CN108620059A - 一种负载活性金属成分的二乙基甲苯二胺合成氧化铝基体催化剂及用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种负载活性金属成分的二乙基甲苯二胺合成氧化铝基体催化剂及用途，属于精细化工技术领域。本发明针对二乙基甲苯二胺的催化合成过程中催化剂的反应杂质含量多、催化剂易失活的问题，提出了一种基于片状氧化铝载体、Ce和W为活性位点的催化剂，该催化反应过程具有反应活性高、杂质含量低、催化剂使用寿命长的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种负载活性金属成分的二乙基甲苯二胺合成氧化铝基体催化剂及用途，属于精细化工技术领域。
背景技术
二乙基甲苯二胺（英文名称Diethyltoluenediamine）是指两种二乙基甲苯二胺异构体混合物，即商品化的两种异构体混合物：3，5-二乙基-2，4-二氨基甲苯（3，5-Diethyl-toluene-2，4-diamine）76% 和 3，5-二乙基-2，6-二氨基甲苯（3，5-Diethyl-toluene-2，6-diamine）24%，简称DETDA。二乙基甲苯二胺用作反应注塑成型聚氨酯的扩链剂，聚氨酯涂料、环氧树脂、醇酸树脂固化剂。农药、染料中间体，塑料、橡胶、油类抗氧剂。二乙基甲苯二胺是聚氨酯弹性体以及环氧树脂的芳香族二胺固化剂，用于浇注、涂料、胶黏剂，也是聚氨酯及聚脲弹性体的扩链剂。它与聚氨酯预聚体的反应速度快，主要用于反应浇注成型聚氨酯体系以及喷涂聚氨酯(脲)弹性涂料体系，具有反应速度快，脱模时间短、初始强度高、制品耐水解、耐热等优点。另外该品还可用作弹性体、润滑剂及工业油脂的抗氧剂，以及化学合成中间体。
传统的二乙基甲苯二胺(DETDA) 合成方法：甲苯二胺（TDA）和乙烯为原料，在催化剂的存在条件下，高温高压发生烷基化反应，经精制而成。合成二乙基甲苯二胺(DETDA) 催化剂主要包括：铝粉、三氯化铝、烷基化铝、铝锌合金-三氯化铝混合体系、铝锌合金-三氯化铝-烷基化铝混合体系。但是上述的催化剂都存在着反应活性不高、寿命短的问题。
发明内容
本发明针对二乙基甲苯二胺的催化合成过程中催化剂的反应杂质含量多、催化剂易失活的问题，提出了一种基于片状氧化铝载体、Ce和W为活性位点的催化剂，该催化反应过程具有反应活性高、杂质含量低、催化剂使用寿命长的优点。
本发明第一个方面：
一种二乙基甲苯二胺的合成催化剂，所述的催化剂的制备方法包括如下步骤：
步骤1，载体的制备：将Al2O3缓慢加入至72～76℃NaOH水溶液中，NaOH和Al2O3的摩尔比是1.0～1.5：1，加入完毕后，将溶液升温至98～100℃，保持反应1～2h，得到NaAlO2溶液；将NaAlO2溶液用水稀释5～6倍之后，向稀释液中缓慢通入CO2反应，每min中CO2的鼓入体积与混合液的体积比是5～8：1，CO2气源压力为0.1～0.15MPa，CO2的鼓入时间是40～55min，通入完毕后，保持24～48h，再将生成的固体物滤出，用去离子水洗涤后，真空干燥，得到片状Al(OH)3载体；
步骤2，活性中心在载体上的负载：将Ce(NO3)3和偏钨酸铵按照Ce和W的mol比3：2加入至1～3wt%的草酸水溶液中，Ce(NO3)3和偏钨酸铵的总重量占草酸水溶液重量的2～4%，在搅拌条件下，滴加氨水至pH7.0～7.5，再加入片状Al(OH)3载体，片状Al(OH)3载体的加入重量占草酸水溶液重量的3～6%，继续滴加氨水至pH9.5～10，得到的沉淀物进行真空干燥后，于氮气气氛下焙烧，得到催化剂。
所述的步骤1中，NaOH水溶液的浓度是5.4～6.0mol/L，CO2的鼓入过程中混合液的温度控制在28～32℃。
所述的步骤2中，氨水的浓度是10～15wt%，焙烧是在600～620℃条件下焙烧6～8h。
本发明第二个方面：
一种二乙基甲苯二胺的合成方法，包括如下步骤：
第1步，向高压反应釜中加入催化剂，并通入N2置换反应釜中的空气后再加入甲苯二胺升温至120～160℃；再用N2携带乙烯加入至反应釜中，并加压至2.0～2.5MPa，在260～300℃条件下反应2～3h；
第2步，反应结束后，将反应物压入精馏塔中进行精馏处理，精馏采用真空精馏，蒸出轻组分后，塔底得到二乙基甲苯二胺。
所述的第1步中，甲苯二胺与乙烯的摩尔比是1：1.9～2.3；催化剂的重量是甲苯二胺重量的0.3～0.6%。
所述的第2步中，真空精馏过程中的真空度是0.094～0.098MPa；馏出温度140～170℃，回流比2～4：1。
本发明第三个方面：
上述的催化剂在二乙基甲苯二胺的合成中的用途。
有益效果
本发明通过制备了一种基于片状氧化铝载体的催化剂，应用于二乙基甲苯二胺的合成中时，具有较高的反应收率和催化剂使用寿命。
上述的催化剂的制备中，主要发生了如下反应：
Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O
2NaAlO2+CO2+3H2O=2Al(OH)3+Na2CO3
NaAlO2+2H2O=Al(OH)3+NaOH
通过Al2O3和NaOH制备得到偏铝酸钠溶液，中再通过加入CO2进行Al(OH)3的制备，在这个过程中，得到的Al(OH)3胶体具有比表面积大、颗粒小，经过分离后得到片状Al(OH)3。再通过Ce和W的前驱体溶液的共沉淀反应，在Al(OH)3载体的表面负载了Ce和W的胶体颗粒，通过焙烧后，生成了以Ce和W为活性中心的，片状氧化铝为载体的催化剂。
附图说明
图1是制备得到的片状Al(OH)3载体的电镜照片。
图2是制备得到的催化剂的电镜照片。
图3是制备得到的催化剂的XRD图谱。
图4是催化剂循环使用10次后的反应选择性比较图。
具体实施方式
实施例1 二乙基甲苯二胺的合成催化剂的制备
步骤1，载体的制备：将Al2O3缓慢加入至72℃NaOH水溶液中，NaOH水溶液的浓度是5.4mol/L，NaOH和Al2O3的摩尔比是1.0：1，加入完毕后，将溶液升温至98℃，保持反应1h，得到NaAlO2溶液；将NaAlO2溶液用水稀释5倍之后，向稀释液中缓慢通入CO2反应，每min中CO2的鼓入体积与混合液的体积比是5：1，CO2气源压力为0.1MPa，CO2的鼓入时间是40min，CO2的鼓入过程中混合液的温度控制在28℃，通入完毕后，保持24h，再将生成的固体物滤出，用去离子水洗涤后，真空干燥，得到片状Al(OH)3载体；
步骤2，活性中心在载体上的负载：将Ce(NO3)3和偏钨酸铵按照Ce和W的mol比3：2加入至1wt%的草酸水溶液中，Ce(NO3)3和偏钨酸铵的总重量占草酸水溶液重量的2%，在搅拌条件下，滴加氨水至pH7.0～7.5，再加入片状Al(OH)3载体，片状Al(OH)3载体的加入重量占草酸水溶液重量的3%，继续滴加氨水至pH9.5～10，氨水的浓度是10wt%，得到的沉淀物进行真空干燥后，于氮气气氛下600℃焙烧6h，得到催化剂。
实施例2二乙基甲苯二胺的合成催化剂的制备
步骤1，载体的制备：将Al2O3缓慢加入至76℃NaOH水溶液中，NaOH水溶液的浓度是6.0mol/L，NaOH和Al2O3的摩尔比是1.5：1，加入完毕后，将溶液升温至100℃，保持反应2h，得到NaAlO2溶液；将NaAlO2溶液用水稀释6倍之后，向稀释液中缓慢通入CO2反应，每min中CO2的鼓入体积与混合液的体积比是8：1，CO2气源压力为0.15MPa，CO2的鼓入时间是55min，CO2的鼓入过程中混合液的温度控制在32℃，通入完毕后，保持48h，再将生成的固体物滤出，用去离子水洗涤后，真空干燥，得到片状Al(OH)3载体；
步骤2，活性中心在载体上的负载：将Ce(NO3)3和偏钨酸铵按照Ce和W的mol比3：2加入至3wt%的草酸水溶液中，Ce(NO3)3和偏钨酸铵的总重量占草酸水溶液重量的4%，在搅拌条件下，滴加氨水至pH7.0～7.5，再加入片状Al(OH)3载体，片状Al(OH)3载体的加入重量占草酸水溶液重量的6%，继续滴加氨水至pH9.5～10，氨水的浓度是15wt%，得到的沉淀物进行真空干燥后，于氮气气氛下620℃焙烧8h，得到催化剂。
实施例3二乙基甲苯二胺的合成催化剂的制备
步骤1，载体的制备：将Al2O3缓慢加入至75℃NaOH水溶液中，NaOH水溶液的浓度是5.6mol/L，NaOH和Al2O3的摩尔比是1.2：1，加入完毕后，将溶液升温至99℃，保持反应1.5h，得到NaAlO2溶液；将NaAlO2溶液用水稀释5.5倍之后，向稀释液中缓慢通入CO2反应，每min中CO2的鼓入体积与混合液的体积比是7：1，CO2气源压力为0.12MPa，CO2的鼓入时间是50min，CO2的鼓入过程中混合液的温度控制在30℃，通入完毕后，保持30h，再将生成的固体物滤出，用去离子水洗涤后，真空干燥，得到片状Al(OH)3载体；
步骤2，活性中心在载体上的负载：将Ce(NO3)3和偏钨酸铵按照Ce和W的mol比3：2加入至2wt%的草酸水溶液中，Ce(NO3)3和偏钨酸铵的总重量占草酸水溶液重量的3%，在搅拌条件下，滴加氨水至pH7.0～7.5，再加入片状Al(OH)3载体，片状Al(OH)3载体的加入重量占草酸水溶液重量的5%，继续滴加氨水至pH9.5～10，氨水的浓度是12wt%，得到的沉淀物进行真空干燥后，于氮气气氛下610℃焙烧7h，得到催化剂。
对照例1
与实施例3的区别是：在载体的表面未负载Ce。
步骤1，载体的制备：将Al2O3缓慢加入至75℃NaOH水溶液中，NaOH水溶液的浓度是5.6mol/L，NaOH和Al2O3的摩尔比是1.2：1，加入完毕后，将溶液升温至99℃，保持反应1.5h，得到NaAlO2溶液；将NaAlO2溶液用水稀释5.5倍之后，向稀释液中缓慢通入CO2反应，每min中CO2的鼓入体积与混合液的体积比是7：1，CO2气源压力为0.12MPa，CO2的鼓入时间是50min，CO2的鼓入过程中混合液的温度控制在30℃，通入完毕后，保持30h，再将生成的固体物滤出，用去离子水洗涤后，真空干燥，得到片状Al(OH)3载体；
步骤2，活性中心在载体上的负载：将偏钨酸铵加入至2wt%的草酸水溶液中，偏钨酸铵的重量占草酸水溶液重量的3%，在搅拌条件下，滴加氨水至pH7.0～7.5，再加入片状Al(OH)3载体，片状Al(OH)3载体的加入重量占草酸水溶液重量的5%，继续滴加氨水至pH9.5～10，氨水的浓度是12wt%，得到的沉淀物进行真空干燥后，于氮气气氛下610℃焙烧7h，得到催化剂。
对照例2
与实施例3的区别是：在载体的表面未负载W。
步骤1，载体的制备：将Al2O3缓慢加入至75℃NaOH水溶液中，NaOH水溶液的浓度是5.6mol/L，NaOH和Al2O3的摩尔比是1.2：1，加入完毕后，将溶液升温至99℃，保持反应1.5h，得到NaAlO2溶液；将NaAlO2溶液用水稀释5.5倍之后，向稀释液中缓慢通入CO2反应，每min中CO2的鼓入体积与混合液的体积比是7：1，CO2气源压力为0.12MPa，CO2的鼓入时间是50min，CO2的鼓入过程中混合液的温度控制在30℃，通入完毕后，保持30h，再将生成的固体物滤出，用去离子水洗涤后，真空干燥，得到片状Al(OH)3载体；
步骤2，活性中心在载体上的负载：将Ce(NO3)3加入至2wt%的草酸水溶液中，Ce(NO3)3重量占草酸水溶液重量的3%，在搅拌条件下，滴加氨水至pH7.0～7.5，再加入片状Al(OH)3载体，片状Al(OH)3载体的加入重量占草酸水溶液重量的5%，继续滴加氨水至pH9.5～10，氨水的浓度是12wt%，得到的沉淀物进行真空干燥后，于氮气气氛下610℃焙烧7h，得到催化剂。
对照例3二乙基甲苯二胺的合成催化剂的制备
采用东莞市鸿程氢氧化铝厂应用于阻燃剂的氢氧化铝粉体HCW-101作为载体，平均粒径5微米。
以上实施例3中制备得到的Al(OH)3载体的SEM电镜照片如图1所示，可以看出，通过上述方法制备得到的Al(OH)3载体具有片状的形貌，具有比表面积大的优点。实施例3中制备得到的催化剂的SEM照片如图2所示，可以看出，在载体的表面包覆有一层活性Ce和W的活性氧化物层。
以上实施例3制备得到的催化剂的XRD图谱如图3所示，从图中可以看出，其中显示出γ-Al2O3的在67.2°、45.5°、37.4°等处的特征峰，说明生成的是γ-Al2O3的立方相，同时也显示出检测到了单斜晶体相Ce2(WO4)3的存在(PDF:31-0340)。
采用上述的催化剂进行二乙基甲苯二胺的合成，向高压反应釜中加入上述实施例和对照例中的催化剂，并通入N2置换反应釜中的空气后再加入甲苯二胺升温至130℃；再用N2携带乙烯加入至反应釜中，并加压至2.2MPa，在280℃条件下反应3h，甲苯二胺与乙烯的摩尔比是1：2.9；催化剂的重量是甲苯二胺重量的0.4%；反应结束后，将反应物压入精馏塔中进行精馏处理，精馏采用真空精馏，蒸出轻组分后，塔底得到二乙基甲苯二胺，真空精馏过程中的真空度是0.094～0.098MPa；馏出温度150℃，回流比3：1。
以上各实施例中的催化反应收率、产品含量如下表所示：
从上表中可以看出，本发明制备的催化剂具有较好的反应活性，转化率能够达到100%以上，实施例3相对于对照例1来说，在活性中心中未加入Ce，使得反应转化率不高；对照例3中由于采用的是普通的氢氧化铝微粉作为负载材料，其反应活性和反应产物纯度都低于实施例3采用片状氢氧化铝负载的催化剂。
将上述的催化剂每次用完后，用去离子水洗涤、烘干后，再次进行催化反应，重复10次后，甲苯二胺转化率如下表所示。
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 对照例1 | 对照例2 | 对照例3 | |
| 甲苯二胺转化率% | 98.4 | 98.6 | 99.1 | 96.5 | 96.8 | 92.1 |
从表中可以看出，本发明采用片状氢氧化铝负载Ce和W时，具有较好的催化反应寿命。实施例3相对于对照例3可以看出，采用片状氢氧化铝材料作为负载时，催化剂在使用10次后，仍然可以保持较好的反应活性；并且实施例3相对于对照例2来说可以看出，活性成分中加入了W之后，也能够明显提高催化材料多次使用后的反应活性。
Claims (7)
1.一种负载活性金属成分的二乙基甲苯二胺合成氧化铝基体催化剂，其特征在于，所述的催化剂的制备方法包括如下步骤：
步骤1，载体的制备：将Al2O3缓慢加入至72～76℃NaOH水溶液中，NaOH和Al2O3的摩尔比是1.0～1.5：1，加入完毕后，将溶液升温至98～100℃，保持反应1～2h，得到NaAlO2溶液；将NaAlO2溶液用水稀释5～6倍之后，向稀释液中缓慢通入CO2反应，每min中CO2的鼓入体积与混合液的体积比是5～8：1，CO2气源压力为0.1～0.15MPa，CO2的鼓入时间是40～55min，通入完毕后，保持24～48h，再将生成的固体物滤出，用去离子水洗涤后，真空干燥，得到片状Al(OH)3载体；
步骤2，活性中心在载体上的负载：将Ce(NO3)3和偏钨酸铵按照Ce和W的mol比3：2加入至1～3wt%的草酸水溶液中，Ce(NO3)3和偏钨酸铵的总重量占草酸水溶液重量的2～4%，在搅拌条件下，滴加氨水至pH7.0～7.5，再加入片状Al(OH)3载体，片状Al(OH)3载体的加入重量占草酸水溶液重量的3～6%，继续滴加氨水至pH9.5～10，得到的沉淀物进行真空干燥后，于氮气气氛下焙烧，得到催化剂。
2.根据权利要求1所述的负载活性金属成分的二乙基甲苯二胺合成氧化铝基体催化剂，其特征在于，所述的步骤1中，NaOH水溶液的浓度是5.4～6.0mol/L，CO2的鼓入过程中混合液的温度控制在28～32℃。
3.根据权利要求1所述的负载活性金属成分的二乙基甲苯二胺合成氧化铝基体催化剂，其特征在于，所述的步骤2中，氨水的浓度是10～15wt%，焙烧是在600～620℃条件下焙烧6～8h。
4.一种二乙基甲苯二胺的合成方法，其特征在于，包括如下步骤：
第1步，向高压反应釜中加入权利要求1所述的催化剂，并通入N2置换反应釜中的空气后再加入甲苯二胺升温至120～160℃；再用N2携带乙烯加入至反应釜中，并加压至2.0～2.5MPa，在260～300℃条件下反应2～3h；
第2步，反应结束后，将反应物压入精馏塔中进行精馏处理，精馏采用真空精馏，蒸出轻组分后，塔底得到二乙基甲苯二胺。
5.根据权利要求4所述的二乙基甲苯二胺的合成方法，其特征在于，所述的第1步中，甲苯二胺与乙烯的摩尔比是1：1.9～2.3；催化剂的重量是甲苯二胺重量的0.3～0.6%。
6.根据权利要求4所述的二乙基甲苯二胺的合成方法，其特征在于，所述的第2步中，真空精馏过程中的真空度是0.094～0.098MPa；馏出温度140～170℃，回流比2～4：1。
7.权利要求1所述的催化剂在二乙基甲苯二胺的合成中的用途。
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