专业方向实验 分子筛气相催化甲苯与叔丁醇合成叔丁基甲苯
一、实验目的：1、了解气固相催化反应原理
2、掌握积分反应仪器的使用
3、学会操作气相色谱进行样品分析
二、实验原理：
叔丁基甲苯作为一类重要的化工中间体，其临、间、对三种同分异构体均具有重要用途，特别是对叔丁基甲苯，其氧化后得到的对叔丁基苯甲酸，是一种重要的有机合成中间体；工业上，合成叔丁基甲苯的生产工艺多采用甲苯和异丁烯作为反应的原料，采用间歇反应，液体酸作催化剂如浓硫酸、HF ，但此类催化剂存在对环境污染严重且催化剂回收效率不高等缺点。

近年来，随着人们环保意识的不断提高，利用率高、对环境污染小且具有可灵活调变的酸性质、特殊的孔道结构的固体酸催化剂逐渐被研究者关注。

分子筛催化剂因具有很多优点而被广泛研究。

反应方程式： 主反应：
H 3C
+
C
CH 3
CH 3
CH 3
OH H 3C
C(CH 3)3
+ H 2O
副反应：甲苯歧化反应
H 3C
H 3C
CH 3
H 3C
CH 3
CH 3CH 3
H 3C
+H 3C
H 3C
+
H 3C
H 3C
+
叔丁醇分子间脱水反应
C CH 3
H 3C
CH 3
O H
C CH 3
CH 3
CH 3
OH +
C CH 3
H 3C
CH 3
C CH 3CH 3
CH 3
O
三、反应机理：烷基化试剂首先在酸催化剂的作用下生成活泼的有机中间体—正碳离子，然
后正碳离子通过亲电取代反应进攻甲苯苯环，最终形成烷基化产物对叔丁基甲苯。

四、实验内容：
催化剂：（写上你所使用的催化剂）
1、考察不同（反应温度、进料体积空速、甲苯与叔丁醇摩尔比）【在三个条件中选取一个】对催化剂的催化性能的影响。

主要考察指标有：反应温度选150℃、170℃、190℃、甲苯与叔丁醇摩尔配比选1:1、4:1、6:1、进料体积空速选1ml/g·h、4ml/g·h、6ml/g·h 【三个条件中选取对应的一个】注意：一共九个小条件，每个小组选择一个小条件，每个班级是一种催化剂。

2、通过气相色谱进行成分分析。

五、实验流程图：
1-原料瓶、2-真空泵、3-预热器、4-保温带、5-反应管、6-冷凝管、7-冷阱
六、实验步骤：
1. 使用电子天平称取4g催化剂，催化剂事先过40目筛网。

2. 清洗积分管式反应器，将催化剂转入反应管中（保证催化剂位于反应管最佳恒温段）。

3. 打开控温表，按事先定好的反应条件调节反应管温度，预热器温度（其温度要高于原料和反应物所有物质的沸点，便于是混合物中所有组分充分气化后经过催化剂）。

4. 打开氮气钢瓶，吹扫10分钟，使得氮气经过反应管道，以便吹扫出存留的原料及空气杂质。

5. 打开微量进样泵，按照一定比例把原料甲苯和叔丁醇混合起来，放入原料罐中。

按一定进料体积空速调节进样泵数值。

6. 待反应管温度和预热器温度达到预先设定的温度后，稳定10钟后开进样泵。

7. 打开冷凝水，反应装置尾端接上冷阱，以便达到更好的冷凝效果。

8. 反应开始时开始计时，间隔一个小时取一个样品，打入气相色谱进行成分分析。

色谱分析条件为: 氢离子火焰检测器（FID），色谱柱SE-30毛细柱。

初始柱温60 ℃，保持5分钟后，以15 ℃/min升温速率升温到220 ℃，进样器温度250 ℃，检测器温度250 ℃。

采用校正面积归一化法定量分析。

计算公式如下：
甲苯的转化率：
+++
X=
+++
OTPT db
PTBT MTBT B
PTBT OTPT MTBT db B
mb OTPT db
PTBT MTBT B
mb PTBT OTPT MTBT db B
A A
A A A
M M M M M
A A A
A A A
M M M M M M
+
++
（1）
PTBT选择性：
PTBT
PTBT
PTBT
OTPT
PTBT MTBT
PTBT OTBT MTBT
A
M
S
A
A A
M M M
=
++
（2）
X—甲苯转化率（%）
A—色谱谱图中的峰面积
M—物质的相对分子质量
mb—甲苯
db—二甲苯
B—苯
PTBT—对叔丁基甲苯
OTBT—临叔丁基甲苯
MTBT—间叔丁基甲苯
PTBT
S—对叔丁基甲苯在产物叔丁基甲苯中的选择性（%）。

七、实验结果
【给出实验结果图】
八、讨论
1、（反应温度、进料体积空速、甲苯与叔丁醇摩尔比）对催化剂的催化活性有何影响？答：（按照实验结果叙述转化率、选择性如何变化，如：随着反应温度的增加，转化率逐渐增大，选择性逐渐减小。

说明可能的具体原因）
例子：1.反应温度的影响
在原料摩尔配比为4:1（甲苯：叔丁醇），体积空速为2 ml/g·h 的反应条件下，选择未处理的HM 催化剂探讨反应温度对催化效果的影响，结果见图4。

从图4可以看出，随着反应温度的升高，甲苯转化率先增大后减小，在180 ℃时达到最大转化率15.9 %，对叔丁基甲苯选择性随着反应温度的升高逐渐降低，150 ℃时选择性最高达63.3 %。

可能是因为低温时，催化剂活性不高，导致甲苯转化率较低，然而，低温时，主要副反应叔丁醇脱水反应活性不高，从而叔丁醇脱水反应生成的异丁烯，以及异丁烯多聚反应产生的副产物的减少，导致对叔丁基甲苯选择性较高。

随着反应温度的升高，叔丁醇脱水反应的加剧以及异丁烯的聚合反应加剧，生成的多聚物覆盖了大部分酸性中心表面及副反应产物二叔丁基甲苯的生成，导致了对叔丁基甲苯选择性的下降。

另外，随着反应温度的升高，催化剂表面积碳，反应物副产物堵塞催化剂孔道，也是甲苯转化率降低的重要影响因素。

并且，从热力学角度分析，由于烷基化反应是放热反应，达到一定的反应温度后，温度的升高不利于正反应的进行，从而导致甲苯转化率下降。

虽然150℃时对叔丁基甲苯的选择性很高，但甲苯得转化率很低，故认为180℃为较适宜的反应温度。

12345678910
1020 150 o
C;
160 o
C;
170 o
C;
180 o
C;
190 o
C
C o n v e r s i o n (%)
Time(h)
020*********
P T B T s e l e c t i v i t y (%)
图 不同反应温度下的转化率和对位选择性与反应时间的关系图
2.进料体积空速的影响
图5为进料空速对反应性能的影响，反应条件：反应温度为180℃，原料摩尔配比4:1。

可以看出，随着体积空速的增加，甲苯转化率先升高后降低，在4ml/g h 时达到最大值26 %，对叔丁基甲苯选择性随着空速的增大先增大后减小，在4ml/g h 时达到最大值71 %，原因可能是，伴随着体积空速的加大，反应物分子有更多的机会进入催化剂孔道参加反应，从而甲苯转化率有所增加，但随着体积空速的进一步增加，反应物分子与催化剂接触时间变短，大多数反应物未来得及与催化剂接触反应，导致甲苯转化率下降，对叔丁基甲苯产量减小。

然而叔丁醇自身脱水反应和甲苯歧化反应比叔丁醇与甲苯烷基化反应更容易发生，且仍可在催化剂外表面短暂接触进行反应，产生多聚烯烃或者二甲苯，从而使得对叔丁基甲苯选择性降低。

比较得出，进料体积空速以4 ml/g h 为宜。

20406080100
Time (h)C o n v e r s i o n (%)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
10203040 1; 2; 4; 6; 8 ml/g.h
P T B T s e l e c t i v i t y (%)
图 不同进料空速时甲苯转化率和对叔丁基甲苯选择性与反应时间的关系
3.甲苯与叔丁醇摩尔配比的影响
反应条件：进料空速4 ml/g·h 、反应温度180℃。

2
4
6
8
10
10203040 1:1; 2:1; 4:1; 6:1
C o n v e r s i o n (%)Time (h)
020*********
P T B T s e l e c t i v i t y (%)
图6 不同甲苯与叔丁醇摩尔比下的对位选择性与反应时间关系曲线
从图6中可以看出，随着甲苯与叔丁醇摩尔比的增加，甲苯转化率一直呈下降趋势，对叔丁基甲苯选择性呈现先增大后减小的趋势。

在甲苯与叔丁醇摩尔比2：1时甲苯转化率达到最大值29 %，对叔丁基甲苯选择性达到75 %。

原因可能是，叔丁醇脱水反应生成的烯烃以及烯烃的自身多聚化反应会影响对叔丁基甲苯的选择性，在甲苯与叔丁醇摩尔比2:1时叔丁醇脱水反应较弱。

综合分析甲苯与叔丁醇摩尔比以2:1为宜。

注意：以上例子仅做参考，如果直接抄写，视为抄袭，此实验成绩零分！。