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催化脱氢和氧化脱氢全解
第三节 烃类的氧化脱氢 一、氧化脱氢反应简介 如上节课所学,催化脱氢受化学平衡转化率不会太高(转化率太高了选择性又低了),尤其是低级烷烃和低级烯烃的催化脱氢反应(20-50%),芳烃还好些(可以达到85%的转化率)。要使平衡向有利于脱氢方向移动,可以采取移走生产物-----氢的方法。如果在脱氢系统中加入能够和氢相结合的所谓氢“接受体”,随时去掉反应生成的氢,这样就可以使平衡向脱氢方向移动,转化率就可以大幅度提高。同时由于这些氢的“接受体”与氢结合放出大量的热量,又可以大大降低热量的消耗。可以作为氢接受体的物质很多,如氧、卤素和含硫化合物等。它们能夺取烃类分子中的氢,使其转变为相应的不饱和烃,而烃被氧化,这种类型的反应称为氧化脱氢反应。 以氧气为氢接受体的氧化脱氢 2、 以卤素为氢接受体的氧化脱氢反应 3、 以硫化物为氢接受体的氧化脱氢反应 含硫化物如SO2或者元素S,都可以作为氢接受体,使烷烃、烯烃和烷基芳烃发生氧化脱氢反应生成相应的不饱和烃。 以SO2为氢接受体的氧化脱氢反应是吸热反应,但热效应比催化脱氢反应小,热力学上也比脱氢反应有利。 以SO2为氢接受体的乙苯氧化脱氢反应,热效应和平衡常数见表4-11 (P182)所示。 以SO2为氢接受体,对乙苯的氧化脱氢特别有效。乙苯的转化率达95%,选择性为90%。 ? 以SO2为氢接受体的氧化脱氢反应,缺点是: 具有腐蚀性; 会有硫析出,长期运转,会堵塞管道; 催化剂很容易结焦,而且不容易除去; 在反应过程中会使催化剂部分转化,生成含硫化合物,因此必须经常用空气再生; 产物烯烃、二烯烃容易与硫化物发生反应,形成含硫化合物,影响选择性。 ? 二、正丁烯氧化脱氢合成丁二烯 二烯是最简单的具有共轭双键的二烯烃,易发生齐聚和聚合反应,也易与其它具有双键的不饱和化合物共聚,因此是重要的聚合物单体,主要用来生产合成橡胶,也用于合成塑料和树脂,丁二烯的主要用途见表4-12。 1.生产方法 (1)从烃类热裂解制低级烯烃的副产C4馏分得到。 (2)由乙醇生产丁二烯 。 (3)由正丁烷和正丁烯催化脱氢生产丁二烯 正丁烷脱氢是连串可逆反应 (一) 催化剂 已经研究成功的正丁烯氧化脱氢,制丁二烯的催化剂有多种,其中应用于工业上,主要有下列两类: ? 1.钼酸铋体系 钼酸铋体系是以Mo-Bi氧化物为基础的2组分或者多组分催化剂。 最初使用的是 Mo-Bi-O 二组分和 Mo-Bi-P-O 三组分催化剂,但是,这两种催化剂的活性和选择性都比较低。 后来对上述催化剂经过改进,发展为6组分、7组分和更多组分的混合氧化物催化剂,例如: Mo-Bi-P-Fe-Ni-K-O、Mo-Bi-P-Fe-Co-Ni-Tl-O等。(Tl-铊) 经过改进后的多组分氧化物催化剂,在活性和选择性方面都有明显提高。 在适宜的条件下,正丁烯在6组分混合氧化物催化剂上,氧化脱氢,丁烯转化率可达到66%,丁二烯的选择性为80%。这类催化剂中Mo或者Mo-Bi氧化物是主要活性组分,碱金属、铁族元素、VB族元素以及其它元素的氧化物,都是作为助催化剂,以提高催化剂的活性、选择性或者稳定性。 催化剂常用的载体是硅胶。钼酸铋体系催化剂用于丁烯氧化脱氢制丁二烯,的主要不足之处是:副产物中,含氧化合物、尤其是有机酸的生成量比较多,三废污染严重。 2.铁酸盐尖晶石催化剂 这类催化剂有: ZnFe2O4、MnFe2O4、MgFe2O4、ZnCrFeO4 和 Mg0.1Zn0.9Fe2O4 等铁酸盐,具有尖晶石型结构的氧化物催化剂。 (Mg--镁) 这类催化剂,是60年代后期开发的一类丁烯氧化脱氢催化剂。 据研究,在该类催化剂中,a-Fe2O3的存在是必要的,不然催化剂的活性就会很快下降。 铁酸盐尖晶石催化剂,对丁烯氧化脱氢具有较高的活性和选择性,含氧副产物少,三废污染少。正丁烯在这类催化剂上氧化脱氢,转化率可达到70%左右,而选择性可达到90%或者更高。 ? 另一类使用比较早的催化剂是以Sb(锑)或者Sn(锡)氧化物为基础的混合氧化物催化剂,现在正在进行研究改进。? 各类催化剂氧化脱氢具有代表性的反应性能见下表所示: (二)正丁烯氧化脱氢的化学 正丁烯分子吸附在催化剂表面Fe3+附近的阴离子缺位上(以表示),氧则解离为O-形式吸附在毗邻的另一缺位上。吸附的丁烯在O-的作用下,先以均裂方式去掉一个α-H,并与O-结合,再以异裂方式脱掉第二个α-H而形成C4H6-,脱去的第二个氢则与晶格氧相结合。所形成的C4
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