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微反应器:常温、常压下,高效、安全的丙烷氧化脱氢制丙烯

更新时间:2024-02-04  |  点击率:2408

 



       丙烷氧化脱氢技术是一种具有前景解决丙烯全球需求的技术,但是丙烷氧化脱氢技术需要非常高的操作温度,因此反应过程中在丙烷和氧气混合过程中产生安全问题,而且提高的反应温度增加产物过度氧化生成CO2的问题。
 
  目前的主要生产方法是蒸汽裂化和流化床催化裂化难以满足其迅速增长的需求,利用页岩气中丰富的丙烷开发丙烷脱氢工艺(PDH)来弥补缺口正在试行。然而,PDH工艺存在着吸热特性需要大量能量输入、转化率受热力学限制以及容易形成焦炭导致催化剂失活的缺点。丙烷氧化脱氢 (ODHP)由于转化率不受限且不易形成焦炭成为颇具吸引力的替代方案。然而,ODHP目前仍旧需要较高的温度来运行,容易导致如硼基类的催化剂失活,同时烷烃和氧气高温下混合也有一定的安全风险。
 
  有鉴于此,清华大学陆奇、骆广生等在溶液相的丙烷氧化脱氢催化反应体系中设计微通道反应器,从而在室温和温和的反应压力进行选择性制备丙烯,这缓解了生产丙烷过程中面临的安全问题,实现了优异的丙烯制备效率和丙烯产物选择性。
 
  化工系陆奇团队在近来工作中发现了可以在常温下实现低碳烷烃转化的反应体系(Nat. Catal. 2023, 6, 666-675),然而,其在间歇反应器中受到了传质限制,这不仅限制了对丙烷活化动力学的研究,也限制了其实际中的应用,同时烷烃与氧气混合带来的风险并未有效解决。基于这些挑战,陆奇与骆广生团队进一步开发出了铜管微反应器并结合微分散气液柱塞流(gas-liquid Taylor flow),实现了丙烷到丙烯的高选择性、高活性转化。
 
  近日高速摄像机拍摄的结果表明,使用自制的微分散装置(T-junction)可以使得气液均匀地分散成柱塞流,丙烷和氧气混合气体单元被液体单元分隔,大大地降低了爆炸风险。进一步分析发现,柱塞流可以有效增加气液接触面积,同时可以减薄液膜,缩短气体的扩散路径,这都可以有效地改善传质效率。
 
  

 


 
  本文要点
 
  要点1. 通过这种微通道设计理念,实现了92 %的丙烯选择性,而且丙烯的产率达到19.57 mmol mCu-2 h-1。
 
  要点2. 这种优异的性能是由于Cu催化剂的表面原位生成反应活性非常高的位点用于活化丙烷。而且通过T型微通道结构产生气体-液体的Taylor流体,这能够增强气体-液体界面的面积,减少扩散距离,因此增强丙烷的传输。
 
  这种微通道反应器件体系发展了一种解决气体反应物溶解度较低体系能够加快气体-液体-固体体系反应的方法。
 
  

 


 
  丙烷氧化脱氢的性能测试表明,该铜管微反应器可以高效地将丙烷转化为丙烯,选择性超过92%,活性达到19.57毫摩尔/平方米催化剂/小时,相比于间歇式反应器提升了27倍,也远优于高温下热催化剂的单位面积活性。该工作进一步对该体系的丙烷氧化脱氢进行了动力学分析并通过DFT理论计算提出了可能的反应路径。该工作为其它受到传质限制的反应或在液相中反应物溶解度低的反应提供了改进思路。
 
  该研究以《微通道反应器实现常温常压下丙烷高效转化》(Efficient conversion of propane in a microchannel reactor at ambient conditions)为题,发表于《自然·通讯》(Nature Communications)期刊。清华大学化学工程系2018级博士生李春松和2017级博士生张皓晨为论文的第一作者,清华大学化学工程系2021级博士生刘文萱、2019级博士生盛林、台湾成功大学化学系郑沐政副教授和北京大学化学与分子工程学院徐冰君教授也参与了该项研究工作。论文共同通讯作者为清华大学化学工程系陆奇副教授和骆广生教授。研究得到了化学工程联合国家重点实验室(清华大学)和清华大学自主科研专项等项目的资助。

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