第六章 加氢与脱氢过程

第六章加氢与脱氢过程

6.1概述

通常催化加氢系指有机化合物中一个或几个不炮和的官能团在催化剂的作用下与氢气加成。H2和N2反应生成合成氨以及CO和H2反应合成甲醇及烃类亦为加氢反应。而在催化剂作用下，烃类脱氢生成两种或两种以上的新物质称为催化脱氢。催化加氢和催化脱氢在有机化工生产中得到广泛应用。如合成氨、合成甲醇、丁二烯的制取，苯乙烯的制取等都是极为重要的化工产品。催化加氢反应分为多相催化加氢和均相催化加氢两种，相比之下，多相催化加氢的选择性较低，反应方向不易控制，而均相催化加氢采用可溶性催化剂，选择性较高，反应条件较温和。

催化加氢除了合成有机产品外，还用于许多化工产品的精制过程，如烃类裂解制得乙烯和丙烯产物中，含有少量的乙炔、丙炔和丙二烯等杂物，可采用催化加氢的方法进行选择加氢，将炔类和二烯烃类转化为相应的烯烃而除去。再如氢气的精制，氢气中含有极少量的一氧化碳、二氧化碳，这些杂质对后工序的催化剂有中毒作用，通过催化加氢生成甲烷而得到了精制。此外，还有苯的精制、裂解汽油的加氢精制等。

利用催化脱氢反应，可将低级烷烃、烯烃及烷基芳烃转化为相应的烯烃、二烯烃及烯基芳烃，这些都是高分子材料的重要单体，而苯乙烯和丁二烯是最重要的两个化工产品，且产量大、用途广。

6.1.1加氢反应的类型

（1）不饱和炔烃、烯烃重键的加氢

如乙炔催化加氢生成乙烯，乙烯加氢生成乙烷等。

（2）芳烃加氢可以同时对苯核直接加氢，也可以对苯核外的双键进行加氢，或两者兼有，即所谓选择加氢，不同的催化剂有不同的选择。如苯加氢生成环己烷，苯乙烯在Ni 催化剂下生成乙基环己烷，而在Cu催化剂下则生成乙苯。

（3）含氧化合物加氢对带有C=O双键的化合物经催化加氢后可转化为相应的醇类。如一氧化碳加氢在铜催化剂作用下生成甲醇，丙酮在铜催化剂下加氢生成异丙醇，羧酸加氢生成伯醇。

（4）含氮化合物的加氢N2加H2合成氨是当前产量最大的化工产品之一。对于含有－CN、－NO2等官能团的化合物加氢后得到相应的胺类。如已二腈在Ni催化剂作用下加氢合成己二胺，硝基苯催化加氢合成苯胺等。

（5）氢解在加氢反应过程中，有些原子或官能团被氢气所置换，生成分子量较小的一种或两种产物。如甲苯加氢脱烷基生成苯和甲烷，硫醇氢解生成烷基和硫化氢气体。吡啶氢解生成烷基和氨。

6.1.2脱氢反应的类型

（1）烷烃脱氢，生成烯烃、二烯烃及芳烃

（2）烯烃脱氢生成二烯烃

（3）烷基芳烃脱氢生成烯基芳烃

（4）醇类脱氢可制得醛和酮类

6.2加氢、脱氢反应的一般规律

6.2.1催化加氢反应的一般规律

1 热力学分析

催化加氢反应是可逆放热反应，由于有机化合物的官能团结构不同，加氢时放出的热量也不尽相同，表6-1是25℃时某些烃类气相加氢的热效应ΔHӨ的绝对值。

影响加氢反应平衡的因素有温度、压力及反应物中氢的用量。

（1）温度影响当加氢反应的温度低于100℃时，绝大多数的加氢反应平衡常数值都非常大，可看作为不可逆反应。由于加氢反应是放热反应，其热效应ΔHӨ＜0，所以加氢反应的平衡常数Kp随温度的升高而减小。

从热力学分析可知，加氢反应有三种类型。

第一类是加氢反应在热力学上是很有利的，即使是在高温条件下，平衡常数仍很大。如乙炔加氢反应，当温度为127℃时，Kp值为7.63×1016；而温度为427℃时，Kp值仍为6.5×1016。一氧化碳加氢甲烷化反应也属这一类。

第二类是加氢反应的平衡常数随温度变化较大，当反应温度较低时，平衡常数甚大，而当反应温度较高时，平衡常数降低，但数值仍较大。为了达到较高的转化率，需要采用适当加压或氢过量的办法。如苯加氢制取环己烷，当反应温度从127℃升到227℃时，Kp值则由7×107降至1.86×102，平衡常数下降3.70×105倍。

第三类是加氢反应在热力学上是不利的，很低温度下才具有较大的平衡常数值，温度

稍高，平衡常数变得很小，这类反应的关健是化学平衡问题，常采用高压方法来提高平衡转化率。如一氧化碳加氢合成甲醇反应，Kp值随反应温度变化如下表6-2所示。

（2）压力影响加氢反应是分子数减少的反应，即加氢反应前后化学计量系数的变化Δν＜0，因此，增大反应压力，可以提高Kp值，从而提高加氢反应的平衡产率，如提高反应压力，可提高氨合成产率，甲醇合成产率等。

（3）氢用量比从化学平衡分析，提高反应物H2的用量，可以有利反应向右进行，以提高其平衡转化率，同时氢作为良好的载热体及时移走反应热，有利于反应的进行。但氢用量比也不能过大，以免造成产物浓度降低，大量氢气的循环，既消耗了动力，又增加了产物分离的困难。

.2 动力学分析

有关化学反应机理问题，许多研究者提出不同的看法，如氢气是否发生化学吸附；催化剂表面活性中心是单位吸附还是多位吸附；吸附在催化剂活性表面的分子是如何反应生成产物，是否有中间产物的生成等。一般认为催化剂的活性中心对氢分子进行化学吸附，并解离为氢原子，同时催化剂又使不炮和的双键或三键的π键打开，形成了活泼的吸附化合物，活性氢原子与不饱和化合物C－C双键碳原子结合，生成加氢产物。

苯气相加氢生成环己烷的反应步骤就有两种不同的看法，一种认为是在催化剂表面活性中心进行多位吸附，使得苯分子的6个碳原子被活化，并同时加氢生成了环己烷；另一种认为在催化剂表面有两类活性中心，一类吸附苯和中间化合物，另一类活牲中心只吸附氢，氢被一步一步地加入到苯环上，直至生成环己烷为止。

根据第二种看法，其速率方程表示为：

当然加氢反应速率方程也可用幂函数形式表示，其参数值由实验数据确定。

影响反应速率的因素有温度、压力和氢用量比及加氢物质的结构。

（1）反应温度的影响对于热力学上十分有利的加氢反应，可视为不可逆反应，温度升高，反应速率常数k也升高，反应速率加快。但温度升高会影响加氢反应的选择性，增加副产物的生成，加重产物分离的难度，甚至催化剂表面积炭，活性下降。对于可逆加氢反应，反应速率常数k随温度升高而升高，但平衡常数则随温度的升高而下降，其反应速率与温度的变化是：当温度较低时，反应速率随温度的升高而加快，而在较高的温度下，平衡常数变得很小，反应速率随温度的升高反而下降，故有一个最适宜的温度，在该温度下反应速率最大。

（2）反应压力的影响就一般而言，提高氢分压和被加氢物质的分压均有利于反应速率的增加。当被加氢物质的级数是负值时，反应速率反而下降。若产物在催化剂上是强吸附，就会占据一部分催化剂的活性中心，抑制了加氢反应的进行，产物分压越高，加氢反应速率就越慢。

对于液相加氢反应，一般来讲，液相加氢的反应速率与液相中氢的浓度成正比，故增加氢的分压，有利于增大氢气的溶解度，提高加氢反应速率。同时还要使气液相充分接触，以减少扩散阻力。

（3）氢用量比的影响一般总是采用氢过量。氢过量不仅可以提高被加氢物质的平衡转化率和加快反应速率，且可提高传热系数，有利于导出反应热和延长催化剂的寿命。但氢过量太多，导致产物浓度下降，增加分离难度。

此外在液相加氢时溶剂的作用是：

首先可作为某些加氢反应的稀释剂，以便带走反应热；其次，原料或产物是固体时，采用溶剂可将固体物料溶解在溶剂中，以利于反应的进行和产物的分离。一般常用的溶剂有甲醇、乙醇、醋酸、环己烷、乙醚、四氢呋喃、乙酸乙酯等。同时注意不同的溶剂对加氢反应速率和选择性的影响也是不同的，烷烃类比醇类溶剂效果好，应予选择。

（4）加氢物质结构的影响主要是加氢物质在催化剂表面的吸附能力不同，活化难易程度下同，加氢时受到空间障碍的影响以及催化剂活性组分的不同等部影响到加氢反应速率。

①烯烃加氢。乙烯加氢反应速率最快，丙烯次之，随着取代基的增加，反应速率下降，烯烃加氢反应速率顺序如下