對叔丁基甲苯制備

1、專業(yè)方向?qū)嶒?分子篩氣相催化甲苯與叔丁醇合成叔丁基甲苯一、 實驗?zāi)康模?、了解氣固相催化反應(yīng)原理2、掌握積分反應(yīng)儀器的使用3、學(xué)會操作氣相色譜進行樣品分析二、 實驗原理：叔丁基甲苯作為一類重要的化工中間體，其臨、間、對三種同分異構(gòu)體均具有重要用途，特別是對叔丁基甲苯，其氧化后得到的對叔丁基苯甲酸，是一種重要的有機合成中間體；工業(yè)上，合成叔丁基甲苯的生產(chǎn)工藝多采用甲苯和異丁烯作為反應(yīng)的原料，采用間歇反應(yīng)，液體酸作催化劑如濃硫酸、HF，但此類催化劑存在對環(huán)境污染嚴(yán)重且催化劑回收效率不高等缺點。近年來，隨著人們環(huán)保意識的不斷提高，利用率高、對環(huán)境污染小且具有可靈活調(diào)變的酸性質(zhì)、特殊的孔道結(jié)構(gòu)的固體酸

2、催化劑逐漸被研究者關(guān)注。分子篩催化劑因具有很多優(yōu)點而被廣泛研究。反應(yīng)方程式：主反應(yīng)：副反應(yīng)：甲苯歧化反應(yīng)叔丁醇分子間脫水反應(yīng)三、 反應(yīng)機理：烷基化試劑首先在酸催化劑的作用下生成活潑的有機中間體正碳離子，然后正碳離子通過親電取代反應(yīng)進攻甲苯苯環(huán)，最終形成烷基化產(chǎn)物對叔丁基甲苯。四、 實驗內(nèi)容：催化劑：（寫上你所使用的催化劑）1、考察不同（反應(yīng)溫度、進料體積空速、甲苯與叔丁醇摩爾比）【在三個條件中選取一個】對催化劑的催化性能的影響。主要考察指標(biāo)有：反應(yīng)溫度選150、170、190、甲苯與叔丁醇摩爾配比選1:1、4:1、6:1、進料體積空速選1ml/g·h、4ml/g·h、6ml

3、/g·h【三個條件中選取對應(yīng)的一個】注意：一共九個小條件，每個小組選擇一個小條件，每個班級是一種催化劑。2、通過氣相色譜進行成分分析。五、 實驗流程圖：1- 原料瓶、2-真空泵、3-預(yù)熱器、4-保溫帶、5-反應(yīng)管、6-冷凝管、7-冷阱 六、 實驗步驟：1. 使用電子天平稱取4g催化劑，催化劑事先過40目篩網(wǎng)。2. 清洗積分管式反應(yīng)器，將催化劑轉(zhuǎn)入反應(yīng)管中（保證催化劑位于反應(yīng)管最佳恒溫段）。3. 打開控溫表，按事先定好的反應(yīng)條件調(diào)節(jié)反應(yīng)管溫度，預(yù)熱器溫度（其溫度要高于原料和反應(yīng)物所有物質(zhì)的沸點，便于是混合物中所有組分充分氣化后經(jīng)過催化劑）。4. 打開氮氣鋼瓶，吹掃10分鐘，使得氮氣經(jīng)過

4、反應(yīng)管道，以便吹掃出存留的原料及空氣雜質(zhì)。5. 打開微量進樣泵，按照一定比例把原料甲苯和叔丁醇混合起來，放入原料罐中。按一定進料體積空速調(diào)節(jié)進樣泵數(shù)值。6. 待反應(yīng)管溫度和預(yù)熱器溫度達到預(yù)先設(shè)定的溫度后，穩(wěn)定10鐘后開進樣泵。7. 打開冷凝水，反應(yīng)裝置尾端接上冷阱，以便達到更好的冷凝效果。8. 反應(yīng)開始時開始計時，間隔一個小時取一個樣品，打入氣相色譜進行成分分析。色譜分析條件為: 氫離子火焰檢測器（FID），色譜柱SE-30毛細柱。初始柱溫60 ，保持5分鐘后，以15 /min升溫速率升溫到220 ，進樣器溫度250 ，檢測器溫度250 。采用校正面積歸一化法定量分析。計算公式如下：甲苯的轉(zhuǎn)化

5、率： （1）PTBT選擇性： （2）甲苯轉(zhuǎn)化率（%）色譜譜圖中的峰面積物質(zhì)的相對分子質(zhì)量mb甲苯db二甲苯B苯PTBT對叔丁基甲苯OTBT臨叔丁基甲苯MTBT間叔丁基甲苯對叔丁基甲苯在產(chǎn)物叔丁基甲苯中的選擇性（%）。七、實驗結(jié)果【給出實驗結(jié)果圖】八、討論1、（反應(yīng)溫度、進料體積空速、甲苯與叔丁醇摩爾比）對催化劑的催化活性有何影響？答：（按照實驗結(jié)果敘述轉(zhuǎn)化率、選擇性如何變化，如：隨著反應(yīng)溫度的增加，轉(zhuǎn)化率逐漸增大，選擇性逐漸減小。說明可能的具體原因）例子：1.反應(yīng)溫度的影響 在原料摩爾配比為4:1（甲苯：叔丁醇），體積空速為2 ml/g·h的反應(yīng)條件下，選擇未處理的HM催化劑探討反應(yīng)

6、溫度對催化效果的影響，結(jié)果見圖4。從圖4可以看出，隨著反應(yīng)溫度的升高，甲苯轉(zhuǎn)化率先增大后減小，在180 時達到最大轉(zhuǎn)化率15.9 %，對叔丁基甲苯選擇性隨著反應(yīng)溫度的升高逐漸降低，150 時選擇性最高達63.3 %?？赡苁且驗榈蜏貢r，催化劑活性不高，導(dǎo)致甲苯轉(zhuǎn)化率較低，然而，低溫時，主要副反應(yīng)叔丁醇脫水反應(yīng)活性不高，從而叔丁醇脫水反應(yīng)生成的異丁烯，以及異丁烯多聚反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物的減少，導(dǎo)致對叔丁基甲苯選擇性較高。隨著反應(yīng)溫度的升高，叔丁醇脫水反應(yīng)的加劇以及異丁烯的聚合反應(yīng)加劇，生成的多聚物覆蓋了大部分酸性中心表面及副反應(yīng)產(chǎn)物二叔丁基甲苯的生成，導(dǎo)致了對叔丁基甲苯選擇性的下降。另外，隨著反應(yīng)溫度

7、的升高，催化劑表面積碳，反應(yīng)物副產(chǎn)物堵塞催化劑孔道，也是甲苯轉(zhuǎn)化率降低的重要影響因素。并且，從熱力學(xué)角度分析，由于烷基化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，達到一定的反應(yīng)溫度后，溫度的升高不利于正反應(yīng)的進行，從而導(dǎo)致甲苯轉(zhuǎn)化率下降。雖然150時對叔丁基甲苯的選擇性很高，但甲苯得轉(zhuǎn)化率很低，故認為180為較適宜的反應(yīng)溫度。圖 不同反應(yīng)溫度下的轉(zhuǎn)化率和對位選擇性與反應(yīng)時間的關(guān)系圖2.進料體積空速的影響 圖5為進料空速對反應(yīng)性能的影響，反應(yīng)條件：反應(yīng)溫度為180，原料摩爾配比4:1。可以看出，隨著體積空速的增加，甲苯轉(zhuǎn)化率先升高后降低，在4ml/g h時達到最大值26 %，對叔丁基甲苯選擇性隨著空速的增大先增大后減小，

8、在4ml/g h時達到最大值71 %，原因可能是，伴隨著體積空速的加大，反應(yīng)物分子有更多的機會進入催化劑孔道參加反應(yīng)，從而甲苯轉(zhuǎn)化率有所增加，但隨著體積空速的進一步增加，反應(yīng)物分子與催化劑接觸時間變短，大多數(shù)反應(yīng)物未來得及與催化劑接觸反應(yīng)，導(dǎo)致甲苯轉(zhuǎn)化率下降，對叔丁基甲苯產(chǎn)量減小。然而叔丁醇自身脫水反應(yīng)和甲苯歧化反應(yīng)比叔丁醇與甲苯烷基化反應(yīng)更容易發(fā)生，且仍可在催化劑外表面短暫接觸進行反應(yīng)，產(chǎn)生多聚烯烴或者二甲苯，從而使得對叔丁基甲苯選擇性降低。比較得出，進料體積空速以4 ml/g h為宜。圖 不同進料空速時甲苯轉(zhuǎn)化率和對叔丁基甲苯選擇性與反應(yīng)時間的關(guān)系3.甲苯與叔丁醇摩爾配比的影響 反應(yīng)條件：進料空速4 ml/g·h、反應(yīng)溫度180。圖6 不同甲苯與叔丁醇摩爾比下的對位選擇性與反應(yīng)時間關(guān)系曲線從圖6中可以看出，隨著甲苯與叔丁醇摩爾比的增加，甲苯轉(zhuǎn)化率一直呈下降趨勢，對叔丁基甲苯選擇性呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在甲苯與叔丁醇摩爾比2：1時甲苯轉(zhuǎn)化率達到最大值29 %，對叔丁