制备间苯二胺工艺的研究与应用
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z K,Liao S
4研究展望
问苯二胺是一种重要的有机化工原料和染料中 间体,目前我国工业上多用铁粉还原法生产。该法 虽工艺简单,成本低,但有收率低,严重污染环境等 缺点。液相催化加氢法不受芳硝基化合物沸点的限 制,适用范围广,从工业生产的情况看,液相加氢生 产闾苯二胺的转化率高,催化剂不需再生,此外, 使用该项技术的设备具有较强的通用性,因此总投 资降低。今后的关键在于生产技术的提升和产能的 规模化,重点在有机溶剂及加氢催化剂的选择上。 超临界CO:加氢技术由于间苯二胺选择性高,反应 温度接近室温,极大地节省了能源,并且不添加任何 有机溶剂和添加剂,反应过程不生成任何副产物,有 利于环境保护,因此,硝基苯超临界CO:加氢制间 苯二胺技术具有良好的开发应用前景。综上所述, 我国应继续研究和推广催化加氢制取问苯二胺清洁 生产工艺,重点开发硝基苯超临界CO:加氢制间苯 二胺技术,并加强液相传质和增加反应速度等方面 的研究,不断提质降耗,减少对环境的污染,争取在 未来的竞争中掌握生存与发展的主动权。
(1.兰州石化职业技术学院石化系,甘肃兰州730060;2.兰州石化研究院,甘肃兰州730060)
摘要:对制备问苯二胺的传统工艺及一些新的工艺方法,优缺点进行了归纳比较。分 析了液相催化加氢催化剂、有机溶剂、温度、反应器压力对生产间苯二胺的影响,并对今 后的研究方向提出了建议。 关键词:间苯二胺;间二硝基苯;化学还原;催化加氢 中图分类号:0625.63 文献标识码:A
间苯二胺又名1,3一二氨基苯,为白色针状结 晶,是一种重要的有机化工原料和中间体,广泛用 于染料、洗化、橡胶、国防等工业中¨1。由于间苯二 胺具有较强的偶合能力,因此在染料工业中可制取 偶氮染料、毛皮染料、活性染料和硫化染料,同时还 用于制取染发剂、石油添加剂、橡胶防老剂等。近年 来,又由间苯二胺与苯二甲酰氯合成了耐高温的芳 香聚酰胺树脂和阻燃纤维,有许多特殊用途,如做防 护服、航空航天材料等¨’2j,生产迅速增长。从国内 外橡胶助剂发展趋势来看,国际化进程日趋明显, 竞争越来越激烈,间苯二胺虽具有完善的传统合成 工艺,但随着人们对环境问题、资源利用率的关注, 传统的合成工艺承受着巨大的压力。这促使人们不 断研究探索间苯二胺的合成新工艺。现有文献报道 的工业合成方法很多,本文简要介绍了化学还原法、 催化加氢法及电解法制备间苯二胺的反应机理及生 产工艺。
万方数据
高兰玲,周翠文,樊晓伟,甘黎明,杨慧伶.制备问苯二胺工艺的研究与应用
・15・
2电化学还原法
电解还原法是芳香族硝基化合物在无机酸电解 液、溶剂、润滑剂、促进剂的作用下,在阴极电解产生 离子氢,进而对硝基化合物进行还原制得芳胺p-。 按照电子给予途径大致可以分为两种方法:直接还 原法,即用电子给予体作为还原剂合成芳胺;另一种 为间接电还原法,先用电子给予体还原媒介物质,还 原后的媒介物质再去还原硝基苯。这种方法具有工 艺流程简单、产物选择性好、环境效益好等优点。但 是产品收率及电流效率都较低,目前仅在实验室合 成,如果实现工业化还需要解决传质,膜寿命,电极 活性等问题。刘峥等【41在酸性介质中以铜为阴极、 石墨为阳极电解还原间二硝基苯制备间苯二胺,产 率达74.2%。该电解方法操作简单、产物纯度高、 污染小。
第10卷第2期
2010年6月
兰州石化职业技术学院学报
Journal of Lmazhou Petrochemical College of Technology
V01.10 No.2
Jun.,2010
文章编号:1671—4067(2010)02—0014—03
制备间苯二胺工艺的研究与应用
高兰玲1,周翠文1,樊晓伟2,甘黎明1,杨慧伶1
[9]
王文灿,刘少文.催化加氢合成问苯二胺的研究进展 [J].化学与生物工程,2010,(03):6—8.
of the Supports
[10]刘迎新,陈吉祥,张继炎.Effects
of m—Dinitrobenzene Chinese 63~67.
tO
on
Activity of Supported Nickel Catalysts for Hydrogenation
m—Phenylenediamine[J].
Journal of Chemical Engineering,2007,(01):
[11]沈琴,刘仲能,侯闽渤,等.改性Rane yNickel催化 剂用于加氢合成间苯二甲胺[J].精细化工,2000,17 (9):544—546. [12] 胡拖平,陈宏博.氯代芳香硝基化合物催化加氢研 究[J].化学工程师,2000,(5):12—14. [13]孙羽蒙,吴平东.对硝基苯甲酸催化加氢本征动力学 [J].化工反应工程与工艺,1999,15(1):1—7. [14] 张新波,许莉勇.溶剂对间二硝基苯催化加氢制间 苯二胺反应过程的影响[J].过程工程学报,2010,
以是有机物,也可以是无机物。常见的无机物载体 主要有活性炭如Pd/C催化剂、硅胶、氧化铝等。以 有机物为载体,高分子负载钯、钌和锗络合物催化剂 受到了人们的广泛关注。文献[7,8]研究了载体聚 乙烯基吡咯烷酮(PVP)负载的PdCI:、单金属以及 Pd与其他过渡金属组成的双金属催化剂对芳香硝 基化合物还原的催化性能一J。实验表明,两种催化 剂对芳香硝基化合物都表现出很好的加氢活性。以 PVP—Pd作为还原催化剂时,加入少量的碱对间二 硝基苯加氢反应有很大的促进作用,碱的种类和用 量对于反应的活性及选择性有明显影响。 3.1.2多孔性金属催化剂 比较常见的多孔性金属催化剂有骨架镍及其改 性催化剂。10],1925年Murray Raney获得了一项美 国专利,将镍、铝在熔融状态反应,形成镍、铝各为 50%的合金。把这种固体材料磨成小颗粒,然后在 氢氧化钠的作用下溶去铝而留下有催化活性的镍, 目前骨架金属催化剂己在工业上得到广泛应用。 镍基催化剂以其高活性、低价格而常用作加氢 催化剂。工业上常采用了二元或四元骨架镍催化剂 (用量20%),用氢气作还原剂,以乙醇为溶剂,于 110—1200C,在塔式流化床中进行间二硝基苯催化 加氢制间苯二胺,收率为90%一95%¨¨。 骨架镍催化剂的加氢活性虽然较高,但是它有 脆性大,在空气中容易自燃,制备时污染环境等缺 点。目前,骨架金属催化剂已延伸到骨架铜(Raney —Cu)、骨架钴(Raney—Co)、骨架铁(Raney—Fe)、 骨架钌(Raney—Ru)等,骨架催化剂具有较大的比 表面积,因此往往具有较高的催化活性。 3.2反应温度与压力 加氢反应速率与温度有关。当反应温度较低 时,反应平稳,有利于保护和延长催化剂的寿命,但 反应速度慢,转化率低;温度升高,反应剧烈,转化率 高,但是影响催化剂的活性,不易操作,且会引起不 必要的副反应,而芳香族硝基化合物加氢是一个强
N02
l化学还原法
化学还原法主要包括铁粉还原法和硫化碱还原 法,这两种生产工艺使用时间长,发展较为完善。前 者基本适用于所有硝基化合物的还原,后者可使多 硝基化合物中的硝基分步还原。(1)以铁粉为还原 剂,在酸性溶液中将间二硝基苯还原为间苯二胺。 此方法技术成熟,操作条件温和,对于设备要求不 高,工艺较为简单,主反应的选择性好,是工业上最 早采用的间苯二胺生产方法,但生产成本高,收率 低,在生产过程中产生大量含有芳胺的有毒铁泥和 废水会造成严重的环境污染问题。(2)硫化碱及其 它还原剂还原法。是以硫化氢、二氧化硫、硼氢化 钠、水合肼等还原芳香硝基化合物制备芳胺。此类 反应比较缓和,但是原料昂贵,所以一般仅用于特殊 原料小规模制备芳胺。其主要反应式如下:
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兰州石化职业技术学院学报
2010卑
反应介质pH值的改变会影响催化剂表面吸附氢状
态,不仅改变了氢的吸附量,还会引起氢与催化剂表 面结合键能和状态的改变,同时使催化剂分散得更 好,改善了反应物、催化剂和氢之间的接触¨4|。其 中以中性介质的反应速度最快,酸性不利于氢的吸 附,碱性将会有部分质子经反应途径生成水分子。 芳硝基化合物的溶解性相差很大,溶剂的选择 直接影响加氢反应的难易,选取溶剂应该遵循如下 几个原则:在反应条件下,不与反应物和生成物发生 化学反应;对反应物和生成物有合适的溶解度,以便 反应物和催化剂有充分的接触,又能使生成物易于 从催化剂上及时脱附;易于从中分离产品,同时容易 回收重用;环境友好;价格适当,市场供应充足。
+41120
3液相催化加氢法
液相催化加氢法制取间苯二胺是一种比较先进 的生产工艺∞J。通过该法制得的产品,副产物少容 易分离,收率高,质量稳定,而且不受硝基物沸点的 限制,因而可在各种不同的溶剂和较低的温度下进 行,加氢过程可加压可常压,可间歇可连续,适用硝 基化合物的范围宽泛,日益受到国内外化工企业的 青睐‘61。 液相催化加氢还原一般采用固体催化剂,反应 实质上是气一液一固多相反应,其中包括:(1)硝基 物分子和氢分子扩散到固体催化剂表面;(2)二者 在催化剂表面发生化学吸附;(3)吸附的分子发生 化学反应;(4)反应产物的解吸;(5)反应产物通过 扩散离开催化剂表面。其反应方程式如下:
参考文献:
[1] 徐克勋.精细有机化工原料及中间体手册[M].北京: 化学工业出版社,1998. [2]魏文德.有机化工原料大全(下卷)[M].北京:化学 工业出版社,1999. [3]刘欣,王金霞,顾登平,等.电化学法制备对氨基苯 甲酸[J].精细化工,2006,23(9):921~922. [4]刘峥,吕慧丹.电解还原法合成问苯二胺[J].合成 化学,2003,(04):170—174. [5]滕俊江,李英春,王现稳.问二硝基苯催化加氢制备间 苯二胺[J].青岛科技大学学报:自然科学版,2003, 24(9):16—17. [6]姜麟忠.催化氢化在有机合成中的应用[M].,北京: 化学工业出版社,1987. [7]杨斌,徐筠,廖世健,等.硝基芳烃氢化还原反应 中高分子负载催化剂的双金属协同效应[J].分子催 化,1996,10(5):339—344. [8]Yu
4研究展望
问苯二胺是一种重要的有机化工原料和染料中 间体,目前我国工业上多用铁粉还原法生产。该法 虽工艺简单,成本低,但有收率低,严重污染环境等 缺点。液相催化加氢法不受芳硝基化合物沸点的限 制,适用范围广,从工业生产的情况看,液相加氢生 产闾苯二胺的转化率高,催化剂不需再生,此外, 使用该项技术的设备具有较强的通用性,因此总投 资降低。今后的关键在于生产技术的提升和产能的 规模化,重点在有机溶剂及加氢催化剂的选择上。 超临界CO:加氢技术由于间苯二胺选择性高,反应 温度接近室温,极大地节省了能源,并且不添加任何 有机溶剂和添加剂,反应过程不生成任何副产物,有 利于环境保护,因此,硝基苯超临界CO:加氢制间 苯二胺技术具有良好的开发应用前景。综上所述, 我国应继续研究和推广催化加氢制取问苯二胺清洁 生产工艺,重点开发硝基苯超临界CO:加氢制间苯 二胺技术,并加强液相传质和增加反应速度等方面 的研究,不断提质降耗,减少对环境的污染,争取在 未来的竞争中掌握生存与发展的主动权。
(1.兰州石化职业技术学院石化系,甘肃兰州730060;2.兰州石化研究院,甘肃兰州730060)
摘要:对制备问苯二胺的传统工艺及一些新的工艺方法,优缺点进行了归纳比较。分 析了液相催化加氢催化剂、有机溶剂、温度、反应器压力对生产间苯二胺的影响,并对今 后的研究方向提出了建议。 关键词:间苯二胺;间二硝基苯;化学还原;催化加氢 中图分类号:0625.63 文献标识码:A
间苯二胺又名1,3一二氨基苯,为白色针状结 晶,是一种重要的有机化工原料和中间体,广泛用 于染料、洗化、橡胶、国防等工业中¨1。由于间苯二 胺具有较强的偶合能力,因此在染料工业中可制取 偶氮染料、毛皮染料、活性染料和硫化染料,同时还 用于制取染发剂、石油添加剂、橡胶防老剂等。近年 来,又由间苯二胺与苯二甲酰氯合成了耐高温的芳 香聚酰胺树脂和阻燃纤维,有许多特殊用途,如做防 护服、航空航天材料等¨’2j,生产迅速增长。从国内 外橡胶助剂发展趋势来看,国际化进程日趋明显, 竞争越来越激烈,间苯二胺虽具有完善的传统合成 工艺,但随着人们对环境问题、资源利用率的关注, 传统的合成工艺承受着巨大的压力。这促使人们不 断研究探索间苯二胺的合成新工艺。现有文献报道 的工业合成方法很多,本文简要介绍了化学还原法、 催化加氢法及电解法制备间苯二胺的反应机理及生 产工艺。
万方数据
高兰玲,周翠文,樊晓伟,甘黎明,杨慧伶.制备问苯二胺工艺的研究与应用
・15・
2电化学还原法
电解还原法是芳香族硝基化合物在无机酸电解 液、溶剂、润滑剂、促进剂的作用下,在阴极电解产生 离子氢,进而对硝基化合物进行还原制得芳胺p-。 按照电子给予途径大致可以分为两种方法:直接还 原法,即用电子给予体作为还原剂合成芳胺;另一种 为间接电还原法,先用电子给予体还原媒介物质,还 原后的媒介物质再去还原硝基苯。这种方法具有工 艺流程简单、产物选择性好、环境效益好等优点。但 是产品收率及电流效率都较低,目前仅在实验室合 成,如果实现工业化还需要解决传质,膜寿命,电极 活性等问题。刘峥等【41在酸性介质中以铜为阴极、 石墨为阳极电解还原间二硝基苯制备间苯二胺,产 率达74.2%。该电解方法操作简单、产物纯度高、 污染小。
第10卷第2期
2010年6月
兰州石化职业技术学院学报
Journal of Lmazhou Petrochemical College of Technology
V01.10 No.2
Jun.,2010
文章编号:1671—4067(2010)02—0014—03
制备间苯二胺工艺的研究与应用
高兰玲1,周翠文1,樊晓伟2,甘黎明1,杨慧伶1
[9]
王文灿,刘少文.催化加氢合成问苯二胺的研究进展 [J].化学与生物工程,2010,(03):6—8.
of the Supports
[10]刘迎新,陈吉祥,张继炎.Effects
of m—Dinitrobenzene Chinese 63~67.
tO
on
Activity of Supported Nickel Catalysts for Hydrogenation
m—Phenylenediamine[J].
Journal of Chemical Engineering,2007,(01):
[11]沈琴,刘仲能,侯闽渤,等.改性Rane yNickel催化 剂用于加氢合成间苯二甲胺[J].精细化工,2000,17 (9):544—546. [12] 胡拖平,陈宏博.氯代芳香硝基化合物催化加氢研 究[J].化学工程师,2000,(5):12—14. [13]孙羽蒙,吴平东.对硝基苯甲酸催化加氢本征动力学 [J].化工反应工程与工艺,1999,15(1):1—7. [14] 张新波,许莉勇.溶剂对间二硝基苯催化加氢制间 苯二胺反应过程的影响[J].过程工程学报,2010,
以是有机物,也可以是无机物。常见的无机物载体 主要有活性炭如Pd/C催化剂、硅胶、氧化铝等。以 有机物为载体,高分子负载钯、钌和锗络合物催化剂 受到了人们的广泛关注。文献[7,8]研究了载体聚 乙烯基吡咯烷酮(PVP)负载的PdCI:、单金属以及 Pd与其他过渡金属组成的双金属催化剂对芳香硝 基化合物还原的催化性能一J。实验表明,两种催化 剂对芳香硝基化合物都表现出很好的加氢活性。以 PVP—Pd作为还原催化剂时,加入少量的碱对间二 硝基苯加氢反应有很大的促进作用,碱的种类和用 量对于反应的活性及选择性有明显影响。 3.1.2多孔性金属催化剂 比较常见的多孔性金属催化剂有骨架镍及其改 性催化剂。10],1925年Murray Raney获得了一项美 国专利,将镍、铝在熔融状态反应,形成镍、铝各为 50%的合金。把这种固体材料磨成小颗粒,然后在 氢氧化钠的作用下溶去铝而留下有催化活性的镍, 目前骨架金属催化剂己在工业上得到广泛应用。 镍基催化剂以其高活性、低价格而常用作加氢 催化剂。工业上常采用了二元或四元骨架镍催化剂 (用量20%),用氢气作还原剂,以乙醇为溶剂,于 110—1200C,在塔式流化床中进行间二硝基苯催化 加氢制间苯二胺,收率为90%一95%¨¨。 骨架镍催化剂的加氢活性虽然较高,但是它有 脆性大,在空气中容易自燃,制备时污染环境等缺 点。目前,骨架金属催化剂已延伸到骨架铜(Raney —Cu)、骨架钴(Raney—Co)、骨架铁(Raney—Fe)、 骨架钌(Raney—Ru)等,骨架催化剂具有较大的比 表面积,因此往往具有较高的催化活性。 3.2反应温度与压力 加氢反应速率与温度有关。当反应温度较低 时,反应平稳,有利于保护和延长催化剂的寿命,但 反应速度慢,转化率低;温度升高,反应剧烈,转化率 高,但是影响催化剂的活性,不易操作,且会引起不 必要的副反应,而芳香族硝基化合物加氢是一个强
N02
l化学还原法
化学还原法主要包括铁粉还原法和硫化碱还原 法,这两种生产工艺使用时间长,发展较为完善。前 者基本适用于所有硝基化合物的还原,后者可使多 硝基化合物中的硝基分步还原。(1)以铁粉为还原 剂,在酸性溶液中将间二硝基苯还原为间苯二胺。 此方法技术成熟,操作条件温和,对于设备要求不 高,工艺较为简单,主反应的选择性好,是工业上最 早采用的间苯二胺生产方法,但生产成本高,收率 低,在生产过程中产生大量含有芳胺的有毒铁泥和 废水会造成严重的环境污染问题。(2)硫化碱及其 它还原剂还原法。是以硫化氢、二氧化硫、硼氢化 钠、水合肼等还原芳香硝基化合物制备芳胺。此类 反应比较缓和,但是原料昂贵,所以一般仅用于特殊 原料小规模制备芳胺。其主要反应式如下:
万方数据
・16・
兰州石化职业技术学院学报
2010卑
反应介质pH值的改变会影响催化剂表面吸附氢状
态,不仅改变了氢的吸附量,还会引起氢与催化剂表 面结合键能和状态的改变,同时使催化剂分散得更 好,改善了反应物、催化剂和氢之间的接触¨4|。其 中以中性介质的反应速度最快,酸性不利于氢的吸 附,碱性将会有部分质子经反应途径生成水分子。 芳硝基化合物的溶解性相差很大,溶剂的选择 直接影响加氢反应的难易,选取溶剂应该遵循如下 几个原则:在反应条件下,不与反应物和生成物发生 化学反应;对反应物和生成物有合适的溶解度,以便 反应物和催化剂有充分的接触,又能使生成物易于 从催化剂上及时脱附;易于从中分离产品,同时容易 回收重用;环境友好;价格适当,市场供应充足。
+41120
3液相催化加氢法
液相催化加氢法制取间苯二胺是一种比较先进 的生产工艺∞J。通过该法制得的产品,副产物少容 易分离,收率高,质量稳定,而且不受硝基物沸点的 限制,因而可在各种不同的溶剂和较低的温度下进 行,加氢过程可加压可常压,可间歇可连续,适用硝 基化合物的范围宽泛,日益受到国内外化工企业的 青睐‘61。 液相催化加氢还原一般采用固体催化剂,反应 实质上是气一液一固多相反应,其中包括:(1)硝基 物分子和氢分子扩散到固体催化剂表面;(2)二者 在催化剂表面发生化学吸附;(3)吸附的分子发生 化学反应;(4)反应产物的解吸;(5)反应产物通过 扩散离开催化剂表面。其反应方程式如下:
参考文献:
[1] 徐克勋.精细有机化工原料及中间体手册[M].北京: 化学工业出版社,1998. [2]魏文德.有机化工原料大全(下卷)[M].北京:化学 工业出版社,1999. [3]刘欣,王金霞,顾登平,等.电化学法制备对氨基苯 甲酸[J].精细化工,2006,23(9):921~922. [4]刘峥,吕慧丹.电解还原法合成问苯二胺[J].合成 化学,2003,(04):170—174. [5]滕俊江,李英春,王现稳.问二硝基苯催化加氢制备间 苯二胺[J].青岛科技大学学报:自然科学版,2003, 24(9):16—17. [6]姜麟忠.催化氢化在有机合成中的应用[M].,北京: 化学工业出版社,1987. [7]杨斌,徐筠,廖世健,等.硝基芳烃氢化还原反应 中高分子负载催化剂的双金属协同效应[J].分子催 化,1996,10(5):339—344. [8]Yu