2025年5月發(fā)表于《RSC Advances》的文獻《Kinetic study on the hydrogenation of dimethyl succinate to g-butyrolactone》,對琥珀酸二甲酯（DMS）加氫制 γ- 丁內酯（GBL）的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了深入探討。歐世盛公司為該研究提供了設備支持：EMC系列催化劑評價(jià)裝置。

思維導圖

摘要

琥珀酸二甲酯（DMS）加氫制 γ- 丁內酯（GBL）在生產(chǎn)醫藥、農藥和電池電解液等高附加值化學(xué)品中至關(guān)重要。本研究采用自主研發(fā)的銅基催化劑和微型固定床反應器，系統考察了溫度、壓力、氫酯比對反應性能的影響?；趯?shí)驗數據建立了本征動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)標準回歸方法確定了反應速率常數和活化能。該模型與觀(guān)測數據吻合良好，為反應動(dòng)力學(xué)提供了見(jiàn)解。通過(guò)實(shí)驗數據驗證表明，該模型在各種條件下均有較好的一致性。敏感性分析證實(shí)了模型的穩健性，使其可用于工藝優(yōu)化。這種動(dòng)力學(xué)分析為提高工業(yè) GBL 生產(chǎn)的效率和成本效益提供了見(jiàn)解，旨在提高整體工藝的產(chǎn)率和效率。

論文要點(diǎn)

研究背景與意義突出：GBL 作為重要化工中間體應用廣泛，傳統生產(chǎn)方法存在局限，而 DMS 加氫制 GBL 有優(yōu)勢，且低壓下本征動(dòng)力學(xué)研究匱乏，凸顯本研究的必要性。

實(shí)驗設計全面：詳細介紹了實(shí)驗材料、催化劑、裝置及產(chǎn)物分析方法，通過(guò)預實(shí)驗確定了動(dòng)力學(xué)實(shí)驗的條件范圍，為后續研究奠定基礎。

動(dòng)力學(xué)模型構建嚴謹：基于反應路徑假設，推導了本征動(dòng)力學(xué)模型，經(jīng)內外擴散消除實(shí)驗確保數據可靠，參數擬合及模型驗證結果表明模型適用性強。

研究方法

材料準備：使用純度為 99% 的琥珀酸二甲酯（DMS），99.999% 的氫氣，以及甲醇、γ- 丁內酯等色譜純試劑。

催化劑選用與表征：采用金屬組成為 Cu、Zn 和 Al 的 CuZnAl 催化劑，對其晶相結構、織構性質(zhì)等進(jìn)行系統表征。

實(shí)驗裝置與流程：運用微型固定床加氫裝置，將催化劑與石英砂混合裝填，控制氫氣通入和 DMS 輸送，維持反應壓力，對產(chǎn)物進(jìn)行冷凝收集。

產(chǎn)物分析：采用配備特定毛細管柱的安捷倫 8860 氣相色譜儀，通過(guò)面積歸一化法，在設定的溫度程序下對反應物和產(chǎn)物進(jìn)行定量分析。

預實(shí)驗：在DMS的加氫過(guò)程中，壓力、溫度以及氫/酯比對轉化率和產(chǎn)物分布有著(zhù)顯著(zhù)的影響。動(dòng)力學(xué)研究在大于210℃，低于1.6 MPa，氫/酯比小于100的條件下進(jìn)行。

動(dòng)力學(xué)研究：通過(guò)選擇粒徑大于20目的催化劑消除內擴散，提高供料速度（線(xiàn)速度大于18.97 × 10?2 m s?1）消除外擴散?；谙聢D所示的加氫路徑和Langmuir–Hinshelwood模型來(lái)描述反應物、產(chǎn)物以及氫的吸附與解吸過(guò)程，基于Hougen–Watson模型提出了反應機制，在該機制中氫進(jìn)行解離吸附。

參數擬合和模型驗證：在適度提高溫度的情況下，BDO（1,4-丁二醇）脫氫的逆反應更容易進(jìn)行，從而有利于增加或提高 GBL 的產(chǎn)量并實(shí)現其選擇性生產(chǎn)。大于0.9的決定系數說(shuō)明開(kāi)發(fā)的模型與實(shí)驗數據吻合。

結論

本研究對銅基催化劑上琥珀酸二甲酯（DMS）加氫制 γ- 丁內酯（GBL）進(jìn)行了詳細的動(dòng)力學(xué)分析。所建立的本征動(dòng)力學(xué)模型為反應機理提供了重要見(jiàn)解，并為工藝優(yōu)化提供了關(guān)鍵參數。該研究確定了影響 DMS 轉化率和 GBL 選擇性的關(guān)鍵因素，包括溫度、壓力和氫酯比，并對這些因素進(jìn)行了系統研究，以建立可靠的動(dòng)力學(xué)模型。所建立的模型與實(shí)驗數據吻合良好，表明其穩健性和在工藝設計中的適用性。

研究結果提出了 GBL 產(chǎn)率的最佳反應條件，為工業(yè)規模生產(chǎn)提供了實(shí)用指南。未來(lái)的研究應關(guān)注更廣泛的催化劑范圍、多相反應環(huán)境、長(cháng)期穩定性和先進(jìn)的分析方法，以進(jìn)一步驗證和擴展該動(dòng)力學(xué)模型?？傮w而言，本研究通過(guò)提供詳細的動(dòng)力學(xué)理解和高效生產(chǎn) γ- 丁內酯的實(shí)用見(jiàn)解，為催化加氫領(lǐng)域做出了貢獻。所推導的動(dòng)力學(xué)參數和模型可為工業(yè)反應器的設計和優(yōu)化提供有價(jià)值的參考，最終提高 GBL 生產(chǎn)的效率和成本效益。

重要圖表

預實(shí)驗結果圖表：溫度、壓力、氫酯比等因素對 DMS 加氫反應影響的相關(guān)圖表（圖 2、圖 3、圖 4 ），直觀(guān)呈現各因素與 DMS 轉化率、GBL 選擇性等指標的關(guān)系，有助于理解關(guān)鍵反應條件，為后續動(dòng)力學(xué)模型構建提供依據。

動(dòng)力學(xué)模型擬合圖表：實(shí)驗數據與動(dòng)力學(xué)模型擬合得到的圖表 。實(shí)驗數據與動(dòng)力學(xué)模型擬合得到的圖表，如不同溫度下 DMS 加氫轉化率和選擇性的實(shí)驗值與擬合值對比圖（圖 7） ，可直觀(guān)判斷模型與實(shí)驗數據的吻合程度，評估模型可靠性。

模型驗證圖表：DMS 轉化率和 GBL 選擇性的計算值與實(shí)驗值比較圖（圖 8、圖 9 ），以及統計驗證結果表格（表 4）。這些圖表呈現模型計算值與實(shí)驗值的差異，結合統計指標（如決定系數 R2、統計 F 值）判斷模型對實(shí)驗數據的表征能力。

歐世盛催化劑評價(jià)裝置

歐世盛EMC系列智能催化設備以其性能和創(chuàng )新的設計，為催化劑研發(fā)/篩選/評價(jià)領(lǐng)域帶來(lái)了新的技術(shù)手段，不僅大幅提高了催化劑評價(jià)的效率和準確性，還為科研人員提供了更加靈活和智能化的實(shí)驗解決方案。如下表所示，通過(guò)與傳統固定床設備的多維度對比，智能催化設備的優(yōu)勢得以充分體現。

參考文獻

DOI: 10.1039/d5ra01226k