CN101613253A - 一种糖及糖醇的催化裂解方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种糖及糖醇催化裂解制备低碳醇的方法,即在Ni基催化剂的作用下,以葡萄糖、果糖、木糖、山梨醇、甘露醇、木糖醇等多碳糖和糖醇水溶液为原料,通过加氢和脱水过程,高选择性地裂解为碳三或碳三以下的低碳醇,特别是乙二醇和1,2-丙二醇。原料的转化率达到95%以上。低碳醇中乙二醇和1,2-丙二醇的收率达到50%以上。本发明涉及的方法效率高、条件温和,且具有很高的低碳醇选择性。
Description
技术领域
本发明涉及生物质来源的糖和糖醇的催化裂解制备C2和C3低碳醇的方法,尤其是一种糖和糖醇催化裂解生成乙二醇和1,2-丙二醇的方法。
背景技术
乙醇、乙二醇、丙醇、丙二醇和丙三醇等低碳醇是重要石油化工原料,主要用做能源液体燃料、有机溶剂和合成中间体;也是合成聚酯的关键化学品。乙二醇还可用作防冻剂、润滑剂、增塑剂、表面活性剂、涂料、照相显影液、刹车液以及油墨等行业;丙二醇可广泛用于食品、医药和化妆品工业中,作为吸湿剂、抗冻剂、润滑剂和溶剂使用,还可用作烟草增湿剂、防霉剂和水果催熟剂等。
长期以来,乙二醇和丙二醇的生产主要是采用石油资源为原料的技术路线,即以乙烯或者丙烯为原料,经过环氧化得到环氧化合物,然后环氧化合物经过水合可得到乙二醇或丙二醇。这些合成路线虽然已经成熟,但存在以下局限性:(1)该技术路线是采用乙烯和丙烯等化石资源为原料,储量受到限制且不可循环再生。(2)生产过程需要经过环氧化、水合等催化过程,技术难度大,路线长,效率低。开发非化石资源制备乙二醇和丙二醇等低碳醇的新技术路线,具有重要的意义和应用前景。
糖和糖醇是自然界生物质中碳水化合物的重要组成部分,通过光合作用可以循环再生,含量丰富,在自然界中分布广泛;采用催化裂解直接转化为具有重要用途的C2、C3等低碳醇的方法,是一条可持续发展、具有竞争力的技术路线;尤其是合成乙二醇和丙二醇技术,可以有效提高资源利用效率,实现高原子经济性的应用。
到目前为止,通过生物质原料直接转化的研究和工业应用大多采用发酵的方法,而催化裂解的研究报道很少,尤其是以制备乙二醇和丙二醇为目标产品的研究更少。虽然糖类发酵制备燃料乙醇的方法是工业上已经成熟的技术,但收率低,污染大,成本高。美国专利6,291,725报道了Ru/C催化剂催化木糖醇水溶液的裂解反应,在9.3Mpa,230℃下,转化率为53.2%;该技术需要采用贵金属催化剂,需要在反应体系中加入大量的碱。美国专利6,841,085,6,677,385和6,479,713报道了Ni-Re催化剂裂解山梨醇的研究,在碱存在下,220℃、4.0-12.0MPa下,山梨醇的转化率为50-60%,乙二醇选择性10%-15%,丙二醇选择性为15-30%。裂解条件苛刻,效率低,转化率和选择性不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种糖与糖醇催化裂解的新方法,在催化剂作用下,生物质来源的糖与糖醇的水溶液高效裂解生成低碳醇,尤其是乙二醇和1,2-丙二醇,该方法效率高、条件温和,且具有很高的低碳醇选择性。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种糖及糖醇的催化裂解方法,在Ni基催化剂的作用下,糖及糖醇的水溶液,通过加氢和脱水过程,高选择性地加氢裂解生成碳三或碳三以下的低碳醇;特别是乙二醇和1,2-丙二醇。
所选的糖及糖醇选自葡萄糖、果糖、木糖、山梨醇、甘露醇和木糖醇等多碳糖和糖醇化合物的水溶液,糖或糖醇的浓度为1.0%-99wt%,较佳值为10-80%,最佳值为10-50%。
按照本发明所述的裂解催化剂由活性组分、助剂和载体组成,采用负载方法制备。
主要活性组分为Ni化合物,含量为催化剂质量的1-30%(以金属Ni计),较佳的质量含量为5-20%(以金属Ni计);
催化剂的助剂包括Mo、Sn、Mg、Zn、Ce、Cu、Al、Zr的一种或多种,加入量为催化剂质量的0.1%-15.0%,较佳加入量为催化剂质量的0.2-8.0%;
在上述催化剂中需要加入适当的载体。多相催化反应是在固体催化剂表面进行的,合适的载体可有效增加催化剂的有效表面积和合适的孔结构,提高非晶态合金催化剂的热稳定性,还可以增加活性中心的相对数目。催化剂的载体选分子筛或活性炭。其中,分子筛包括A型分子筛、X型分子筛、Y型分子筛、β-分子筛、ZSM-5、ZSM-22、MCM-41、SBA-15分子筛;
催化剂采用浸渍法制备,将活性组分和助剂的可溶性盐溶液负载在载体上,干燥后,在氮气保护下经过200-600℃下进行焙烧处理,之后对对催化剂还原。
按照本发明所述的催化剂的用量为反应体系质量的1-15%,较佳用量为反应体系质量的3-10%。反应温度为150-300℃,较佳反应温度为180-250℃;反应压力为2.0-20.0MPa,较佳反应压力为3.0-7.0MPa;反应时间为3-20小时,较佳反应时间为5-10小时。
按照本发明所述的由糖及糖醇加氢裂解制备低碳醇的方法,原料转化率为可以达到95%以上。主要产物为生成C2和C3等低碳醇,低碳醇的收率达到75%以上,特别是乙二醇和1,2-丙二醇,收率在50%以上。
本发明具有如下优点:
1.本发明所制备的产品采用的是非石油路线,能有效缓解现有石油资源的紧张。
2.所产用的催化剂是非贵金属,成本低,价格低廉,同时具有高的催化活性和选择性。
具体实施方式
下面通过实施例详述本发明:
实施例1
称取硝酸镍和硝酸铈溶液(Ni∶Ce=5∶2,质量比),加入干燥后活性炭(Ni的负载量为8%(催化剂总重量)),浸渍24h,干燥12h。然后在氮气保护下,石英管中焙烧5小时。
实施例2
催化剂2-11制备过程采用实施例1的方法进行,只是改变不同金属组分及质量比以及不同的载体。详见表1。
表1
编号 | 催化剂金属组分 | 质量比 | 载体 |
1 | Ni-Ce | 5∶2 | 活性炭 |
2 | Ni-Mo | 8∶1 | 活性碳 |
3 | Ni-Sn | 8∶3 | 活性炭 |
4 | Ni-Mg | 8∶5 | CaA |
5 | Ni-Zn | 8∶1 | NaX |
6 | Ni-Cu | 10∶1 | SBA-15 |
7 | Ni-Al | 9∶1 | NaY |
8 | Ni-Zr | 25∶1 | Hβ |
9 | Ni-Cu-Zn | 8.5∶1∶1 | ZSM-5 |
10 | Ni-Zn-Ce | 9∶3∶2.5 | MCM-41 |
11 | Ni-Cu-Zn-Zr | 8∶1;1∶1 | 活性炭 |
实施例3木糖醇的催化裂解反应
200g 30%木糖醇水溶液和10g催化剂转移到高压反应釜中。置换空气3-5次后,加热到200℃,然后充入5MPa压力的氢气,快速搅拌,反应开始。反应6小时后,停止搅拌,降温到室温,卸掉氢气。取样分析。木糖醇的定量通过高效液相色谱分析,乙二醇和丙二醇的定量通过气相色谱分析,结果见表2。
表2
催化剂编号 | 转化率(%) | 乙二醇收率(%) | 1,2-丙二醇收率(%) |
1 | 95 | 28 | 48 |
2 | 32 | 5 | 9 |
4 | 59 | 22 | 31 |
5 | 72 | 27 | 37 |
7 | 81 | 28 | 49 |
8 | 70 | 18 | 30 |
9 | 54 | 10 | 17 |
11 | 84 | 31 | 50 |
实施例4木糖醇在不同反应条件下的催化裂解反应
200g木糖醇水溶液和催化剂1转移到高压反应釜中。置换空气3-5次后,加热到指定温度,然后充入指定压力的氢气,其他过程同实施例3。结果见表3。
表3
催化剂用量(%) | 反应浓度(wt%) | 反应压力(MPa) | 反应温度(℃) | 反应时间(h) | 转化率(%) | 乙二醇收率(%) | 1,2-丙二醇收率(%) |
3 | 15 | 3 | 200 | 6 | 85 | 25 | 40 |
7 | 15 | 5 | 220 | 8 | 98 | 20 | 41 |
3 | 30 | 3 | 150 | 8 | 68 | 19 | 34 |
5 | 30 | 4 | 180 | 8 | 83 | 24 | 42 |
8 | 30 | 5 | 200 | 6 | 95 | 28 | 48 |
10 | 30 | 6 | 220 | 4 | 92 | 25 | 46 |
10 | 30 | 7 | 250 | 4 | 99 | 18 | 33 |
8 | 50 | 5 | 180 | 4 | 65 | 17 | 32 |
10 | 50 | 6 | 200 | 8 | 73 | 20 | 37 |
8 | 80 | 5 | 200 | 8 | 52 | 15 | 26 |
实施例5山梨醇在不同催化剂下的裂解反应
200g 30%山梨醇水溶液和催化剂转移到高压反应釜中。置换空气3-5次后,加热到200℃,然后充入5MPa压力的氢气,快速搅拌,反应开始。反应6小时后,停止搅拌,降温到室温,卸掉氢气。取样分析。山梨醇的定量通过高效液相色谱分析,乙二醇和丙二醇的定量通过气相色谱分析,结果见表4。
表4
催化剂编号 | 转化率(%) | 乙二醇收率(%) | 1,2-丙二醇收率(%) |
1 | 99 | 11 | 33 |
3 | 34 | 3 | 7 |
4 | 58 | 7 | 18 |
6 | 53 | 5 | 14 |
7 | 80 | 8 | 25 |
9 | 53 | 4 | 11 |
10 | 49 | 4 | 13 |
11 | 85 | 9 | 29 |
实施例6山梨醇在不同反应条件下的催化裂解反应
30%山梨醇水溶液200g和10g催化剂1转移到高压反应釜中。置换空气3-5次后,加热到指定温度,然后充入指定压力的氢气,其他过程同实施例5。结果见表5。
表5
催化剂用量(%) | 反应浓度(wt%) | 反应压力(MPa) | 反应温度(℃) | 反应时间(h) | 转化率(%) | 乙二醇收率(%) | 1,2-丙二醇收率(%) |
3 | 15 | 3 | 200 | 6 | 87 | 10 | 28 |
7 | 15 | 5 | 220 | 8 | 99 | 7 | 22 |
3 | 30 | 3 | 150 | 8 | 59 | 6 | 19 |
5 | 30 | 4 | 180 | 8 | 84 | 9 | 27 |
8 | 30 | 5 | 200 | 6 | 99 | 11 | 33 |
10 | 30 | 6 | 220 | 4 | 99 | 8 | 25 |
10 | 30 | 7 | 250 | 4 | 99 | 6 | 21 |
8 | 50 | 5 | 180 | 4 | 58 | 6 | 19 |
10 | 50 | 6 | 200 | 8 | 73 | 9 | 24 |
8 | 80 | 5 | 200 | 8 | 52 | 7 | 18 |
实施例7甘露醇的催化裂解反应
200g 15%甘露醇水溶液和10g催化剂转移到高压反应釜中。置换空气3-5次后,加热到指定温度,然后充入指定压力的氢气,快速搅拌,反应开始。反应6小时后,停止搅拌,降温到室温,卸掉氢气。取样分析。甘露醇的定量通过高效液相色谱分析,乙二醇和丙二醇的定量通过气相色谱分析,结果见表6。
表6
催化剂编号 | 反应压力(MPa) | 反应温度(℃) | 转化率(%) | 乙二醇收率(%) | 1,2-丙二醇收率(%) |
2 | 3 | 150 | 33 | 3 | 11 |
5 | 4 | 180 | 90 | 9 | 19 |
7 | 5 | 200 | 85 | 10 | 19 |
9 | 5 | 220 | 90 | 7 | 12 |
11 | 6 | 200 | 95 | 11 | 21 |
实施例8葡萄糖的加氢转化
200g 30%葡萄糖水溶液和10g催化剂转移到高压反应釜中。反应条件为温度为200℃,氢气压力为5MPa,反应6小时。葡萄糖和高分子产物的定量通过高效液相色谱分析,乙二醇和丙二醇的定量通过气相色谱分析,结果见表7。
表7
催化剂编号 | 转化率(%) | 乙二醇收率(%) | 1,2-丙二醇收率(%) |
1 | 97 | 11 | 25 |
4 | 62 | 7 | 19 |
6 | 65 | 5 | 14 |
8 | 70 | 9 | 27 |
11 | 96 | 10 | 29 |
实施例9果糖的加氢转化
200g 30%果糖水溶液和10g催化剂转移到高压反应釜中。反应条件为温度为200℃,氢气压力为5MPa,反应6小时。果糖和高分子产物的定量通过高效液相色谱分析,乙二醇和丙二醇的定量通过气相色谱分析,结果见表8。
表8
催化剂编号 | 转化率(%) | 乙二醇收率(%) | 1,2-丙二醇收率(%) |
1 | 97 | 13 | 29 |
4 | 63 | 7 | 22 |
7 | 96 | 13 | 30 |
8 | 71 | 9 | 27 |
9 | 43 | 6 | 13 |
实施例10木糖的加氢转化
200g 30%木糖水溶液和10g催化剂转移到高压反应釜中。反应条件为温度为200℃,氢气压力为5MPa,反应6小时。木糖和高分子产物的定量通过高效液相色谱分析,乙二醇和丙二醇的定量通过气相色谱分析,结果见表9。
表9
催化剂编号 | 转化率(%) | 乙二醇收率(%) | 1,2-丙二醇收率(%) |
1 | 98 | 23 | 36 |
2 | 32 | 6 | 9 |
5 | 75 | 24 | 36 |
9 | 54 | 10 | 19 |
11 | 85 | 21 | 33 |
Claims (10)
1.一种糖及糖醇的催化裂解方法,其特征在于:在Ni基催化剂的作用下,糖及糖醇的水溶液加氢裂解生成碳三或碳三以下的低碳醇;反应温度为150-300℃,反应氢气压力为2.0-20.0MPa,反应时间为3-20小时。
2.按照权利要求1所述的方法,其特征在于:所述的糖及糖醇为生物质来源的糖和糖醇,其可以为葡萄糖、果糖、木糖、山梨醇、甘露醇和/或木糖醇的水溶液,糖或糖醇的浓度为1.0%-99wt%,所述低碳醇为C2和/或C3的低碳醇。
3.按照权利要求2所述的方法,其特征在于:糖或糖醇的浓度为10-80%,所述低碳醇为乙二醇和/或1,2-丙二醇。
4.按照权利要求2所述的方法,其特征在于:糖或糖醇的浓度为10-50%。
5.按照权利要求1所述的方法,其特征在于:所述催化剂由活性组分、助剂和载体组成,采用负载方法制备,主要活性组分为Ni化合物,以金属Ni计,含量为催化剂质量的1-30%;助剂为Mo、Sn、Mg、Zn、Ce、Cu、Al、Zr的一种或一种以上,加入量为催化剂质量的0.1%-15.0%;催化剂的载体为分子筛或活性炭。
6.按照权利要求5所述的方法,其特征在于:以金属Ni计,催化剂活性组分的质量含量为5-20%;所述助剂加入量为催化剂质量的0.2-8.0%。
7.按照权利要求5所述的方法,其特征在于:所述分子筛为A型分子筛、X型分子筛、Y型分子筛、β-分子筛、ZSM-5、MCM-41、SBA-15分子筛。
8.按照权利要求5所述的方法,其特征在于:所述催化剂采用浸渍法制备,将活性组分和助剂的可溶性盐溶液负载在载体上,干燥后,在氮气保护下经过200-600℃下进行焙烧处理,之后对催化剂还原。
9.按照权利要求1所述的方法,其特征在于:催化剂的用量为反应体系质量的1-15%;反应温度为180-250℃;反应压力为3.0-7.0MPa;反应时间为5-10小时。
10.按照权利要求1所述的方法,其特征在于:催化剂的用量为反应体系质量的3-10%。
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