01 概述

氫化是一種對石化和精細化工產業至關重要的化學反應。

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，如圖所示：

圖1：典型的氫化反應

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

02 氫化反應的實際應用

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

在精細化學品和活性藥物成分行業中，氫化反應往往是生產最終產品的一個重要步驟。

食品工業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鍵步驟。通過對生物原油進行氫化，減少了其負面影響。油品的不穩定性通過與最不穩定的官能團的反應得到降低。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品混合。

03 方法論

分子氫不容易與有機分子直接反應；總是需要催化劑。催化劑是一種控制化學反應的物質，但它不被消耗也不會成為最終產品的一部分。催化劑通過降低碰撞分子達到過渡態所需的活化能來發揮作用。因此，催化劑可以使得原本不可能發生的反應得以進行，或者讓這些反應以更快的速度發生。

催化劑在所需能量方面的影響可以通過圖 2 進行比較：

圖2：反應路徑的波爾茲曼能量圖

催化劑對化學平衡或總能量變化沒有影響；它們不能使不可能變為可能。催化劑的作用簡單地包括：

- 啟動反應

- 提高效率

- 增加選擇性

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

一個典型的氫化設置使用半批式或連續式 CSTR 反應器，如圖 3 所示。

圖3：典型的實驗室規模氫化反應器系統，配備兩臺ISCO泵，它們通過一個控制器獨立操作，處于恒定流量模式

攪拌反應器是一個 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。氫氣通過質量流量控制系統進行計量和消耗測量。

Teledyne ISCO柱塞泵

這類反應需要在廣泛的壓力范圍內以精確的流速泵送液體反應物和溶劑。Teledyne ISCO 柱塞泵能在 50 到 2000psi 或更高的反應壓力下，提供精確度達到設定值 0.5% 或更好的流速。無需進行泵校準。無需通過計算和反饋控制對泵進行質量損失校正。此外，如果反應物是高粘度液體或低熔點固體，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；液體反應物的進料速率保持恒定，并且不會顯示其他類型泵（如往復泵）典型的正弦流動。因此，在任何扌旨定的 H₂ 壓力或反應溫度下，反應物的消耗和所需產物的形成動力學都保持絕對恒定。

由于濃度變化引起的不需要的或副反應被抑制。注塞泵將被設定到選定的流速，即使反應器壓力發生變化，該流速也將保持恒定。在此處討論的反應器系統中，使用質量流量控制器控制 H₂ 流量，并使用背壓調節器，會導致反應器壓力出現一些小波動和變化。注塞泵以恒定流速模式運行。在這種模式下，預設的流速將完荃保持恒定，無論壓力如何波動。這一特性將進一步最小化不需要的反應的發生。

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.