微反应器内双氧水和苯直接反应合成苯酚的研究

Phenol is an important fundamental chemical. However, currently the industrial process of synthesizing phenol produces a large amount of acetone as byproduct and need consume a lot of energy since phenol is obtained by distillation. With the laws and regulations related to environmental protection becoming more and more stringent, the direct synthesis of phenol from hydrogen peroxide and benzene attracts a growing number of attention. But the conventional batch reactors or membrane reactors have low heat and mass transfer rates and low safety, thus only mild reaction conditions can be applied for the reaction process, leading to rather long reaction time. . .This project proposes a strategy to synthesize phenol from hydrogen peroxide and benzene with a continuous-flow process in a microreactor, which will largely reduce reaction time and improve the process efficiency. First, the proper catalyst will be selected from iron-based、vanadium-based and copper-based catalysts based on the catalytic activity and economic analysis. Then, a variety of methods will be taken to intensify the mixing, mass transfer and reaction process, which can improve the conversion of benzene and selectivity of phenol. Moreover, the extraction of phenol from aqueous phase into benzene (or benzene-organic solvent mixture) will be studied. By coupling the reaction and extraction processes, the synthesis of phenol will be further optimized. Next, the optimized process will be applied to the synthesis of other phenols from the derivatives of benzene and hydrogen peroxide. More importantly, the scale-up of the process for synthesizing phenol will be developed with the use of multi-channel microreactors. This project will provide fundamental data for the industrialization of microreactor technology in the production of phenols.

苯酚是重要化工原料，其工业生产过程产生大量丙酮副产物，且消耗大量能量。随着日渐完善的环保法律法规的出台，双氧水和苯直接反应合成苯酚逐渐成为研究热点。但传统釜式反应器或膜反应的热质传递效率低且安全性差，所以只能使用温和反应条件，导致反应需要数小时才能完成。本项目拟利用连续流微反应器技术建立双氧水和苯直接反应合成苯酚的过程，以大幅缩短反应时间，提高过程效率。首先比较铁、钒和铜基催化剂的催化性能，并综合整体的经济分析，筛选最优催化剂。其次，通过多种过程强化手段缩短反应时间，提高苯转化率和苯酚选择性。同时，利用微反应器研究有机相对水相中苯酚的萃取行为，构建反应-萃取耦合过程，进一步优化苯酚合成反应。最后，将已优化的过程应用到苯衍生物羟基化合成酚类化合物的反应中。并以合成苯酚反应为模型，利用多通道微反应器进行并行放大研究。本项目将为微化工技术在酚类合成过程的工业化应用提供基础数据。

苯酚是重要化工原料，但其工业生产过程效率低且能耗大，并产生大量丙酮副产物。所以该项目利用微反应器由苯直接氧化合成苯酚。研究分为两个方向。在热化学氧化反应的研究中，首先以偏钒酸钠为催化剂，H2O2为氧化剂，在连续流微反应器中研究了苯直接氧化制备苯酚的工艺。通过对温度、催化剂浓度、停留时间、过氧化氢与苯的摩尔比等的研究，发现在55°C的条件下，停留时间为60分钟，催化剂浓度为0.01mol/l，双氧水和苯摩尔比为1.7时，选择性可以达到94%，苯酚产率达到15%。同时，通过对高速摄像机拍摄的流体流动视频的分析，计算出不同温度条件下反应的真实停留时间，并得到了过氧化氢的分解转化率。结果显示反应温度越高，H2O2分解速度越快，真实停留时间与设定停留时间的差距越大。在光化学氧化的研究中，首先以2,3-二氯-5,6-二氰基对苯醌（DDQ）作为光催化剂和氧化剂，水为氧源，450nm蓝光LED为光源，由苯直接一步合成苯酚。系统地考察了氧化剂用量、水用量、苯浓度、停留时间、溶剂类型和反应体系氛围对反应性能的影响。当水与苯的摩尔比为12，苯浓度为360mM，DDQ与苯的摩尔比为1.5，浓度为45mM，苯的浓度为30mM，停留时间为60min，在室温下进行反应时，苯酚的产率最高达到了94%，选择性97%以上，没有发现明显副产物。接下来，通过向反应体系中加入亚硝酸叔丁酯（TBN），DDQ的用量可以有效减少2/3，但苯酚产率仍可高达80%以上。本项目的研究结果扩展了微化工技术在苯酚合成过程中的应用，为该技术在氧化反应及光化学反应的工业化应用提供了丰富的基础数据。