史晓飞，郑雅文，常艳兵

乙烷催化氧化脱氢制乙烯研究进展

史晓飞，郑雅文，常艳兵

（中国石油工程建设有限公司西南分公司，四川 成都 610041）

乙烯是一种重要的有机化工原料，它是衡量一个国家化学工业发展水平的指标之一。目前，乙烯生产方法有很多，其中乙烷氧化催化脱氢法过程简单，但反应温度高，能耗高。讨论乙烷氧化脱氢催化剂的研究进展，展望了发展前景。

乙烷制乙烯；氧化脱氢；催化反应

乙烷氧化脱氢工艺是20世纪70年代发展起来的，反应为放热过程，即使在低温下，它也有很高的转化率。该工艺反应条件温和，设备投资少，运行成本低。然而，这种方法容易发生副反应，如深度氧化和氧分子插入，因此乙烯选择性低，无法投入工业生产。

催化氧化脱氢反应为放热过程，将氧化剂以较低的温度和吉布斯自由能引入反应体系，以达到较高的平衡转化率。根据实际操作过程中温度的不同，催化氧化脱氢反应又可以具体分为低温的催化反应以及高温的催化反应，其中低温乙烷催化氧化脱氢反应是一种典型的非均相表面反应，包括典型的氧化还原循环，在催化剂的活性中心，遵循氧化还原机理，高含氧的氧化物在反应的过程中与材料表面的晶格氧进行互相作用，进而完成氧化反应，得到目标产物，随后晶格氧反应的过程中金属氧化物也会得到还原，再氧化循环是通过将低值金属氧化物再氧化到初始高值状态来补充晶格氧。乙烷在高温下的催化脱氢一般被认为是乙烷与多相催化剂之间的自由乙基反应，而自由基的反应则是由催化剂形成的烯烃气相的分离。该方法取代了传统的氧化还原催化剂，实现了C—H键的杂化。

众所周知，乙烷催化氧化这一过程对后期的乙烯制备以及多种化学元素的生成都有着非常强大的推进作用，所以在进行乙烷催化氧化过程中，首先要从乙烷的自身分子条件进行入手，通过研究催化剂的形式和催化剂生产过程来进行投入生产。本文除了分析了乙烷催化氧化脱氢制乙烯的研究进展之外，还根据现在的多种催化剂存在的温度问题和催化剂的环境问题进行研究，使催化剂能够具备更加好的催化效果，同时在进行催化的时候催化剂的效率以及催化剂本身的成本得到控制，提升催化剂的性价比使工业上进行乙烯催化氧化的过程拥有的效率更加高，同时也会减少了对原材料的浪费，加强了企业的经济发展和生产进步。而在后续的催化剂体系分析时，也将强调外在生产体系和内在生产体系相互配合来加强生产过程催化剂的使用效率。

1 催化剂

1.1 MoV体系

根据催化剂的作用机理，乙烷氧化脱氢催化剂的主要功能是激活活性碳氢化合物分子，激活稳定的乙烷分子，然后通过亲核作用插入催化剂的晶格氧。活性氧（ROS）形成气态氧，是有机分子的一部分，具有很强的电性能和最高的攻击电子密度。乙烷氧化脱氢催化剂主要是丙烷丁烷选择性氧化反应的延伸。过渡金属化合物，由于它们的空电子轨道很容易接受电子对作为中间体，使它们在正向更稳定。该催化剂具有比表面积大、耐热性高、成本低、制备方便等优点。因此，过渡金属化合物是很好的催化剂，金属化合物的过渡态已经逐渐成为研究热点，许多学者对该反应过程中催化剂的制备进行了更为深入的实验与研究。为了提高介孔材料的催化性能，学者们进行了许多尝试，包括在载体上制备多孔材料，通过添加催化剂来增加多孔材料在多通道中的接触面积。SOLSONA等采用多孔氧化铝和混合氧化物进行了化学浸渍加载实验。结果表明，负载型多孔氧化铝催化剂具有较高的催化活性。除此之外，载体上承载的催化剂如何制备也会影响到催化剂活性。氧化镍是一种化学计量氧，它是P型半导体与O2氧化反应的典型催化剂，在乙烷氧化脱氢反应中具有良好的催化效果。近年来，溶胶凝胶法制备的纳米氧化镍催化剂具有良好的乙烷低温氧化脱氢性能。两种催化剂对CO2具有良好的化学吸附和活化作用，并参与了催化剂晶格中氧的化学反应。

1.2 碱金属和贵金属类催化剂

碱性金属氧化物由于其强碱性，在甲烷氧化偶联反应中已广泛应用。目前，稀土元素的应用已扩展到科学技术的各个方面，尤其是在高效催化剂的开发和应用方面。碱金属、碱土金属和稀土金属催化剂可以有效地结合乙烷，高温下获得高的转化率和乙烯选择性。

1.3 利用外在技术进行辅助生产

而不管什么体系下的催化剂生产模式都很难规避许多外在的环境风险，所以在利用外在技术辅助生产是保证催化剂生产的一个重要指标。而在利用外在体系服务生产时，首先就要利用信息化技术，它是可以依靠分析催化剂模式和催化剂使用过程来进行生产的一种技术，它可以根据催化剂的使用温度和最佳环境条件来进行自我调整，从而实现催化剂内部环境的自我控制。这种方式不但可以减少当下催化剂环境监控所消耗的人力资源，还可以提升催化剂监控的效率。但在进行这一过程时，也要要求生产工人拥有比较强的外在技术、控制能力和信息化技术使用能力，同时对催化剂有一定的了解。而外在技术的信息化模块框架还可以很好地对催化剂活性进行检测，确保催化剂始终保持一个比较强大的活性，以进行后续的生产，使催化剂能有一个非常强大的生产效率进行生产的各项调控。总的来说，要将外在环境与内在环境进行结合，才能够发挥出最大的催化效率。

2 结束语

碱金属、碱土金属催化剂和稀土催化剂体系具有更高的转化率和乙烯选择性；贵金属类催化剂虽然低温乙烯选择性更高，但要得到一个更高的转化率需要非常高的温度，能耗大；铬锆类催化剂转化率虽然很高，但也要求反应温度较高，锆纳米氧化镍催化剂在较低温度下实现较高的转化率，但选择性不是很理想。氧化镍催化剂在较低反应温度可以具有较高的选择性，原料也相对便宜，制备工艺简单，有一定的发展潜力，一旦成功地应用于工业化，将产生显著的经济效益。

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Research Progress in Catalytic Oxidative Dehydrogenation of Ethane to Ethylene

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（China Petroleum Engineering & Construction Corporation Southwest Company, Chengdu Sichuan 610041, China）

Ethylene is an important organic chemical raw material, it is one of the indicators to evaluate the development level of a country’s chemical industry. At present, there are many ethylene production methods. Among them,the process of ethane oxidation catalytic dehydrogenation is simple, but the reaction temperature is high and energy consumption is high. In this paper, the research progress of ethane oxidative dehydrogenation catalyst was discussed, and its development prospect was analyzed.

Ethane to ethylene; Oxidative dehydrogenation; Catalytic reaction

2020-12-31

史晓飞（1982-），男，四川省成都市人，中级， 2020年毕业于中国石油大学学校油气储运专业，研究方向：油气储运管理。

TQ221.211

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1004-0935（2021）06-0871-02