李婷婷,袁浩然,于楊,孫遠(yuǎn)龍,紀(jì)容昕
(中石化南京化工研究院有限公司,江蘇南京 210048)
環(huán)己酮是一種重要的有機(jī)化工原料,應(yīng)用非常廣泛,依其應(yīng)用一般可分為酰胺用和非酰胺用兩大類(lèi)。酰胺用環(huán)己酮主要用于生產(chǎn)己內(nèi)酰胺與己二酸,約占國(guó)內(nèi)環(huán)己酮總需求量的70%;非酰胺環(huán)己酮主要作為有機(jī)溶劑使用,由于其具有溶解力強(qiáng)、低毒性及價(jià)格低廉等特點(diǎn),廣泛用于各種涂料、油漆、油墨及樹(shù)脂溶劑和稀釋劑以及感光、磁性紀(jì)錄材料涂布用溶劑等。目前工業(yè)生產(chǎn)環(huán)己酮方法主要有環(huán)己烷氧化法、苯酚加氫法和環(huán)己烯法,環(huán)己烯法又可分為環(huán)己烯水合法和環(huán)己烯酯化加氫法,均包括環(huán)己醇脫氫生產(chǎn)環(huán)己酮的步驟[1-2]。
環(huán)己醇脫氫制環(huán)己酮催化劑由早期的Zn-Ca系到Cu-Mg系,再到現(xiàn)在普遍使用的Cu-Zn-Al系和Cu-Si系,催化劑的開(kāi)發(fā)是由高溫向低溫轉(zhuǎn)變的過(guò)程。在銅基催化劑的研究過(guò)程中,有研究者發(fā)現(xiàn)Cu0和Cu+是環(huán)己醇脫氫生成環(huán)己酮的主要活性中心,但是對(duì)于兩者在脫氫副反應(yīng)中發(fā)揮的作用卻持有不同理論。筆者通過(guò)在現(xiàn)有Cu-Si系催化劑中加入Zn,進(jìn)而調(diào)配催化劑中的Cu0和Cu+比例來(lái)分析兩者對(duì)脫氫反應(yīng)的影響。
在熱力學(xué)上環(huán)己醇脫氫制環(huán)己酮是一個(gè)可逆的吸熱反應(yīng),因此,升高反應(yīng)溫度有利于環(huán)己醇的轉(zhuǎn)化。此外,在脫氫反應(yīng)過(guò)程中伴有多種副反應(yīng),主要有環(huán)己醇脫水生成環(huán)己烯反應(yīng)、深度脫氫芳構(gòu)化生成苯酚以及環(huán)己酮二聚脫水反應(yīng)等。
將硝酸銅溶液、硝酸鋅溶液、硅源與堿性沉淀劑共沉淀,沉淀物經(jīng)老化、洗滌后,加入助劑混合均勻后過(guò)濾、干燥,制得催化劑沉淀物前驅(qū)體,其中Cu/Zn摩爾比分別為10∶1(CZS10),6∶1(CZS6),4∶1(CZS4),2∶1(CZS2),1∶0(CS),再進(jìn)行焙燒、造粒、壓片成型,制得催化劑試樣,所用試劑均來(lái)自工業(yè)級(jí)試劑。
1.3.1 XRD
采用日本理學(xué)公司D/max ⅢA型X射線粉末衍射儀進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析,Cu靶,掃描范圍2θ=10°~60°,管電壓為40 kV,管電流為30 mA,以謝樂(lè)公式計(jì)算試樣晶粒尺寸。
1.3.2 XPS
采用英國(guó)VG公司ESCA LAB MK-Ⅱ型光電子能譜儀進(jìn)行XPS分析,X射線激發(fā)源為Al Kα射線(1 486.6 eV),以試樣表面污染碳的C 1s的結(jié)合能(284.6 eV)定標(biāo)。
1.3.3 比表面積及孔徑分析儀
采用美國(guó)采用美國(guó)康塔NOVA-2200 e型自動(dòng)吸附儀測(cè)定催化劑比表面積及孔結(jié)構(gòu),試樣經(jīng)300℃脫氣處理后,在液氮溫度(-196 ℃)下進(jìn)行吸附。比表面積采用BET方法計(jì)算,孔徑分布用脫附BJH法計(jì)算。
1.3.4 色譜
采用安捷倫7890B氣相色譜儀分析脫氫原料及產(chǎn)品組成。
環(huán)己醇脫氫催化劑活性評(píng)價(jià)裝置反應(yīng)器內(nèi)徑為28 mm,催化劑裝填量為原粒度50 mL,裝填高度108 mm,反應(yīng)器加熱系統(tǒng)為導(dǎo)熱油,催化劑的評(píng)價(jià)條件為:反應(yīng)溫度230 ℃,環(huán)己醇液空速0.6 h-1,常壓。分析純環(huán)己原料經(jīng)過(guò)汽化爐在210 ℃下汽化,與N2混合進(jìn)入反應(yīng)器反應(yīng),產(chǎn)物經(jīng)冷凝收集。
以中石化南京化工研究院有限公司生產(chǎn)的NDH6型Cu-Si系和DH021型Cu-Zn-Al系環(huán)己醇脫氫催化劑進(jìn)行脫氫試驗(yàn),采用分析純環(huán)己醇作為原料,分別考察2種催化劑的催化性能,結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2。
圖1 環(huán)己醇轉(zhuǎn)化率對(duì)比
圖2 環(huán)己酮選擇性對(duì)比
由圖1和圖2可見(jiàn):NDH6型Cu-Si系和DH021型Cu-Zn-Al系環(huán)己醇脫氫催化劑在催化性能上存在較大差異,Cu-Zn-Al系環(huán)己醇脫氫的轉(zhuǎn)化率要比Cu-Si系的轉(zhuǎn)化率相對(duì)較高,但其環(huán)己酮選擇性要比Cu-Si的低很多,雖然環(huán)己酮的選擇性隨著時(shí)間一直在上升,但上升的速率較緩慢,該段時(shí)間被稱為催化劑的誘導(dǎo)期。
目前,游離基機(jī)理和離子機(jī)理被普遍認(rèn)為是環(huán)己醇脫氫制環(huán)己酮的反應(yīng)機(jī)理。游離基機(jī)理是指Cu0直接作用于苯環(huán)上的氫進(jìn)行脫氫,而離子機(jī)理則是Cu+作用于羥基上的H。從紅外光譜分析可知,Cu+與羥基上氧的結(jié)合力以及Cu0與六元環(huán)上H的結(jié)合力分別體現(xiàn)在3 696 cm-1和2 666 cm-1吸收峰上,可見(jiàn)前者作用力強(qiáng)于后者[3-4]。環(huán)己醇脫水以及環(huán)己酮的二聚脫水均由催化劑上的酸性位決定,而環(huán)己醇的芳構(gòu)化是由催化劑中Cu0活性位引起,因此,調(diào)配Cu0和Cu+的比例是保證環(huán)己醇脫氫轉(zhuǎn)化率和選擇性的關(guān)鍵。
結(jié)合上述2種不同工業(yè)用催化劑的使用結(jié)果,在NDH6型Cu-Si系催化劑的基礎(chǔ)上加入Zn,分別制備不同Cu/Zn摩爾比的催化劑,其表征結(jié)果見(jiàn)圖3。
圖3 不同Cu/Zn摩爾比催化劑的XRD譜圖
由圖3可見(jiàn):隨著ZnO含量的增加,出現(xiàn)ZnO的峰型,且CuO的2個(gè)峰的強(qiáng)度在逐漸降低。
不同Cu/Zn摩爾比催化劑的表面積、孔容及銅晶粒度分析結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 不同Cu/Zn摩爾比催化劑的表面積、孔容及銅晶粒度
由表1可見(jiàn):不添加Zn的Cu-Si催化劑的比表面積最大,隨著Zn的加入,Cu-Si催化劑的比表面積逐漸減小,但是Cu晶粒度也逐漸減小,表明Zn的加入可以促進(jìn)Cu組分的分散,有利于提高催化劑的活性。
還原后的CS,CZS10,CZS6,CZS4,CZS2的XPS分析結(jié)果見(jiàn)表2。
由表2可見(jiàn):結(jié)合俄歇能譜,經(jīng)還原后,Cu-Si催化劑中只含有Cu0,但是隨著在Cu-Si催化劑中引入Zn元素,還原后的催化劑中出現(xiàn)Cu+,且隨著Zn組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,Cu+的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨之增大。
表2 還原后的CS和CZS催化劑的XPS結(jié)果
在230 ℃,以分析純環(huán)己醇為原料,環(huán)己醇液時(shí)空速0.6 h-1條件下,對(duì)不同銅鋅摩爾比催化劑活性進(jìn)行檢測(cè)進(jìn)行檢測(cè),環(huán)己醇轉(zhuǎn)化率和環(huán)己酮選擇性分別見(jiàn)圖4及圖5。
圖4 環(huán)己醇轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間變化情況
圖5 環(huán)己酮選擇性隨時(shí)間變化情況
由圖4及圖5可見(jiàn):CZS2的環(huán)己醇轉(zhuǎn)化率最高,可達(dá)67.85%,表明Zn的加入可以提高催化劑的活性,這與催化劑中Cu晶粒度變大及Cu+含量的增多是一致的。同時(shí),隨著Zn加入量的增多,Cu+含量上升速率較大,但也會(huì)導(dǎo)致環(huán)己醇脫氫副反應(yīng)增多,降低環(huán)己酮的選擇性,也驗(yàn)證了過(guò)量Cu+的存在會(huì)導(dǎo)致環(huán)己醇脫氫反應(yīng)向環(huán)己醇芳構(gòu)化和二聚轉(zhuǎn)移的結(jié)果。
通過(guò)對(duì)比Cu-Zn-Al系和Cu-Si系環(huán)己醇脫氫催化劑在環(huán)己醇?xì)庀嗝摎浞磻?yīng)中性能的差異,考察了在Cu-Si催化劑中添加Zn對(duì)催化劑性能的影響,得出以下結(jié)論。
1)在還原態(tài)的Cu-Si催化劑中,只存在Cu0,隨著Zn元素的加入,在還原態(tài)的Cu-Zn-Si催化劑中出現(xiàn)Cu0和Cu+,且隨著Zn含量的增加,Cu+含量隨之增加。
2)由催化劑表征結(jié)果可得:Cu,Zn具有協(xié)同作用,Zn的存在可以促進(jìn)Cu的分散。
3)由活性檢測(cè)結(jié)果可得:增加Cu+雖然可以提高催化劑的環(huán)己醇轉(zhuǎn)化率,但也會(huì)導(dǎo)致環(huán)己酮選擇性下降。