01 概述

氫化是一種對石化和精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)至關(guān)重要的化學(xué)反應(yīng)。

從最基本的意義上來說，氫化是指分子氫與不飽和碳-碳雙鍵的加成反應(yīng)，如圖所示：

圖1：典型的氫化反應(yīng)

第一個化合物，被稱為烯烴，被轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的烷烴。除了上述例子之外，分子氫還可以與其他類型的分子發(fā)生反應(yīng)。這些包括在加氫脫硫中伴隨著起始分子的裂解而引入氫，以及起始分子經(jīng)歷重排的反應(yīng)，例如異構(gòu)化。

02 氫化反應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用

對于石化行業(yè)而言，原油中的許多化合物由于含有多個雙鍵而幾乎無用；它們必須首先被轉(zhuǎn)化成飽和化合物，才能作為汽油等商品使用。此外，還有無數(shù)其他分子是從石油中產(chǎn)生的；氫化通常是它們生產(chǎn)的第一步。

在精細(xì)化學(xué)品和活性藥物成分行業(yè)中，氫化反應(yīng)往往是生產(chǎn)最終產(chǎn)品的一個重要步驟。

食品工業(yè)使用氫化來完荃或部分飽和植物油中的不飽和脂肪酸，將它們轉(zhuǎn)化成固體或半固體脂肪（例如人造黃油）。這些后者的化合物提供了不同的烹飪或味道特性，更能滿足消費(fèi)者的需求。

氫化將是生物原油升級為可用、可再生生物燃料的關(guān)鍵步驟。通過對生物原油進(jìn)行氫化，減少了其負(fù)面影響。油品的不穩(wěn)定性通過與最不穩(wěn)定的官能團(tuán)的反應(yīng)得到降低。同時，油中的含氧組分也得到了減少，從而提高了能量密度。加氫處理后的生物原油也能更好地與精煉石油產(chǎn)品混合。

03 方法論

分子氫不容易與有機(jī)分子直接反應(yīng)；總是需要催化劑。催化劑是一種控制化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，但它不被消耗也不會成為最終產(chǎn)品的一部分。催化劑通過降低碰撞分子達(dá)到過渡態(tài)所需的活化能來發(fā)揮作用。因此，催化劑可以使得原本不可能發(fā)生的反應(yīng)得以進(jìn)行，或者讓這些反應(yīng)以更快的速度發(fā)生。

催化劑在所需能量方面的影響可以通過圖 2 進(jìn)行比較：

圖2：反應(yīng)路徑的波爾茲曼能量圖

催化劑對化學(xué)平衡或總能量變化沒有影響；它們不能使不可能變?yōu)榭赡堋４呋瘎┑淖饔煤唵蔚匕ǎ?/p>

- 啟動反應(yīng)

- 提高效率

- 增加選擇性

氫化反應(yīng)采用的催化劑包括鈀、鉑、銠、釕或雷尼鎳，這些反應(yīng)在高溫和高壓下進(jìn)行。溫度范圍從 70°C 到幾百攝氏度，壓力則從 12 - 2000bar 或更高。

一個典型的氫化設(shè)置使用半批式或連續(xù)式 CSTR 反應(yīng)器，如圖 3 所示。

圖3：典型的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模氫化反應(yīng)器系統(tǒng)，配備兩臺ISCO泵，它們通過一個控制器獨(dú)立操作，處于恒定流量模式

攪拌反應(yīng)器是一個 100 毫升到 300 毫升的壓力容器，具有輸入和輸出端的控制加熱和冷卻功能。氫氣通過質(zhì)量流量控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)量和消耗測量。

Teledyne ISCO柱塞泵

這類反應(yīng)需要在廣泛的壓力范圍內(nèi)以精確的流速泵送液體反應(yīng)物和溶劑。Teledyne ISCO 柱塞泵能在 50 到 2000psi 或更高的反應(yīng)壓力下，提供精確度達(dá)到設(shè)定值 0.5% 或更好的流速。無需進(jìn)行泵校準(zhǔn)。無需通過計(jì)算和反饋控制對泵進(jìn)行質(zhì)量損失校正。此外，如果反應(yīng)物是高粘度液體或低熔點(diǎn)固體，整個注塞泵氣缸可以輕易加熱，以便提供簡便的液體流動控制。

注塞泵提供真正的無脈沖流動；液體反應(yīng)物的進(jìn)料速率保持恒定，并且不會顯示其他類型泵（如往復(fù)泵）典型的正弦流動。因此，在任何扌旨定的 H₂ 壓力或反應(yīng)溫度下，反應(yīng)物的消耗和所需產(chǎn)物的形成動力學(xué)都保持絕對恒定。

由于濃度變化引起的不需要的或副反應(yīng)被抑制。注塞泵將被設(shè)定到選定的流速，即使反應(yīng)器壓力發(fā)生變化，該流速也將保持恒定。在此處討論的反應(yīng)器系統(tǒng)中，使用質(zhì)量流量控制器控制 H₂ 流量，并使用背壓調(diào)節(jié)器，會導(dǎo)致反應(yīng)器壓力出現(xiàn)一些小波動和變化。注塞泵以恒定流速模式運(yùn)行。在這種模式下，預(yù)設(shè)的流速將完荃保持恒定，無論壓力如何波動。這一特性將進(jìn)一步最小化不需要的反應(yīng)的發(fā)生。

表1：通常推薦的泵

引用

1) Hudlicky, Milos. Reductions in Organic Chemistry. Wash-ington, D.C.: American Chemical Society, 1996.

2) Elliott, D.C.; Neuenschwander, G.G. “Liquid Fuels by Low-Severity Hydrotreating of Biocrude.” Eds. Bridgwater, A.V.;Boocock, D.G.B. Developments in Thermochemical Biomass Conversion, Vol. 1. London: Blackie Academic & Professional,1996. 611-621.

3) Moore, Walter J. Physical Chemistry, 4th ed. Prentice Hall College Div, 1972. 844-25b.

4) Farrauto, R.; Bartholomew, C. Fundamentals of Industrial Catalytic Processes. Chapmann and Hall, 1997.