[實用新型]一種5-羥甲基糠醛在質子交換膜反應器中電催化加氫制備二甲基呋喃的系統

有效

• 申請號: 201820562732.3
• 申請日: 2018-04-19
• 公開（公告）號: CN208414569U
• 公開（公告）日: 2019-01-22
• 發明（設計）人: 閆巍;張暢;余智勇;張歡;張碧航
• 申請（專利權）人: 中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司
• 主分類號: C25B3/00
• 分類號: C25B3/00;C25B13/02;C25B9/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 段俊濤

本實用新型公開了一種5?羥甲基糠醛在質子交換膜反應器中電催化加氫制備二甲基呋喃的系統，包括第一質子交換膜PEM反應器，第二質子交換膜PEM反應器，HMF儲罐，三個分離器，DMF收集罐，電控系統及配套設備；本系統采用PEM反應器作為HMF電催化加氫為DMF的反應器，陽極電解水產生質子，電子和氧氣；質子通過PEM到達陰極；在陰極，HMF通過結合從陽極電解水產生的質子被電化學還原為DMF；該系統可以在室溫和大氣壓下，無外部氫氣供應的條件下制備二甲基呋喃；與傳統DMF制備系統相比，本系統能耗低，成本低，產率高，有很高的實用性和很好的工業化前景。

技術領域

本實用新型屬于生物質催化轉化和化學工程領域，具體涉及一種5-羥甲基糠醛在質子交換膜反應器中電催化加氫制備二甲基呋喃的系統，本實用新型可以在低耗能、低成本的情況下實現高產率制備二甲基呋喃。

背景技術

隨著人類社會對于化石能源的大量消耗，開發新的可再生替代能源成為當務之急。作為生物光合作用的產物，生物質具有來源廣泛，價格便宜并且綠色環保的特點，獲得了廣泛的關注。5-羥甲基糠醛(HMF)是一種非常有價值的木質纖維素生物質衍生物，其氫解產物二甲基呋喃(DMF)是一種優良的生物質燃料，其能量密度比乙醇高40％，與汽油相當。DMF不溶于水，但易溶于汽油，具有較高的沸點(92℃～94℃)，這使得它便于儲存和運輸。因此，DMF是一種很有潛力的石油和燃料乙醇替代品。

傳統的HMF制備DMF方法需要很高的反應溫度(>250℃)，很高的壓力(50～200bars)，巨大的氫氣供應量以及至少三個反應器(分別對應脫水，加氫和醇醛縮合三個反應)。傳統的DMF制備方法耗能高從而導致生產成本高，這是用HMF大規模制備DMF的主要障礙。

發明內容

本實用新型所要解決的問題是克服現有HMF制備DMF技術中高耗能、高成本的缺點，提供一種5-羥甲基糠醛在質子交換膜反應器中電催化加氫制備二甲基呋喃的系統，是一種可以在室溫和大氣壓下以及沒有外部氫氣補給的溫和條件下用HMF制備DMF的系統；本實用新型提出的系統能耗低，成本低，產率高，有很高的實用性和很好的工業化前景。

為了實現上述目的，本實用新型采用的技術解決方案為：

一種5-羥甲基糠醛在質子交換膜反應器中電催化加氫制備二甲基呋喃的系統，包括第一質子交換膜PEM反應器1，第二質子交換膜PEM反應器2，HMF儲罐3，第一分離器4，第二分離器5，第三分離器6，DMF收集罐7，電控系統8及配套設備；所述HMF儲罐3的出口連接第一質子交換膜PEM反應器1的陰極入口，去離子水管道的出口連接第一質子交換膜PEM反應器1的陽極入口，第一質子交換膜PEM反應器1的陽極出口連接第一分離器4的入口，第一分離器4的水出口連接第一質子交換膜PEM反應器1的陽極入口，第一質子交換膜PEM反應器1的陰極出口連接第二分離器5的入口，第二分離器5的氫氣出口連接第二質子交換膜PEM反應器2的陽極入口，第二分離器5的液體出口連接第二質子交換膜PEM反應器2的陰極入口，第二質子交換膜PEM反應器2的陰極出口連接第三分離器6的入口，第三分離器6的DMF出口連接DMF收集罐7。

本實用新型系統中，5-羥甲基糠醛電催化加氫制備二甲基呋喃，其反應式如下：

本實用新型系統中，以質子交換膜(PEM)電解池作為HMF電催化加氫制備DMF的反應器。制備過程中，第一質子交換膜PEM反應器1的陽極電解水產生質子，電子和氧氣。質子通過PEM到達陰極。在陰極，HMF通過結合從陽極電解水產生的質子被電化學還原為DMF。剩余的HMF和未完全反應的中間產物BHMF通過陰極產物流進入第二質子交換膜PEM反應器2，再循環反應進一步加氫獲得更高產率的DMF。在電流達到穩定狀態后，在第二質子交換膜PEM反應器2的陰極出口收集產物DMF。