来源:Frontiers of Chemical Science and Engineering 发布时间:2025/7/30 9:59:52
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FCSE | SiC泡沫负载TS-1结构化催化剂催化苯酚羟基化的反应动力学研究

论文标题:Kinetics of hydroxylation of phenol with SiC foam supported TS-1 structured catalyst

期刊:Frontiers of Chemical Science and Engineering

作者:Yanzhao Sun, Zhitao Lv, Siyu Zhang, Guodong Wen, Yilai Jiao

发表时间: 15 Nov 2024

DOI:10.1007/s11705-024-2481-6

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二羟基苯是由邻苯二酚和对苯二酚组成的化合物,在农业、食品加工、医药及制药等多个工业领域都有广泛应用。传统工业生产二羟基苯的方法如苯电解转化、环己二醇脱氢等对环境影响较大,已逐渐被淘汰。自1983年钛硅分子筛(TS-1)问世以来,其在以过氧化氢为氧化剂的选择性氧化反应中表现出优异的催化性能,被广泛应用于芳烃羟基化、烯烃环氧化等反应。从1986年起,Enichem公司采用TS-1催化苯酚羟基化生产二羟基苯,成为目前最主流的方法。然而,浆态床反应器中的TS-1粉末容易被液流夹带,导致分离和回收困难,且间歇操作降低了生产效率,因此开发可连续生产的固定床反应器成为关键。

中国科学院金属研究所矫义来研究员等在《化学科学与工程前沿》(英文)发表了题为“Kinetics of hydroxylation of phenol with SiC foam supported TS-1 structured catalyst”(SiC泡沫负载TS-1结构化催化剂催化苯酚羟基化的反应动力学研究),聚焦于制备SiC泡沫负载的TS-1结构化催化剂,系统研究了其在固定床苯酚羟基化反应中的动力学行为,并与传统挤条成型的TS-1催化剂对比,揭示了结构化设计对催化性能的提升机制。

研究采用浸涂法将TS-1分子筛负载于SiC泡沫,通过控制浆料组成和涂覆次数,制得负载量约2g的结构化催化剂(TS-1-Structured);同时以硅溶胶、TS-1粉末和田菁粉为原料,挤条制备圆柱状挤条催化剂(TS-1-Extruded)。通过X射线衍射、扫描电镜、氮气吸附等表征手段证实,结构化催化剂保留了TS-1的MFI拓扑结构,其介孔和大孔体积更优,涂层与SiC泡沫结合牢固。

图1 (a) TS-1结构化催化剂的宏观结构;(b, c) SiC泡沫与TS-1涂层界面的扫描电镜形貌;(d) TS-1粉末、TS-1结构化催化剂及SiC泡沫的X射线衍射图谱;(e) TS-1粉末、TS-1结构化催化剂、TS-1挤条催化剂及SiC泡沫的氮气吸附-脱附曲线;(f) 压汞法测得的TS-1结构化催化剂与TS-1挤条催化剂的累积孔体积及孔径分布

在连续流动固定床反应器中,通过调节空时消除外部扩散影响,结合幂律动力学模型和Thiele模数分析内扩散效应,建立了两种催化剂的动力学方程。结果显示,TS-1-Structured在相同空时条件下苯酚转化率和对苯二酚选择性均显著优于TS-1-Extruded。动力学参数拟合表明,两者均遵循E-R吸附机理模型,TS-1-Structured的内扩散有效因子约为TS-1-Extruded的7.71倍,活性位点利用效率提高了6.71倍。此外,SiC泡沫的高导热性使结构化催化剂床层温度分布更均匀,有效抑制了反应放热导致的局部高温,提升了生产安全性。

图2 (a) TS-1结构化催化剂与TS-1挤条催化剂上苯酚转化率随空时的变化;(b) TS-1结构化催化剂与TS-1挤条催化剂上产物选择性随空时的变化

图3 (a) TS-1结构化催化剂与(b) TS-1挤条催化剂幂函数动力学方程的数值验证

图4 94.63 g沸石·h·mol苯酚-¹条件下,TS-1结构化催化剂与TS-1挤条催化剂的反应器床层温度对比

综上所述,SiC泡沫负载TS-1结构化催化剂通过优化孔结构、缩短反应物扩散距离和增强传热,在固定床苯酚羟基化反应中展现出更优的催化性能和活性位点利用效率,有效解决了传统挤条催化剂反应效率低的问题。

引用信息

Yanzhao Sun, Zhitao Lv, Siyu Zhang, Guodong Wen, Yilai Jiao. Kinetics of hydroxylation of phenol with SiC foam supported TS-1 structured catalyst. Front. Chem. Sci. Eng., 2024, 18(11): 129

https://doi.org/10.1007/s11705-024-2481-6

本文来自

Porous materials for catalysis and separation

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原文链接:

https://journal.hep.com.cn/fcse/EN/10.1007/s11705-024-2481-6

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