加氢烷基化催化剂的活化和使用

加氢烷基化催化剂的活化和使用

对相关申请的优先权要求

本申请要求2010年10月11日提交的美国临时申请序列号 61/391,845和2010年12月7日提交的欧洲申请10194026.0的优先 权，它们的公开内容通过引用全部引入本文。

发明领域

本发明涉及加氢烷基化催化剂的活化和所述活化的催化剂在生产 环烷基芳族化合物，特别是环己基苯中的应用。

发明背景

环烷基芳族化合物如环己基苯的生产是工业上重要的反应，因为 环己基苯具有作为苯酚和环己酮的来源的潜力，它们是化学工业中重 要的中间体，可用在例如酚醛树脂、双酚A、ε‑己内酰胺、己二酸或 者增塑剂的生产中。

目前，用于生产苯酚的最常见的路线是经过枯烯的Hock方法。这 是一种三步方法，包括用丙烯将苯烷基化以生产枯烯，接着氧化所述 枯烯成相应的氢过氧化物，和然后裂解所述氢过氧化物以生产等摩尔 量的苯酚和丙酮。然而，世界对苯酚的需求比对丙酮的需求更快地增 长。另外，对丙烯的需求很可能增加。因此，不要求丙烯作为原料和 联产更高级酮而不是丙酮的方法可能是用于生产苯酚的有吸引力的替 代路线。

一种这样的方法涉及苯的催化加氢烷基化以生产环己基苯，接着 氧化所述环己基苯(类似于枯烯氧化)成环己基苯氢过氧化物，其然后 被裂解以以基本上等摩尔的量生产苯酚和环己酮。

这样的方法的一个实例被描述在例如美国专利号6,037,513中， 其中芳族烃如苯与氢气在兼具加氢活性和烷基化活性的双功能催化剂 存在下接触。特别地，所述催化剂包含具有加氢活性的金属如钯和结 晶性无机氧化物材料，所述结晶性无机氧化物材料具有烷基化活性和 包括在12.4±0.25，6.9±0.15，3.57±0.07和3.42±0.07埃的d‑间距 最大值的X‑射线衍射图。所述催化剂通过用钯盐的水溶液浸渍所述结 晶性无机氧化物材料来生产。所述浸渍过的样品然后被干燥和在空气 中煅烧。然后，在将所述催化剂用在加氢烷基化反应中之前，将所述 催化剂用50cc/min的流动氢气在300°C和1大气压下处理2小时。 尽管没有被在所述‘513专利中指出，该氢气处理被用于通过将在煅 烧步骤中产生的钯氧化物转化成更活性形式的钯来活化所述催化剂。

通过苯加氢烷基化生产苯酚的一个问题是所述催化剂对环己基苯 的选择性，因为所述方法能够产生显著量的不想要的副产物，特别是 环己烷和重组分，例如二环己基苯。尽管这些杂质中的许多可以被通 过下游加工步骤或进一步的转化方法如二环己基苯与苯的烷基转移反 应来除去，这样的步骤必然增加整个方法的成本，并且因此在改善加 氢烷基化方法的环己基苯选择性方面存在显著的兴趣。

按照本发明，现已发现，加氢烷基化催化剂如美国专利号 6,037,513中公开的那些加氢烷基化催化剂的环己基苯选择性，可以 被通过降低用于活化所述催化剂的氢气预处理的温度而改善。降低所 述预处理温度不仅改善催化剂选择性，而且减少进行所述预处理方法 所要求的成本和时间。

发明概述

本发明总体上涉及用于活化加氢烷基化催化剂的方法，所述方法 包括：(a)提供包含分子筛和加氢金属的化合物的加氢烷基化催化剂； 和(b)在氢气存在下活化所述加氢烷基化催化剂，以提供所述加氢金属 的化合物的还原；其中基于活化时间计所述活化步骤(b)的大部分在低 于约250°C的温度发生。

附图简要说明

图1是实施例1和实施例2的加氢烷基化方法的苯转化率对开车 时间的图。

图2是实施例1和实施例2的加氢烷基化方法的环己基苯选择性 对开车时间的图。

图3是实施例1和实施例2的加氢烷基化方法的二环己基苯选择 性对开车时间的图。

详细描述

本文中描述的是用于通过用氢气在小于约250°C的温度处理催化 剂来活化加氢烷基化催化剂的方法。还描述的是所述活化的催化剂在 芳族化合物的加氢烷基化以生产环烷基芳族化合物中的用途。本发明 方法特别意图用于苯的加氢烷基化以生产环己基苯，所述环己基苯用 作苯酚和环己酮生产中的前体。以下讨论因此将集中在该具体实施方 案，尽管应该理解，本发明方法可以等同地应用于其它烷基芳族化合 物的生产。

环己基苯的生产

苯的加氢烷基化以生产环己基苯按照下列反应(1)进行：

在所述加氢烷基化步骤中可以使用任何可商购的苯原料，但优选 所述苯具有至少99wt%的纯度水平。类似地，尽管氢气的来源不是关 键的，通常希望所述氢气为至少99wt%纯的。

合宜地，所述加氢烷基化步骤的总原料含有小于1000ppm，例如 小于500ppm，例如小于100ppm的水。另外，所述总原料一般含有 小于100ppm，例如小于30ppm，例如小于3ppm的硫，和小于10 ppm，例如小于1ppm，例如小于0.1ppm的氮。

氢气可以以宽的数值范围供给所述加氢烷基化步骤，但一般为使 加氢烷基化原料中氢气与苯的摩尔比在约0.15：1和约15：1之间， 例如在约0.4：1和约4：1之间，例如在约0.4：1和约0.9：1之间。

所述加氢烷基化反应是在包含分子筛和加氢金属的双功能催化剂 存在下进行的。在一个优选的实施方案中，所述分子筛包含MCM‑22 家族材料。本文中使用的术语“MCM‑22家族材料”(或“MCM‑22家族 的材料”或“MCM‑22家族的分子筛”)包括由具有MWW骨架拓扑结构 的构造块晶胞构成的分子筛。晶胞是原子的空间排列，如果在三维空 间中堆砌该空间排列描述晶体结构。MWW骨架拓扑结构被公开和描述 在“Atlas of Zeolite Framework Types”，第五版，2001中，该文 献的整个内容结合在本文中作为参考。

MCM‑22家族的分子筛一般具有包括在12.4±0.25，6.9±0.15， 3.57±0.07和3.42±0.07埃处的d间距最大值的X射线衍射图。通 过使用铜的K‑α双线作为入射射线以及装有闪烁计数器和关联计算 机作为收集系统的衍射仪的标准技术，得到用于表征材料(b)的X射线 衍射数据。MCM‑22家族的分子筛包括MCM‑22(被描述在美国专利号 4,954,325中)；PSH‑3(被描述在美国专利号4,439,409中)；SSZ‑25(被 描述在美国专利号4,826,667中)；ERB‑1(被描述在欧洲专利号 0293032中)；ITQ‑1(被描述在美国专利号6,077,498中)；ITQ‑2(被 描述在国际专利公开号WO97/17290中)；MCM‑36(被描述在美国专利号 5,250,277中)；MCM‑49(被描述在美国专利号5,236,575中)； MCM‑56(被描述在美国专利号5,362,697中)；UZM‑8(被描述在美国专 利号6,756,030中)和它们的混合物。优选地，所述分子筛选自 (a)MCM‑49，(b)MCM‑56，和(c)MCM‑49和MCM‑56的同种型(isotype)， 例如ITQ‑2。

任何已知的加氢金属可以被用在所述加氢烷基化催化剂中，尽管 合适的金属包括钯、钌、镍、锌、锡和钴，其中钯是特别有利的。一 般地，催化剂中存在的加氢金属的量为该催化剂的约0.05‑约10wt％， 例如约0.1‑约5wt％。在其中MCM‑22家族分子筛是铝硅酸盐的一个 实施方案中，加氢金属的存在量为使所述分子筛中的铝与所述加氢金 属的摩尔比为约1.5至约1500，例如约75至约750，例如约100至 约300。

所述加氢金属可以通过例如浸渍或离子交换直接负载在所述 MCM‑22家族分子筛上。然而，在一个更优选的实施方案中，至少50 wt%，例如至少75wt%，通常基本上全部的所述加氢金属被负载在与 所述分子筛分离但与所述分子筛复合的无机氧化物上。特别地，已发 现，通过将所述加氢金属负载在无机氧化物上，所述催化剂的活性和 其对环己基苯和二环己基苯的选择性与其中所述加氢金属负载在分子 筛上的等价催化剂相比增加。

在这种复合加氢烷基化催化剂中使用的无机氧化物不被窄化限 定，条件是其在加氢烷基化反应的条件下是稳定的和惰性的。合适的 无机氧化物包括元素周期表中第2，4，13和14族的氧化物，例如氧 化铝，二氧化钛，和/或二氧化锆。本文中使用的元素周期表族的编号 方式公开于Chemical and Engineering News，63(5)，27(1985)。

合适的粘结剂材料包括合成的或天然存在的物质以及无机材料， 例如粘土、二氧化硅和/或金属氧化物。后者可以是天然存在的，或者 呈包括二氧化硅和金属氧化物的混合物的凝胶状沉淀或凝胶的形式。 可以被用作粘结剂的天然存在的粘土包括蒙脱土和高岭土家族的那 些，所述家族包括变膨润土和通常被称为Dixie、McNamee、Georgia 和Florida粘土的高岭土，或其中主要矿物成分是埃洛石、高岭石、 地开石、珍珠陶土或蠕陶土的其它粘土。这样的粘土可以按原始开采 的原状态使用，或者首先经历煅烧、酸处理或化学改性。合适的金属 氧化物粘结剂包括二氧化硅、氧化铝、氧化锆、二氧化钛、二氧化硅‑ 氧化铝、二氧化硅‑氧化镁、二氧化硅‑氧化锆、二氧化硅‑氧化钍、二 氧化硅‑氧化铍、二氧化硅‑二氧化钛以及三元组合物如二氧化硅‑氧化 铝‑氧化钍、二氧化硅‑氧化铝‑氧化锆、二氧化硅‑氧化铝‑氧化镁和二 氧化硅‑氧化镁‑氧化锆。

不管所述加氢金属被如何沉积在上述复合催化剂上，所述沉积的 产物通常是所述金属的氧化的形式，而不是单质金属。因此，在在所 述加氢烷基化反应中使用之前，所述催化剂必须被通过至少部分还原 所述金属化合物成其零价的单质态来活化。还原加氢金属如钯的氧化 物的常规方法涉及用氢气在相对高的温度，通常在约300　C或更高的 温度的气相处理。然而，不能预见地，现已发现，通过在较低的温度 进行所述氢气处理，所述催化剂对环己基苯的选择性增加，并且其对 二环己基苯的选择性降低。另外，通过使用更接近于在随后的加氢烷 基化反应中使用的温度或者与在随后的加氢烷基化反应中使用的温度 相同的较低还原温度，可以在所述加氢烷基化反应器中原位进行所述 还原，而不需要升级所述反应器的温度容量（capacity）。

在一个实施方案中，基于活化时间计所述加氢烷基化催化剂的活 化的大部分在小于约250°C的温度进行。在另一个实施方案中，基于 活化时间计所述加氢烷基化催化剂的活化的大部分在小于约200°C的 温度进行。在另一个实施方案中，基于活化时间计所述活化步骤(b) 的大部分在大于25°C的温度发生。在其它实施方案中，所述加氢烷基 化催化剂的活化的至少60%，至少70%，至少80%，至少90%，和基 本上全部在小于约250°C的温度进行。在这些实施方案中，所述活化 温度上限可以为240°C，230°C，220°C，210°C，200°C，190°C，180°C， 170°C，160°C，150°C，140°C，130°C，120°C，110°C，和100°C；和下 限温度可以为0°C，10°C，20°C，30°C，40°C，50°C，60°C，70°C，80°C， 和90°C，其中从任何下限到任何上限的范围被想到。

特别地，在本发明的方法中，所述加氢烷基化催化剂的活化通过 在含氢气的气氛中在约25°C‑约250°C，例如约25°C‑约200°C，例如 约50°C‑约150°C的温度和约0‑4000kPa表压，例如约0‑约250kPa 表压的压力下加热所述催化剂或其前体来进行。氢气处理的时间随所 采用的温度变化，但是通常为至少0.5小时，例如约0.5小时‑约100 小时，例如约1小时‑约10小时，例如约1小时‑约5小时。一般地， 所述氢气处理在加氢烷基化反应器中进行。

在一个实施方案中，所述催化剂活化在液相稀释剂，例如饱和的 烃或不饱和的烃，进一步地例如液体脂肪族或芳族烃，特别是苯存在 下进行。所述液体稀释剂改善所述加氢烷基化催化剂的热容量，由此 减少所述催化剂达到氢气还原发生所要求的温度所要求的时间。

在一些实施方案中，在所述催化剂的活化之前，需要降低所述加 氢烷基化催化剂的水含量，以得到给出更高加氢烷基化转化率的催化 剂。在一个实施方案中，所述催化剂被在低于200°C的温度加热足够 的时间，以降低水含量到可接受的水平。在其它实施方案中，用于所 述水减少步骤的温度上限可以为190°C，180°C，170°C，160°C，150°C， 140°C，130°C，120°C，110°C，100°C，90°C，和80°C；下限温度可以 为0°C，10°C，20°C，30°C，40°C，50°C，60°C，和70°C，其中从任何 下限到任何上限的范围被想到。可以通过使任何干燥气体如氢气或氮 气穿过所述催化剂床流动来帮助所述水减少步骤。所述水减少步骤可 以进行足够的时间来降低水含量，例如进行至少0.1小时，0.5小时， 1.0小时，1.5小时和2.0小时。在水减少步骤之后但在活化步骤之前， 所述加氢烷基化催化剂的可接受的水含量水平可以为不大于15wt%， 例如1wt%‑12wt%的水含量。

所述加氢烷基化反应可以在宽范围的反应器构型内进行，包括固 定床、淤浆反应器和/或催化蒸馏塔。另外，所述加氢烷基化反应可以 在单一反应区中进行，或者在多个反应区中进行，其中至少将氢气分 阶段地引入反应。合适的反应温度在约100℃和约400℃之间，例如在 约125℃和约250℃之间，同时合适的反应压力在约100和约7,000 kPa之间，例如在约500和约5,000kPa之间。

尽管使用通过本文中描述的方法活化的MCM‑22家族沸石催化剂 的所述加氢烷基化反应对环己基苯是高度选择性的，但是所述加氢烷 基化反应的流出物可以含有一些二环己基苯副产物。取决于该二环己 基苯的量，(a)使所述二环己基苯与附加的苯进行烷基转移反应或(b) 将所述二环己基苯脱烷基化以使所需的单烷基化物质的生产最大化可 能是希望的。

与附加的苯的烷基转移反应通常在与所述加氢烷基化反应器分开 的烷基转移反应器中在合适的烷基转移催化剂(例如MCM‑22家族的分 子筛、沸石β、MCM‑68(参见美国专利号6,014,018)、沸石Y和丝光 沸石)上进行。所述烷基转移反应通常在至少部分液相的条件下进行， 所述条件合适地包括约100‑约300℃的温度，约800‑约3500kPa的 压力，基于总进料计约1‑约10hr^‑1的重时空速，和约1:1‑约5:1的 苯/二环己基苯重量比。

来自所述加氢烷基化反应和任何下游的烷基转移反应或脱烷基化 反应的环己基苯产物被从所述反应流出物中分离，并被进料到在下面 更详细地描述的氧化反应中。

环己基苯氧化

为了将所述环己基苯转化成苯酚和环己酮，首先将环己基苯氧化 成相应的氢过氧化物。这通过将含有氧气的气体如空气引入到含有环 己基苯的液相中来实现。与枯烯不同，环己基苯在无催化剂存在下的 环境空气氧化非常缓慢，并且因此所述氧化通常在催化剂存在下进行。

用于所述环己基苯氧化步骤的合适的催化剂是美国专利号 6,720,462（通过引用结合在本文中）中描述的N‑羟基取代的环状酰 亚胺，例如N‑羟基邻苯二甲酰亚胺、4‑氨基‑N‑羟基邻苯二甲酰亚胺、 3‑氨基‑N‑羟基邻苯二甲酰亚胺、四溴‑N‑羟基邻苯二甲酰亚胺、四氯 ‑N‑羟基邻苯二甲酰亚胺、N‑羟基hetimide、N‑羟基himimide、N‑羟 基trimellitimide、N‑羟基苯‑1,2,4‑三酸酰亚胺、N,N'‑二羟基(均 苯四甲酸二酰亚胺)、N,N'‑二羟基(二苯甲酮‑3,3',4,4'‑四羧酸二酰 亚胺)、N‑羟基马来酰亚胺、吡啶‑2,3‑二甲酰亚胺、N‑羟基琥珀酰亚 胺、N‑羟基(酒石酰亚胺)、N‑羟基‑5‑降冰片烯‑2,3‑二甲酰亚胺、外 ‑N‑羟基‑7‑氧杂二环[2.2.1]庚‑5‑烯‑2,3‑二甲酰亚胺、N‑羟基‑顺式‑ 环己烷‑1,2‑二甲酰亚胺、N‑羟基‑顺式‑4‑环己烯‑1,2‑二甲酰亚胺、 N‑羟基萘二甲酰亚胺钠盐或N‑羟基‑邻苯二磺酰亚胺。优选地，所述 催化剂是N‑羟基邻苯二甲酰亚胺。另一种合适的催化剂是N,N',N″‑ 三羟基异氰尿酸。

这些材料可以单独使用或在自由基引发剂存在下使用，并且可以 被用作液相均相催化剂，或者可以被负载在固体载体上以提供非均相 催化剂。典型地，按环己基苯的0.0001mol％‑15wt％，例如0.001‑5 wt％的量使用所述N‑羟基取代的环状酰亚胺或N,N',N''‑三羟基异氰 尿酸。

用于所述氧化步骤的合适的条件包括约70℃‑约200℃，例如约 90℃‑约130℃的温度和约50‑10,000kPa的压力。任何含氧气的气体， 优选空气，可以被用作氧化介质。所述反应可以在间歇反应器或连续 流反应器中进行。可以添加碱性缓冲剂，以与可能在氧化过程中形成 的酸性副产物反应。此外，可以引入水相，它可以帮助溶解碱性化合 物，例如碳酸钠。

氢过氧化物裂解

环己基苯至苯酚和环己酮的转化中的最后反应步骤涉及所述环己 基苯氢过氧化物的裂解，其合宜地通过使所述氢过氧化物与催化剂在 液相中在约20℃‑约150℃，例如约40℃‑约120℃的温度和约50‑约 2,500kPa，例如约100‑约1000kPa的压力下接触来进行。优选将环 己基苯氢过氧物稀释在对所述裂解反应惰性的有机溶剂如甲乙酮、环 己酮、苯酚或环己基苯中，以帮助除热。所述裂解反应合宜地在催化 蒸馏装置中进行。

在所述裂解步骤中使用的催化剂可以是均相催化剂或非均相催化 剂。

合适的均相裂解催化剂包括硫酸、高氯酸、磷酸、盐酸和对甲苯 磺酸。氯化铁、、二氧化硫和三氧化硫也是有效的均相裂解 催化剂。优选的均相裂解催化剂是硫酸，优选的浓度在0.05wt％‑0.5 wt％的范围内。对于均相酸催化剂，优选在所述裂解步骤之后进行中 和步骤。这样的中和步骤通常包括与碱性组分接触，随后滗析富盐水 相。

用于环己基苯氢过氧化物裂解的合适的非均相催化剂包括绿土粘 土(smectite clay)，例如美国专利号4,870,217中描述的酸性蒙脱石 二氧化硅‑氧化铝粘土，该专利的全部公开内容通过引用结合在本文 中。

现在将参照以下非限制性的实施例和附图更具体地描述本发明。

在所述实施例中，使用包含0.15wt%Pd/80wt%MCM‑49/20wt%氧化 铝的催化剂。将80%MCM‑49、20%氧化铝和去离子(DI)水的混合物挤出 以形成用于测试的催化剂。所述催化剂被以挤出物的形式使用。所述 挤出物然后被煅烧，然后与1N硝酸铵溶液进行铵交换，接着在538°C 进行最后的空气煅烧，以形成H‑形式的挤出物。然后使用基于水的初 始润湿浸渍方法用在HCl溶液中的阴离子PdCl₂(名义上被称为 H₂PdCl₄)处理所得到的挤出物，其中所述H₂PdCl₂被稀释在DI水中。 所述处理过的催化剂被在121°C空气干燥和在538°C在空气中煅烧2 小时，以形成所述0.15wt%Pd/80wt%MCM‑49/20wt%氧化铝催化剂。

对于每个实验，将700mg所得到的催化剂与1克约40目的石英 碎粒混合，并且将所述混合物填充入1/4英寸(0.64cm)内径的不锈钢反 应器中，所述反应器以向下流动模式运行。

实施例1(发明)

通过在0kPa表压在47微升/分钟苯和25标准立方厘米/分钟 (sccm)氢气的流动下加热所述反应器至145°C，来处理所述催化剂， 其中所述反应器温度以1°C/min的速率升高至145°C。

在145°C和145psig(1000kPa表压)总反应器压力下，在3.53hr‑1 的重时空速(WHSV)下运行加氢烷基化反应。使用配有火焰离子化检测 器的离线气相谱仪分析所述反应器的流出物。分析所有烃，并且将 结果归一化。

实施例2(比较)

为了比较高温活化对重组分选择性的影响，在大约190小时开车 时间时停止所述苯流，并且将反应器用50psig(445kPa表压)的50 sccm的氢气吹扫。然后将反应器温度从145°C升高到300°C，并且在 300　C在25sccm的氢气流下保持2小时。在所述还原之后，将反应 器温度降低到145°C，并且重新启动分别为25sccm和47微升/min 的氢气和苯进料。

实施例1和实施例2的结果被显示在附图中，从所述附图中可以 看到，与在145°C活化之后所实现的苯转化率相比，高温活化增加苯 转化率(图1)。然而，在所述高温活化之后，环己基苯选择性降低(图 2)和二环己基苯选择性增加(图3)。

实施例3(发明)

通过在0kPa表压在80微升/分钟苯和15sccm氢气的流动下加 热所述反应器至145°C，来处理所述催化剂，其中所述反应器温度以 1°C/min的速率升高至145°C。

然后在145°C和145psig(1000kPa表压)总反应器压力下，在 2.5hr^‑1的重时空速(WHSV)下运行加氢烷基化反应。使用配有火焰离子 化检测器的离线气相谱仪分析所述反应器的流出物。分析所有烃， 并且将结果归一化。

实施例3的活化在两天开车时间后给出大约12wt%‑15wt%的苯 转化率，同时给出大约80wt%‑84wt%的环己基苯选择性。

实施例4(发明)

除了在建立苯和氢气流之前将催化剂床用苯充满之外，在与实施 例3相同的条件下处理所述催化剂。将反应器温度以1°C/min的速率 升高至145°C。

在145°C和165psig(1139kPa表压)总反应器压力下，在2.5hr‑1 的重时空速(WHSV)下运行加氢烷基化反应。使用配有火焰离子化检测 器的离线气相谱仪分析所述反应器的流出物。分析所有烃，并且将 结果归一化。

实施例4的活化在两天开车时间后给出大约12wt%‑15wt%的苯 转化率，同时给出大约80wt%‑84wt%的环己基苯选择性，这与实施 例3中的结果相同。

实施例5(发明)

在加氢烷基化之前使用以下步骤处理所述催化剂。通过在0kPa 表压下加热所述反应器至145°C，来至少部分地将所述催化剂脱水。 估计在实施例2‑4中使用的催化剂含有15wt%水。首先，将所述催化 剂用50立方厘米/分钟的氮气在100°C在0kPa表压下处理2小时。 其次，然后将所述催化剂床充满苯。第三，以80微升/分钟苯和15sccm 氢气的水平建立苯和氢气流，其中将反应器温度以1°C/min的速率升 高至145°C。实验5进行两次以确定重现性。

在145°C和145psig(1000kPa表压)总反应器压力下，在2.5hr‑1 的重时空速(WHSV)下运行加氢烷基化反应。使用配有火焰离子化检测 器的离线气相谱仪分析所述反应器的流出物。分析所有烃，并且将 结果归一化。

实施例5的活化在两天开车时间后对于所述两个测试的每个给出 大约25wt%和30wt%的苯转化率，同时对于两个测试都给出大约80 wt%‑84wt%的环己基苯选择性。

虽然已经对本发明进行了描述和参考特定的实施方案举例说明， 但是本领域普通技术人员将明白，本发明本身将引申出不必在本文中 说明的许多变体。因此，应该仅根据所附权利要求书来确定本发明的 真实范围。