Разработка технологии восстановления карбонилсодержащих соединений на многокомпонентных катализаторах

[Введите текст]

Диссертация по теме:

Разработка технологии восстановления карбонилсодержащих соединений на многокомпонентных катализаторах

Реферат

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, основной части, заключения, списка использованных источников.

Ключевые слова: катализатор, гетерогенный катализ, диоксид кремния, носитель катализатора, многокомпонентные катализаторы, нанесенные катализаторы, скелетные катализаторы, карбонильные соединения, фурфурол, фурфуриловый спирт.

Объектами исследования данной магистерской диссертационной работы являются: катализаторы, полученные путем нанесения на оксид кремния металлов и сплавные скелетные катализаторы на основе меди, а также продукты гидрирования фурфурола на синтезированных катализаторах.

Цель работы — синтезировать каталитические системы, обладающие высокой активностью и селективность, подобрать оптимальные параметры технологического процесса гидрирования фурфурола, на основании полученных данных разработать технологические рекомендации.

Методы исследования. Для исследования структуры синтезированных катализаторов применяли: микроскопический, электронномикроскопический анализы, для исследования удельной поверхности и пористости катализаторов применяли методом тепловой десорбции аргона, для определения состава продуктов, полученных на катализаторах применяли хромато графический анализ.

Полученные результаты, их новизна. Новизна полученных результатов заключается в подтверждении возможности синтеза катализаторов путем нанесения на подложку из оксида кремния меди, никеля, хрома, которые проявляют высокую активность в процессе гидрирования фурфурола в фурфуриловый спирт. Разработаны сплавные катализаторы с применением в качестве добавки ферромарганцевых сплавов, подобрано оптимальное соотношение данных компонентов, позволяющее получать высокие выходы целевого продукта. Проведены исследования по определению взаимосвязей выхода фурфурилового спирта и технологических параметров процесса.

Качественная характеристика собранного фактического материала. Результаты, представленные в работе получены с применением современных методов исследования и являются достоверными. По теме исследования опубликовано 5 статей и тезисов международных конференций.

Аbstract

Volume and structure of the thesis. The thesis consists of an introduction, literature review, the main part, conclusion, list of references. The work presented in 85 pages of computer text, includes 19 figures, 41 tables and 57 references.

Keywords. Catalyst, heterogeneous catalysis, silica, catalyst carrier multicomponent catalysts, supported catalysts, skeletal catalysts, carbonyl compounds, furfural, furfuryl alcohol.

The objects of study of this master’s thesis are: catalysts prepared by coating silica and metal alloy skeletal catalysts based on copper, as well as products of hydrogenation of furfural on the synthesized catalysts.

Purpose of work is to synthesize catalytic systems with high activity and selectivity to find the optimal process parameters of hydrogenation of furfural, based on the data obtained to develop technological recommendations.

Research methods. For investigating the structure of synthesized catalysts used: microscopic, electron microscopic analyzes, to study the specific surface area and porosity of the catalysts used by thermal desorption of argon, to determine the composition of the products obtained with the catalysts used chromatographic analysis.

The results, their novelty. The novelty lies in the results obtained confirm the possibility of synthesizing catalyst by coating a substrate of silicon oxide of copper, nickel, chromium, which exhibit high activity in the hydrogenation of furfural to furfuryl alcohol. Developed alloy catalysts using as an additive ferro-manganese alloys, choose the optimal ratio of these components, which allows obtaining high yields of the desired product. Conducted studies to determine the relationships yield furfuryl alcohol and process parameters.

Qualitative description of the factual material collected. The results presented in this work, was obtained, with the use of modern methods of investigation and is reliable. On the topic of research published 5 articles and abstracts of international conferences.

Нормативные ссылки

В настоящей магистерской диссертации использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 8.417−2002 Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин.

ГОСТ 2.316−2008 Единая система конструкторской документации. Правила нанесения надписей, технических требований и таблиц на графических документах. Общие положения.

ГОСТ 7.1−2003 Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу, библиографическому и издательскому делу. Библиографическая запись. Библиографическое описание. Общие требования и правила составления.

ГОСТ 18 995.1−73 Продукты химические жидкие. Методы определения плотности ГОСТ 23 401–90 Порошки металлические. Катализаторы и носители. Определение удельной поверхности.

ГОСТ 28 794–90 Реактивы. Метод определения удельной поверхности хроматографических материалов термодесорбцией.

ГОСТ 17 567–81 Хроматография газовая. Термины и определения.

ГОСТ 21 006–75 Микроскопы электронные. Термины, определения и буквенные обозначения.

ГОСТ 10 437–80 Фурфурол технический. Технические условия.

ГОСТ 28 960–91 Спирт фурфуриловый. Технические условия.

Определения

В настоящей магистерской диссертации применяются следующие термины и определения:

Катализ — явления избирательного ускорения химической реакции в одном из термодинамически разрешенных направлений путем применения катализатора.

Катализатор — вещество (смесь веществ) ускоряющее химическую реакцию, путем многократных химических взаимодействий с участниками реакции и направления ее по более энергетически выгодному пути, при этом катализатор не расходуется в процессе реакции.

Носитель катализатора (подложка) — инертный или малоактивный материал, на который наносятся активные компоненты в рассредоточенном состоянии (без агломерации).

Активный компонент катализатора — вещество в каталитической системе, которое ускоряет химическую реакцию.

Адсорбция — увеличение концентрации растворенного вещества у поверхности раздела двух фаз вследствие нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия на разделе фаз.

Диффузия — массообменный процесс взаимопроникновения атомов (молекул) одного вещества в межатомное (межмолекулярное) пространство другого вещества, который приводит к концентрационному выравниванию.

Изотермический режим — режим проведения процесса, характеризующийся постоянством температуры во всем реакционном объеме.

Кинетическая область — область протекания процесса, когда массопередача протекает намного быстрее химической реакции, между концентрациями веществ в каждой фазе устанавливается равновесие и общая скорость процесса лимитируется наиболее медленной стадией — самой химической реакцией.

Диффузионная область — область протекания процесса, когда массопередача протекает медленнее химической реакции и между концентрациями веществ в каждой фазе отсутствует равновесие.

Сплавной катализатор — катализатор, полученный методом сплавления чистых металлов и сплавов друг с другом, проявляющих себя в качестве веществ ускоряющих химическую реакцию.

Нанесенный катализатор — катализатор, полученный методом пропитывания носителя солями различных металлов, с последующим термическим и термохимическим воздействием для перевода осевших солей на носителе в оксидные и металлические формы, которые обладают каталитическим свойствами.

Обозначения и сокращения

масс. % - массовая доля (массовый процент) ГОСТ — государственный стандарт ФС — фурфуриловый спирт

2-МФ — 2-метил фуран

НПЗ — нефтеперерабатывающий завод ФС — фурфуриловый спирт

SiO2 — оксид кремния

Al2O3 — оксид алюминия мл — миллилитр (мера объема) кг/см3 — мера плотности МПа — мега Паскаль (мера давления) м2/г — мера удельной поверхности катализатора мин. — минута (мера времени)

0С — градус по шкале Цельсия (мера температуры) ПЭМ — просвечивающая электронная микроскопия

Актуальность работы. В настоящее время в Казахстане сельскохозяйственные отходы, в основном, реинвестируются в почву или сжигаются, тогда как эффективные технологии комплексной переработки отходов сельскохозяйственного производства позволяют полнее использовать исходное сырье с получением из отходов ценных продуктов, таких, как фурфурол.

Казахстан входит в число 25 стран мира основных производителей аграрного сырья, и в первую десятку по общей территории площади сельскохозяйственных угодий. Зерновое хозяйство — главная отрасль земледелия Казахстана, обеспечивающая население хлебопродуктами, а животноводство — кормами. В Казахстане ежегодно производится в среднем 18 млн. тонн зерна. На сегодняшний день только 25% производимого зерна перерабатывается в муку. В связи с этим достаточно перспективным является развитие глубокой переработки. Около 2,5 млн. тонн зерна возможно использовать для глубокой переработки.

На сегодняшний день остается актуальной не только глубокая переработка зерна, но и глубокая переработка отходов зернового производства, таких, как солома, лузга и т. д., так как они по своему химическому составу представляют перспективное значение для химической, фармакологической и пищевой промышленности. Из отходов сельскохозяйственного производства получают полисахариды, целлюлозы, красители и пищевые добавки, фурфурол, лекарственные препараты и другие продукты с высокой добавленной стоимостью, тем самым способствуя развитию безотходного производства. Отходы сельского хозяйства сегодня — почти невостребованный ресурс. Например, используется лишь 10% всего объема соломы (в основном, в животноводстве, в качестве подстилки скоту, как добавка в корма). Между тем, в Казахстане средний объем отходов в 2011;2013 г. составил 35 245 тыс. тонн.

В настоящее время на химическая отрасль поделена между несколькими крупными компаниями, которые владеют более, чем 80% лицензий на современные технологии, таким образом, диктуют условия на их использование. Создание отечественных катализаторов и технологий является актуальной проблемой, стоящей перед научным сообществом республики в лице исследовательских институтов, инжиниринговых компаний, научно-исследовательских институтов проектирования и машиностроительной промышленностью, которая позволит оформить идеи, ученных в металле.

Казахстану необходимо развивать нефтехимическую отрасль для расширения номенклатуры выпускаемой продукции с высокой добавленной стоимостью — полимеры, волокна, присадки к топливам, пестициды и др.

Учитывая реализуемые планы по реконструкции и новому строительству на территории ШНПЗ, возможно строительство установки гидрирования фурфурилового спирта с привязкой к энергетическим и технологическим потокам, позволяющим за счет рекуперации и утилизации тепла получать большее количество продуктов.

Учитываю промышленную историю Южно-Казахстанского региона, на территории которого располагался гидролизный завод, который в качестве сырья использовал биомассу, которая также активно производится и сегодня, разработка катализаторов гидрирования фурфурола, становится весьма актуальной, т.к. потребность в технологиях замкнутого цикла не иссякнет, и возможно в новых программах индустриально-инновационного развития Республики Казахстан появится задача строительства подобного завода.

Цель и задачи исследования

Цель данной исследовательской работы — разработать катализаторы для гидрирования карбонилсодержащих соединений. Исследование процесса гидрирования карбонилсодержащих соединений проводилось на фурфуроле, который гидрируется до фурфурилового спирта, являющегося ценным химическим продуктом.

Задачи исследования:

— разработать рецептуры и методики приготовления нанесенных и сплавных катализаторов.

— определить оптимальные параметры приготовления катализаторов.

— изучить влияние температуры, давления, времени контакта сырья с катализатором, рецептуры и структурных особенностей катализаторов на выход целевого продукта.

Объект и предмет исследования. Объектами исследования в данной работе являются нанесенные катализаторы, полученные путем пропитывания носителя — диоксида кремния нитратами меди, никеля и хрома, и сплавные катализаторы, полученные путем сплавления меди, алюминия и железомарганцевого сплава с последующим выщелачиванием.

Предметом исследования являются показатели селективности и активности катализатора, которые определяются температурой, давлением, рецептурой катализатора, структурными особенностями поверхности носителя и катализатора.

Научная новизна работы. Новизна полученных результатов заключается в подтверждении возможности использования нанесенных и сплавных катализаторов для промышленного производства фурфурилового спирта. Результаты эксперимента позволили подобрать оптимальные параметры температуры, давления и времени контакта для проведения технологического процесса.

Научная идея. Применение в качестве активных компонентов катализаторов d-элементов, способствующих интенсификации процесса восстановления ввиду специфического воздействия на молекулу фурфурола.

Применить в качестве носителя оксид кремния, обладающий значительной площадью поверхности для приготовления катализаторов гидрирования фурфурола, достичь за счет значительной внутренней поверхности катализатора высокую степень дисперсности активного компонента и как следствие получить высокий выход продукта, но при меньших капитальных затратах на производство катализатора.

Практическая ценность работы. Результаты исследования, рецептуры катализаторов могут быть использованы при разработке технологического проекта по производству фурфурилового спирта.

Публикации и апробация работы. По материалам магистерской диссертации опубликовано 5 научных статей: в научном журнале «Аспект» (2013), в сборнике трудов V Международной студенческой конференции «Нефтегазовые горизонты» (Москва, РГУ нефти и газа, 2013), в сборнике трудов XI Международного нефтегазового студенческого форума (Алматы, КазНТУ, 2014), в сборнике трудов 69 Международной конференции «Нефть и газ-2014» (Москва, РГУ нефти и газа, 2014), в научном журнале «Молодой ученый» (2014).

1. Литературный обзор

1.1 Производство фурфурола

Фурфурол — одни из важных исходных продуктов органического синтеза. Единственный способ его получения в промышленности — кислотный гидролиз богатых пентозанами сельскохозяйственных отходов и отходов переработки древесины. При производстве фурфурола технологические параметры процесса должны обеспечивать гидролиз гемицеллюлоз и дегидратацию образующихся пентоз. Фурфурол получают из пентозансодержащего сырья либо на специализированных предприятиях, либо в качестве побочного продукта на предприятиях дрожжевого или спиртодрожжевого профиля. Теоретически возможный выход фурфурола из пентозанов составляет 73%, а из пентоз — 64%. На практике выход фурфурола существенно ниже из-за превращений его в другие соединения, выход фурфурола из разных видов сырья представлен в таблице 1.1.

Таблица 1.1 — Выход фурфурола из пентозансодержащего сырья

При производстве фурфурола процессы гидролиза пентозанов и дегидратации пентоз осуществляют одновременно, без выделения пентозного гидролизата, что связано с возможностью получения в совмещенном процессе более высокого выхода целевого продукта.

Вследствие высокой реакционной способности фурфурола достаточно высокий выход продукта может быть достигнут при соблюдении определенных условий:

— процесс должен осуществляться при условиях, обеспечивающих максимально возможное уравнивание скоростей образования фурфурола из пентоз и его выведения из сферы реакции;

— процесс необходимо проводить при минимально возможном количестве свободной влаги в реакторе, при небольшом слое сырья и его интенсивном перемешивании для эффективного контакта с паром;

— с повышением температуры выше 190−200°С условия для получения фурфурола ухудшаются — снижается выход из-за возрастания потерь, поскольку возможная скорость выведения фурфурола отстает по величине от скорости его образования.

По типу используемого кислотного катализатора различают следующие варианты технологии:

— сернокислотный процесс — катализатором служит серная кислота;

— солевой процесс — в качестве катализаторов используют кислые соли;

— автокаталитический — катализатором являются органические кислоты, образующиеся при гидролитических превращениях компонентов растительной ткани.

Технологический процесс может проводиться в одну (остаток от гидролиза, целлолигнин, служит топливом) или в две стадии (целлолигнин используется для получения гексозного гидролизата). Технология получения фурфурола включает следующие этапы:

— подготовка сырья;

— введение в сырье катализатора (кроме 3-го варианта);

— загрузка сырья в гидролизаппарат;

— нагрев сырья до температуры реакции и отгонка фурфурола водяным паром;

— конденсация фурфуролсодержащих паров;

— ректификация фурфуролсодержащих конденсатов.

Широкое практического применения фурфурола связана с его очень высокой реакционной способностью и возможностью синтеза соединений различных классов. На основе использования каталитических процессов синтезируют мономеры, физиологически активные вещества и другие продукты. Чаще всего фурфурол и его производные используются в качестве органических растворителей.

Основное количество от мирового производства фурфурола (около 50%) используется для синтеза фурфурилового спирта. На прочие фурановые смолы идет примерно 15% фурфурола, такое же количество — для селективной очистки смазочных масел. Остальное количество фурфурола применяется при синтезе его многочисленных производных, различных препаратов для сельскохозяйственного производства, медицины и других целей.

Наиболее важные в практическом отношении производные получают путем гидрирования и декарбонилирования фурфурола. К продуктам, производимым в промышленном масштабе, относятся: фурфуриловый и тетрагидрофурфуриловые спирты, сильван, фуран, тетрагидрафуран.

Фурфуриловый спиртпредставляет собой ядовитую горючую жидкость, бесцветную или светло-желтого оттенка. Смешивается с водой, образуя нестабильные соединения, способен растворяться в целом ряде органических растворителей. При длительном контакте с воздухом приобретает красный цвет. Образует смолы при реакциях с кислотами. Основной способ производства этого вида спиртакаталитическое восстановление фурфурола[8].

Тетрагидрофурфуриловый спиртэто бесцветная или желтоватая жидкость. Молекулярная масса C6H10O2 — 102,135, температура кипения 1780С. Смешивается с водой в любых отношениях. В отличие от фурановых соединений производные тетрагидрофуранового ряда отличаются высокой стабильностью. В частности, срок хранения тетрагидрофурфурилового спирта 5 лет. Тетрагидрофурфуриловый спирт находит широкое практическое применение в качестве растворителя, добавки в моторное топливо, компонентов антифризов, как реагент при получении пластификаторов и в других областях.

Сильван (2-метил фуран) — получают путем парофазного каталитического гидрирования фурфурола. Сильван служит сырьем для получения г-ацетопропилового спирта (CH3COCH2CH2CH2OH), который применяют при синтезе В1 и различных лекарственных препаратов (акрихина, аминоакрихина). На основе сильвана также синтезируют метилциклопропилкетон, из которого получают циклопропановые соединения. Сильван используют также в качестве растворителя лаков, клеев, смол.

Фуран и тетрагидрафуран — из фурфурола тетрагидрафуран получают двухстадийным методом, включающим каталитическое декарбонилирование в фуран и его гидрирование до тетрагидрафурана. Степень конверсии фурфурола составляет 99%. Часть полученного фурана направляется на гидрирование другую же часть применяют в синтезе производных пиррола, тиофена, лекарственных препаратов и инсектицидов. Тетрагидрафуран является универсальным растворителем, который находит практическое применение в различных отраслях народного хозяйства. На основе тетрагидрафурана освоено производство синтетического гомополимера полифурита и сополимера лапрола [10,11].

1.2 Общие понятия о процессах гидрирования органических соединений

1.2.1 Классификация реакций гидрирования

Гидрирование (или гидрогенизация) заключается в превращениях органических соединений под воздействием молекулярного водорода. В ряде случаев гидрирование приводит к восстановлению кислородсодержащих веществ.

Важнейшие области промышленного применения гидрирования (гидрогенизации):

— синтез аммиака;

— синтез метанола из СО и Н2;

— получение циклогексана и его производных;

— гидрогенизация жиров;

— деструктивная гидрогенизация угля с целью получения моторных топлив;

— гидрокрекинг и гидрориформинг углеводородного сырья для получения высококачественных моторных топлив.

Реакции гидрирования (или гидрогенизации) можно условно разделить на следующие группы:

Реакции первой группы противоположны реакциям дегидрирования. При этом сохраняется первоначальное расположение атомов в цепи и кольце. Присоединение водорода может происходить к двойной, тройной и ароматической углерод углеродной связи или к ароматическому кольцу в целом, а также по связи в альдегидах, кетонах, сложных эфирах и кислотах, по связям и в азотистых соединениях и другим кратным связям.

Во вторую группу входят реакции, в которых восстановление органических соединений сопровождается выделением веществ, содержащих атомы кислорода, азота, серы, хлора и т. д. В реакциях третьей группы могут принимать участие алифатические, нафтеновые и алкилароматические углеводороды. При реакциях сопряженного гидрирования дегидрирования или при гидрировании связанным водородом происходит перераспределение водорода между двумя молекулами (одна из них отщепляет водород, а другая присоединяет его). Эти реакции имеют большое значение при каталитическом крекинге, когда непредельные углеводороды гидрируются за счет глубокого обезводороживания и превращения части сырья в «кокс», и при каталитическом риформинге.

1.2.2 Факторы, влияющие на скорость гидрирования

Для получения достаточно высокой фактической конверсии реагентов в процессах гидрирования необходимо выбрать условия, при которых достигается возможно более выгодное положение равновесия, зависящее от термодинамических факторов.

По способности к гидрированию разные классы соединений располагаются в следующие ряды: олефины> ацетиленовые углеводороды> ароматические углеводороды>альдегиды>кетоны>нитрилы> карбоновые кислоты.

Температура (термодинамика реакций гидрирования)

В расчете на одну молекулу прореагировавшего водорода наибольший тепловой эффект наблюдается при гидрировании соединений с тройной связью, затем соединений с двойной связью в непредельных углеводородах приведенной в таблице 1.2. В случае двойной связи в ароматическом кольце тепловой эффект значительно ниже.

При гидрировании двойной связи между углеродом и кислородом в карбонильных соединениях тепловой эффект ниже, чем для двойной углерод углеродной связи. Гидрирование альдегидов более экзотермично, чем кетонов. Близкое значение имеет тепловой эффект при гидрировании кратных связей между углеродом и азотом. Наименьший тепловой эффект наблюдается при гидрировании кислот и деструктивном гидрировании углерод углеродной связи. Равновесная глубина гидрирования увеличивается при понижении температуры. Термодинамически наиболее благоприятно протекает гидрирование ацетиленовых производных и в наименьшей степени гидрирование кислот. Температура оказывает сравнительно умеренное влияние на скорость гидрирования. Обычно энергия активации не превышает 40−65 кДж/моль. Это означает, что для увеличения скорости реакции вдвое необходимо поднять температуру на 30−500С, что соответствует энергии активации 21−42 кДж/моль.

Таблица 1.2 — Термодинамика реакций гидрирования

Процессы гидрирования из термодинамических соображений следует проводить при возможно более низкой температуре, позволяющей, однако, достичь приемлемой скорости реакции. В промышленной практике температура колеблется от 100 до 350−4000С (в зависимости от активности катализаторов и реакционной способности исходного вещества).

Давление

В области относительно низких температур равновесие практически полностью смещено в сторону гидрирования, и поэтому реакцию можно провести почти полностью при атмосферном давлении. Поскольку при гидрировании (за исключением деструктивного) всегда происходит уменьшение объема, для увеличения равновесной степени превращения, особенно при высокой температуре, применяют повышенное давление. В промышленной практике используют давления от слегка превышающих атмосферное до 30,0−70,0 МПа.

Соотношение реагентов Одним из методов повышения равновесной степени конверсии является применение избытка водорода по сравнению со стехиометрическим, что широко используется для гидрирования в газовой фазе[15].

1.2.3 Катализаторы гидрирования

Несмотря на термические превращения, протекающие при повышенных температурах, все реакции гидрирования являются каталитическими, представлены в таблице 1.3. Некаталитическое гидрирование практически не осуществляется из-за высокой энергии диссоциации связи H-H (435 кДж/моль). Катализаторы гидрирования можно разделить на следующие группы:

— металлы VIII группы (Fe, Со, Ni, Pd, Pt) и 1 группы (Сu, Ag) периодической системы элементов;

— оксиды некоторых металлов (MgO, Сr2O3, Fе2O3-ZnO, МoО3, WО3 и др.);

— сульфиды кобальта, никеля, молибдена и вольфрама;

— сложные катализаторы, состоящие из двух и более металлов (Ni + Сu), из оксидов разных металлов (особенно хроматы ZnO, Сr2O3 и СuО, Сr2O3) или сульфидов (NiS, WS3, CoS, МоS3 и др.).

Практически чаще всего гидрирование ведут на металлах. Модификация катализаторов гидрирования оксидами молибдена и вольфрама делает их более устойчивыми к действию контактных ядов (галогены, сернистые соединения, некоторые металлы), к которым особенно чувствительны металлические катализаторы. Большинство процессов гидрирования являются гетерогенно каталитическими. Только в единичных случаях для гидрирования используют гомогенный катализ с участием солей и комплексов переходных металлов (медь и др.).

Таблица 1.3 — Катализаторы гидрирования

Катализаторы реакций гидрирования применяются на практике в следующих основных видах:

— в мелко диспергированном состоянии (коллоидная платина, никель и другие металлы), которое достигается путем термического разложения или восстановления солей металлов непосредственно в реакционной массе;

— измельченные до определённого размера или таблетированные (оксиды металлов и хроматные контакты, обычно получаемые осаждением из солей с последующими операциями промывки, сушки и прокалки);

— на носителях материалах с высокоразвитой поверхностью (активированный уголь, оксид алюминия, пемза, кизельгур и др.), что особенно характерно для металлических катализаторов (Ni, Pt и др.).

Их получают восстановлением водородом оксидов, осажденных на поверхности носителя.

Наибольшее практическое значение имеют два последних вида контактов.

1.2.4 Гидрирование фурфурола

Фурфурол наиболее доступное соединение фуранового ряда. Сырьем для его производства служат отходы сельского хозяйства, лесной и целлюлозно-бумажной промышленности. Каталитическим гидрированием фурфурола можно получить ряд ценных продуктов:

Рисунок 1.1

Гидрирование фурфурола на медных катализаторах в парогазовой фазе является наиболее перспективным промышленным способом получения фурфурилового спирта. Реакция протекает с высокой селективностью по фурфуриловому спирту при температурах до 1600С в присутствии меднохромового катализатора ВНИИНефтехим.

Контактное гидрирование фурфурола лежит в основе процессов производства фурфурилового и тетрагидрофурилового спиртов и сильвана (2-метилфурана). В зависимости от целевого продукта применяются катализаторы, получаемые на основе металлов: меди, никеля, платиноидов, а также хроматов меди. Для гидрирования фурфурола разработан ряд процессов, основные показатели которых приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 — Показатели процессов гидрирования фурфурола

Процесс «НакиПет» осуществляется пропусканием водорода через суспензию катализатора. Для получения 2-метилфурана применяется гидрирование в паровой фазе при 210−2500С в присутствии меди Ренея. В процессе «ШриРам» окисный катализатор СuО на пемзе регенерируют пропусканием воздуха и активируют водородом при 2000С через 40−45 ч. Полный процесс осуществляется в стационарном слое промотированного катализатора.

Введение

промотора позволяет увеличить селективность и время работы катализатора.

В этом процессе можно регулировать соотношение образующегося спирта и 2-метилфурана. 2-метилтетрагидрофуран наиболее эффективно получается в результате процесса «Квакер Отс», в котором образование нежелательных побочных продуктов подавляется введением азотистых оснований. Высокий выход насыщенных соединений обеспечивается применением никелевых катализаторов.

В настоящее время в отечественной промышленности фурфуриловый спирт получают жидкофазным гидрированием фурфурола на оксидном меднохромовом катализаторе. Температура 130−1500С, давление водорода 4,5−6,0 МПа, селективность 95%. При использовании медносиликатного катализатора при температуре 1400С, давлении водорода 3,5−5,0 МПа селективность 98−99%.

1.3 Фурфуриловый спирт

Фурфуриловый спирт — прозрачная однородная жидкость от бесцветного или желтоватого до темно-коричневого цвета, которая ядовита и горюча. Температура кипения 1700С, температура вспышки 740С.

Он растворяется в воде, образуя нестабильные соединения. Способен растворяться в целом ряде органических растворителей: алкоголе, эфире и др., но не растворяется в парафиновом углеводороде, легко полимеризуется с кислотой с возникновением трудноплавкой смолы. При длительном контакте с воздухом приобретает красный цвет. Его пары с воздухом формируют взрывную смесь.

Химическая формула: C5H6O2

Фурфуриловый спирт используется при синтезе различных видов органических веществ: клеев, карбамидо-фурановых и феноло-фурановых смол, в качестве растворителя нитроцеллюлозы, при изготовлении лаков антикоррозийного назначения, защитных водоотталкивающих, антикоррозийных покрытий, а также для повышения плотности и непроницаемости кислотоупорных растворов. Применяется при производстве отдельных видов ракетного топлива, синтетического волокна, резины, ядохимикатов, в литейном производстве.

Получают фурфуриловый спирт методом каталитического гидрирования технического фурфурола в реакторе под высоким давлением или в реакторе низкого давления в парогазовой среде с последующей ректификацией на 2-х колонной установке, где обезвоживается и отделяется от примесей фурфурола.

Фурфуриловый спирт — горючая жидкость. Температура кипения 1700С, температура вспышки 740С, температура самовоспламенения 4000С, нижний температурный предел воспламенения 610С, верхний 117 °C, нижний концентрационный предел воспламенения 1,8%, верхний 16,3%. Температура плавления -290С. При контакте с концентрированными минеральными, сильными органическими кислотами, щелочами и кислотами Льюиса фурфуриловый спирт способен к взрывной полимеризации. Предельно допустимая концентрация фурфурилового спирта в воздухе рабочей зоны производственных помещений — 0,5 мг/м2. Спирт относится к 2-му классу опасности по ГОСТ 12.1.005[16].

1.4 Катализаторы гидрирования фурфурола в фурфуриловый спирт

1.4.1 Скелетные катализаторы

Среди многочисленных катализаторов гидрирования никель — алюминиевые сплавы (катализатор Бага) и получаемые из них путем выщелачивания скелетные никелевые катализаторы (катализатор Ренея) находят за последние два десятилетия весьма широкое применение и в лабораторно-препаративной практике, и в промышленности. Это подтверждается наличием большой патентной литературы. Широкому признанию скелетных и сплавных никелевых катализаторов безусловно способствуют их высокая активность, низкая стоимость (по сравнению с платиновыми и палладиевыми катализаторами), сравнительная простота и быстрота их изготовления, хорошая теплопроводность, легкость и скорость их активации и реактивации, высокая механическая прочность и малая склонность к отравлению, а также возможность гидрирования многих неустойчивых соединений, которое при употреблении других катализаторов может сильно осложняться разнообразными побочными реакциями. Применение скелетных катализаторов позволило во многих случаях значительно сократить продолжительность процесса гидрирования.

Хотя никелевые скелетные катализаторы получили в настоящее время наибольшее распространение и признание, естественно, не исключено, что при последующем более глубоком изучении получат широкое распространение и другие скелетные катализаторы (медные, железные, кобальтовые), в том числе и в процессах гидрирования.

Как катализаторы гидрирования скелетные никелевые катализаторы с успехом применяются для самых разнообразных целей; кроме того, они хорошо зарекомендовали себя в качестве катализаторов дегидрирования, окисления, дегалоидирования, обессеривания и ряда других превращений.

Скелетные катализаторы используют в процессах гидрирования сахаров, жиров, фурфурола, многоядерных хинонов и т. д. Кроме того, они являются составной частью электродов низкотемпературных топливных элементов, предназначенных для преобразования химической энергии в электрическую Материалами для получения скелетных контактов служат двух — или многокомпонентные сплавы каталитически активных металлов с такими веществами, которые можно частично или полностью удалить при обработке растворами сильных электролитов, отгонке в вакууме или других операциях, основанных на различии их физико-химических свойств. По мере удаления из сплава растворимых компонентов происходит перегруппировка атомов остающегося металла в свойственную ему кристаллическую решетку.

Готовят и взвешивают основные металлы катализатора — порошки и гранулы, а также готовят и взвешивают добавку Me. Далее все компоненты смешивают в определенных пропорциях. Смеси металлов отправляют в печь, где они сплавляются при температуре 1800С. Полученные сплавы охлаждают на воздухе до комнатной температуры и отправляют на выщелачивание в течении 2 ч. при 800С для удаления части Al из катализатора и увеличения его внутренней поверхности.

Наиболее распространены катализаторы из сплавов никеля с алюминием. Они отличаются высокой активностью, простотой приготовления, хорошей теплопроводностью и высокой механической прочностью. Эти катализаторы пирофорны, поэтому их хранят, транспортируют и работают с ними под слоем жидкости (вода, спирт, метилциклогексан и другие).

Промышленные скелетные катализаторы. В промышленности используют два типа скелетных никелевых катализаторов — катализатор Бага и никель Ренея (пат. США 1 563 787, 1 628 191, 1 915 473). Оба получают из сплава Ni с Аl, однако, если никель Ренея представляет собой мелкодисперсный порошок, состоящий из чистого никеля, то катализатор Бага — кусочки никель-алюминиевого сплава (65−75% Ni и 35−25% Аl).

Исходные сплавы получают чаще всего пирометаллургическими способамисплавлением компонентов или алюмотермией. В последнее время используют методы порошковой металлургииспекание предварительно спрессованных смесей никелевых и алюминиевых порошков в восстановительной или инертной атмосфере при 660−7000С. Реакции между двумя твердыми телами с образованием новой твердой фазы включают процесс диффузии, поскольку реагирующие вещества разделяются образующимся продуктом реакции. Реагирующие вещества сохраняют постоянную активность с обеих сторон реакционной поверхности раздела фаз, в связи с чем скорость переноса материала определяется скоростью нарастания толщины диффузионного слоя продукта.

Из различных типов печей, пригодных для получения сплава, лучшими являются высокочастотные печи с автоматическим перемешиванием компонентов, позволяющие получать катализатор высокого качества.

Для получения активных катализаторов большое значение имеют способ приготовления и состав сплава. При изготовлении никелевого катализатора наиболее приемлемы сплавы, содержащие от 40 до 60% (масс.) активного металла. Повышение содержания никеля более 60% затрудняет разложение сплава щелочью.

Начальные стадии производства для катализатора Бага и никеля Ренея одинаковы; расплавляют Аl примерно при 6600С, повышают температуру до 900−12 000Си выдерживают расплав при этой температуре некоторое время, необходимое для удаления из металла газов и солей. Далее в расплав вносят никель, при этом температура поднимается до 19 000С за счет теплоты образования сплава. В процессе сплавления металлов наблюдается смещение их внешних электронных уровней, с чем связывают промотирующий эффект вводимой добавки (Аl). Особое внимание должно быть обращено на правильный выбор условий охлаждения сплава. При медленном остывании образуется мелкокристаллическая структура, что способствует получению (после удаления А1) каталитически активного металла в высокодисперсном состоянии. Быстрое же охлаждение благоприятствует образованию крупнокристаллической структуры сплава.

Полученный сплав состоит из Ni3Al, NiAl, Ni2Al3, NiAl3. Считают, что наиболее активные катализаторы дают соединения NiAl3 и Ni2Al3. Формирование катализатора из Ni2Al3 идет через так называемую скелетную стадию. Часть скелета распадается с образованием мелких частиц никеля. Катализатор же из NiAl3 формируется по растворно-осадительному механизму. В этом случае вместо бидисперсного конгломерата из Ni и недоразрушенного Ni2Al3 получается широкий набор частиц различных диаметров.

Охлажденный катализатор подвергают дроблению. При равных соотношениях Ni и Al сплав хрупок и легко измельчается. С повышением содержания Ni он становится более прочным и дробится с трудом. Для катализатора Бага сплав дробят на куски размером 3−5 мм, для никеля Ренея — до мелкой крошки.

Никель Ренея в промышленных условиях получают в открытых аппаратах, снабженных мешалкой и паровой рубашкой. В аппарат заливают 20−30% раствор NaOH в количестве, превышающем теоретически требуемое для растворения алюминия, постепенно вносят измельченный сплав, включают мешалку и ведут процесс выщелачивания при 1200С, поддерживая постоянным объем реагентов. Повышение температуры выщелачивания до 1600Сприводит к увеличению степени дисперсности никеля Ренея. С ростом температуры выщелачивания удельная площадь поверхности катализаторов из NiAl3 монотонно понижается, а из Ni2Al3, наоборот, увеличивается, достигая максимального значения при 1000С[18]. О количестве выщелоченного алюминия судят по объему выделившегося водорода:

2А1 + 2NaOH + 2НаО = 2NaA102 + 3Н2.

Активность скелетных катализаторов связана с наличием в них водорода в физически адсорбированном и растворенном состояниях. Содержание водорода зависит от температуры выщелачивания:

Температура выщелачивания, 0С- 50 80 100;

Объем Н2, см3 на 1 г катализатора-160−170;

Активность, селективность и устойчивость катализаторов зависят от состояния адсорбированного ими водорода. Важную роль при этом играет выбор метода сушки легкоокисляющихся катализаторов, в частности скелетного никеля. Рекомендуется тщательная отмывка катализаторов от воды метанолом или другими спиртами алифатического ряда. Наилучшей является сушка катализаторов от воды при низких давлениях и температурах.

После прекращения выщелачивания большую часть раствора сливают, осадок отмывают от щелочи и в виде водной суспензии переводят в специальную емкость. В последнюю добавляют минеральное масло, и полностью удаляют воду нагреванием в вакууме. Готовый катализатор хранят и транспортируют в виде масляной суспензии. Регенерацию никеля Ренея не производят, срок службы этого катализатора невелик; он быстро отравляется сернистыми, кислородными и азотистыми соединениями. Катализатор Бага можно регенерировать дополнительным выщелачиванием Аl. На скелетных никелевых контактах процессы идут примерно при 100−1200Си давлении от 2 до 8 МПа в жидкой фазе. Широкие возможности для оптимизации характеристик катализатора Бага, никеля Ренея дает расширение ассортимента неблагородных компонентов исходных сплавов.

1.4.2 Нанесенные катализаторы

Для получения оксидных и металлических катализаторов, нанесенных на малоактивную или инертную подложку — носитель (нанесенные катализаторы), используют пропитку носителя водными растворами солей активного компонента катализатора. Активный компонент вступает в химическое или сорбционное взаимодействие с носителем, изменяя свойства его поверхности. В общем случае пропитка носителя состоит из следующих стадий: 1) вакуумирование носителя: 2) обработка носителя раствором соли активного компонента; 3) удаление избытка раствора; 4) сушка: 5) прокаливание.

Вакуумирование носителя перед его погружением в пропитывающий раствор приводит к более равномерному распределению, так как находящийся в порах воздух препятствует проникновению раствора. В промышленности чаще всего избегают этой стадии, а равномерность пропитки обеспечивают длительным пребыванием носителя в пропитывающем растворе и подогревом последнего.

Часто применяют пропитку в избытке раствора. Для этого предварительно определяют адсорбционное равновесие между раствором разной концентрации и носителем. Пропитывающий раствор готовят такой концентрации, чтобы поглощенное по расчету количество солей создавало в готовом катализаторе нужную концентрацию активного компонента. Для непрерывной пропитки применяют специальные пропиточные машины, в которых к движущейся бесконечной ленте подвешивают специальные корзины с носителем. Корзины опускают на некоторое время в емкость с пропитывающим катализатором, а затем поднимают для стекания раствора. Таким методом получают, например, Ni-катализаторы, нанесенные на А12O3 или активированный уголь, которые применяют в разнообразных процессах восстановления и гидрирования.

При низкой растворимости солей удается внести нужное количество активных компонентов в носитель только после многократных пропиток. После каждой пропитки солью желательно перевести ее в нерастворимое состояние, чтобы она не вымывалась из носителя. При определении числа пропиток следует учитывать, что многие широкопористые носители быстро насыщаются вводимым компонентом и увеличивать число пропиток здесь нецелесообразно. В случае же микропористых носителей каждая пропитка приводит к некоторому увеличению содержания активных компонентов в катализаторе и полное насыщение долго не наступает. Необходимо также иметь в виду, что с увеличением числа пропиток микропоры могут быть забиты активным компонентом и не будут участвовать в катализе. В результате в каждом конкретном случае активный компонент наносится до определенного предела, который зависит от размера пор.

Удобным методом приготовления пропиточных катализаторов является пропитка носителя рассчитанным количеством раствора без его избытка. Такой метод особенно приемлем для катализаторов, работающих во внутридиффузионной области.

Для производства небольших количеств катализатора применяют пропитку с упариванием раствора. Этот метод безотходен. По мерю упаривания растет концентрация солей в растворе, соли отлагаются в тонком поверхностном слое носителя, что снижает общую активность катализатора, а в некоторых случаях и механическую прочность. Поэтому добиться воспроизводимости с этим методом трудно.

Можно осуществлять пропитку носителя расплавом оксида. Носитель погружают в расплав солей, содержащих активные компоненты в заданном соотношении, перемешивают, извлекают из аппарата и подвергают термической обработке. Таким методом получали катализатор окисления нафталина во фталевый ангидрид, представляющий собой расплав V2O5, нанесенный на корунд (б-А12O3).

Если на носитель наносят оксиды, пропитку ведут из раствора нестойких солей: нитратов, формиатов, оксалатов, аммониевых солей, образующих оксиды при разложении. Иногда применяют разлагающиеся кислоты, например, хромовую для приготовления хромсодержащих катализаторов. В ряде случаев, например, при получении катализаторов из нерастворимых солеи (фосфатов, карбонатов, силикатов и др.) на инертных носителях, комбинируют пропитку и осаждение. Для этого пропитывают носитель растворимой солью осаждаемого металла, сушат его, а затем пропитанный и просушенный носитель, содержащий осаждаемую соль, вводят в раствор осадителя, например, фосфата натрия. гранулы катализатора отфильтровывают, отмывают от растворимых солей и сушат.

Применяют также нанесение одного осадка на другой. Например, гидроксид никеля осаждают аммиаком из раствора нитрата никеля в присутствии суспензии гидратированного оксида алюминия. Осадок фильтруют, тщательно промывают, сушат и прокаливают при 5000Сна воздухе.

Для получения металлических катализаторов на носителях необходимо восстановление оксидов или солей газами (водородом, углеводородами, парами спирта) или восстанавливающим раствором. В первом случае через катализатор, предварительно прокаленный для перевода солей в оксиды, пропускают восстанавливающий газ при повышенной температуре. Процесс часто проводят непосредственно в каталитическом реакторе. Приме ром второго случая — восстановления металлических катализаторов на носителе из раствора — являются Рt-катализаторы на Аl2О3, и SiO2. Для восстановления соединений платины используют раствор формальдегида в аммиаке. При приготовлении Рt/SiO2, и аналогичных катализаторов следует иметь в виду, что непосредственная пропитка геля носителя раствором может привести к растрескиванию геля. Для устранения этого перед пропиткой гель насыщают водой пропусканием через него увлажненного воздуха. Для того чтобы соль платины не вымывалась в момент восстановления раствором СН2O, пропитанный раствором соли носитель высушивают, а затем помещают в заранее доведенный до нужной температуры раствор восстановителя.

На носители наносят нe только соединении металлов. На А12О3, и алюмосиликат наносят из пара HF или ВF3. Полученные твердые кислоты применяют как катализаторы в реакциях кислотного катализа. Другой примернанесение фосфорной кислоты. В этом случае пропитывающее соединение Н3PO4, взаимодействуя с носителем (силикагель, кизельгур), образует новое соединение — силикофосфат SiO2•Р2O5, который и является активным компонентом. В отличие от рассмотренных ранее примеров, здесь в большинстве случаев количество пропитывающего соединения превосходит количество носителя или сравнимо с ним. Активный компонент остается в жидкой пленке. Каталитическая активность такого катализатора зависит от количества нанесенной кислоты на 1 г носителя и ее концентрации вжидкой фазе, зависящей от равновесного давления водяного пара над катализатором.

Разновидностью нанесенных катализаторов являются сорбционные катализаторы, на которые активную фазу наносят из металлоорганического соединения.

К недостаткам метода нанесения металлоорганических соединений следует отнести малый ассортимент соединений, обладающих удовлетворительной растворимостью даже в органических растворителях, сложность их синтеза, взрывои пожароопасность процесса, необходимость специальной предварительной подготовки носителя.

1.4.3 Основные требования, предъявляемые к промышленному катализатору

К промышленному катализатору предъявляют следующие требования.

1. Катализатор должен быть высокоактивным. Производительность катализатора для много тоннажных процессов обычно должна быть выше 20 г/л-ч, в противном случае потребовались бы аппараты слишком большого объема или в слишком большом количестве. Наряду с химическим составом для активного катализатора необходимы высокая удельная поверхность и оптимальная пористая структура.

2. Катализатор должен быть высокоселективным. В противном случае возрастают расходы на очистку и выделение конечных продуктов. Желательна 100%-я селективность, но она труднодостижима. Заметим, что для получения высокоселективного катализатора высокая удельная поверхность необязательна. Требуемая величина селективности для разных процессов различна; она определяется экономическими соображениями исходя из доли стоимости сырья в цене конечного продукта.

3. Катализатор должен обладать достаточной устойчивостью к отравлению каталитическими ядами. В том числе желательно минимизировать отложение кокса на поверхности катализатора в органических реакциях, максимально удлинить период работы катализатора до регенерации.

4. Катализатор не должен быть чересчур чувствительным к перегревам в экзотермических реакциях. Важно, чтобы перегрев на 50−1000Свыше регламентированной температуры процесса не приводил к необратимой потере активности.