异丁烯直接胺化合成叔丁胺反应的热力学研究

引用本文: 高尚耀, 朱向学, 李秀杰, 王玉忠, 张烨, 谢素娟, 安杰, 陈福存, 刘盛林, 徐龙伢. 异丁烯直接胺化合成叔丁胺反应的热力学研究[J]. 催化学报, 2017, 38(1): 106-114. doi: 10.1016/S1872-2067(16)62550-0 shu

Citation: Shangyao Gao, Xiangxue Zhu, Xiujie Li, Yuzhong Wang, Ye Zhang, Sujuan Xie, Jie An, Fucun Chen, Shenglin Liu, Longya Xu. Thermodynamic study of direct amination of isobutylene to tert-butylamine[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(1): 106-114. doi: 10.1016/S1872-2067(16)62550-0 shu

异丁烯直接胺化合成叔丁胺反应的热力学研究

高尚耀 ^a,b, ,
朱向学 ^a, ,
李秀杰 ^a, ,
王玉忠 ^a, ,
张烨 ^c, ,
谢素娟 ^a, ,
安杰 ^a, ,
陈福存 ^a, ,
刘盛林 ^a, ,
徐龙伢 ^a,

a 中国科学院大连化学物理研究所洁净能源国家实验室(筹), 辽宁大连 116023;
b 中国科学院大学, 北京 100049;
c 中国石油天然气股份有限公司抚顺石化分公司石油二厂, 辽宁抚顺 113008
基金项目:
王宽诚教育基金会；中科院青年创新促进会（20120155）；大连市高层次人才创新支持计划（2015R009）.

摘要: 叔丁胺是一种重要的有机化工中间体，广泛应用于制备橡胶促进剂，医药，农药，着色剂等诸多下游产物.目前，叔丁胺主要的生产方法，如叔丁脲水解法，异丁烯-氢氰酸法（Ritter法），卤代烃胺化法等存在产品收率较低，涉及强酸/强碱的使用，对设备腐蚀和环境污染严重等问题.异丁烯直接胺化生产叔丁胺，原子利用率100%，是典型的绿色化学反应.
20世纪末，BASF公司以β沸石为催化剂，率先实现了异丁烯胺化技术的工业应用.但是，其反应条件苛刻，压力达28MPa，生产过程能耗大，对设备材质要求高.目前，关于异丁烯直接胺化的文献较少，且相关研究多在远离工业应用的常压条件下进行.同时，对于异丁烯直接胺化反应过程的热力学，特别是缓和反应条件下的热力学尚待进一步系统和深入地研究分析，以期指导低温低压条件下高性能胺化催化剂的研发和工艺条件优化.
我们计算了473-573 K间，异丁烯胺化制备叔丁胺反应的Δ_rH，Δ_rG，K_p等热力学数据.在此基础上，分析了反应温度，压力和氨烯比（摩尔比）对异丁烯平衡转化率（叔丁胺选择性>99%，未予考虑）的影响.结果表明，异丁烯胺化是中等强度的放热反应，升高反应温度会急剧降低异丁烯的平衡转化率，如在5 MPa，氨烯比1的条件下，反应温度从473 K提高到573 K，异丁烯平衡转化率从40.6%降到6.9%.但从动力学角度而言，升温可提高胺化反应速率，因此在特定的反应条件下和催化剂上，必然存在最佳反应温度.提高反应压力和氨烯比有利于提高异丁烯的热力学平衡转化率.开发在低温和相对较低的压力下具有较高胺化活性的催化剂是提高该过程经济性和实用性的关键.
在较缓和的反应条件下（523 K，5 MPa，氨烯比4及异丁烯空速0.5 h^-1），考察了ZSM-5（R=50和R=412，R为硅铝比，下同），ZSM-11（R=48），MOR（R=10），SAPO-11（摩尔组成，1.6Al₂O₃：1.0SiO₂：1.4P₂O₅）等不同拓扑结构分子筛以及氧化铝在异丁烯胺化反应中的性能.结果表明，空白试验中，无叔丁胺产物生成.在ZSM-11上的获得最高的异丁烯胺化转化率，为14.2%（达到平衡转化率的52.2%），在ZSM-5（R=50），ZSM-5（R=412）和MOR上，异丁烯转化率分别为13.9%，6.4%和2.9%，叔丁胺选择性均大于99.8%.而SAPO-11和氧化铝未呈现出胺化反应活性.关联氨气程序升温脱附，吡啶吸附红外表征结果及分子筛孔结构特点，表明分子筛胺化活性与其孔径及Brönsted酸的酸量和酸强度密切相关.
为了进一步验证实际反应体系中反应条件对异丁烯胺化反应过程的影响规律，我们在ZSM-11催化剂上，系统考察了反应温度，压力，氨烯比和异丁烯空速对催化剂胺化反应性能的影响及变化规律.结果表明，在其他条件不变的情况下，异丁烯转化率随着温度的升高呈现出先增大后减小的趋势.适当提高原料中氨烯比和反应压力，以及采用较低异丁烯空速有利于促进异丁烯的转化.上述规律与热力学计算结果呈现出较好的一致性.在ZSM-11催化剂上，异丁烯直接胺化反应的较佳反应条件为523 K，5 MPa，氨烯比4，异丁烯空速0.5 h^-1.上述结果可为异丁烯直接胺化合成叔丁胺过程新型高效催化剂的研发和反应工艺条件优化提供参考和指导.

关键词:

English

Thermodynamic study of direct amination of isobutylene to tert-butylamine

a Dalian National Laboratory for Clean Energy, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, Liaoning, China;
b University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
c PetroChina Fushun Petrochemical Company, Fushun 113004, Liaoning, China
Received Date: 26 September 2016
Revised Date: 23 October 2016
Fund Project:
This work was supported by K. C. Wong Education Foundation, Youth Innovation Promotion Association of CAS (20120155) and Dalian Eminent Young Scientist Program (2015R009).

Abstract: On basis of thermodynamic empirical equations, the thermodynamic parameters for the direct amination of isobutylene to tert-butylamine, an atomically economic and green chemical reaction, were calculated. In particular, the equilibrium conversion of isobutylene under various reaction conditions close to those used in industry was calculated and discussed. Isobutylene amination is a temperature sensitive reaction due to its exothermic nature and isobutylene equilibrium conver-sion decreases with temperature. However, kinetically, the amination reaction will be faster at a higher temperature. Thus, there must be an optimum temperature for the reaction. A high pressure and n(NH₃)/n(i-C₄H₈) molar ratio promote the transformation of isobutylene to tert-butylamine. Developing a highly efficient catalyst under mild reaction conditions is preferred for the amination process. The reaction was investigated over a series of acidic zeolites. ZSM-11 zeolite exhibited the best performance with 14.2% isobutylene conversion (52.2% of the equilibrium conversion) and > 99.0% tert-butylamine selectivity. The effect of reaction conditions on the performance of the ZSM-11 catalyst agreed with the thermodynamic results, which provides guidance for further cata-lyst development and reaction condition optimization.

Key words:

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142

异丁烯直接胺化合成叔丁胺反应的热力学研究

English

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