CN114874076A - 一种间甲酚的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及化工生产技术领域,特别涉及一种间甲酚的制备方法。本发明首先制备出钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂,将其运用到间甲酚合成中,能够显著提高苯酚的转化率以及间甲酚的选择性,进而保证了间甲酚的纯度;采用十六烷基三甲基溴化铵作为结构导向剂,异丙醇和去离子水的混合溶剂作为溶剂,采用双缩脲作为碱性调节剂和介孔形成剂,保证了钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂形成,该催化剂用于间甲酚的合成时,能够保证苯酚的转化率和间甲酚的选择性,提高了间甲酚的产率,进而保证了间甲酚的纯度在99.90%以上。

Description

一种间甲酚的制备方法
技术领域
本发明涉及化工生产技术领域,特别涉及一种间甲酚的制备方法。
背景技术
甲酚有三种同分异构体,分别为邻甲酚、间甲酚、对甲酚。其中尤以间甲酚市场价值最高,应用最广,其下游产品涉及到医药、香料、农药、染料、绝缘漆、抗氧剂等诸多领域。目前间甲酚来源主要有以下等渠道:
氯甲苯水解:以氯甲苯与氢氧化钠为原料,通过在高温高压情况下进行水解反应生成,其反应产物通过精馏分离可得到99.5%以上间对甲酚,其中间甲酚占比60%左右。存在的问题是能耗高、含盐废水多等,因此生产成本相对较高;
煤焦油粗酚分离:以煤焦油生产副产粗酚为原料,通过精馏分离的方法提纯得到,其生产成本相对较低。存在的问题包括精馏残渣量较大,精馏分离得到的间甲对酚品质较差,主含量一般不足98%,且间甲酚占比不足60%。
苯酚烷基化法,以苯酚为原料,甲醇为烷基化剂,在液相条件下,苯酚、甲醇在温度为300-400℃和压力1~3MPa的条件下,采用氧化铝为催化剂,苯酚进行甲基化反应制备间、邻甲酚。但是该法获得产品间甲酚选择性差,间甲酚转化率低的问题。
因此,目前现有催化剂仍然存在较大缺陷,比如仍然存在苯酚的转化率低、间甲酚选择性低的问题,容易生成邻甲酚、二甲酚等杂质,进而间甲酚导致转化率低、纯度下降的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种间甲酚的制备方法,首先制备出钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂,将其运用到间甲酚合成中,能够显著提高苯酚的转化率以及间甲酚的选择性,进而保证了间甲酚的纯度,采用十六烷基三甲基溴化铵作为结构导向剂,异丙醇和去离子水的混合溶剂作为溶剂,采用双缩脲作为碱性调节剂和介孔形成剂,保证了钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂形成。
本发明实现解决上述问题的技术方案如下:
一种间甲酚的制备方法,包括步骤如下:
(1)制备钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂:
将异丙醇和去离子水混合获得500mL混合溶剂,在混合溶剂中加入硝酸铝、硝酸钴和硝酸钆,超声10-15min,再加入的十八烷基三甲基溴化铵,继续超声4-5min,最后加入双缩脲,超声3-10min,然后转入高压反应釜中进行水热反应,密封条件下,控制反应釜的压力在1.6MPa以上,在180℃以上下保温一段时间,冷却至室温后,离心分离后获得前驱体;将前驱体采用无水乙醇和去离子水洗涤,在真空干燥箱里烘干,然后放入马弗炉中在560℃以上煅烧3h以上,得到钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂;所述的钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂具有丰富介孔的纳米管结构,介孔的孔径约5-6.5nm;
(2)制备间甲酚:在固定床反应器中装填钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂,将苯酚与甲醇作为反应原料充分混合,通过质量计量泵送入到预热器中,预热器的温度设定为230℃以上,经过充分预热后,与氢气介质进行充分混合,进入固定床反应器,固定床反应器中反应条件为反应压力为1.5MPa以上,反应温度为360℃以上,原料进料的重量空速WHSV为2.0h-1以上,反应时间为4h以上,反应结束后经气液分离并冷凝得到反应产物;
(3)将反应产物,将反应产物通过精馏塔进行分离,再采用尿素络合法得到高纯度的间甲酚。
进一步地,步骤(1)中,将体积比为2:3异丙醇和去离子水混合获得500mL混合溶剂。
进一步地,步骤(1)中,在混合溶剂中加入0.5mol硝酸铝、8-12mmol硝酸钴和2-6mmol硝酸钆,超声10-15min,再加入0.3-0.6mol的十八烷基三甲基溴化铵,继续超声4-5min,最后加入1.0-1.4mol双缩脲,超声3-10min。
进一步地,步骤(1)中,控制反应釜的压力为1.6-1.8MPa,在180-220℃下保温4-8h。
进一步地,步骤(1)中,在真空干燥箱里100-120℃下烘干。
进一步地,步骤(1)中,在560-600℃的温度下煅烧3-6h。
进一步地,步骤(1)中,所述的纳米管结构的内径约为21-31nm,外径范围约为41-52 nm,长度约为752-905nm,介孔的孔径约5-6.5nm,比表面积约704-756m2/g。
进一步地,步骤(2)中,在固定床反应器中装填10g钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂,将摩尔比为1:3的苯酚与甲醇作为反应原料充分混合。
进一步地,步骤(2)中,预热器的温度设定为230-240℃,经过充分预热后,与氢气介质进行充分混合,氢气和苯酚的摩尔比为4:1,进入固定床反应器。
进一步地,步骤(2)中,固定床反应器中反应条件为反应压力为1.5-1.8MPa,反应温度为360-400℃,原料进料的重量空速WHSV为2.0-3.0h-1,反应时间为4-6h。
进一步地,步骤(3)中,所述尿素络合法具体为将尿素加入到经精馏分离后的产物中,加热至85℃,使尿素全溶,物料自然冷却至38℃时,充分搅拌,匀速滴加甲苯溶剂,并匀速冷却至 -10℃,过滤,得尿素与间甲酚滤饼,滤饼以加入醚类溶剂中,在30℃下搅拌2h解络,过滤后得到滤液,将滤液减压精馏得高纯度的间甲酚。
进一步地,步骤(2)中,苯酚的转化率为91.8-92.5%,间甲酚的选择性为85.47-86.56%,间甲酚的产率为78.46-80.07%。
进一步地,步骤(3)中,间甲酚的纯度在99.90%以上。
本发明的有益效果:
(1)本发明利用钴和钆共掺杂,起到了良好的协同作用,钴和钆协同作用于氧化铝的晶格中,造成晶格畸变,提高催化活性,同时在纳米管中形成微通道反应器,极大地提高了反应效率和转化效果,提高苯酚的转化率以及间甲酚的选择性,降低了对甲酚和二甲酚的生成,进而最终获得产品的纯度也在99.90%以上。
(2)本发明巧妙地十六烷基三甲基溴化铵作为结构导向剂,同时在异丙醇和去离子水的混合溶剂中,在双缩脲的作用下,形成了钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂。由于介孔纳米管的特殊结构,能够形成微通道反应器和微反应器,因此,极大地提高了反应效率,提高了苯酚的转化率,并一定程度的提高了间甲酚的选择性。采用氢氧化钠或尿素替换双缩脲时,其催化效果也有所降低,由于双缩脲即提供碱性环境又能够促进纳米管催化剂形成介孔结构,采用氢氧化钠无法获得介孔结构,而采用尿素替换双缩脲的效果也要有所下降,主要是采用尿素降低了催化剂的比表面积,进而降低了催化效果。
附图说明
图1.实施例1所得钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂的透射电镜图(TEM)。
具体实施方式
实施例1:一种间甲酚的制备方法,包括步骤如下:
(1)制备钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂:
将体积比为2:3的异丙醇和去离子水混合获得500mL混合溶剂,在混合溶剂中加入0.5mol硝酸铝、10mmol硝酸钴和4mmol硝酸钆,超声10min,再加入0.4mol的十八烷基三甲基溴化铵,继续超声5min,最后加入1.2mol双缩脲,超声3min,然后转入高压反应釜中进行水热反应,密封条件下,控制反应釜的压力为1.8MPa,在200℃下保温6h,冷却至室温后,离心分离后获得前驱体;将前驱体采用无水乙醇和去离子水洗涤,在真空干燥箱里120℃下烘干,然后放入马弗炉中在580℃的温度下煅烧4h,得到钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂;所述的钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂具有丰富介孔的纳米管结构,纳米管的内径约为25nm,外径范围约为45 nm,长度约为800nm,介孔的孔径约5nm,比表面积约756m2/g。
(2)制备间甲酚:在固定床反应器中装填10g钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂,将摩尔比为1:3的苯酚与甲醇作为反应原料充分混合后,通过质量计量泵送入到预热器中,预热器的温度设定为230℃,经过充分预热后,与氢气介质进行充分混合,氢气和苯酚的摩尔比为4:1,进入固定床反应器。固定床反应器中反应条件为反应压力为1.8MPa,反应温度为380℃,原料进料的重量空速WHSV为3.0h-1,反应时间为5h。反应结束后经气液分离并冷凝得到反应产物,反应产物经分析,苯酚的转化率为92.5%,间甲酚的选择性为86.56%,间甲酚的产率为80.07%。
(3)将反应产物,将反应产物通过精馏塔进行分离,再采用尿素络合法得到高纯度的间甲酚。经检测间甲酚纯度达到99.96%。所述尿素络合法具体为将尿素加入到经精馏分离后的产物中,加热至85℃,使尿素全溶,物料自然冷却至38℃时,充分搅拌,匀速滴加甲苯溶剂,并匀速冷却至 -10℃,过滤,得尿素与间甲酚滤饼,滤饼以加入醚类溶剂中,在30℃下搅拌2h解络,过滤后得到滤液,将滤液减压精馏得高纯度的间甲酚。
实施例2:一种间甲酚的制备方法,包括步骤如下:
(1)制备钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂:
将体积比为2:3的异丙醇和去离子水混合获得500mL混合溶剂,在混合溶剂中加入0.5mol硝酸铝、8mmol硝酸钴和6mmol硝酸钆,超声12min,再加入0.3mol的十八烷基三甲基溴化铵,继续超声4min,最后加入1.4mol双缩脲,超声5min,然后转入高压反应釜中进行水热反应,密封条件下,控制反应釜的压力为1.6MPa,在180℃下保温8h,冷却至室温后,离心分离后获得前驱体;将前驱体采用无水乙醇和去离子水洗涤,在真空干燥箱里110℃下烘干,然后放入马弗炉中在600℃的温度下煅烧3h,得到钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂;所述的钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂具有丰富介孔的纳米管结构,纳米管的内径约为21nm,外径范围约为41 nm,长度约为752nm,介孔的孔径约6nm,比表面积约704m2/g。
(2)制备间甲酚:在固定床反应器中装填10g钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂,将摩尔比为1:3的苯酚与甲醇作为反应原料充分混合后,通过质量计量泵送入到预热器中,预热器的温度设定为240℃,经过充分预热后,与氢气介质进行充分混合,氢气和苯酚的摩尔比为4:1,进入固定床反应器。固定床反应器中反应条件为反应压力为1.5MPa,反应温度为400℃,原料进料的重量空速WHSV为2.0h-1,反应时间为6h。反应结束后经气液分离并冷凝得到反应产物,反应产物经分析,苯酚的转化率为91.8%,间甲酚的选择性为85.47%,间甲酚的产率为78.46%。
(3)将反应产物,将反应产物通过精馏塔进行分离,再采用尿素络合法得到高纯度的间甲酚。经检测间甲酚纯度达到99.90%。所述尿素络合法具体为将尿素加入到经精馏分离后的产物中,加热至85℃,使尿素全溶,物料自然冷却至38℃时,充分搅拌,匀速滴加甲苯溶剂,并匀速冷却至 -10℃,过滤,得尿素与间甲酚滤饼,滤饼以加入醚类溶剂中,在30℃下搅拌2h解络,过滤后得到滤液,将滤液减压精馏得高纯度的间甲酚。
实施例3:一种间甲酚的制备方法,包括步骤如下:
(1)制备钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂:
将体积比为2:3的异丙醇和去离子水混合获得500mL混合溶剂,在混合溶剂中加入0.5mol硝酸铝、12mmol硝酸钴和2mmol硝酸钆,超声15min,再加入0.6mol的十八烷基三甲基溴化铵,继续超声5min,最后加入1.0mol双缩脲,超声10min,然后转入高压反应釜中进行水热反应,密封条件下,控制反应釜的压力为1.7MPa,在220℃下保温4h,冷却至室温后,离心分离后获得前驱体;将前驱体采用无水乙醇和去离子水洗涤,在真空干燥箱里100℃下烘干,然后放入马弗炉中在560℃的温度下煅烧6h,得到钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂;所述的钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂具有丰富介孔的纳米管结构,纳米管的内径约为31nm,外径范围约为52 nm,长度约为905nm,介孔的孔径约6.5nm,比表面积约721m2/g。
(2)制备间甲酚:在固定床反应器中装填10g钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂,将摩尔比为1:3的苯酚与甲醇作为反应原料充分混合后,通过质量计量泵送入到预热器中,预热器的温度设定为240℃,经过充分预热后,与氢气介质进行充分混合,氢气和苯酚的摩尔比为4:1,进入固定床反应器。固定床反应器中反应条件为反应压力为1.6MPa,反应温度为360℃,原料进料的重量空速WHSV为2.5h-1,反应时间为4h。反应结束后经气液分离并冷凝得到反应产物,反应产物经分析,苯酚的转化率为92.1%,间甲酚的选择性为85.95%,间甲酚的产率为79.16%。
(3)将反应产物,将反应产物通过精馏塔进行分离,再采用尿素络合法得到高纯度的间甲酚。经检测间甲酚纯度达到99.92%。所述尿素络合法具体为将尿素加入到经精馏分离后的产物中,加热至85℃,使尿素全溶,物料自然冷却至38℃时,充分搅拌,匀速滴加甲苯溶剂,并匀速冷却至 -10℃,过滤,得尿素与间甲酚滤饼,滤饼以加入醚类溶剂中,在30℃下搅拌2h解络,过滤后得到滤液,将滤液减压精馏得高纯度的间甲酚。
对比例1:一种间甲酚的制备方法,具体步骤同实施例1,不同在于步骤(1)中,不加入硝酸钴,即得到钆掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂,其它步骤均与实施例1相同。步骤(2)中,苯酚的转化率为81.2%,间甲酚的选择性为64.62%,间甲酚的产率为43.88%;步骤(3)中间甲酚的纯度达到82.25%。
对比例2:一种间甲酚的制备方法,具体步骤同实施例1,不同在于步骤(1)中,不加入硝酸钴,硝酸钆的加入量为14mmol,即得到钆掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂,其它步骤均与实施例1相同。步骤(2)中,苯酚的转化率为81.5%,间甲酚的选择性为65.38%,间甲酚的产率为53.28%;步骤(3)中间甲酚的纯度达到83.36%。
对比例3:一种间甲酚的制备方法,具体步骤同实施例1,不同在于步骤(1)中,不加入硝酸钆,即得到钴掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂,其它步骤均与实施例1相同。步骤(2)中,苯酚的转化率为80%,间甲酚的选择性为65.45%,间甲酚的产率为52.36%;步骤(3)中间甲酚的纯度达到82.13%。
对比例4:一种间甲酚的制备方法,具体步骤同实施例1,不同在于步骤(1)中,不加入硝酸钆,硝酸钴的加入量为14mmol,即得到钴掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂,其它步骤均与实施例1相同。步骤(2)中,苯酚的转化率为80.4%,间甲酚的选择性为69.62%,间甲酚的产率为55.97%;步骤(3)中间甲酚的纯度达到85.28%。
由实施例1和对比例1-4可知,说明钴和钆共掺杂,起到了良好的协同作用,可能是由于钴和钆协同作用于氧化铝的晶格中,造成晶格畸变,提高催化活性,同时在纳米管中形成微通道反应器,极大地提高了反应效率和转化效果,提高苯酚的转化率以及间甲酚的选择性,降低了对甲酚和二甲酚的生成,进而最终获得产品的纯度也在99.90%以上。
对比例5:一种间甲酚的制备方法,具体步骤同实施例1,不同在于步骤(1)中,不加入十八烷基三甲基溴化铵,其它步骤均与实施例相同,无法获得纳米管结构,步骤(1)中获得钴、钆双掺杂Al2O3介孔催化剂,尺寸在500nm左右的颗粒团聚体。步骤(2)中,苯酚的转化率为74.1%,间甲酚的选择性为70.47%,间甲酚的产率为52.22%;步骤(3)中间甲酚的纯度达到81.19%。
对比例6:一种间甲酚的制备方法,具体步骤同实施例1,不同在于步骤(1)中,不加异丙醇,其它步骤均与实施例相同,步骤(1)中只获得部分纳米管结构,同时还含有大量的颗粒团聚体。步骤(2)中,苯酚的转化率为79.45%,间甲酚的选择性为74.12%,间甲酚的产率为58.89%;步骤(3)中间甲酚的纯度达到88.26%。
对比例7:一种间甲酚的制备方法,具体步骤同实施例1,不同在于步骤(1)中,采用氢氧化钠替换双缩脲,其它步骤均与实施例相同,无法介孔结构,步骤(1)中获得钴、钆双掺杂Al2O3纳米管催化剂。步骤(2)中,苯酚的转化率为82.36%,间甲酚的选择性为74.25%,间甲酚的产率为61.15%;步骤(3)中间甲酚的纯度达到91.56%。
对比例8:一种间甲酚的制备方法,具体步骤同实施例1,不同在于步骤(1)中,采用2.4mol尿素替换1.2mol双缩脲,其它步骤均与实施例相同,步骤(1)中获得钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂,比表面积约647m2/g。步骤(2)中,苯酚的转化率为88.45%,间甲酚的选择性为81.14%,间甲酚的产率为71.77%;步骤(3)中间甲酚的纯度达到96.47%。
由实施例1和对比例5-8可知,表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵具有调节催化剂微观结构的作用,能够促进催化剂向纳米管方向生长,但是同时又受到溶剂的影响,只有在异丙醇和去离子水的混合溶剂中才能获得更好的纳米管结构,不加入异丙醇只获得部分纳米管结构,大大降低了其催化性能,在无法得到纳米管结构时,由于介孔纳米管的特殊结构,能够形成微通道反应器和微反应器,因此,极大地提高了反应效率,提高了苯酚的转化率,并一定程度的提高了间甲酚的选择性。另外,采用氢氧化钠或尿素替换双缩脲时,其催化效果也有所降低,由于双缩脲即提供碱性环境又能够促进纳米管催化剂形成介孔结构,采用氢氧化钠无法获得介孔结构,而采用尿素替换双缩脲的效果也要有所下降,主要是采用尿素降低了催化剂的比表面积,进而降低了催化效果。
以上仅为本发明的示例性实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种间甲酚的制备方法,包括步骤如下:
(1)制备钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂:
将异丙醇和去离子水混合获得500mL混合溶剂,在混合溶剂中加入硝酸铝、硝酸钴和硝酸钆,超声10-15min,再加入的十八烷基三甲基溴化铵,继续超声4-5min,最后加入双缩脲,超声3-10min,然后转入高压反应釜中进行水热反应,密封条件下,控制反应釜的压力在1.6MPa以上,在180℃以上下保温一段时间,冷却至室温后,离心分离后获得前驱体;将前驱体采用无水乙醇和去离子水洗涤,在真空干燥箱里烘干,然后放入马弗炉中在560℃以上煅烧3h以上,得到钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂;所述的钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂具有丰富介孔的纳米管结构,介孔的孔径约5-6.5nm;
(2)制备间甲酚:在固定床反应器中装填钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂,将苯酚与甲醇作为反应原料充分混合,通过质量计量泵送入到预热器中,预热器的温度设定为230℃以上,经过充分预热后,与氢气介质进行充分混合,进入固定床反应器,固定床反应器中反应条件为反应压力为1.5MPa以上,反应温度为360℃以上,原料进料的重量空速WHSV为2.0h-1以上,反应时间为4h以上,反应结束后经气液分离并冷凝得到反应产物;
(3)将反应产物,将反应产物通过精馏塔进行分离,再采用尿素络合法得到高纯度的间甲酚。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,将体积比为2:3异丙醇和去离子水混合获得500mL混合溶剂。
3.根据权利要求1-2任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,在混合溶剂中加入0.5mol硝酸铝、8-12mmol硝酸钴和2-6mmol硝酸钆,超声10-15min,再加入0.3-0.6mol的十八烷基三甲基溴化铵,继续超声4-5min,最后加入1.0-1.4mol双缩脲,超声3-10min。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,控制反应釜的压力为1.6-1.8MPa,在180-220℃下保温4-8h。
5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,在真空干燥箱里100-120℃下烘干。
6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,在560-600℃的温度下煅烧3-6h。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述的纳米管结构的内径约为21-31nm,外径范围约为41-52 nm,长度约为752-905nm,介孔的孔径约5-6.5nm,比表面积约704-756m2/g。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,在固定床反应器中装填10g钴、钆双掺杂Al2O3介孔纳米管催化剂,将摩尔比为1:3的苯酚与甲醇作为反应原料充分混合。
9.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,预热器的温度设定为230-240℃,经过充分预热后,与氢气介质进行充分混合,氢气和苯酚的摩尔比为4:1,进入固定床反应器;固定床反应器中反应条件为反应压力为1.5-1.8MPa,反应温度为360-400℃,原料进料的重量空速WHSV为2.0-3.0h-1,反应时间为4-6h。
10.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述尿素络合法具体为将尿素加入到经精馏分离后的产物中,加热至85℃,使尿素全溶,物料自然冷却至38℃时,充分搅拌,匀速滴加甲苯溶剂,并匀速冷却至 -10℃,过滤,得尿素与间甲酚滤饼,滤饼以加入醚类溶剂中,在30℃下搅拌2h解络,过滤后得到滤液,将滤液减压精馏得高纯度的间甲酚。
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