫和,催化劑廉價(jià)易得,不副產(chǎn)硫銨,并且溶劑可完全回收利用,具有非常好的應(yīng)用前景。
微反應(yīng)器即微通道反應(yīng)器,是指以表面科學(xué)與微制造技術(shù)為核心,經(jīng)過(guò)微加工和精密技術(shù)制造的一種具有多通道微結(jié)構(gòu)的小型反應(yīng)器[28]。微反應(yīng)器的“微”表示工藝流體的通道在微米級(jí)別,而不是指微反應(yīng)設(shè)備的外形尺寸小或產(chǎn)品的產(chǎn)量低,微反應(yīng)器中可包含所需數(shù)量的微型通道,從而實(shí)現(xiàn)一定的產(chǎn)量。
駱廣生等[29]用三氟乙酸作為分散相和催化劑,以一定濃度的環(huán)己酮肟正己烷溶液為連續(xù)相,在微反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行環(huán)己酮肟Beckmann重排,通過(guò)控制兩相流速,調(diào)整三氟乙酸與環(huán)己酮肟的摩爾比,在反應(yīng)溫度140 ℃、反應(yīng)壓力1 MPa、反應(yīng)物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間為100 s條件下,環(huán)己酮肟的轉(zhuǎn)化率達(dá)到100%,己內(nèi)酰胺的選擇性達(dá)到99.2%。
微反應(yīng)器內(nèi)環(huán)己酮肟Beckmann重排反應(yīng)制己內(nèi)酰胺工藝,反應(yīng)速度快,物料在管道內(nèi)連續(xù)流動(dòng),無(wú)返混現(xiàn)象,可有效控制副反應(yīng)發(fā)生,提高反應(yīng)選擇性,且設(shè)備體積小,占地面積少,工業(yè)化應(yīng)用前景廣闊。
章明等[30]以ZnCl2為催化劑,不添加任何溶劑的條件下,利用微波輻射促進(jìn)環(huán)己酮肟Beckmann重排反應(yīng),己內(nèi)酰胺產(chǎn)率達(dá)到70 %。程慶彥等[31-32]研究了在微波輻射的條件下,以五氧化二磷(P2O5)為催化劑,N,N-二甲基甲酰胺為溶劑的環(huán)己酮肟液相Beckmann重排制己內(nèi)酰胺的工藝,在優(yōu)化反應(yīng)條件下,環(huán)己酮肟的轉(zhuǎn)化率達(dá)99.89 %,己內(nèi)酰胺選擇性達(dá)97.45%,己內(nèi)酰胺的收率達(dá)到了95.48%。
微波輻射下環(huán)己酮肟液相Beckmann重排制己內(nèi)酰胺工藝, 具有工藝簡(jiǎn)單、反應(yīng)速率快、產(chǎn)物收率高等特點(diǎn),具有潛在的工業(yè)應(yīng)用前景。
己內(nèi)酰胺作為一種重要的有機(jī)合成中間體,應(yīng)用范圍廣泛,對(duì)其合成工藝的研究與開(kāi)發(fā)具有重要意義。傳統(tǒng)的重排工藝技術(shù)成熟,反應(yīng)效率高,但對(duì)環(huán)境污染大,隨著國(guó)家環(huán)保力度的增大,新的綠色合成工藝的開(kāi)發(fā)將越來(lái)越受到人們的重視。新的環(huán)己酮肟Beckmann重排工藝中,只有氣相Beckmann重排工藝由于其無(wú)硫銨副產(chǎn)物生成、反應(yīng)過(guò)程綠色高效,實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化,但由于其設(shè)備投資大、工藝條件要求高、催化劑成本高易結(jié)焦失活等原因,普及程度不高。近年來(lái)研究開(kāi)發(fā)的微反應(yīng)器內(nèi)環(huán)己酮肟Beckmann重排反應(yīng)制己內(nèi)酰胺工藝,工藝裝置集成度較高,反應(yīng)速度快,反應(yīng)效果較為理想,有望實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。目前環(huán)己酮肟Beckmann重排工藝研究中存在的問(wèn)題主要是技術(shù)難度較大、設(shè)備投資高、催化劑價(jià)格昂貴、集成化程度低等問(wèn)題。因此降低能耗物耗、簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程、減輕設(shè)備腐蝕和環(huán)境污染以及減少副產(chǎn)硫銨,開(kāi)發(fā)更為廉價(jià)的催化劑是未來(lái)Beckmann重排生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展方向。
參 考 文 獻(xiàn)
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