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气-固催化氧化制2-甲基-1,4-萘醌是强放热复杂反应过程,如何通过调变催化剂活性及控制反应条件对于提高目标产物收率非常关键。本文以提高2-甲基-1,4-萘醌收率为目的,对催化剂制备及操作工艺条件开展研究,考察反应动力学,并对产物分离热力学进行研究。以V2O5为主活性组分,采用浸渍法制备催化剂。以2-甲基萘转化率、2-甲基-1,4-萘醌收率作为考核指标,考察制备条件、催化剂载体、助剂K2SO4添加量以及酸碱性对催化活性的影响。结果表明,Si O2为载体,NH4VO3为Si O2质量的5.77%,焙烧温度400~450℃,焙烧时间2 h;K2SO4与NH4VO3摩尔比为1:1时,2-甲基-1,4-萘醌收率较高;对催化剂酸碱处理发现,催化剂呈酸性更容易发生深度氧化。对筛选出的较优催化剂进行表征表明,活性组分V2O5在载体Si O2上呈高度分散状态,催化剂的比表面积为10.01 m2·g-1,平均孔径为10 nm。通过单因素和响应面实验,考察操作工艺条件对反应的影响。优化操作条件:反应温度390℃,空速200 m L·(g·min)-1,原料量13.04×10-4 mol·h-1,在该条件下2-甲基萘的转化率为80.0%,2-甲基-1,4-萘醌的收率为46.5%,反应连续运行220 h,催化剂活性稳定。研究了2-甲基萘气-固催化氧化制备2-甲基-1,4-萘醌的催化反应动力学。通过简化反应网络,建立反应动力学模型,得到2-甲基萘气-固催化氧化制备2-甲基-1,4-萘醌的反应动力学方程如下:残差分析和统计检验表明,反应动力学模型是适宜的。基于2-甲基萘催化氧化强放热复杂反应的特点,为降低反应热影响,工业级催化剂需制备成环柱状薄层催化剂。为此,设计了改进Wicke-Kallenbach扩散池,采用稳态法以Ar-CO2、N2-CO2为扩散组分测定环柱状薄层催化剂的径向有效扩散系数。Ar-CO2和N2-CO2体系两组分气体在环柱状薄层催化剂内的扩散通量之比符合Graham气体扩散规律,按平行孔模型计算催化剂曲折因子为2.6。该反应产物除2-甲基-1,4-萘醌外,主要还有2-萘甲醛和邻苯二甲酸酐。为了有效分离产物,需研究反应产物的四元体系及其三元、二元子体系的固-液相平衡。采用平衡法测定2-萘甲醛在283.15~303.15 K温度范围内、六种纯溶剂和甲醇-乙醇混合溶剂中的溶解度数据,用Van’t Hoff、Apelblat、?h模型对溶解度数据进行关联,得到了该溶解过程溶解熵和溶解焓。采用湿渣法测定了283.15K、293.15K和303.15K温度下,2-甲基-1,4-萘醌+苯酐+1,4-二氧六环,2-萘甲醛+苯酐+1,4-二氧六环和2-甲基-1,4-萘醌+2-萘甲醛+1,4-二氧六环三个体系的固-液相平衡数据及饱和液相的密度值,并绘制了三元体系相图。利用NRTL和Wilson模型对这三个体系下的溶解度数据关联,NRTL较Wilson模型拟合效果好;在三元体系溶解度的基础上,测定了283.15K下,2-甲基-1,4-萘醌-苯酐-2-萘甲醛-1,4-二氧六环四元体系相平衡数据,绘制了四元体系干固图和溶剂图。