2023年發(fā)表于《Chemical Engineering Science》的文獻(xiàn)《Continuous hydrogenation of nitriles to primary amines with high selectivity in flow》，清華大學(xué)/浙江師范大學(xué)杭州高等研究院的研究團(tuán)隊(duì)對苯甲腈加氫連續(xù)流微填充床體系的構(gòu)建、催化劑篩選及反應(yīng)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了深入探討，并利用含腈基中間體驗(yàn)證了該連續(xù)流動(dòng)體系的高效性和高選擇性。歐世盛為該研究提供了設(shè)備支持：其柱塞泵作為連續(xù)流實(shí)驗(yàn)裝置的核心輸送組件，為反應(yīng)過程中物料的穩(wěn)定輸送、流量精準(zhǔn)控制提供了保障。

導(dǎo)圖

摘要

腈加氫反應(yīng)是制藥工業(yè)中合成胺類化合物的原子經(jīng)濟(jì)性路線，而胺類是精細(xì)化工領(lǐng)域至關(guān)重要的合成砌塊。然而，在傳統(tǒng)間歇反應(yīng)器中，由于存在嚴(yán)重的返混現(xiàn)象和較差的傳質(zhì)性能，易生成仲胺、叔胺以及氫解副產(chǎn)物，難以實(shí)現(xiàn)伯胺的高選擇性和高收率制備。本研究開發(fā)了一種基于微填充床的連續(xù)流動(dòng)體系，用于腈加氫制備伯胺，并以苯甲腈（BN）加氫為模型反應(yīng)展開研究。在優(yōu)化的反應(yīng)條件下，苯甲腈的轉(zhuǎn)化率可達(dá) 100%，芐胺（BA）的選擇性高達(dá) 99.1%。在排除內(nèi)外擴(kuò)散限制后，還測定了該反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。此外，基于微填充床的連續(xù)流動(dòng)體系在其他腈類化合物的加氫反應(yīng)中也展現(xiàn)出優(yōu)異的底物適用性。

實(shí)驗(yàn)裝置與流程

1、裝置組成

微填充床反應(yīng)器催化腈加氫連續(xù)反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置以 “輸送 - 反應(yīng) - 控壓” 為核心架構(gòu)，包含泵、預(yù)熱盤管、微填充床反應(yīng)器、油浴、止回閥、質(zhì)量流量控制器、減壓閥、背壓閥、氣相色譜儀（GC）和樣品收集裝置，各組件協(xié)同實(shí)現(xiàn)連續(xù)流反應(yīng)運(yùn)行。其中，柱塞泵由歐世盛公司提供，負(fù)責(zé)精準(zhǔn)輸送反應(yīng)物與溶劑，保障流量穩(wěn)定。

2、實(shí)驗(yàn)流程

液體原料由柱塞泵控制，柱塞泵最大流量為 9.99mL/min，最大壓力為 15MPa。氫氣和氮?dú)獾牧髁坑少|(zhì)量流量控制器控制，流量范圍為 0-100sccm。柱塞泵和質(zhì)量流量控制器均與計(jì)算機(jī)連接，可通過計(jì)算機(jī)軟件直接調(diào)節(jié)液體和氣體的流量。為防止液體進(jìn)入質(zhì)量流量控制器造成損壞，在反應(yīng)器上游的氣體進(jìn)口管路中安裝了止回閥。反應(yīng)器管采用不銹鋼材質(zhì)，長度 30cm，內(nèi)徑 3.87mm。為控制反應(yīng)溫度，反應(yīng)器以及氣體和液體預(yù)熱盤管均浸沒在水浴或油浴中（液體和氣體在進(jìn)入反應(yīng)器前先經(jīng)過預(yù)熱盤管預(yù)熱）。在反應(yīng)器下游設(shè)置背壓閥，以維持反應(yīng)所需壓力。

反應(yīng)開始前，需確保連續(xù)流動(dòng)體系的密封性。將特定濃度的氫氣和反應(yīng)物溶液按一定流量通入反應(yīng)器，同時(shí)將水浴溫度升至設(shè)定值。待體系運(yùn)行至少 3 個(gè)液體停留時(shí)間后，反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)收集樣品進(jìn)行分析測試。

主要研究結(jié)果

1、催化劑篩選

考察對象：催化劑是影響腈加氫反應(yīng)的核心因素，催化劑類型和制備方法都會(huì)對反應(yīng)活性和選擇性產(chǎn)生影響。研究對 6 種催化劑的反應(yīng)性能進(jìn)行了評價(jià)，覆蓋貴金屬（Pt/C、Pd/Al?O?、Ru/C）和非貴金屬（20% Ni/SiO?、30% Ni/SiO?、雷尼鎳）。

反應(yīng)條件：氣體壓力 1.0MPa，苯甲腈質(zhì)量濃度 10%，溫度 70℃，氣體流量 30sccm，液體流量 0.3mL/min，催化劑裝填量 2.40g。

核心差異：鎳基催化劑在芐胺合成反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異性能。在 20% Ni/SiO?催化劑上，70℃時(shí)苯甲腈轉(zhuǎn)化率接近 99.9%，反應(yīng)液中檢測到的副產(chǎn)物極少，表明該催化劑對芐胺合成具有較高的選擇性和良好的適用性，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中作為苯甲腈選擇性加氫的催化劑。30 % Ni/SiO?因Ni負(fù)載高導(dǎo)致分散度下降，二芐胺副產(chǎn)升至17.8 %；雷尼鎳雖活性高但易自燃且產(chǎn)7.3 % N-芐基丁胺，均被淘汰。貴金屬催化劑雖初始活性較高，但易過度加氫生成副產(chǎn)物。

最加選擇：20% Ni/SiO?催化劑，在 70℃反應(yīng)條件下，苯甲腈轉(zhuǎn)化率達(dá) 99.9%，芐胺選擇性超 92%，且副產(chǎn)物少，兼具高活性與高選擇性。

2、反應(yīng)壓力

壓力作用：氫氣在催化劑表面的傳質(zhì)過程是反應(yīng)的速率控制步驟，且與氫分壓直接相關(guān)。本部分考察了氫氣壓力對產(chǎn)物組成的影響，結(jié)果如圖 4 所示。在反應(yīng)壓力為 1.0MPa 時(shí)，苯甲腈已基本轉(zhuǎn)化；隨著壓力繼續(xù)升高，轉(zhuǎn)化率和選擇性均無顯著變化。這表明當(dāng)反應(yīng)壓力達(dá)到 1.0MPa 后，氫氣傳質(zhì)不再是反應(yīng)的速率限制因素。考慮到安全性，1.0MPa 是最適宜的反應(yīng)壓力，而傳統(tǒng)間歇反應(yīng)器通常需要更高的氫氣壓力。

最加選擇：1.0MPa 為經(jīng)濟(jì)與效率的平衡點(diǎn)，兼顧反應(yīng)效果與工業(yè)可行性。

3、液體流量

考察發(fā)現(xiàn)：隨著重量液時(shí)空速（WLHSV）的增加，苯甲腈轉(zhuǎn)化率逐漸降低。當(dāng) WLHSV 為 1.5h?¹ 時(shí)，苯甲腈幾乎轉(zhuǎn)化掉；而當(dāng) WLHSV 升高至 5.0h?¹ 時(shí)，苯甲腈轉(zhuǎn)化率降至 37%。在產(chǎn)物選擇性方面，隨著 WLHSV 的增加，芐胺的選擇性快速下降，N - 芐基丁胺的選擇性逐漸升高。這是因?yàn)?WLHSV 增大導(dǎo)致原料在催化劑表面的停留時(shí)間縮短，進(jìn)而使苯甲腈轉(zhuǎn)化率降低。通過考察 WLHSV 對催化劑性能的影響發(fā)現(xiàn)，較低的 WLHSV 更有利于反應(yīng)進(jìn)行。綜合考慮原料轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性，確定最佳 WLHSV 為 1.5h?¹（對應(yīng)液體流量為 0.3mL/min）。

最加選擇：液體流量需與反應(yīng)器體積、催化劑活性匹配，WLHSV 1.5h?¹ 為最加空速條件。

4、反應(yīng)溫度

溫度影響：苯甲腈加氫會(huì)生成芐胺和二芐胺，且二者均可能進(jìn)一步加氫生成甲苯。在 60-90℃溫度范圍內(nèi)系統(tǒng)考察溫度對反應(yīng)的影響。數(shù)據(jù)表明，隨著溫度升高，甲苯的選擇性始終低于 0.5%，N - 芐基丁胺的選擇性也低于 0.5%；但當(dāng)溫度從 60℃升至 90℃時(shí)，亞胺的選擇性從 1.0% 降至 0.2%，二芐胺的選擇性從 0.2% 升至 1.2%。這可能是因?yàn)楸郊纂媸紫燃託渖蓙啺罚瑏啺芳瓤梢耘c苯甲腈發(fā)生縮合反應(yīng)生成 N - 芐基丁胺，也可以加氫生成二芐胺，較高的溫度會(huì)加速縮合和加氫反應(yīng)速率。這意味著催化劑的選擇對芐胺選擇性至關(guān)重要，而溫度主要影響副產(chǎn)物的分布。

控制要求：需精準(zhǔn)控制反應(yīng)溫度，微填充床的控溫優(yōu)勢可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物分布優(yōu)化。

5、催化劑穩(wěn)定性

考察條件：以 20% Ni/SiO?為催化劑，在最加參數(shù)（甲醇為溶劑、1.0MPa、70℃、WLHSV 1.5h?¹）下連續(xù)運(yùn)行 445h。

監(jiān)測結(jié)果：反應(yīng)前 100h 內(nèi)轉(zhuǎn)化率維持在 99.9%，芐胺選擇性 92%-93%；運(yùn)行至 445h 時(shí)，轉(zhuǎn)化率仍達(dá) 99.5%，選擇性近 100%，無明顯下降；TEM 表征顯示，反應(yīng)后 Ni 顆粒粒徑仍約 6.9nm，無明顯團(tuán)聚；XRD 未檢測到新物相（如 NiO）生成，證明催化劑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，長周期運(yùn)行無失活。

穩(wěn)定機(jī)制：Ni 與 SiO?載體間存在強(qiáng)相互作用（XRD 檢測到鎳基石棉石相），抑制 Ni 顆粒團(tuán)聚，同時(shí)載體高比表面積（360m²/g）為 Ni 顆粒提供充足分散位點(diǎn)，保障長期活性。

6、催化劑表征

物相組成（XRD）：焙燒后存在 NiO 和鎳基石棉石；還原后 NiO→Ni?，石棉石相仍保留，證實(shí)強(qiáng) Ni-O-Si 界面鍵。

孔結(jié)構(gòu)與比表面積（N?吸附）：載體為 IV 型介孔 SiO?，比表面積 360 m²/g，平均孔徑 6.3 nm，利于傳質(zhì)。

微觀形貌與粒徑（TEM）：TEM 顯示 Ni? 納米顆粒均勻分散，平均粒徑 6.9 nm，無明顯團(tuán)聚。

還原性（TPR）：反應(yīng) 400 h 后粒徑與形貌幾乎不變，歸功于強(qiáng)金屬-載體相互作用，保證長期高活性與高選擇性。

7、催化劑在相關(guān)底物中的應(yīng)用

底物適用性：以苯甲腈選擇性加氫為模型反應(yīng)，成功構(gòu)建了高效的連續(xù)流動(dòng)微填充床反應(yīng)器體系。為驗(yàn)證該連續(xù)流動(dòng)體系的高效性和高選擇性，對多種含腈基中間體的加氫反應(yīng)進(jìn)行了測試，結(jié)果顯示連續(xù)流動(dòng)微填充床體系在多種腈類化合物的加氫反應(yīng)中均展現(xiàn)出優(yōu)異的底物適用性。

反應(yīng)器性能對比：此前已有眾多研究者對苯甲腈加氫制備芐胺的反應(yīng)進(jìn)行了研究，表3對比了類似實(shí)驗(yàn)條件下不同反應(yīng)器和催化劑的反應(yīng)結(jié)果。顯然，微填充床反應(yīng)器（μPBR）的停留時(shí)間最短（僅 2.7min），而其他反應(yīng)器中的反應(yīng)通常需要約 1 小時(shí)甚至更長時(shí)間。微填充床反應(yīng)器之所以能實(shí)現(xiàn)較高的催化加氫速率，是因?yàn)槠滹@著改善了反應(yīng)過程中的氣液傳質(zhì)效率。此外，與以往研究相比，本研究中芐胺的選擇性最高。首先，微填充床反應(yīng)器消除了傳統(tǒng)反應(yīng)器中嚴(yán)重的返混現(xiàn)象和較差的傳質(zhì)性能，在反應(yīng)過程中可精確控制液體和氣體在催化劑床層中的流動(dòng)狀態(tài)。其次，在焙燒后的 Ni/SiO?催化劑上形成了大量鎳基石棉石相，表明金屬與載體之間存在強(qiáng)相互作用。本研究中 Ni 納米顆粒的平均粒徑約為 6.9nm，分散性良好，遠(yuǎn)小于此前研究中報(bào)道的 14nm。催化劑較大的比表面積和適宜的孔結(jié)構(gòu)，可有效提升苯甲腈氫解生成芐胺的反應(yīng)性能。

反應(yīng)器優(yōu)勢：基于微填充床反應(yīng)器的腈加氫連續(xù)流動(dòng)體系具有反應(yīng)時(shí)間短、效率高、選擇性高、催化劑壽命長等優(yōu)勢。未來的研究將聚焦于開發(fā)適用于微填充床反應(yīng)器中其他腈類化合物加氫反應(yīng)的催化劑。

研究結(jié)論及意義

本研究成功開發(fā)了基于微填充床反應(yīng)器的連續(xù)流動(dòng)體系，用于苯甲腈的選擇性加氫反應(yīng)。結(jié)果表明，金屬催化劑的性質(zhì)是決定產(chǎn)物分布的關(guān)鍵因素。以 Ni/SiO?為催化劑，系統(tǒng)考察了氫氣壓力、溶劑類型、反應(yīng)溫度、氨用量和液體流量對加氫反應(yīng)性能的影響。在優(yōu)化的反應(yīng)條件下，苯甲腈的轉(zhuǎn)化率達(dá)到 100%，芐胺的選擇性高達(dá) 99.1%。基于微填充床反應(yīng)器的連續(xù)流動(dòng)體系在腈類化合物加氫反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能和效率，通過精確控制停留時(shí)間，可有效抑制縮合、氫解等副反應(yīng)。

該研究的意義在于：一方面，通過優(yōu)化苯甲腈加氫的連續(xù)流微填充床體系、篩選高效催化劑，明確了關(guān)鍵反應(yīng)參數(shù)，為腈類加氫制備伯胺的機(jī)理研究提供了實(shí)用數(shù)據(jù)；另一方面，解決了傳統(tǒng)工藝副產(chǎn)物多、效率低的問題，實(shí)現(xiàn)了伯胺的高轉(zhuǎn)化（100%）、高選擇性（99.1%）及長周期穩(wěn)定生產(chǎn)，為伯胺類化學(xué)品的工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)提供了可行方案，也為其他腈類加氫體系開發(fā)提供了參考。

主要圖表

圖 1 ：苯甲腈加氫微填充床反應(yīng)器原理示意圖。

表 1：不同催化劑上 BN 的連續(xù)加氫。

圖4：20% Ni/SiO?催化劑上不同反應(yīng)壓力對加氫產(chǎn)物組成的影響。

圖 5：20% Ni/SiO?催化劑上不同重量液時(shí)空速（WLHSV）對加氫產(chǎn)物組成的影響。

圖 7：20% Ni/SiO?催化劑上不同反應(yīng)溫度對加氫產(chǎn)物組成的影響。

圖 8：20 % Ni/SiO? 催化劑的穩(wěn)定性。

圖 11： (a) 液體表觀流速對平均加氫反應(yīng)速率的影響。(b) 轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)溫度的關(guān)系。(c) 以 1/RT 為橫坐標(biāo)、lnk 為縱坐標(biāo)的曲線圖。

表 3：不同反應(yīng)器與催化劑的性能對比。

參考文獻(xiàn)

DOI： 10.1016/j.ces.2023.118460