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脱氢

脱氢(Dehydrogenation)是一种化工单元过程,是氢化的相反过程,是减少有机物分子中的原子数目的过程,一般有两种方法:

Dehydrogenation

催化脱氢 - 主要使用催化剂使有机物中碳-氢链断裂,达到脱氢的目的,同时还要维持更容易断裂的碳-碳链,不使其断裂,因此必须选择合适的催化剂。

氧化脱氢 - 氧非常容易和氢原子结合成水分子,因此在脱氢过程中通入氧能使氢原子更容易脱离其结合的有机物分子,这种方法主要用于有机物及其脱氢产物不和水反应的情况下。

从有机化合物的分子中脱除氢原子的反应过程。脱氢时化合物分子中的碳-氢、氧-氢或氮-氢键断裂,氢被解离生成氢分子(H2)。若氢原子同时被氧化而生成水,则称氧化脱氢。脱氢的结果是增大反应物的不饱和度,使产物具有较高的反应活性,是广泛应用于有机合成中的重要过程。

早在1889年就实现了由甲醇脱氢制甲醛的工业生产。20世纪20年代起,先后实现了异丙醇脱氢制丙酮乙苯脱氢制苯乙烯、丁烷脱氢制丁烯、丁烯脱氢制丁二烯、正丁烯氧化脱氢制丁二烯等的工业生产。

脱氢有热脱氢和催化脱氢两种,工业上主要以催化脱氢为主。催化脱氢可分为:①碳-氢键催化脱氢,如烷烃、烯烃、芳烃和环烷烃等的脱氢:

CH3CH2CH2CH3─→CH2=CH-CH=CH2+2H2

CH3CH2CH=CH2─→CH2=CH-CH=CH2+H2

②氧-氢和氮-氢等键的催化脱氢,如醇(直链醇、环烷醇)和胺的脱氢:

③有氧化反应参加的脱氢反应(氧化脱氢),例如丁烯转化成丁二烯:

CH2=CHCH2CH3+½O2─→CH2=CH-CH=CH2+H2O

选用适宜的催化剂,是提高脱氢反应速度和选择性的关键。脱氢是加氢的逆过程,原则上加氢催化剂也能作为脱氢催化剂使用。但是,由于脱氢和加氢反应条件不同,在选择催化剂时,除注意催化活性外,还应注意以下几点:①耐热性好,保证在脱氢高温环境中不被烧结;②化学稳定性好,在较高温度下具有抗氢气还原和抗水蒸气侵蚀的能力;③脱氢比加氢易使催化剂表面结焦,应易于进行催化剂再生。常用的催化剂为各种金属氧化物(如氧化铁、氧化铬、氧化锌、氧化镁)和各种金属(如铜、银、镍、铂)等。氧化脱氢催化剂除具有脱氢催化剂的性能外,还应具有催化氧化性能,常用的是混合氧化物催化剂(如钼、铋的氧化物,铁、锑的氧化物等),也可用金属催化剂

脱氢是可逆、吸热、分子数增加的反应,高温和低压有利于反应的进行。脱氢一般在较高的温度(300~800°C)下才具有一定的反应速度,但相应地裂解副反应速度也会加快。为此,必须采用选择性良好的催化剂,并用减压操作以尽量降低反应温度。但低压操作有漏入空气引起爆炸的危险,工业上一般是向反应系统通入水蒸气,以降低反应物的分压,并能提供反应所需的热量,消除及减轻催化剂的结焦。采取氧化脱氢,可使生成的氢被氧化成水而除去,促使反应移向脱氢方向,以提高转化率;同时氧化放出大量的热,可供给脱氢吸热的需要。以甲醇为例:甲醇脱氢反应

反应由脱氢吸热转变为氧化脱氢放热,不仅反应转化率高,而且反应温度可降低,催化剂积炭减少,寿命延长。氧化脱氢的缺点是易引起氧化副反应。

催化脱氢反应器有固定床反应器,如列管式、圆柱型绝热床单段或多段反应器和径向反应器,以及流化床反应器。反应器的材质要有耐高温和抗氢蚀的能力。

脱氢主要用于将丁烷脱氢形成丁二烯作为合成腈纶或合成橡胶的原料;将异戊烯脱氢形成异戊二烯作为合成橡胶原料;将乙苯脱氢成为苯乙烯合成树脂合成纤维的原料等;将甲醇直接氧化甲醛也是一种脱氢过程。

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