专利名称：负载Pd氢化催化剂及其制备方法，使用该催化剂的苯酚制备环己酮的方法
技术领域：
本发明涉及一种负载Pd的氢化催化剂及其制备方法。还涉及使用所述催化剂进行苯酚选择性催化氢化制备环己酮的方法。
背景技术：
苯酚是石油化工的副产物，也是煤焦油产品中的重要馏份，随着石油化工和焦化工业的发展，苯酚的产量也逐年上升，但由于苯酚的用途有限，因此造成大量积压，急需寻找新的出路。
环己酮是制备尼龙6、己内酰胺和己二酸的主要中间体。用于医药、油漆、涂料、橡胶、染料及农药等工业，它可用作飞机用润滑油淤渣的溶剂。还用作擦亮金属的脱脂剂。木材着色涂漆后，可用环己酮脱膜、脱污、脱斑。
环己酮用途极广，国内市场缺口较大，其中三分之一依赖于国外进口。以苯酚为原料选择性催化加氢制备环己酮，不仅有利于减少国内石化企业和焦化企业中苯酚的积压，而且还可以减少环境污染，因化工企业的废水中好多含有苯酚，也有利于满足国内市场对环己酮的需求，具有显著的潜在经济和社会效益。
现国内外生产环己酮的方法有如下几种
US 0578063和US 5208392中揭示环己酮可以由环己烷催化氧化制得；US 4670605描述了由环己醇出发经催化氧化制得环己酮的方法。
按照US 5015787所述环己醇通常由苯酚催化氢化制得。这样的方法反应步骤多，对化学试剂和设备的要求高，因此一般从生态和经济的角度考虑，这是相当不利的。
环己酮可以通过苯酚经多相催化氢化来制备。在U.S.4,203,923、4,200,553、3,076,810、06,046,365；J.P.Nos.11,035,512和11,035,513中揭示了用Pd/C催化剂的方法进行苯酚催化氢化制环己酮，催化剂的活性组分是钯，活性炭作为载体。这些反应过程在提供了高的反应活性时仅能提供低的选择性；或提供了高的选择性时仅能提供低的反应活性。然而从经济和反应的角度来看，苯酚催化氢化制环己酮的反应过程需要高的反应活性和高的选择性，从而得到高纯度的环己酮，这点对工业生产是非常重要的。
按照U.S.4,092,360；3,932,514；British Patent Specification Nos.1,063,367；890,095和文献S.Narayanan et.al.，Appl.Catal.A 174(1998)221-229；198(2000)13-21；Catal.Today.49(1999)57-63；N.Mahata et.al.，Catal.Today.49(1999)65-69；Appl.Catal.A 182(1999)183-187；Y.Z.Chenet.al.，Appl.Catal.A 177(1999)1-8，描述了从苯酚制备环己酮的过程，所用的催化剂主要是Pd/Al2O3催化剂，这些反应过程同样在提供了高的反应活性时仅能提供低的选择性；或提供了高的选择性时仅能提供低的反应活性。为了提高环己酮的收率，文献S.Narayanan et.al.，Appl.Catal.A 174(1998)221-229；198(2000)13-21；Catal.Today.49(1999)57-63；N.Mahata et.al.，Catal.Today.49(1999)65-69；Appl.Catal.A 182(1999)183-187；Y.Z.Chen et.al.，Appl.Catal.A177(1999)1-8披露在Pd/Al2O3催化剂中添加0.1-5％的碱土金属氧化物，如CaO和MgO等。文献S.Narayanan et.al.，Appl.Catal.A 174(1998)221-229；198(2000)13-21；Catal.Today.49(1999)57-63苯酚的转化率最高为66％，环己酮的选择性最高为95％。文献N.Mahata et.al.，Catal.Today.49(1999)65-69；Appl.Catal.A 182(1999)183-187中揭示苯酚的转化率达到60％，环己酮的选择性为90％；及苯酚的转化率最高为85％，环己酮的选择性最高为85％。文献Z.Chen et.al.，Appl.Catal.A 177(1999)1-8中苯酚的转化率为40％，环己酮的选择性为95％。虽然环己酮的收率有所提高，但环己酮的选择性为85-95％，在产品中还有5-15％的环己醇杂质，这对环己酮的提纯带来困难，因为环己酮和环己醇的沸点相差很小。专利U.S.No.3,932,514和British Patent Specification No.1,063,367描述了从苯酚气相法制备环己酮的过程，催化剂所用的载体是40-98％的γ-Al2O3和2-60％的碱土金属氧化物，虽然取得了较高的环己酮得率，选择性也达93％，但是苯酚的转化速速率非常慢，这使工业生产效率降低。
在上述专利和文献中使用Pd/C、Pd/Al2O3催化剂进行催化氢化反应中，在所使用的反应条件下，都产生了环己醇副产物。因此，迫切需要能以高活性和选择性制备环己酮的催化剂。
发明内容
本发明一个目的是提供一种用于苯酚催化氢化制备环己酮的高活性和选择性的负载Pd的氢化催化剂及其制备方法。本发明另一个目的是提供苯酚氢化制备环己酮的方法。
所述催化剂为Pd/Si2O催化剂，Pd以1-10％(重量)负载量负载于二氧化硅载体上，所述二氧化硅载体的比表面积为400-850m2/g，孔径为2.3-2.5nm，孔容为0.9-1.1cm3/g。
所述催化剂的制备方法包括下列步骤a.以干凝胶法合成载体二氧化硅，二氧化硅比表面积为400-850m2/g，孔径为2.3-2.5nm，孔容为0.9-1.1cm3/g；b.制得的二氧化硅载体浸渍在PdCl2溶液中，制得PdCl2/SiO2；c.于100℃烘干；d.通氮气下，升温至约200℃，较好以5℃/min速度升温至约200℃，保温2-4小时，冷却至室温，然后在通氢气下，较好以5℃/min速度升温至约400℃，还原4-6小时，制得Pd/SiO2催化剂。
苯酚氢化制备环己酮的方法包括下列步骤a.使用本发明的Pd/SiO2催化剂，通入氢气，使苯酚在选自乙醇、四氢呋喃、1，4-二氧六环的溶剂下或本体，较好在本体中，于20-200℃反应温度和0.1-10Mpa压力下，进行催化氢化反应4-40小时；b.分离产物和催化剂。
通过苯酚选择性催化氢化制备环己酮时，苯酚经催化氢化首先生成环己烯醇，环己烯醇不稳定互变异构生成环己酮，环己酮继续催化氢化生成环己醇。从热力学的原理上讲，环己酮催化氢化生成环己醇更有利，要使反应停留在环己酮这一步是困难的，所以必须从动力学和催化剂角度来研究此反应。催化剂如果活性很高就容易生成环己醇，如果活性低苯酚的转化率就低，这是一对矛盾。要解决这一矛盾，就必须从催化剂和反应条件中进行研究，即所制备的催化剂必须具有较高的反应活性和很高的选择性。
上述文献中揭示的催化剂，存在的问题是，在提供了高的反应活性时仅能提供低的选择性；或者提供了高的选择性时仅能提供低的反应活性。如果催化剂的选择性不高，在苯酚氢化过程中产生环己醇，而环己醇和环己酮的沸点相差很小，环己醇的存在给环己酮提纯带来困难，因此，要求催化剂的选择性尽可能高，最好能达到95％以上。
催化反应通常是在催化剂的内表面进行，因为内表面要比外表面大的多，而苯酚是个较大的环状分子，所以在有高的选择性的情况下，提高催化剂的孔径有利于增加催化剂的反应活性。提高选择性则需要选择活性组分和载体。为此，本发明中，使用的催化活性组分选自元素周期表VIII B族，例如钯、钌、铑、铂、镍，优选钯，负载量在1-10％(重量)范围，较好为5％(重量)；要求载体具有较大的孔径和比表面，载体可采用活性炭、Al2O3、SiO2等，优选SiO2载体。
SiO2载体可采用干凝胶方法合成，此合成方法可依据反应分子的大小，合成相应大小孔径的载体，有利于提高催化剂的活性和选择性。本发明催化剂中使用的SiO2载体的比表面积在400-850m2/g范围，较好在500-700m2/g范围，孔径为2.3-2.5nm，孔容为0.9-1.1cm3/g。
本发明中，凝胶法合成了载体SiO2之后，然后采用常规浸渍方法，将该载体浸渍在PdCl2溶液中制得PdCl2/SiO2催化剂前体。于100℃干燥后，在通入氮气下升温至约200℃，较好以5℃/min速度升温，并在该温度下保持2-4小时，冷却至室温，在通入氢气下升温至400℃，较好以5℃/min速度升温至约400℃，并在该温度下保持4-6小时进行还原，制得Pd/SiO2催化剂。
本发明的苯酚催化氢化制备环己酮的反应可在乙醇、四氢呋喃、1，4-二氧六环溶剂或本体中进行。最好不用溶剂，这样既经济，又方便。反应于20-200℃在0.1-10Mpa的氢压力下搅拌下进行。温度宜在100-160℃，氢气压力宜为2.5-7.5Mpa，最好为5Mpa。在氢化反应中，为了得到理想的转化率和选择性，需要观察氢气消耗量并在反应过程中随时取样分析，以便及时终止该氢化反应。这可由停止搅拌、降低温度和终止加入氢气来实现。
氢化反应完成后，采用常规技术例如通过过滤将催化剂分离出去。
本发明制备的高活性和高选择性的Pd/SiO2催化剂用来从苯酚选择性催化氢化制备环己酮，该催化剂对苯酚具有较高的反应活性，对环己酮具有很高的反应选择性。在苯酚选择性催化氢化制备环己酮的反应过程中，能使苯酚的转化率达到90％以上，环己酮的选择性达到95-100％，避免了反应产物的提纯。因此该催化剂具有很高的反应活性和选择性，并能循环使用，再生方便。
使用本发明的Pd/SiO2催化剂通过苯酚选择性催化氢化制备环己酮简化了工业生产设备和生产工艺，因此从生态和经济的角度考虑，这是相当有利的。不仅有利于减少国内石化企业和焦化企业中苯酚的积压，而且还可以减少环境污染，也有利于满足国内市场对环己酮的需求，具有显著的潜在经济和社会效益。
实施例制备实施例1制备SiO2载体在500ml圆底烧瓶中，将0.3mol正硅酸乙酯(TEOS)溶解于40ml无水乙醇，在60℃下搅拌，然后滴加4％HCL(溶解在30ml无水乙醇中)，水解1小时后再加入100ml无水乙醇，使H2O∶TEOS∶HCl摩尔比为4∶1∶0.1，溶液在60℃下搅拌成胶。此溶胶在60℃老化2天，然后在105℃干燥24小时，550℃煅烧4小时，粉碎至60-80目，成干凝胶(Xerogel)SiO2。经分析此SiO2的比表面为634m2/g，孔径为2.4nm，孔容为0.9cm3/g。
实施例2-5制备SiO2载体按照和制备实施例1相同的方法，制备SiO2，不同之处在于溶解正硅酸乙酯的无水乙醇的用量。制得的SiO2比表面积、孔径和孔容列于下表1。
表1
制备实施例6制备Pd/SiO2催化剂采用常规浸渍方法制备Pd/SiO2催化剂，使用10克实例1制备的SiO2载体，浸渍在88ml浓度为10mg/ml的PdCl2溶液，搅拌3小时后过滤制得PdCl2/SiO2，此PdCl2/SiO2于100℃烘干，然后在通氮气下，以5℃/min速度程序升温至200℃，保温2小时，冷却至室温。然后，在通氢气下以5℃/min速度程序升温至400℃，还原4小时，制得Pd负载量为5％(重量)的Pd/SiO2催化剂。
制备实施例7制备Pd/SiO2催化剂采用和制备实施例6相同的常规浸渍方法以及制备实施例1制备的SiO2载体，制备PdCl2/SiO2催化剂，不同之处是，将l0克SiO2载体浸渍在18ml浓度为10mg/ml的PdCl2溶液中，制得Pd负载量为1％(重量)的Pd/SiO2催化剂。
制备实施例8制备Pd/SiO2催化剂采用和制备实施例6相同的常规浸渍方法以及制备实施例1制备的SiO2载体，制备PdCl2/SiO2催化剂，不同之处是，将10克SiO2载体浸渍在175ml浓度为10mg/ml的PdCl2溶液中，制得Pd负载量为10％(重量)的Pd/SiO2催化剂。
制备实施例9-12制备Pd/SiO2催化剂采用和制备实施例6相同的常规浸渍方法，分别使用制备实施例2-5制备的SiO2载体，分别制得Pd负载量为5％(重量)的Pd/SiO2催化剂。
实施例1称取3克制备实施例6所制备的Pd负载量为5％(重量)的Pd/SiO2催化剂，放入盛有100毫升苯酚的平底烧瓶内，并置于磁力搅拌器上，装上冷凝管，常压下加热并通入氢气(氢气流量为120ml/min)(相当于压力0.1MPa的氢气)，反应温度为160℃，反应40小时后，冷却，过滤除去催化剂。气相层析分析表明苯酚的转化率为98.9％，环己酮的选择性为98.6％。
实施例2称取3克制备实施例7所制备的Pd负载量为1％(重量)的Pd/SiO2催化剂，放入盛有100毫升苯酚的平底烧瓶内，并置于磁力搅拌器上，装上冷凝管，常压下加热并通入氢气(氢气流量为120ml/min)(相当于压力0.1MPa的氢气)，反应温度为160℃，反应40小时后，冷却，过滤除去催化剂。气相层析分析表明苯酚的转化率为85.6％，环己酮的选择性为98.1％。
实施例3称取3克制备实施例8所制备的Pd负载量为10％(重量)的Pd/SiO2催化剂，放入盛有100毫升苯酚的平底烧瓶内，并置于磁力搅拌器上，装上冷凝管，常压下加热并通入氢气(氢气流量为120ml/min)(相当于压力0.1MPa的氢气)，反应温度为160℃，反应40小时后，冷却，过滤除去催化剂。气相层析分析表明苯酚的转化率为99.5％，环己酮的选择性为98.5％。
比较例1称取3克Pd负载量为5％(重量)的Pd/C催化剂，放入盛有100毫升苯酚的平底烧瓶内，并置于磁力搅拌器上，装上冷凝管，常压下加热通氢气(氢气流量120ml/min)，反应温度为160℃，反应40小时后，冷却，过滤除去催化剂。气相层析分析表明苯酚的转化率为61.7％，环己酮的选择性为95.2％，杂质环己醇的选择性为4.8％。
实施例4称取3克制备实施例6中制备的Pd负载量为5％(重量)的Pd/SiO2催化剂，放入盛有100毫升苯酚的高压釜内，通氮气置换空气三次，然后通氢气置换三次，通氢气加压至5Mpa，加热至100℃，在机械搅拌下反应4小时后，冷却，过滤除去催化剂。气相层析分析表明苯酚的转化率为99.3％，环己酮的选择性为99.8％。
实施例5称取3克制备实施例7中制备的Pd负载量为1％(重量)的Pd/SiO2催化剂，放入盛有100毫升苯酚的高压釜内，通氮气置换空气三次，然后通氢气置换三次，通氢气加压至5Mpa，加热至100℃，在机械搅拌下反应4小时后，冷却，过滤除去催化剂。气相层析分析表明苯酚的转化率为90.4％，环己酮的选择性为98.9％。
实施例6称取3克制备实施例8中制备的Pd负载量为10％(重量)的Pd/SiO2催化剂，放入盛有100毫升苯酚的高压釜内，通氮气置换空气三次，然后通氢气置换三次，通氢气加压至5Mpa，加热至100℃，在机械搅拌下反应4小时后，冷却，过滤除去催化剂。气相层析分析表明苯酚的转化率为99.5％，环己酮的选择性为97.4％。
比较例2称取3克Pd负载量为5％(重量)的Pd/C催化剂放入盛有100毫升苯酚的高压釜内，通氮气置换空气三次，然后通氢气置换三次，通氢气加压至5Mpa，加热至100℃，在机械搅拌下反应4小时后，冷却，过滤除去催化剂。气相层析分析表明苯酚的转化率为72.4％，环己酮的选择性为94.7％。
实施例7称取3克制备实施例6中制备的Pd负载量为5％(重量)的Pd/SiO2催化剂，放入盛有100毫升苯酚的高压釜内，通氮气置换空气三次，然后通氢气置换三次，通氢气加压至0.1Mpa，加热至100℃，在机械搅拌下反应32小时后，冷却，过滤除去催化剂。气相层析分析表明苯酚的转化率为90.4％，环己酮的选择性为99.0％。
实施例8称取3克制备实施例6中制备的Pd负载量为5％(重量)的Pd/SiO2催化剂，放入盛有100毫升苯酚的高压釜内，通氮气置换空气三次，然后通氢气置换三次，通氢气加压至2.5Mpa，加热至100℃，在机械搅拌下反应24小时后，冷却，过滤除去催化剂。气相层析分析表明苯酚的转化率为99.0％，环己酮的选择性为98.8％。
实施例9称取3克制备实施例6中制备的Pd负载量为5％(重量)的Pd/SiO2催化剂，放入盛有100毫升苯酚的高压釜内，通氮气置换空气三次，然后通氢气置换三次，通氢气加压至7.5Mpa，加热至100℃，在机械搅拌下反应4小时后，冷却，过滤除去催化剂。气相层析分析表明苯酚的转化率为99.6％，环己酮的选择性为95.4％，杂质环己醇的选择性为4.6％。
实施例10称取3克制备实施例6中制备的Pd负载量为5％(重量)的Pd/SiO2催化剂，放入盛有100毫升苯酚的高压釜内，通氮气置换空气三次，然后通氢气置换三次，通氢气加压至10Mpa，加热至100℃，在机械搅拌下反应4小时后，冷却，过滤除去催化剂。气相层析分析表明苯酚的转化率为100％，环己酮的选择性为93.6％，杂质环己醇的选择性为6.4％。
实施例11称取3克制备实施例9中制备的Pd负载量为5％(重量)的Pd/SiO2催化剂，放入盛有100毫升苯酚的高压釜内，通氮气置换空气三次，然后通氢气置换三次，通氢气加压至5Mpa，加热至100℃，在机械搅拌下反应4小时后，冷却，过滤除去催化剂。气相层析分析表明苯酚的转化率为99.1％，环己酮的选择性为98.5％。
实施例12称取3克制备实施例10中制备的Pd负载量为5％(重量)的Pd/SiO2催化剂，放入盛有100毫升苯酚的高压釜内，通氮气置换空气三次，然后通氢气置换三次，通氢气加压至5Mpa，加热至100℃，在机械搅拌下反应4小时后，冷却，过滤除去催化剂。气相层析分析表明苯酚的转化率为93.5％，环己酮的选择性为95.3％。
实施例13称取3克制备实施例11中制备的Pd负载量为5％(重量)的Pd/SiO2催化剂，放入盛有100毫升苯酚的高压釜内，通氮气置换空气三次，然后通氢气置换三次，通氢气加压至5Mpa，加热至100℃，在机械搅拌下反应4小时后，冷却，过滤除去催化剂。气相层析分析表明苯酚的转化率为99.2％，环己酮的选择性为96.8％。
实施例14称取3克制备实施例12中制备的Pd负载量为5％(重量)的Pd/SiO2催化剂，放入盛有100毫升苯酚的高压釜内，通氮气置换空气三次，然后通氢气置换三次，通氢气加压至5Mpa，加热至100℃，在机械搅拌下反应4小时后，冷却，过滤除去催化剂。气相层析分析表明苯酚的转化率为98.3％，环己酮的选择性为97.7％。
表2不同Pd负载量(重量％)的Pd/SiO2催化剂对常压下苯酚的转化率和环己酮的选择性的影响
表3不同Pd负载量(重量％)的Pd/SiO2催化剂对5MPa压力下苯酚的转化率和环己酮的选择性的影响
表4不同压力下对苯酚的转化率和环己酮的选择性的影响
表4载体的性质对苯酚转化率和选择性的影响
实施例15称取3克制备实施例6制备的Pd负载量为5％(重量)的Pd/SiO2催化剂，放入盛有100毫升苯酚的高压釜内，通氮气置换空气三次，然后通氢气置换三次，通氢气加压至10Mpa，反应温度20℃，在机械搅拌下反应40小时后，冷却，过滤除去催化剂。气相层析分析表明苯酚的转化率为85.8％，环己酮的选择性为98.5％。
实施例16称取3克制备实施例6制备的Pd负载量为5％(重量)的Pd/SiO2催化剂，放入盛有100毫升苯酚的高压釜内，通氮气置换空气三次，然后通氢气置换三次，通氢气加压至5Mpa，加热至60℃，在机械搅拌下反应20小时后，冷却，过滤除去催化剂。气相层析分析表明苯酚的转化率为91.6％，环己酮的选择性为99.2％。
实施例17称取3克制备实施例6制备的Pd负载量为5％(重量)的Pd/SiO2催化剂，放入盛有100毫升苯酚的高压釜内，通氮气置换空气三次，然后通氢气置换三次，通氢气加压至0.5Mpa，加热至200℃，在机械搅拌下反应12小时后，冷却，过滤除去催化剂。气相层析分析表明苯酚的转化率为96.2％，环己酮的选择性为97.3％。
权利要求
1.一种负载Pd的氢化催化剂，以催化剂总重量为基准，Pd负载量在1-10％重量范围，所述载体是比表面积为400-850m2/g，孔径为2.3-2.5nm，孔容为0.9-1.1cm3/g的SiO2。
2.如权利要求1所述的负载Pd的氢化催化剂，其特征在于Pd负载量为5％重量。
3.如权利要求1所述的负载Pd的氢化催化剂，其特征在于所述载体SiO2的比表面积为500-700m2/g。
4.一种制备负载Pd的氢化催化剂的方法，该方法包括下列步骤a.以干凝胶法合成载体二氧化硅，二氧化硅比表面积为400-850m2/g，孔径为2.3-2.5nm，孔容为0.9-1.1cm3/g；b.制得的二氧化硅载体浸渍在PdCl2溶液中，制得PdCl2/SiO2；c.于100℃烘干；d.通氮气下，升温至约200℃，保温2-4小时，冷却至室温，然后在通氢气下升温至约400℃，还原4-6小时，制得Pd/SiO2氢化催化剂。
5.苯酚催化氢化制备环己酮的方法，该方法包括下列步骤a.使用权利要求1-3中任一权利要求所述的负载Pd的氢化催化剂，通入氢气，使苯酚在选自乙醇、四氢呋喃、1，4-二氧六环的溶剂下或本体中，于20-200℃反应温度和0.1-10Mpa压力下，进行催化氢化反应4-40小时，b.分离产物和催化剂。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述氢化反应在100-160℃反应温度，2.5-7.5Mpa压力下进行。
全文摘要
本发明涉及一种苯酚催化氢化制环己酮的催化剂及其制备方法，以及使用所述催化剂进行苯酚催化氢化制备环己酮的方法。本发明催化剂的制备方法包括用干凝胶方法合成载体SiO
文档编号B01J23/44GK1519052SQ03115159
公开日2004年8月11日 申请日期2003年1月24日 优先权日2003年1月24日
发明者金荣华, 陈一飞, 李和兴, 骆红山 申请人:上海师范大学