欧世盛柱塞泵助力清华大学/浙师大杭州高研院腈加氢连续流研究

2023年发表于《Chemical Engineering Science》的文献《Continuous hydrogenation of nitriles to primary amines with high selectivity in flow》，清华大学/浙江师范大学杭州高等研究院的研究团队对苯甲腈加氢连续流微填充床体系的构建、催化剂筛选及反应参数优化进行了深入探讨，并利用含腈基中间体验证了该连续流动体系的高效性和高选择性。欧世盛为该研究提供了设备支持：其柱塞泵作为连续流实验装置的核心输送组件，为反应过程中物料的稳定输送、流量精准控制提供了保障。

导图

摘要

腈加氢反应是制药工业中合成胺类化合物的原子经济性路线，而胺类是精细化工领域至关重要的合成砌块。然而，在传统间歇反应器中，由于存在严重的返混现象和较差的传质性能，易生成仲胺、叔胺以及氢解副产物，难以实现伯胺的高选择性和高收率制备。本研究开发了一种基于微填充床的连续流动体系，用于腈加氢制备伯胺，并以苯甲腈（BN）加氢为模型反应展开研究。在优化的反应条件下，苯甲腈的转化率可达 100%，苄胺（BA）的选择性高达 99.1%。在排除内外扩散限制后，还测定了该反应的动力学参数。此外，基于微填充床的连续流动体系在其他腈类化合物的加氢反应中也展现出优异的底物适用性。

实验装置与流程

1、装置组成

微填充床反应器催化腈加氢连续反应的实验装置以 “输送 - 反应 - 控压” 为核心架构，包含泵、预热盘管、微填充床反应器、油浴、止回阀、质量流量控制器、减压阀、背压阀、气相色谱仪（GC）和样品收集装置，各组件协同实现连续流反应运行。其中，柱塞泵由欧世盛公司提供，负责精准输送反应物与溶剂，保障流量稳定。

2、实验流程

液体原料由柱塞泵控制，柱塞泵最大流量为 9.99mL/min，最大压力为 15MPa。氢气和氮气的流量由质量流量控制器控制，流量范围为 0-100sccm。柱塞泵和质量流量控制器均与计算机连接，可通过计算机软件直接调节液体和气体的流量。为防止液体进入质量流量控制器造成损坏，在反应器上游的气体进口管路中安装了止回阀。反应器管采用不锈钢材质，长度 30cm，内径 3.87mm。为控制反应温度，反应器以及气体和液体预热盘管均浸没在水浴或油浴中（液体和气体在进入反应器前先经过预热盘管预热）。在反应器下游设置背压阀，以维持反应所需压力。

反应开始前，需确保连续流动体系的密封性。将特定浓度的氢气和反应物溶液按一定流量通入反应器，同时将水浴温度升至设定值。待体系运行至少 3 个液体停留时间后，反应达到稳定状态，此时收集样品进行分析测试。

主要研究结果

1、催化剂筛选

考察对象：催化剂是影响腈加氢反应的核心因素，催化剂类型和制备方法都会对反应活性和选择性产生影响。研究对 6 种催化剂的反应性能进行了评价，覆盖贵金属（Pt/C、Pd/Al₂O₃、Ru/C）和非贵金属（20% Ni/SiO₂、30% Ni/SiO₂、雷尼镍）。

反应条件：气体压力 1.0MPa，苯甲腈质量浓度 10%，温度 70℃，气体流量 30sccm，液体流量 0.3mL/min，催化剂装填量 2.40g。

核心差异：镍基催化剂在苄胺合成反应中表现出优异性能。在 20% Ni/SiO₂催化剂上，70℃时苯甲腈转化率接近 99.9%，反应液中检测到的副产物极少，表明该催化剂对苄胺合成具有极高的选择性和良好的适用性，在后续实验中作为苯甲腈选择性加氢的催化剂。30 % Ni/SiO₂因Ni负载高导致分散度下降，二苄胺副产升至17.8 %；雷尼镍虽活性高但易自燃且产7.3 % N-苄基丁胺，均被淘汰。贵金属催化剂虽初始活性较高，但易过度加氢生成副产物。

最优选择：20% Ni/SiO₂催化剂，在 70℃反应条件下，苯甲腈转化率达 99.9%，苄胺选择性超 92%，且副产物少，兼具高活性与高选择性。

2、反应压力

压力作用：氢气在催化剂表面的传质过程是反应的速率控制步骤，且与氢分压直接相关。本部分考察了氢气压力对产物组成的影响，结果如图 4 所示。在反应压力为 1.0MPa 时，苯甲腈已基本完全转化；随着压力继续升高，转化率和选择性均无显著变化。这表明当反应压力达到 1.0MPa 后，氢气传质不再是反应的速率限制因素。考虑到安全性，1.0MPa 是最适宜的反应压力，而传统间歇反应器通常需要更高的氢气压力。

最优选择：1.0MPa 为经济与效率的平衡点，兼顾反应效果与工业可行性。

3、液体流量

考察发现：随着重量液时空速（WLHSV）的增加，苯甲腈转化率逐渐降低。当 WLHSV 为 1.5h⁻¹ 时，苯甲腈几乎完全转化；而当 WLHSV 升高至 5.0h⁻¹ 时，苯甲腈转化率降至 37%。在产物选择性方面，随着 WLHSV 的增加，苄胺的选择性快速下降，N - 苄基丁胺的选择性逐渐升高。这是因为 WLHSV 增大导致原料在催化剂表面的停留时间缩短，进而使苯甲腈转化率降低。通过考察 WLHSV 对催化剂性能的影响发现，较低的 WLHSV 更有利于反应进行。综合考虑原料转化率和产物选择性，确定最佳 WLHSV 为 1.5h⁻¹（对应液体流量为 0.3mL/min）。

最优选择：液体流量需与反应器体积、催化剂活性匹配，WLHSV 1.5h⁻¹ 为最优空速条件。

4、反应温度

温度影响：苯甲腈加氢会生成苄胺和二苄胺，且二者均可能进一步加氢生成甲苯。在 60-90℃温度范围内系统考察温度对反应的影响。数据表明，随着温度升高，甲苯的选择性始终低于 0.5%，N - 苄基丁胺的选择性也低于 0.5%；但当温度从 60℃升至 90℃时，亚胺的选择性从 1.0% 降至 0.2%，二苄胺的选择性从 0.2% 升至 1.2%。这可能是因为苯甲腈首先加氢生成亚胺，亚胺既可以与苯甲腈发生缩合反应生成 N - 苄基丁胺，也可以加氢生成二苄胺，较高的温度会加速缩合和加氢反应速率。这意味着催化剂的选择对苄胺选择性至关重要，而温度主要影响副产物的分布。

控制要求：需精准控制反应温度，微填充床的控温优势可实现产物分布优化。

5、催化剂稳定性

考察条件：以 20% Ni/SiO₂为催化剂，在最优参数（甲醇为溶剂、1.0MPa、70℃、WLHSV 1.5h⁻¹）下连续运行 445h。

监测结果：反应前 100h 内转化率维持在 99.9%，苄胺选择性 92%-93%；运行至 445h 时，转化率仍达 99.5%，选择性近 100%，无明显下降；TEM 表征显示，反应后 Ni 颗粒粒径仍约 6.9nm，无明显团聚；XRD 未检测到新物相（如 NiO）生成，证明催化剂结构稳定，长周期运行无失活。

稳定机制：Ni 与 SiO₂载体间存在强相互作用（XRD 检测到镍基石棉石相），抑制 Ni 颗粒团聚，同时载体高比表面积（360m²/g）为 Ni 颗粒提供充足分散位点，保障长期活性。

6、催化剂表征

物相组成（XRD）：焙烧后存在 NiO 和镍基石棉石；还原后 NiO→Ni⁰，石棉石相仍保留，证实强 Ni-O-Si 界面键。

孔结构与比表面积（N₂吸附）：载体为 IV 型介孔 SiO₂，比表面积 360 m²/g，平均孔径 6.3 nm，利于传质。

微观形貌与粒径（TEM）：TEM 显示 Ni⁰ 纳米颗粒均匀分散，平均粒径 6.9 nm，无明显团聚。

还原性（TPR）：反应 400 h 后粒径与形貌几乎不变，归功于强金属-载体相互作用，保证长期高活性与高选择性。

7、催化剂在相关底物中的应用

底物适用性：以苯甲腈选择性加氢为模型反应，成功构建了高效的连续流动微填充床反应器体系。为验证该连续流动体系的高效性和高选择性，对多种含腈基中间体的加氢反应进行了测试，结果显示连续流动微填充床体系在多种腈类化合物的加氢反应中均展现出优异的底物适用性。

反应器性能对比：此前已有众多研究者对苯甲腈加氢制备苄胺的反应进行了研究，表3对比了类似实验条件下不同反应器和催化剂的反应结果。显然，微填充床反应器（μPBR）的停留时间最短（仅 2.7min），而其他反应器中的反应通常需要约 1 小时甚至更长时间。微填充床反应器之所以能实现较高的催化加氢速率，是因为其显著改善了反应过程中的气液传质效率。此外，与以往研究相比，本研究中苄胺的选择性最高。首先，微填充床反应器消除了传统反应器中严重的返混现象和较差的传质性能，在反应过程中可精确控制液体和气体在催化剂床层中的流动状态。其次，在焙烧后的 Ni/SiO₂催化剂上形成了大量镍基石棉石相，表明金属与载体之间存在强相互作用。本研究中 Ni 纳米颗粒的平均粒径约为 6.9nm，分散性良好，远小于此前研究中报道的 14nm。催化剂较大的比表面积和适宜的孔结构，可有效提升苯甲腈氢解生成苄胺的反应性能。

反应器优势：基于微填充床反应器的腈加氢连续流动体系具有反应时间短、效率高、选择性高、催化剂寿命长等优势。未来的研究将聚焦于开发适用于微填充床反应器中其他腈类化合物加氢反应的催化剂。

研究结论及意义

本研究成功开发了基于微填充床反应器的连续流动体系，用于苯甲腈的选择性加氢反应。结果表明，金属催化剂的性质是决定产物分布的关键因素。以 Ni/SiO₂为催化剂，系统考察了氢气压力、溶剂类型、反应温度、氨用量和液体流量对加氢反应性能的影响。在优化的反应条件下，苯甲腈的转化率达到 100%，苄胺的选择性高达 99.1%。基于微填充床反应器的连续流动体系在腈类化合物加氢反应中表现出优异的性能和效率，通过精确控制停留时间，可有效抑制缩合、氢解等副反应。

该研究的意义在于：一方面，通过优化苯甲腈加氢的连续流微填充床体系、筛选高效催化剂，明确了关键反应参数，为腈类加氢制备伯胺的机理研究提供了实用数据；另一方面，解决了传统工艺副产物多、效率低的问题，实现了伯胺的高转化（100%）、高选择性（99.1%）及长周期稳定生产，为伯胺类化学品的工业化连续生产提供了可行方案，也为其他腈类加氢体系开发提供了参考。

主要图表

图 1 ：苯甲腈加氢微填充床反应器原理示意图。

表 1：不同催化剂上 BN 的连续加氢。

图4：20% Ni/SiO₂催化剂上不同反应压力对加氢产物组成的影响。

图 5：20% Ni/SiO₂催化剂上不同重量液时空速（WLHSV）对加氢产物组成的影响。

图 7：20% Ni/SiO₂催化剂上不同反应温度对加氢产物组成的影响。

图 8：20 % Ni/SiO₂ 催化剂的稳定性。

图 11：(a) 液体表观流速对平均加氢反应速率的影响。(b) 转化率与反应温度的关系。(c) 以 1/RT 为横坐标、lnk 为纵坐标的曲线图。

表 3：不同反应器与催化剂的性能对比。

参考文献

DOI： 10.1016/j.ces.2023.118460

欧世盛（北京）科技有限公司是以研发及生产微反应连续流化学合成技术及仪器设备，在线检测、传感器及应用型自动化装置为主的平台型技术公司。公司拥有多学科的研发团队和应用研究团队，总部位于北京，应用研发部门FLOW R&D实验室与清华大学等多所科研团队合作，为不同行业用户提供强大的技术支持。公司提供一系列综合服务，旨在满足不同行业用户的需求。客户和项目合作伙伴主要来自制药、CXO、精细化工、催化剂、石油石化、新能源、半导体、国防军工等领域。

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