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1、第37卷第5期2010短北京化工大学学报(自然科学版)Journal of Beijing UniversityofChemical Technology(NaturalScience)V01.37,No.520lO乙酰丙酸加氢生成妒戊内酯的反应动力学张建伟樊金龙吴卫泽’(北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室,北京100029)摘要:以Pd/C为催化剂(Pd质量分数为5%),在消除内、外扩散影响条件下,研究了乙酰丙酸非均相催化加氢制备-y.戊内酯反应动力学。考察了反应温度(100—160℃)和氢气压力(1.0—3.0MPa)对反应速率的影响,以及氢气在乙酰丙酸液体中的溶解度(温度80—
2、160℃、氢气压力0~5.25MPa)。结果表明:乙酰丙酸非均相催化加氢反应对乙酰丙酸浓度的反应级数为零级,对氢气压力的反应级数为一级,反应活化能为33.0kJ/tool;提出了加氢反应可能的机理,并简化氢解离吸附Langmuir等温吸附式,获得了与实验结果一致的加氢反应动力学模型表达式。关键词:加氢反应;乙酰丙酸;.y一戊内酯;动力学中图分类号iTQ352.2引言-y.戊内酯(GVL)是一种便于储存和运输的源自生物质的能及碳资源平台的基础化合物…,具有较好的物理化学特性,如较高的沸点(207℃)、较低的熔点(一31℃)、闪点温度高(96℃)、无毒,泄漏易于识别、易溶于水、对环境友好等。GV
3、L可以进一步转化为2.甲基一四氢呋喃等液体燃料p。4J。GVL还是合成可生物降解材料的原料p“1。生物质转化的关键步骤之一是由乙酰丙酸(LA)加氢脱水生产1.戊内酯。国内外对催化加氢反应已有一些报道,主要涉及催化剂和载体的选择。其中催化剂主要有:金属氧化物催化剂,如氧化铂‘7‘引,Raney镍‘9。101,CuO.Cr203复合催化剂‘1¨;负载型贵金属催化剂MJ,如铼、铱、钯、钌、铂和负载型双金属复合催化剂¨21,如Pd.Re/C等。文献中该催化加氢反应一般在有机介质中进行,如乙醚07。引、甲醇¨纠等。反应动力学和机理对乙酰丙酸催化加氢反应非常重要,但该加氢反应动力学和反应机理的系统报道较
4、少。本文采用Pd质量分数为5%的Pd/C催化剂,收稿13期:2010—04—26基金项目:北京市自然科学基金(2082017);教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-08-0710)第一作者:男。1984年生,硕士生·通讯联系人E.mail:WZWU@mail.buet.edu.cn通过计算Thiele模数说明内扩散影响可以忽略;通过提高搅拌转速的方法消除外扩散的影响。在消除内外扩散的条件下,研究了乙酰丙酸加氢反应动力学,并提出了可能的反应机理。1实验部分1.1实验原料乙酰丙酸,分析纯,上海晶纯化学试剂公司;1一戊内酯,质量分数99%,山东招远林海化工厂,使用前蒸馏纯化;乙醇,分析纯,北京
5、化工厂;氢气,质量分数99.99%,北京海谱气体公司;Pd质量分数为5%的Pd/C催化剂,中石化石油科学研究院。1.2催化剂参数Pd/C催化剂的Pd质量分数为5%;催化剂颗粒的粒径为20~60斗m,平均37.9斗m;BET比表面积为995m2/g;孔体积为0.605cm3/g;透射电子显微镜(TEM)测得活性炭上Pd的颗粒大小为5—20llm,主要分布在5~6 nm。1.3加氢反应实验按比例称取一定量的催化剂、乙酰丙酸加入到装有电磁搅拌、容积为25mL的不锈钢高压反应釜中,密封。用氢气以50—100m/rain的速率吹扫反应釜,排出反应釜中的空气,然后充入一定压力的氢气。等反应炉加热到设定温
6、度后,将反应釜置于加热炉中加热,等重新达到设定温度后计时,同时观察压力的变化。反应一定时间后,将反应釜浸入冷水中骤冷,终止反应。当温度达到室温后,缓慢卸压,反应混合物用乙醇溶出,小心操作,减少物料损失。溶出物经5—7斗m的烧结漏斗过滤,滤液定容后用气相色谱分析。1.4氢气在乙酰丙酸中的溶解度测定采用文献[14]的方法。在高压变体积可视釜中加入一定量的乙酰丙酸后快速密封,并对液体进行脱气。然后向可视釜中充入氢气,开始搅拌加热。待体系的温度、压力在1h内不发生变化,认为体系达到溶解平衡,然后在恒温、恒压下缓慢取出一定质量的溶解了氢气的饱和液体。在取样过程中调节可视釜的活塞,维持体系压力不变,保障
7、实验数据的准确性。通过排水集气法获得取出液体中氢气的量,然后计算氢气在液体中的溶解度。2结果与讨论2.1内外扩散的消除乙酰丙酸在Pd/C催化剂(Pd质量分数为5%)上的加氢反应是气一液一固非均相催化反应。通过Mears判据来判断是否存在内扩散¨引。改进后的Mears判据的Thiele模数如式(1)所示少=(r:b。)∥/D。cSA<:.1/Iq(1)其中,少是改进后的Thiele模数。r?‘是表观反应速率,m
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