易顏輝副教授、郭洪臣教授流化床丙烯氣相環(huán)氧化新進展
環(huán)氧丙烷（PO）是一種重要的丙烯衍生物，廣泛用于生產(chǎn)聚醚多元醇、聚氨酯塑料、不飽和樹脂和表面活性劑等，全球年需求量約1500萬噸。與其他工藝路線相比，過氧化氫環(huán)氧丙烷工藝（HPPO）在原子利用率及環(huán)保方面具有顯著的優(yōu)勢，也因此全球多家大型企業(yè)，包括贏創(chuàng)、巴斯夫、陶氏、中石化等，都建立了HPPO裝置并已開車投產(chǎn)。然而，HPPO工藝須使用甲醇溶劑，給目前的工業(yè)裝置帶來非常棘手的難題。一方面大量甲醇溶劑的純化和循環(huán)導(dǎo)致高能耗；另一方面PO的甲醇溶劑解反應(yīng)易生成丙二醇單甲醚等副產(chǎn)物，導(dǎo)致TS-1催化劑因過量雜質(zhì)的強吸附而逐漸失活。
易顏輝副教授和郭洪臣教授團隊受H2/O2等離子體反應(yīng)合成氣態(tài)H2O2的啟發(fā)，提出了無溶劑參與的H2O2氣相環(huán)氧化新工藝（G-HPPO），為繞開“溶劑”問題提供了新策略。然而，環(huán)氧化反應(yīng)的強放熱特性導(dǎo)致固定床反應(yīng)器中催化劑床層極易產(chǎn)生局部熱點而引起H2O2的快速熱分解，顯著降低了H2O2的有效利用率，而H2O2的有效利用率是HPPO工藝能否工業(yè)應(yīng)用的最重要指標之一。
基于此，課題組經(jīng)過6年時間研制出了機械強度高、球形度好、耐磨性強、粒徑分布適宜的微球形TS-1分子篩催化劑，并設(shè)計了微型流化床反應(yīng)器，從而實現(xiàn)了流態(tài)化丙烯氣相環(huán)氧化反應(yīng)（圖1A）。與固定床相比，流化床反應(yīng)器顯著提升了H2O2有效利用率、環(huán)氧丙烷產(chǎn)率、丙烯轉(zhuǎn)化率和環(huán)氧丙烷選擇性（圖1B和C），并顯著降低了副產(chǎn)物選擇性（圖1D）。最重要的是，催化穩(wěn)定性得到明顯改善，為丙烯氣相環(huán)氧化的工業(yè)應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。
圖1.（A）通過自合成TS-1分子篩微球、自設(shè)計微型流化床反應(yīng)器實現(xiàn)流化態(tài)丙烯氣相環(huán)氧化反應(yīng)；（B）流化床和固定床反應(yīng)器中H2O2有效利用率和環(huán)氧丙烷產(chǎn)率對比；（C）流化床和固定床反應(yīng)器中丙烯轉(zhuǎn)化率和環(huán)氧丙烷選擇性對比；（D）流化床和固定床反應(yīng)器中副產(chǎn)物選擇性對比。
上述成果以AIChE Letter的形式、以“Solvent-freeGas-phaseEpoxidation ofPropylene inFluidized
BedReactor”為題發(fā)表于化學工程領(lǐng)域頂級期刊AIChE Journal（DOI：10.1002/aic.17218）。
一作：博士生祝全仁
通訊作者：易顏輝副教授、郭洪臣教授
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