木质素定向合成航空煤油环烷烃和芳烃组分研究

【类型】学位论文

【作者】毕培燕 

【关键词】 木质素 航空煤油 C₈,C₁₅环烷烃 烷基化 加氢 生物焦油 电流增强催化转化,C₁₅芳烃 C₈

【摘要】鉴于能源和环境的压力,利用可再生资源-生物质获取碳氢发动机燃料和高值化学品受到全球广泛的关注,成为能源化工领域的热点研究课题之一。针对木质素定向合成航空液体燃料中环烷烃和芳烃组分的科技难题,本论文首次提出并实现了“木质素催化热解制C6-C8低碳芳烃→低碳芳烃低温可控烷基化合成煤油范围的C8-C15芳烃→C8-C15芳烃加氢饱和合成C8-C15环烷烃”的新方法。重点研究了木质素定向合成C8-C15芳烃和C8-C15环烷烃催化过程中基本规律,结合产物分析和催化剂表征,初步研究了C8-C15芳烃和C8-C15环烷烃合成机理,主要创新结果如下：1.木质素催化热解制G-C8低碳芳烃研究木质素是由苯丙烷单元构造形成的三维无定型网状聚合体,化学组分中包含大量的氧元素,因此,解聚和脱氧是木质素利用的首要步骤。本论文选取HZSM-5(25)分子筛催化剂,研究了木质素催化热解制C6-C8低碳芳烃的催化解聚过程及其基本规律；在优化反应条件下,获得的C6-C8低碳芳烃选择性达到78.9C-mol%,总的芳香碳氢物产率为37.9C-mol%。2.低碳芳烃低温可控烷基化合成煤油范围的C8-C15芳烃研究航空煤油主要包括链烷烃、环烷烃和芳烃三大组分,其典型的碳数范围为C8-C15,因此有必要对上述C6-C8低碳芳烃进行碳数调控。本论文选取具有Br(?)nsted酸(B酸)和Lewis酸(L酸)的[bmim]Cl-2AlCl3离子液体为催化剂,以参照生物油催化裂解获得的低碳烯烃混合气为烷基化试剂,研究了低碳芳烃烷基化合成C8-C15芳烃的催化过程、基本规律。发现芳烃烷基化可在20-80℃低温常压条件下进行,特别是通过温度和反应时间的控制可有效方便地调节产物中碳数分布。在最佳烷基化条件(反应温度：60℃、烷基化时间：60min)下,可获得以C8-C15为主的芳香烃目标产物,其C8-C15芳香烃重量产率和选择性分别达到79.1wt%和85.7C-mol%,按木质素原料计算C8-C15芳烃的产率为0.173kg芳烃/(kg木质素)。合成的芳香烃基本满足常用航空燃料的主要技术要求。3.G8-G5芳烃加氢饱和合成G-C,5环烷烃研究为了制备航空煤油中环烷烃组分,进一步,将木质素合成的C8-C15芳烃通过加氢转化为环烷烃,在温度180℃、氢压5MPa、5%Pd/AC催化剂作用下,C8-C15芳香烃可完全加氢饱和形成C8-C15环烷烃,加氢反应后的碳数分布未发生明显变化。目标产物C8-C15环烷烃重量产率和选择性分别达到79.9wt%和86.7C-mol%,合成的C8-C15环烷烃产率达到0.175kg环烷烃/(kg木质素)。实验结果表明,所得到环烷烃同样基本满足常用航空燃料的主要技术要求。4.电流增强的生物焦油催化转化制取芳香烃研究为了综合利用生物质热转化过程形成的副产物-生物焦油,本文研究了电流增强的生物焦油转化制备芳香烃的催化过程、规律和机理。结果表明,选取HZSM-5(25)分子筛催化剂,在实验温度为400℃、电流为4A、载气流速为200ml/min的优化条件下,获得的芳烃重量产率和碳产率分别为25.1wt.%和36.0C-mol%。同时利用模型化合物(如苯甲醚、苯酚等),结合时间飞行质谱分析手段,进一步研究了上述催化过程的反应机理。结果显示通入电流在热电子与催化剂的协同作用下,电流增强的催化转化能使苯甲醚及苯酚更有效的脱除含氧基团。

【学位名称】博士

【学位授予单位】中国科学技术大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】李全新

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