化工系骞伟中-崔超婕课题组，近期利用公斤级Ga/P/ZSM-5催化剂，报道了三段变温流化床强化戊烷制备芳烃技术。课题组证明，在流化床轴向不同位置，设置不同温度，分别进行戊烷的芳构化；液化气的芳构化以及烯烃与芳烃的烷基化过程。可以有效打破单一温度下戊烷转化的热力学平衡限制，同时也可以避免催化剂始终处于单一高温条件下的易失活问题以及避免单一低温条件下的低效问题。该项研究是该课题组在高水分压气氛下利用多段流化床强化甲醇制芳烃（放热反应）过程的基础上，首次在高氢分压下利用多段流化床强化戊烷制芳烃（吸热反应）的又一显著进展，为实现低值化工原料高值化的“工程与工艺”结合的强化理念，提供了新的案例。
碳五低值烷烃常是石油炼化过程中的副产物，由于沸点关系，既不太适于乙烯裂解料，又不太适于汽油填加。多年来在庞大的石化转化链条中，始终没有好的利用方案。最近随着清洁煤化工产业（如煤制烯烃，煤制油等）的发展，副产的碳五组分也面临相应的问题。据不完全统计，全国约有几千万吨这样的碳五资源，急需要提值转化方案。而三烯、三苯是最重要的石油化工平台化合物，是利用化石原料制备高端化工材料的基础。骞伟中课题组针对该反应受单一温度下热力学平衡限制、临氢气氛下易发生氢转移副反应而损失收率的弊端、以及高温下催化剂结构不稳定的三重挑战，提出三段流化床变温转化戊烷的思路。首先在流化床底部475 oC下使戊烷完全转化，生成芳烃及C1-C4轻烃组分；接着在流化床中部550oC下强化转化液化石油气（丙烷和丁烷为主），继续生成芳烃，烯烃与C1-C2烷烃等的平衡组成；最后在流化床顶部310 oC下将副产的烯烃通过与苯/甲苯的烷基化反应，全部转化为芳烃。基于公斤级催化剂，将芳烃收率（烃基）处首次提高到了65%-75%。 不同段的氢气成分监测说明，中间段高温转化液化气成分时，氢气收率显著提升。且氢气收率在上段不下降，证明了上段的低温转化可显著抑制氢转移副反应。连续100小时热态反应结果证明了该技术的可靠性。该技术既显著提高了单程芳烃收率，又将气相烯烃接近完全转化，可有效降低后续同碳数烯烃/烷烃的分离能耗。相关成果为碳中和时代，低值烃类的高值化利用提供了可行方案，可以服务于石化过程与煤化工过程的提值增效与工业深度减碳目的。该成果以“三段变温流化床中戊烷连串芳构化”（Tandem aromatization of pentane with temperature shifting three-stage fluidized bed reactor）为题发表在《燃料》（Fuel）。
三段变温流化床戊烷连串芳构化的示意图与转化效果
清华大学化工系2020级博士生王宏梅为论文第一作者，骞伟中教授和崔超婕助理研究员为论文通讯作者，其他作者包括：化工系魏飞教授、工程师于翔和汪剑。该研究得到国家重点研发计划课题资助。
论文链接：
Fuel, 334(2023)126850, https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.126850
相关论文链接：
Chemical Engineering Journal, 2019, https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.04.024
Chemical Engineering Science, 2019, https://doi.org/10.1016/j.ces.2019.04.013
