连续流氢化系统的通用性和优异性应用案例：用于选择性氰基连续加氢至伯胺的微填充床反应器

连续流氢化系统的通用性和优异性应用案例：用于选择性氰基连续加氢至伯胺的微填充床反应器

通过氰基化合物选择性催化加氢生产的伯胺被广泛用作基础化学品。 但由于加氢机理的复杂性以及间歇反应的传质效果较差，过程中很容易产生非目标物的仲胺和叔胺作为副产物。 产品。

创新

本研究建立了基于微填充床反应器的连续流加氢系统，用于3-乙氨基丙腈选择性加氢合成N-乙基-1,3-丙二胺。 结果：以Raney为催化剂，在最佳实验条件下，实现了3-EAPN的完全转化，并获得了99.67%的高伯胺（3-EAPA）选择性。

适用性

以其他不同结构的氰基化合物作为氢化底物对该体系进行了扩展。 选择性在99.3%以上，转化率在99.1%以上。 基于微填充床反应器的连续流加氢系统对腈加氢具有普遍适用性。

合成效率

比较了间歇式高压釜反应器（100 mL）和μPBR中的催化加氢性能，微填充床反应器中99.48%的选择性高于间歇式反应器中99.0%的选择性。 微填充床时空产率为523.3(g·L-1·h-1)，比反应器时空产率(53.5(g·L-1·h-1)提高了近9倍。 -1)) (STY)。

介绍

有价胺的绿色合成与氢分子的选择性还原密切相关。 构建C−N单键生成胺也是合成化学和化学工业中最重要的目标之一。 有机胺化合物，特别是伯胺，是广泛使用的大宗化学品，并作为精细化学品用于医药、农药、乳化剂和增塑剂的生产过程中。 目前合成伯胺的主要方法有：氰基化合物还原、醇直接胺化、羰基化合物还原胺化等。

对于催化加氢反应来说，催化剂本身的性能是决定性因素。 目前用于氰基化合物加氢的催化剂主要分为两类：均相催化剂和非均相催化剂。 均相催化剂通常使用钴、镍、锰、钼、铁等非贵金属的有机配合物作为催化剂。 但由于其分离困难、制备工艺复杂，基本上无法用于工业生产。 多相催化剂因其可重复使用且制备相对简单，一直是工业氰化物加氢的主要催化剂。 多相催化剂主要包括骨架型（雷尼钴、雷尼镍等）催化剂和负载型催化剂，如Pd、Pt、Ru基负载型催化剂等。其中镍、钴基等非贵金属催化剂催化剂由于价格相对低廉而引起了研究人员的关注。

目前，间歇式反应器因其结构简单、技术成熟，已广泛应用于精细化工和制药行业。 目前，由于氰化物催化加氢反应器技术成熟、结构简单，业内大多数氰化物催化加氢反应仍采用反应器间歇合成法。 但仍存在传质、传热过程差、返混严重、安全性差等问题。 连续流加氢反应的优点是反应参数易于改变、催化剂可回收、生产效率高。 此外，反应物的连续引入，可以在更小的反应空间、更清晰的温度场和流场中进行接触反应，并连续地从反应空间中排出，降低了副反应的风险。

随着微反应器和微流控技术的不断发展，微反应器在多相连续催化加氢过程中的应用已成为当前的研究热点。 与受氢气扩散到溶剂中的速率限制的传统方法不同，微反应器可以提供更好的气液接触和传质增强，使氢气在溶剂中快速饱和，从而增强气液催化剂相互作用。 ，显着提高反应速率和催化剂利用率。 催化剂以多种形式被引入微反应器中，催化静态混合器和微填充床反应器等催化微反应器也随之出现。 等催化微反应器在各种加氢反应中表现出了优异的反应性能。 微填充床反应器的功能与传统填充床反应器类似，但其颗粒尺寸比传统反应器小几个数量级。 因此，除了高度湍流条件外，这些反应器还具有非常高的比表面积，这极大地改善了它们的传质和传热过程。 这些都是间歇反应选择性差的问题，仅通过改进催化剂和调节添加剂无法解决。 微反应器目前主要用于实验室规模的开发，但可以通过批量放大应用于工业生产。

前期对腈加氢的研究表明，该反应的转化率和选择性主要受催化剂特性和其他工艺条件（如温度、H2压力和流量、液体空速、添加剂、底物浓度和溶剂）的影响。 此外，反应器的选择也非常重要。 在本研究中，我们建立了用于3-乙氨基丙腈催化加氢的微填充床连续流加氢系统，并研究了不同催化剂、工艺参数和反应器对转化率和选择性的影响。 。 最后，我们扩展了加氢基质，展示了连续流加氢系统的多功能性和优异性能。

实验部分

实验主要试剂

反应物 3-乙氨基丙腈在实验室中制备（AR，99%），无需任何纯化。 溶剂甲醇(分析纯99%)、乙醇(分析纯99%)、异丙醇(分析纯99%)、乙二醇(分析纯99%)购自西陇科学有限公司。所用助剂NaOH (>96%)、KOH (>85%)、MeONa（MeOH 中 30 wt%）、（99.9%）和 NH3（H2O 中 25%-28%）购自 。 氢气（H2，99.99%）和氮气（N2，99.99%）由沉阳化工研究院提供。 实验期间使用的催化剂为钯/碳颗粒催化剂(Pd/C, 5 wt%)、钌/碳颗粒催化剂(Ru/C, 5 wt%)、镍/碳颗粒催化剂(Ni/C, 20 wt%)雷尼钴催化剂购自沉阳化工研究院。 实验室制备了平均粒径为400-500 μm的铂/碳颗粒催化剂（Pt/C，5 wt%）。

一般实验流程

1. 3-e 的

图1显示了微填充床反应器中连续流动氰化物加氢的实验方案。 其中氢气由高纯氢气发生器（欧士盛（北京）科技有限公司）生产，与氮气一起通过连续流加氢系统（H-Flow S10，欧士盛科技有限公司） Ltd.）以最大流量 100 sccm 质量流量控制进入气液微混合器。 同时，反应液通过连续流加氢系统的柱塞泵（最大流量10.0 ml/min，最大泵头压力10 MPa）送至气液微混合器。 质量流量控制器和柱塞泵均位于连续流加氢系统中，与计算机连续加氢系统连接并由软件控制。 为了防止质量流量控制器被液体损坏，在质量流量控制器后面安装了一个单向阀。 气液微混合器之后连接的是微填充床反应器，其长约30cm，内径约5.39mm。 为了控制反应温度，气体和液体在进入微填充床反应器之前经过预热器（浸入油浴中的加热管线），并通过温度传感器精确测量反应温度。 之后，反应液和多余的气相经过延迟反应器，进入带有气体背压阀的气液分离系统，通过气体背压阀可以调节系统内的压力。 同样，背压阀和温度控制系统也由计算机软件控制。 这些与计算机连接的设备构成了整个连续流加氢系统。

开始反应前，应首先检查系统的密封性，然后分别用氮气和氢气置换系统。 设置反应系统所需的温度和压力。 达到设定温度后，可将反应液和氢气送入反应器，开始连续加氢反应。 当系统运行超过3倍停留时间后达到相对稳定状态时，即可对反应液进行取样分析。

结果与讨论

催化剂筛选

在氰基加氢反应中，催化剂本身的特性是影响反应选择性和转化率的关键因素。 如今，有多种催化剂可用于氰化物加氢反应，例如基于镍和钴的非贵金属催化剂，或基于贵金属Pd、Pt、Ru的多相催化剂。 这些催化剂在氰化物氢化成胺的过程中发挥作用。 效果众所周知。 然而，在3-EAPN的加氢反应中，使用某些贵金属催化剂获得的结果并不令人满意。 在此，我们共筛选了5种对氰化物加氢反应有效的催化剂，包括Ru/C、Raney Co、Pd/C、Ni/C和自制Pt/C。 实验结果如表1所示。

从表1可以看出，当使用Raney Co作为催化剂时，反应在70℃下表现出100%的高转化率和高达99.67%的伯胺选择性，并且只有少量的副产物。生产的产品，证实其在3-EAPN加氢反应中具有优异的催化性能； 然而，对于同为非贵金属的镍基催化剂中的5% Ni/C，虽然在相同的70℃下伯胺选择性达到82.5%，但转化率却是五种中最低的。催化剂，仅8.01%。

在三种贵金属催化剂中，Ru/C催化剂是最有效的。 当使用Ru/C催化剂时，即使在70℃下也能实现3-EAPN的完全转化，伯胺选择性接近90%。 在相对较低的温度（50°C）下，3-EAPN 无法完全氢化。 此时，Ru/C催化剂获得的3-EAPN转化率高于Raney Co催化剂，但选择性下降至72%。 此外，对于钯基催化剂Pd/C，当温度从50℃升高到70℃时，转化率略有提高（从24.96%升高到28.85%），但对伯胺的选择性从13.82%下降。至 8.46%。 。 通过对产物结果的分析还可以看出，加氢过程中产生的Pd/C产物种类较多。 Pt/C催化剂在70℃时的转化率为11.51%，伯胺选择性为39.16%，催化效果并不突出。 因此，我们选择Raney Co作为连续流氢氰化催化剂的实例进行后续实验。

氢气压力的影响

氢气压力作为重要的实验变量，会影响溶液中氢气的浓度，与反应速率相关，导致不同的反应结果。 此外，氢气压力的变化也会影响液体保留体积和相应的液体停留时间。 一般来说，H2压力的增加有利于其在反应体系中的溶解，从而影响反应的转化率和选择性。 为此，我们研究了氢气压力对反应性能的影响。 下图2显示了H2压力从2.0MPa变化到6.0MPa时产品的成分变化。 可以看出，在上述氢气压力范围下，底物3-EAPN能够完全转化，且选择性随着压力的增加而增加。 但达到4.0MPa后，再次提高氢气压力，3-EAPA的选择性增强作用有限。 考虑到反应系统的安全性和成本，4.0MPa是较好的压力选择。

反应温度的影响

温度对大多数反应都有一定的影响，氰基氢化也不例外。 催化剂对该反应的伯胺选择性很重要，温度主要影响副产物的形成。

气体速度和液体速度的影响

如下图4所示，反应应在低空速条件（0.25-0.5 ml/min）下进行。 综合考虑3-EAPN的转化率和3-EAPA的选择性，应选择最佳的液速。 为0.25ml/min，最佳气液比应为240:1（41.1ml/min H2流量）。 而在液速0.5ml/min、H2流量80ml/min条件下，底物转化率大于99.9%，几乎完全转化； 与此同时，3-EAPA的选择性仅下降至99.34%，但此时的空速却增加了一倍（3.0 h-1~6.0 h-1）。 考虑到实际生产效率，最佳液速为0.5 ml/min，气液比为160，此时空速（WLHSV）为6 h-1。

初始底物浓度的影响

为了探究3-EAPN初始浓度对反应性能的影响( )，制备了5种不同初始质量浓度的3-EAPN乙醇溶液。 它们的初始值分别是5%、10%、20%、30%和40%。 对比结果如下图5所示。

溶剂的影响

根据先前对氰基加氢的研究，所使用的溶剂通常是醇或烷烃。 对于脂肪族氰基化合物来说，很明显它们更易溶于极性较大的醇中。 因此，主要考虑低级醇作为反应溶剂。 本章选取甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇作为考察对象。 使用上述溶剂配制浓度为10wt%的溶液。 实验结果如下图6所示。

可以看出，除乙二醇外，其他三种醇作为溶剂时，底物3-EAPN的转化率均可达到100%。 这似乎是由于乙二醇的高粘度，限制了底物分子的传质并阻止完全转化。 以甲醇为溶剂时，伯胺3-EAPA的选择性最好，为98.3%，其次是乙醇，选择性为97.8%，异丙醇和乙二醇也分别达到96.3%和96.9%。 性别。 为了提高选择性，醇分子的体积可能会减小，使得生成的产物3-EAPA更容易从催化剂表面扩散到液体中。 从宏观上看，产物似乎在溶剂中。 它具有较高的溶解度，从而减少缩合反应中不必要的副反应。

添加剂的影响

为了提高伯胺（通常是最理想的产物）的选择性，通常通过添加氨、MOH（M = Na、K 或 Li）或盐酸来抑制副反应。 对于以雷尼为催化剂的3-EAPN加氢体系，以碱为助剂最为合适。

我们首先筛选添加剂的类型。 考察了NaOH、KOH、NH3·H2O和甲醇钠作为助剂时对反应的影响。 实验结果如下图7所示。

图8显示了NaOH与3-EAPN的摩尔比在0.5%、1%、2%和5%时对反应性能的影响。 可以看出，随着NaOH添加量的增加，选择性得到了一定程度的提高。 值得注意的是，当NaOH的添加量达到5mol%时，其在连续流加氢体系中的溶解度已达到最大值。 持续添加会导致其悬浮在溶液中，增加连续流加氢系统管道堵塞的风险。 因此，我们选择的NaOH最佳用量为n(NaOH)：n(3-EAPN)=5%

催化剂稳定性

同样，我们还研究了催化剂的稳定性，如图8所示。图9为连续运行160小时的转化率和选择性。 可以看出，催化剂没有明显失活，仍能保持接近100%的高转化率和99%左右的高伯胺选择性。 其他副产品的量很少。 因此，可以得出结论，它适合这种连续过程。 氰基化合物催化加氢催化剂（Raney）的稳定性非常令人印象深刻。

适用于系统的剩余基材

我们成功建立了以3-乙氨基丙腈为底物的连续流微填充床加氢系统。 为了验证其在氰基加氢反应中的普适性和高选择性，我们还使用了其他几种类型的腈，例如含氮杂环腈、芳香腈和二腈化合物。 在表2中，我们提供了与伯胺产物相对应的其他几种底物的转化率及其选择性。

3-吡啶胺是新烟碱类杀虫剂的关键中间体之一，可由烟腈加氢合成。 在较温和的条件下(70℃、4MPa H2)，3-吡啶甲胺的转化率为99.12%，选择性为93.30%。 己二胺（HDA）是生产尼龙66的原料，通常由己二腈（ADN）加氢制得。 相同条件下，底物ADN完全转化，HDA选择性为93.77%。 令人惊讶的是，4-羟基苯乙腈加氢生成酪胺也实现了底物的完全转化，酪胺选择性高达99.17%。 此外，间苯二甲腈的加氢选择性为93.89%。 这表明该连续流氢化系统对几乎所有类型的氰基化合物的伯胺生产具有显着的适应性。

与釜式反应比较

比较了间歇式高压釜反应器（100 mL）和μPBR中3-EAPN的催化加氢性能，结果如表3所示。显然，微填充床反应器的选择性高于间歇式反应器。 由于增强了气液传质效果，减少了停留时间从而减少了副反应的发生，也大大提高了时空产率（STY）。

综上所述

利用微填充床反应器成功建立了3-EAPN选择性加氢连续流系统。 实验结果表明，催化剂的性能是影响腈加氢反应的主要因素。 探讨了使用雷尼催化剂时各种工艺条件参数（温度、氢气压力、气液流量、溶剂类型、底物浓度、添加剂类型和浓度）对反应性能的影响。 在最优选的条件下，获得了100％的3-EAPN转化率和99.67％的伯胺(3-EAPA)选择性。 该连续流加氢系统适用于多种不同结构的氰基化合物的选择性加氢，可以获得较高的伯胺选择性。 这表明，与传统的间歇反应相比，这种采用微填充床的连续流加氢系统具有更好的性能。 大大提高了内部传质效率，减少了缩合副反应的发生。

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