丙腈作为溶剂、原料和香料生产的中间体,广泛应用于化工工业生产中。丙烯腈选择加氢制备丙腈是目前最为清洁的一种丙腈的生产方法。丙烯腈液相催化加氢具有设备简单,生产灵活等特点。丙烯腈作为一种α,β-不饱和键的腈类,在加氢过程中存在选择性问题,过度加氢会导致氰基的还原,所以需要通过取样检测来控制反应进程,然而取样检测时存在着剧毒反应液泄露的风险。另外工业上也缺少该反应的动力学数据,文献也未曾对该反应的反应机理进行报道。而动力学数据对反应的中试及工业化放大非常重要,机理的研究可以指导催化剂的选择和对反应选择性的解释。因此,改进丙烯腈催化加氢的工艺过程,建立该反应的动力学方程及对丙烯腈催化加氢机理的研究就十分必要。本文首先考察了几种常见的加氢催化剂,其中Raney Ni、Pd/C及Pt/C的催化活性较好。通过对反应过程的跟踪检测,我们发现当以Raney Ni作为加氢催化剂时,在一定反应条件下,只要反应液中原料丙烯腈没有反应完,产物丙腈就不会被过度加氢成丙胺。但是当以Pd/C及Pt/C作为加氢催化剂时,当丙烯腈还有大量剩余时,反应液中已经有很多过度加氢产物丙胺。因此Raney Ni是更适合作为本工艺的加氢催化剂,但是反应终点的确定就显得至关重要。对于反应终点的确定,本文提出通过监测吸氢速率的变化或对吸氢量的控制来代替取样检测的方法。这两种方法可以准确确定碳碳双键加氢反应终点,以保证丙腈不被过度加氢,且避免了取样检测带来的风险。在Raney Ni催化条件下,本文通过一系列平行实验确定了反应优化条件:反应温度90.0℃,反应压力4.00MPa,反应停止吸氢速率为开始吸氢速率的25%左右,不需要反应溶剂,催化剂用量为1.8wt%,丙烯腈转化率100%,丙腈收率93.7%,催化剂重复使用15次后的反应平均收率为91.0%。随后,本文对丙烯腈在Raney Ni催化下的加氢反应动力学进行了研究。本文经过对传质过程及动力学实验数据分析,建立了动力学模型,确定了动力学方程参数,反应表观活化能为ΔEa=31.3kJ/mol。我们发现丙烯腈催化加氢反应制备丙腈反应是一个由催化剂表面化学反应控制的过程,且丙烯腈催化加氢的表观速率对丙烯腈的浓度为零级,对液相氢浓度为一级。最后,本文利用密度泛函理论(DFT),以Materials Studio软件为工具,对丙烯腈在Raney Ni及Pd/C上的催化加氢过程进行了模拟。根据各步反应的计算能垒比较,本文发现在Raney Ni表面,丙烯腈加氢成丙腈的反应能垒要远低于丙腈继续加氢成亚胺的反应能垒,说明丙腈加氢成丙胺的反应比丙烯腈加氢成丙胺的反应更困难;在Pd/C表面,丙烯腈加氢成丙腈的反应能垒要高于丙腈加氢成亚胺的反应能垒,说明丙腈加氢成丙胺的反应比丙烯腈加氢成丙腈的反应要容易进行。该模拟结果解释了丙烯腈催化加氢反应在这两种不同催化剂上的不同反应现象,也为本文通过控制加氢量控制反应终点的方法和催化剂的筛选提供了理论支持。