微通道内葡萄糖催化氧化制备甲酸的反应规律研究

作     者：魏星 

作者单位：烟台大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵玉潮;王清强

授予年度：2024年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 080703[工学-动力机械及工程] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：微反应器 微通道 葡萄糖 甲酸 催化氧化 

摘      要：甲酸在化工、医药、食品等领域应用广泛,利用生物质基碳水化合物生产甲酸,可有效利用生物质、减少对传统燃料的依赖,实现能源结构多元化。以O为氧化剂、生物质基葡萄糖为底物,进行催化氧化制甲酸,属典型的气-液两相反应过程,传统设备内的相分散效果差、受传质过程影响严重,路线发展受限。基于此,本论文提出了微通道反应器强化葡萄糖氧化制甲酸的新方法,并详细研究了葡萄糖转化制甲酸的整体反应网络、催化机理及甲酸稳定性,具体如下: 首先,评价并筛选出了适于葡萄糖氧化制甲酸的最佳催化剂为HPVMoO（HPA-2）;催化剂浓度仅为0.4 wt%时,即可实现葡萄糖的完全转化,甲酸收率可高达82.4%;通过观察反应液颜色变化,并进行理论分析,推断出钒（V）是催化剂的氧化活性中心、钼（Mo）则对异构化和逆羟醛缩合过程有重要作用;结合密度泛函理论（DFT）,可知葡萄糖转化制甲酸过程中的关键中间产物为乙二醛、甘油醛、乙醇醛和乙醛酸;经四次循环实验,葡萄糖转化率及甲酸收率基本保持恒定。 其次,在微通道反应器内对反应条件进行了优化,最佳反应条件是:温度180~oC、压力3.0 MPa、管长10 m、气相流速500μL/min、液相流速75μL/min;与传统釜式反应器相比,微通道反应器的比相界面积较大,强化了气-液两相传质速率,反应停留时间由数小时缩短为3 min;分析了该反应条件下葡萄糖制甲酸的反应网络,揭示了甲酸和CO的生成路径。 最后,深入研究了反应过程中的甲酸稳定性,当甲酸浓度≥2.4 wt%时,温度达到170 ~oC后开始出现明显分解,且随温度升高,分解速率增大;随O压力的增大,甲酸分解速率增大;催化剂HPA-2不仅会促进葡萄糖转化为甲酸,还会造成甲酸分解;甲酸的分解动力学研究表明,甲酸分解为二级反应,其反应的表观活化能为84.7 k J/mol。