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环己烷主要占总产量90%以上用来生产环己醇、环己酮及己二酸,后三者是制造尼龙-6和尼龙-66的重要原料;环己烷还用作树脂、油脂、橡胶和增塑剂等的溶剂;
用作尼龙原料的高纯度的环己烷主要由苯加氢制得;
工业上苯加氢生产环己烷有气相法和液相法两种;虽然美国杜邦公司早已开发成功气相加氢工艺,但大多数工厂仍采用液相加氢工艺,例如美国的Uop公司,法国石油研究所IFP等;气相法的优点是催化剂与产品分离容易,所需反应压力也较低,但设备多而大,投资费用比液相法高; 1.反应原理
1化学反应在反应条件下,苯与氢可能发生下面各种反应:
＋nＨ２→Ｃ＋ＣＨ４2硅酸铝纤维毡4
反应1若为气相法固定床,用还原Ni作催化剂,反应温度为65～250℃,压力0.5～3.5MPa;若为液
相加氢,采用骨架镍或还原Ni为催化剂,反应温度为160～220℃,压力2.7MPa左右,环己烷收率在99%以上;反应2和4在250℃左右的低温下不显着,它们可能是由第Ⅷ族金属催化的氢解型机理引起的,也可能是由双功能催化剂的加氢裂解型机理引起的;双功能催化剂为具有加氢催化活性的某些金属如Pt,Pd或Ni负载在酸性载体SiO2或SiO2/Al2Otsmm
m2卡3上构成,在载体上往往存在强酸中心,它对反应2和4有明显促进作用;因此,选择非酸性载体可以避免这种加氢裂解作用;反应3是环己烷的异构化,它往往被酸催化,在200℃下,异构化反应达到平衡时环己烷生成甲基环戊烷的转化率为68%,将温度升高到300℃时其转化率达83%,因此也必须选择不会引起这种异构化反应的催化剂;在镍催化剂上,250℃时才开始产生甲基环戊烷; 2热力学平衡由反应1可知,苯加氢生成环己烷的反应是一个放热的体积摩尔数缩小的可逆反应;在127℃时的平衡常数为7×107,在227℃时为1.86×102;氢压和温度对环己烷中苯的平衡浓度的影响示于图3-2-18;由图3-2-18可见,低温和高压对反应是有利的;相反,反应2和4则受到抑制;环己烷异构化反应是一个等摩尔反应,压力对反应影响不大;温度对反应3平衡的影响示于图3-2-19;由图3-2-19可知,甲基环己烷的平衡浓度随温度的提高而上升;为抑制这一副反应,也要求催化剂在较低温度下就有高的苯加氢活性,而且在催化剂上不存在酸性中心;
3催化剂和催化机理对苯加氢有催化活性的金属有:Rh,Ru,Pt,W,Ni,Fe,Pd和Co等;常用金属按活性排列为:
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Pt>Ni>Pd
加氢活性的比例为:
KPt：Kni：K米勒板Pd=18：7：1
这表明铂的活性比镍高2.6倍;但铂的价格为镍的几百倍,因此选择镍作为催化剂活性组分更经济;如前所述,苯加氢有气相和液相两种方法,对液相加氢而言,要求催化剂是细微颗粒粉末,粒度为20～100μm,能悬浮在反应液中进行液-固相加氢反应;考虑到反应要求低温高活性,而且苯环加氢比烯,炔加氢困难,工业上都选用骨架镍催化剂;用这种催化剂在3.5MPa的压力和不产生副反应的温度200℃下,反应速率很容易达到每克镍每分钟转化0.15mol苯的水平;骨架镍催化剂的制备过程为:先由镍和铝重量比为1在1500～1600℃下制成镍铝合金,然后研磨至粒度为0.04～0.25mm,再用氢氧化钠浸出铝,最后经洗涤和干燥得到高活性,多孔和高强度的骨架催化剂;由于活性高,在空气中极易自燃,故一般将它浸在乙醇中出售或经表面钝化
处理变成不自燃的干燥粉末后出售;成品为黑粉末,镍含量为65%,松密度为2.4g/cm3;苯的气相加氢催化剂为负载型Ni催化剂,要求载体有足够的强度承受工业条件下的机械应力,有足够的比表面积和适宜的孔径分布,能负载足够数量的镍盐氧化镍;此外,还要求载体对副反应没有催化活性;符合上述条件,工业上应用的载体有高纯度氧化铝球Φ2～4mm,SiO2和硅藻土等,比表面积210m2/g,松密度0.91g/cm3,孔隙度0.4cm3/g;现在,工业上应用较多的液相催化剂牌号为法国的NiPS2,气相催化剂牌号为法国的LD143催化剂,它们都是由法国石油研究所IFP开发成功;除上述镍催化剂外,也有采用Ni-Pd催化剂,硫化镍和硫化钯催化剂;硫化物催化剂虽然不怕原料苯中硫化物的毒害,但要求高温450℃和高压31.0MPa;
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