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異構化

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異構化，是指改變化合物的結構而分子量不變的過程。一般指有機化合物分子中原子或基團的位置的改變而其組成和分子量不發生變化。常在催化劑的存在下進行。 [1-2] 
化合物分子進行結構重排而其組成和分子量不發生變化的反應過程。烴類分子的結構重排主要有烷基的轉移、雙鍵的移動和碳鏈的移動。反應通常在催化劑作用下進行。
40年代以前，異構化過程主要用於生產高辛烷值汽油調合組分。40年代以後，由於對航空汽油的大量需求，由異丁烷烷基化生產高辛烷值汽油調合組分的過程迅速發展，同時廣泛開展了用三氯化鋁作催化劑（見固體酸催化劑）的正丁烷異構化研究，並實現了工業化，擴大了烷基化的原料來源。1960年，美國大西洋煉油公司將異構化過程應用於芳烴的轉換，開發了以氧化鋁或氧化鋁－氧化硅為載體的鉑催化劑的二甲苯異構化工藝過程，隨後日本三菱瓦斯化學公司又開發了用氟化氫－氟化硼作催化劑的液相二甲苯異構化過程。1976年和1978年美國莫比爾化學公司先後開發了使用新型ZSM－5分子篩催化劑的二甲苯氣相和液相異構化過程。 [3-4] 
中文名
異構化
外文名
isomerization
實    質
化合物結構變化而分子量不變
條    件
常在催化劑的存在下進行
一般表示
有機化合物原子或基團位置的改變
反應類型
氣相法和液相法

目錄

  1. 1 烴類異構化
  2. 2 反應類型
  3. 3 催化劑
  4. 4 過程條件
  5. 5 工業應用

異構化烴類異構化

烴類異構化在石油化學工業中佔有重要的地位。早在30年代，為丁烯烷基化過程提供異丁烷原料的正丁烷異構化生產裝置即已問世。它由採用腐蝕性強的酸性催化劑逐步發展為較理想的雙功能催化劑，在此基礎上又開發了直接生產高辛烷值汽油的戊烷—己烷餾分異構化過程。
60年代中期以來，由於聚酯纖維生產的飛速發展，生產聚酯的重要原料——對二甲苯的產量也迅速增加．近十年來，我國也有極快的發展。鄰二甲苯幾乎全部用於生產苯酐進而超取增塑劑和不飽和聚酯。由於工業生產的二甲苯混合物產品中各界構體相對比側與實際格要存在較大的差距，例如用途很少的間二甲苯含量是對二甲苯的一倍以上，因此國內外均建立二甲苯異構化裝置，將間二甲苯等轉化為對二甲苯並與產品分離相結合，以最大限度地生產對二甲苯。採用相似的異構化工藝也可生產均三甲苯和均四甲苯。
丁烯異構化也得到了廣泛的工業應用，它能進一步改良使烷基化過程產生的高辛烷值產品。丁烯各異構體間也可相互異構從而製取所希望的丁烯異構單體 [5]  。

異構化反應類型

主要有氣相法和液相法兩種。按工業中最有代表性的原料，又分為： [6] 
（1）烷烴的異構化，如C4、C5、C6烷烴的異構化：
烷烴異構化 烷烴異構化
（2）烯烴的異構化，如1-丁烯的異構化：
烯烴異構化 烯烴異構化
（3）芳烴的異構化，如二甲苯、乙苯的異構化：
芳烴異構化 芳烴異構化
（4）環烷烴的異構化，如甲基環戊烷的異構化：
環烷烴異構化 環烷烴異構化
（5）甲酚的異構化：
甲酚異構化 甲酚異構化

異構化催化劑

主要有下列幾類：
催化劑 催化劑
（1）弗瑞德－克來福特型催化劑，常用的有三氯化鋁-氯化氫、氟化硼-氟化氫等。這類催化劑活性高，所需反應温度低，用於液相異構化，如正丁烷異構化為異丁烷，二甲苯的異構化等。
（2）以固體酸為載體的貴金屬催化劑，如鉑-氧化鋁、鉑-分子篩、鈀-氧化鋁等。這類催化劑屬於雙功能催化劑,其中金屬組分起加氫和脱氫作用，固體酸起異構化作用。採用這類催化劑時，反應需在氫存在下進行，故也稱臨氫異構化催化劑，用於氣相異構化。烷烴、烯烴、芳烴、環烷烴的異構化也可採用。尤其是乙苯異構化為二甲苯和環烷烴的異構化只有這類催化劑有效。其優點是結焦少，使用壽命長。
（3）以固體酸為載體的非貴金屬催化劑，如鎳-分子篩等，一般也需有氫存在，用於氣相異構化,但不能使乙苯異構化成二甲苯。
（4）ZSM-5分子篩催化劑,主要用於二甲苯的氣相或液相異構化。 [7] 

異構化過程條件

異構化是可逆反應，反應常常可進行到接近平衡轉化率。由於反應熱效應很小，温度對平衡組成影響不甚顯著，但低温操作有利於減少副反應。
液相異構化反應温度一般為 90～150°C；氣相異構化反應温度則為300~500°C；氣相非臨氫異構化可在低壓（約0.3MPa）下進行，氣相臨氫異構化則需較高壓力(2.0～2.5Mpa)下進行。氫烴摩爾比為5～20:1,過量氫氣可循環使用。氣相異構化可採用固定牀反應器，液相均相異構化可用塔式反應器，非均相異構化則可用涓流牀反應器。 [1] 

異構化工業應用

石油煉製 石油煉製
在石油煉製工業中正丁烷異構化得到的異丁烷，可作為生產高辛烷值航空汽油摻合劑異辛烷的主要原料。因此，正丁烷異構化裝置常與異丁烷烷基化裝置聯合使用。
C5、C6烷烴的異構化生成的支鏈化合物，如異戊烷、異己烷等，可直接作為高辛烷值汽油的摻合劑，異構化過程也可應用於增產所需的目的產物。如C8芳烴的異構混合物在分離出對二甲苯以後，可以通過異構化反應得到具有平衡組成的C8芳烴異構混合物，然後再將對二甲苯分離出。這樣就可最大限度地得到所需的目的產物對二甲苯。又如甲苯丙烯基化生成的甲基異丙苯、氧化後得到的主要是鄰甲基苯酚，可通過異構化而轉化成用途較大（生產合成樹脂）的間甲酚。此外，在碳四餾分分離時也可採用異構化的方法。 [8-9] 
參考資料
  • 1.    梁君,王福平.烷烴加氫異構化反應[J].化學進展,2008,04:457-463.
  • 2.    汪勁松,李佳,李孝國.C_8芳烴異構化催化劑及催化技術研究進展[A].全國工業催化信息站、工業催化雜誌社.第十屆全國工業催化技術及應用年會論文集[C].全國工業催化信息站、工業催化雜誌社:,2013:4.
  • 3.    李慶龍,王志偉,華煒,姜洪濤.輕質烷烴異構化研究進展[A].全國工業催化信息站、工業催化雜誌社.第十屆全國工業催化技術及應用年會論文集[C].全國工業催化信息站、工業催化雜誌社:,2013:5.
  • 4.    袁嵐,錢曉磊.新型正丁烷異構化催化劑的研究進展[A].全國工業催化信息站、工業催化雜誌社.第十一屆全國工業催化技術及應用年會論文集[C].全國工業催化信息站、工業催化雜誌社:,2014:4.
  • 5.    李承烈. 烴類異構化[M]. 中國石化出版社, 1992.
  • 6.    靳麗麗,王新苗,孟祥斌.SAPO-11分子篩上長鏈烷烴異構化研究進展[A].全國工業催化信息站、工業催化雜誌社.第九屆全國工業催化技術及應用年會論文集[C].全國工業催化信息站、工業催化雜誌社:,2012:4.
  • 7.    鄒豔.正丁烷異構化的反應機理和催化劑製備研究[D].復旦大學,2006.
  • 8.    盧洪祥. 二甲苯異構化過程的優化及仿真研究[D].華東理工大學,2014.
  • 9.    寧明才. 二甲苯異構化催化劑性能改進及成型條件研究[D].北京化工大學,2013.