【Heriot-Watt案例】采用Coflore連續多級攪拌反應器實現三相連續流催化加氫反應

2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)是生產除草劑、藥物和染料的常用原料。其每年釋放到環境中的量是相當大的（約9噸/年），又因為其高生物毒性極低的自然降解速率。因此，探討對其的清除治理方法，是尤為重要的。其中，催化脫氯（HDC）是一種有效的清除方法，利用H2在催化劑的作用下斷裂C-Cl鍵進從而達到降解的目的，該反應中一般使用碳或者氧化鋁負載的鈀催化劑，效果較好。

用實用的視角去看2,4-二氯苯酚的處理問題，連續流模式的脫氯反應工藝無疑是優選的，因為其可以在產生更少廢物的同時達到更好的經濟收益。前人對于氯酚的脫氯反應的研究更多的是基于氣相連續流法，然而這種方法往往需要較高的溫度(T≥473K)、壓力(高達250atm)與大大過量的H2（400-1200倍）。因此氣相方法肯定是不夠節能高效的。而開發新的能夠在液相中進行的連續流2,4-二氯苯酚脫氯方法，可以有效的解決上述問題。

連續流方案

Heriot-Watt University的Mark A. Keane等人2011年在Chemical Engineering Journal（doi:10.1016/j.cej.2010.07.032）雜志上發表了他們利用英國AM公司生產的 Coflore ACR連續多級攪拌反應器大量處理2,4-DCP的連續流反應技術，并與釜式反應進行了性能比較。

圖1. 2,4-二氯苯酚脫氯反應的釜式反應裝置（a）與連續流（COFLORE ACR?）反應器（b）。 圖片來源：Chem. Eng. J.

釜式反應裝置與連續流反應器如圖1所示，作者首先考察了兩種方法對于氫氣的利用率，在這種三相體系反應中，氫氣在各相中的擴散效果決定了反應的效率。作者首先通過改變氫氣的鼓入速率，反應16分鐘后，觀察反應的脫氯效果（如圖2所示）?？梢园l現，在連續流反應中，達到飽和脫氯分數0.13時的氫氣鼓入速率為30 cm3min-1，這個速率僅僅為釜式反應中達到飽和脫氯分數的氫氣速率（150 cm3min-1）的五分之一。同時可以發現，當兩種方法不攪拌的狀態下，釜式反應基本不會進行，而連續流反應中仍然具有一定的脫氯能力（脫氯分數為0.05）。這說明了連續流反應極大的增加了脫氯反應中氫氣的擴散效果。同時，作者從結果確定了兩種反應的最優攪拌速度，釜式反應為每分鐘1100轉，連續流反應的震速為每分鐘29轉。

圖2. 兩種方法下脫氯效果與H2流速和轉速的關系。圖片來源：Chem. Eng. J.

其次，作者在最優條件下比較了兩種反應方法的反應速率以及產物選擇性。圖3中可知，隨著反應時間的增長，兩種反應的轉化率均進一步升高。在pH控制在12的情況下，明顯看出連續流反應的脫氯速率快于釜式反應的反應速率。

圖3. 兩種方法下脫氯的脫氯速率比較 圖片來源：Chem. Eng. J.

由于2,4-二氯苯酚結構中兩個氯的位阻不同，因此對于兩個氯原子的脫除速率就不相同。同時，脫氯終產物苯酚可以進一步催化加氫得到環己酮（如圖4所示）。因此，脫氯的選擇性決定了反應最終的效果?？梢钥闯?，當轉化相同量的原料時，釜式反應的2-CP的剩余量要比連續流反應2-CP剩余量多，而苯酚的含量則比連續流反應下的苯酚含量要少，這說明了連續流反應對原料的脫氯反應進行的更加徹底，反應效果更加理想。

圖4  脫氯反應的機理以及在兩種方法中脫氯反應的產物選擇效果。圖片來源：Chem. Eng. J.

最后，作者比較了兩種方法下催化劑的使用壽命。由于脫氯反應產生的HCl副產物容易導致催化劑的分解、中毒、燒結或是炭化。因此，長時間多次反應會降低催化劑的使用活性。 作者比較了10次重復脫氯反應中兩種方法的催化劑保留活性（如圖5所示）。可以看到，在進行了多次反應后，連續流反應的脫氯率保持在釜式反應的5倍。這說明了連續流技術有助于保持催化劑活性，這與連續流反應可以更好的移除HCl有關。

圖5. 兩種方法下催化劑的保留活性比較。圖片來源：Chem. Eng. J.

實驗結論

1. 作者利用連續流技術，利用英國AM公司的Coflore ACR連續多級攪拌反應器高效地實現了三相體系（1 atm H2， pH=12 的2,4-二氯苯酚水溶液以及Pd/Al2O3固相催化）下的高效催化氫化脫氯反應。

2. 在該反應中，連續流技術利用H2的效率是釜式反應的5倍。

3. 連續流技術的脫氯速度快于釜式反應速率，并且對于2,4-二氯苯酚，連續流脫氯反應進行得更徹底。

4. HCl的存在容易導致催化劑中毒，連續流技術的應用有利于HCl的移除，進而有助于保持催化劑活性。

5. 該工作體現了連續流動Coflore ACR連續多級攪拌反應器中氯代芳烴催化氫化脫氯反應的可行性，有充分的工藝放大與工業生產的應用前景。

參考文獻：Chemical Engineering Journal 166 (2011) 1044–1051

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