固定床催化合成MDT工艺优化及催化剂失活机理研究

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本文主要采用固定床反应器,研发分子筛固体酸催化邻甲苯胺与甲醛反应合成3,3’-二甲基-4,4’-二氨基二苯甲烷(MDT)的绿色化生产工艺。对比TS-1、Hβ-40和Hβ-100三种分子筛催化合成MDT的性能可知,此反应中分子筛的催化活性主要来源于B酸,而L酸对分子筛的催化活性基本没有影响。在一定的酸强度范围内,B酸含量越高,分子筛的催化性能越好。以Hβ-40分子筛为催化剂,在n(邻甲苯胺):n(甲醛)=5:1、LHSV=5h-1、氮气流速为10mL·min-1、反应温度为170℃和压力为0.50MPa的条件下,目标产物MDT和中间产物ITD的选择性及反应物甲醛的转化率分别为:65.3%和8.5%及96.7%。在此工艺条件下连续反应84h,产物MDT和ITD的选择性分别从最初的65.3%和8.5%变为52.2%和19.0%,且每克Hβ-40分子筛催化剂平均生产MDT粗产品170克左右。通过对反应所得中间体ITD及副产物BITD结构的鉴定分析,论证了分子筛催化邻甲苯胺与甲醛缩合制备MDT的反应机理,主要涉及的反应步骤为:(1)邻甲苯胺与甲醛缩合,生成N,N’-二(邻甲苯基)甲基二胺及2-甲基-4-(邻甲苯胺基甲基)苯胺;(2)N,N’-二(邻甲苯基)甲基二胺发生一次重排反应,生成2-甲基-4-(邻甲苯胺基甲基)苯胺;(3)2-甲基-4-(邻甲苯胺基甲基)苯胺在B酸的催化作用下发生重排反应,生成MDT。并且,基于MDT的生成机理,探讨了各种副产物的生成及反应机理。运用比表面积和孔容积(BET)、吡啶吸附红外光谱(Py-IR)、氨程序升温脱附(NH3-TPD)、热重-差热分析(TG-DTA)和X-射线粉末衍射(XRD)等多种表征手段对新鲜、失活和再生的催化剂进行表征分析。由分析结果得知:与新鲜催化剂相比,失活的催化剂的总比表面积、孔比表面积和孔容均大幅度下降;而分子筛的晶相结构没有遭到明显的破坏。据此推断,催化剂孔道因副产物沉积而堵塞是造成催化剂失活的主要原因。550℃焙烧再生可以烧除失活催化剂上的大部分沉积物,使得催化剂的活性得到基本恢复,但再生催化剂的寿命缩短。可能是因为550℃焙烧3h过后催化剂孔中仍残留少量沉积物,它们致使反应物及产物的扩散受到影响,从而加快了再生催化剂的失活速率。
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