维普资讯 http://www.cqvip.com 精细石油 化工进展 第8卷第6期 ADVANCES IN FINE PETROCHEMICALs 氧化锌催化苯甲酸加氢制备苯甲醛 孙 婧 邰晓曦 刘海锋 (1.广东化工制药职业技术学院化妆品科学系,广州510520;2、东南大学化学化工学院,南京210096) 摘要 以ZnO为催化剂,苯甲酸为原料,通过加氢还原制备了苯甲醛。考察了反应温度、 氢/酸摩尔比和气时空速对催化活性的影响。结果表明,在反应温度350℃、氢/酸摩尔比60:1、气 时空速l 500 h 的条件下,催化剂表现出最佳活性。此时,苯甲酸的转化率达99.4%,苯甲醛的选 择性达93.6%。随着反应时间的延长,催化剂活性有所下降;失活催化剂经活化后,催化性能可以 很好地恢复。采用BET、XRD技术对反应前后的催化剂进行了表征。 关键词 苯甲醛苯甲酸氧化锌加氢催化 苯甲醛是最重要的芳香族醛,工业上有着广 产;碳酸锌,上海锦源精细化工厂生产。 泛用途,是合成香料、医药、染料等的中间体…。 GFM一2143型质量流量控制器;1LI3—690—9 苯甲醛的传统生产工艺主要是采用甲苯卤化水解 型电加热炉;宇电AI708/808P人工智能调节器; 等方法 】,但基于该工艺的产品含有氯等有害物, GC一9790气相色谱仪,PTE一5型毛细管柱;AU. 了产品在香料和医药等工业中的应用,而苯 TOSOB一1型表面测定仪,以高纯液氮作为吸附 甲醛在医药和香料工业的消费量约占我国苯甲醛 质,氦气为载体;Rigaku D/max一7A型x射线衍 总消费量的一半。此外,通过苯甲酸还原【3】、苯乙 射仪,管流80 mA,管压40 kV,采用石墨单色器,用 烯氧化[‘ 或苯羰基化【 】也可制得苯甲醛。其中, Cu的 辐射在l0。至80。之间以5 ̄/rain的速度扫 以苯甲酸为原料催化加氢制备的苯甲醛纯度高, 描;FT—IR200傅立叶变换红外光谱仪,KBr液膜 不含有害物质,可广泛用于香料、医药及食品等行 法,室温操作,扫描次数64,分辨率4 em~,美国 业,是颇具前景的生产工艺路线。同时,该工艺安 尼高力公司生产;石英反应管,自制。 全,原料无毒,原子利用率高,也符合现代绿色化 1.2实验方法 工的发展要求。 将碳酸锌置于马弗炉,在650 oC下焙烧4 h,得 苯甲酸催化加氢还原制备苯甲醛,符合Mars— 到ZnO催化剂。 van Krevelen机理【6J,反应式如下: 苯甲酸还原反应装置采用连续流动固定床。 C6H5COOH+H2一C6I45CHO+H2O 将ZnO催化剂装入石英管反应器( 0 nun× 苯甲酸加氢还原生产苯甲醛工艺的研究,主 1.5 mm)反应段,石英管置于由调节器精确控温 要是对加氢还原用催化剂活性及稳定性的研究, 的电加热炉中,经气化的原料苯甲酸与氢气按一 目前主要集中于Mn[ 、Zr[引、Ce[。 等金属氧化物 定比例混合后,通人石英管催化剂床层进行反应。 的研究。Mn系催化剂使用寿命较短,zr系催化 除目标产物苯甲醛外,还有副产物苯甲醇、甲苯和 剂的活性仍有待提高,ce系催化剂有毒且成本较 苯。 高。 反应产物采用气相色谱仪分析,面积归一化 ZnO是一种安全廉价的氧化物催化剂,可用 法定量。FID检测器,气化室温度290 oC,检测器 于氧化和还原反应,但用于苯甲酸制备苯甲醛的 温度280℃,载气为N2,0.15 MPa。 研究报道很少。本研究以ZnO为催化剂,催化加 2结果与讨论 氢还原苯甲酸制苯甲醛,取得了较好的结果。 采取单因素实验,以苯甲酸的转化率和苯甲 1实验部分 1.1主要试剂及仪器 收稿日期:2007.03.20。 苯甲酸,分析纯,上海来泽精细化学品厂生 作者简介:孙婧,硕士,助理讲师,研究方向为催化剂及催 化合成。 维普资讯 http://www.cqvip.com 2007年6月 孙婧等.氧化锌催化苯甲酸加氢制备苯甲醛 35 醛的选择性为基准,考察催化剂的活性。 2.1温度对反应的影响 在氢/酸摩尔比为60:1、气时空速为1 200 h 的条件下,考察了反应温度对苯甲酸转化率和苯 甲醛选择性的影响,结果见图1。由图1可以看 出,温度对反应影响显著。随着温度升高,苯甲酸 转化率增加,产物选择性则呈下降趋势。在 350℃时,苯甲酸转化较完全;之后继续升高温 度,产物选择性迅速下降。因此,350℃为最佳反 应温度。 辞 褂 ^ 鞲 反应温度/℃ 图1温度对反应的影响 2。2氢/酸摩尔比对反应的影响 在反应温度350℃、气时空速为1 200 h 的 条件下,考察了氢气与苯甲酸摩尔比对反应的影 响,结果见图2。由图2可看出,在反应原料氢/ 酸摩尔比较低时,苯甲酸转化不够完全,苯甲醛选 择性也稍差。提高氢/酸摩尔比,苯甲酸的转化率 和苯甲醛选择性也随之增加,在氢/酸摩尔比达到 60:1时,结果较理想。之后继续提高氢/酸摩尔 比,目标产物收率增加不明显,同时造成能源的浪 费。因此,本反应适宜的氢/酸摩尔比为60:1。 瓣 ^ 鞲 氢气/苯甲酸摩尔比值 图2氢气/苯甲酸摩尔比对反应的影响 2.3气时空速对反应的影响 气时空速对苯甲酸转化率和苯甲醛选择性的 影响结果见图3。图3表明,气时空速较低时,苯 甲醛的选择性差。气时空速为900~1 500 h 范 围内,苯甲醛的选择性较好,稳定在90%以上,同 时苯甲酸转化率也稳定在98%以上。继续增大 气时空速,苯甲酸转化率有所下降。综合转化率 和选择性考虑,确定最佳气时空速为1 500 h~。 辞 摸 ^ 鞲 气时空速/h 图3气时空速对反应的影响 2.4催化剂寿命的考察 在上述实验得出的最佳反应条件下,即氢/酸 摩尔比60:1、反应温度350℃、气时空速1 500 h 的条件下,考察了催化剂ZnO的使用寿命,其活 性变化与反应时间的关系见图4。 料 ^ 鞲 图4催化剂活性随反应时间变化的曲线 由图4可以看出,反应初期,催化剂对苯甲酸 的转化率达99.4%,对苯甲醛的选择性达 93.6%;随着反应时间的延长,两者皆呈下降趋 势。本实验对催化剂稳定性考察了160 h,可以推 测,随着反应时间的进一步延长,催化剂活性还会 继续下降。为了分析在反应过程中催化剂活性下 降的原因,本研究对反应前后的催化剂进行了表 征。 2.5催化剂的比表面积与晶相结构表征 首先分别对反应前后的催化剂进行BET表 征。结果显示,反应前后催化剂的比表面积分别 维普资讯 http://www.cqvip.com 精 细 石36 油 化工进展 第8卷第6期 ADVANCES IN FINE PETROCHEMICALS 为34.6 m2/g和34.2 m2/g,没有明显变化。 2.7产物分析 然后分别对反应前后的催化剂进行XRD表 征,结果见图5。由图5可以看出,本研究自制的 催化剂ZnO的XRD谱图与ZnO的标准谱图完全 反应产物经分离纯化后,由红外光谱仪进行 分析,在波数1 690,1 510,1 455,710 cm 附近,有 芳香醛的特征吸收峰。 吻合。重要的是,反应后催化剂XRD谱图显示, 其晶相结构没有发生任何变化。 20 30 40 50 60 70 80 20/(。) 图5 催化剂ZnO的XRD谱 综合上述表征结果,ZnO催化活性的下降原 因,并非是比表面积减小或活性相变化导致的。 而在一定温度下,芳香族化合物容易在催化剂表 面发生结焦现象,所以本实验中催化剂的失活,可 能是反应原料或反应产物在催化剂表面发生结焦 所致。 催化剂表面发生结焦引起的失活,属活性可 再生失活。为考察反应过程中,催化剂失活是否 与结焦有关,对失活催化剂进行了再生实验。 2.6催化剂活化再生 对使用160 h后活性下降的ZnO催化剂进行 再生,再生条件:通人空气,在500 oC下焙烧4 h。 在最佳反应条件下,考察再生后催化剂的活 性。实验表明,使用再生ZnO催化剂,苯甲酸转 化率和苯甲醛选择性分别达到96.6%和91.7%。 对再生后的催化剂进行BET表征,催化剂比表面 积为42.8 m2/g;再生后催化剂的XRD谱图与ZnO 标准谱图也完全一致。 可以看出,再生后催化剂结构和性质没有变 化,催化活性得到很大恢复,与结焦引起的失活属 性相符。所以催化剂活性下降的主要原因,是苯 甲酸或苯甲醛在催化剂表面结焦,覆盖了催化剂 活性中心。这与芳香族化合物容易结焦的属性相 符。 精制产物为无色透明液体,相对密度(20 cI=) 为1.046 1,折光率(0)为1.546 4,与苯甲醛物理 属性相符。 3结论 (1)在苯甲酸气相催化加氢还原制备苯甲醛 中,催化剂ZnO具有较高的催化活性。在反应温 度350 cI=、反应物氢气与苯甲酸的摩尔比为60:1, 气时空速1 500 h 的条件下,催化剂表现出最佳 活性,苯甲酸的转化率达99.4%,苯甲醛的选择 性达93.6%。 (2)在反应过程中,催化剂ZnO的催化活性 随着反应时间的延长有所下降,但失活的催化剂 经再生后。活性得到很大程度的恢复。反应和再 生过程中,催化剂的结构和性质没有明显变化,催 化剂失活是在其表面的反应物或生成物结焦所 致。 参考文献 1朱宪,王彬,张彰等.苯甲醛清洁生产工艺技术研究进展.化工 进展,2005,24(2):109~116 2 Guo C C,Liu Q,Wang X T,et a1.Selective Liquid Phase Oxidation of Toluene with Air.Applied Catd ̄is A:Genera/。2005,282:55—59 3 Dury F,Meixner S,CI ement D,et a1.Coupling the Deoxygenation of Benzoic Acid with the Oxidation of Propylene on a Co Molybdate Cam・ lyst.Journa/ofMolecular Catalysis A:Chemiea/,2005,237:9一l6 4高飞,吕秀阳.近临界水中苯甲醛合成新方法.高校化学工程 学报,2006,20(4):544—547 5 Zhao W J,Jinag X Z,Zhuo G L.Selective Cart ̄nylation of Benzene to Benzaldehyde Using O2 aS the Oxidant in the Presence of C0ba1t Com— plex.Joarna/ofMolecular 咖 A:Chemical,2005,225:131— 135 6 Lange deMW,Ommen Van J G,Lefferts L.Deoxygenation ofBenzoic Acid on Metal Oxides.1.The Selective Pathway to Benzaldehyde.AP— pZeid C础 A:Genera/,2001,220:41—49 7 ChenAM,Xu H L,YueY H,et a1.Hydrogenation ofMethyl Benzoate to Benzaldehyde ov ̄er Manganese Oxide Catalysts Prepared from Mg/ MrdAl Hydrotalcite—like Compounds.Applied Catalysis A:Genera/, 2O04。274:101—109 8 Sakata Y,Ponec V.Reduction of Benzoic Acid on CeO2 and the Effcet ofAdditives.Applied Catalysis A:Genera/,1998,166:173—184 (下转第41页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 2007年6月 甘赠国等.过渡金属碳化物的催化研究进展 30 Kojima I,Miyazaki E,Yasunobu,et a1.Catalytic Activities of TiC, 26 Amelse J A,Butt J B,Schwartz L H.Carburization of Supposed Iron Synthesis Catalysts.The Journal ofPhysical Chemistry,1978,82(5): 558—563 27 Wang Chong,Na Yingzi,Liu Shenglin,et a1.Preparation of Iron Car— bide Catalysts and Their Activity for CO Hydrogenation.Chinese WC,TaC for Hydrogenation of Ethylene.Journal of Cat奶.sis,1979, 59:472—474 31 Kojima I,Miyazaki E,Y lnoue,et a1.Catalysis by Transition Metal CarbidesⅥMechanism of Ethylene Hydrogenation and the Nature of Journal ofCatalysis,2005,26:539—541 28张敬畅,郭沁林,曹维良等.超微粒子碳化铁催化剂在F—T 合成中表面形态的研究.北京化工学院学报,1994,21:82 87 29 Kojima I.Miyazaki E.Catalysis by Transition Carbides.Jouraln of Catalyss,1984,89:1i68—171 Active Sites on Tantalum Monocarbide.Journal of Ctalyss,1982,73:i l28~135 32 K ̄ima I.Miyazaki.Catalysis by Transition Carbides.Jouraln of Catalysis.1984.89:168一l7l Research Development on Catalysis of Transition Metal Carbides Gan Zenguo Huang Zhiyu Pang Jifeng2 (1.College of Chemistry and Chemical Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500; 2.Department of Engineering Mechanics,Dalian University of Technology,Dalian 1 16012) Abstract The transition metal carbides were a new class of catalysts which had good catalytic activity and selectivi- ly and were widely used in hydrogenolysis,dehydrogenation,desulidatifon,denitrification,reforming,and other hydro- carbon conversion reactions.The catalysis performances of transition metal carbides VC,Mo2 C,WC,FeC and TiC nd their catalytiac mechanism were reviewed. Key Words transition metal carbides,catalysis,mechanism,development .‘‘ .‘‘ .‘‘.‘‘ .‘屯 .‘屯 .‘屯 .‘屯 .‘屯 (上接第36页) Preparation of Benzaldehyde by Hydr0genati0n 0f Benzoic Acid with Zinc Oxide as Catalyst Sun Jing Tai Xiaoxi Liu Haifeng2 (1.Department of Cosmetic Science,Guangdong Vocational&Technical College of Chemical Engineering Pharmaceutics,Guangzhou 5 10520; 2.School of Chemistry and Chemical Enginerring of Southeast University,Nanjing 210096) Abstract Benzaldehyde was prepared from benzoic acid by hydrogenation using ZnO as catalyst.The effects of re- action temperature,molar ratio of HE to benzoic acid,and GHSV on catalytic activity of ZnO were investigated.The esults showed thatr ZnO had the best catalytic activity,the translation ratio of benzoic acid was 99.4%,and the se- lection of benzaldehyde WflS 93.6%under following reaction conditions:reaction temperature 350 oC。molar ratio of HE to benzoic acid 60:1,and GHSV 1 500 h~.The catalytic activity of ZnO reduced with the increase of reaction time,but it could be primely renewed by baking activation.The catalyst was characterized by BET and XRD. Key Words benzaldehyde,benzoic acid,ZnO,hydrogenation,catalysis