[实用新型]一种5-羟甲基糠醛在质子交换膜反应器中电催化加氢制备二甲基呋喃的系统

说明书

本实用新型公开了一种5‑羟甲基糠醛在质子交换膜反应器中电催化加氢制备二甲基呋喃的系统，包括第一质子交换膜PEM反应器，第二质子交换膜PEM反应器，HMF储罐，三个分离器，DMF收集罐，电控系统及配套设备；本系统采用PEM反应器作为HMF电催化加氢为DMF的反应器，阳极电解水产生质子，电子和氧气；质子通过PEM到达阴极；在阴极，HMF通过结合从阳极电解水产生的质子被电化学还原为DMF；该系统可以在室温和大气压下，无外部氢气供应的条件下制备二甲基呋喃；与传统DMF制备系统相比，本系统能耗低，成本低，产率高，有很高的实用性和很好的工业化前景。

技术领域

本实用新型属于生物质催化转化和化学工程领域，具体涉及一种5-羟甲基糠醛在质子交换膜反应器中电催化加氢制备二甲基呋喃的系统，本实用新型可以在低耗能、低成本的情况下实现高产率制备二甲基呋喃。

背景技术

随着人类社会对于化石能源的大量消耗，开发新的可再生替代能源成为当务之急。作为生物光合作用的产物，生物质具有来源广泛，价格便宜并且绿色环保的特点，获得了广泛的关注。5-羟甲基糠醛(HMF)是一种非常有价值的木质纤维素生物质衍生物，其氢解产物二甲基呋喃(DMF)是一种优良的生物质燃料，其能量密度比乙醇高40％，与汽油相当。DMF不溶于水，但易溶于汽油，具有较高的沸点(92℃～94℃)，这使得它便于储存和运输。因此，DMF是一种很有潜力的石油和燃料乙醇替代品。

传统的HMF制备DMF方法需要很高的反应温度(>250℃)，很高的压力(50～200bars)，巨大的氢气供应量以及至少三个反应器(分别对应脱水，加氢和醇醛缩合三个反应)。传统的DMF制备方法耗能高从而导致生产成本高，这是用HMF大规模制备DMF的主要障碍。

发明内容

本实用新型所要解决的问题是克服现有HMF制备DMF技术中高耗能、高成本的缺点，提供一种5-羟甲基糠醛在质子交换膜反应器中电催化加氢制备二甲基呋喃的系统，是一种可以在室温和大气压下以及没有外部氢气补给的温和条件下用HMF制备DMF的系统；本实用新型提出的系统能耗低，成本低，产率高，有很高的实用性和很好的工业化前景。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术解决方案为：

一种5-羟甲基糠醛在质子交换膜反应器中电催化加氢制备二甲基呋喃的系统，包括第一质子交换膜PEM反应器1，第二质子交换膜PEM反应器2，HMF储罐3，第一分离器4，第二分离器5，第三分离器6，DMF收集罐7，电控系统8及配套设备；所述HMF储罐3的出口连接第一质子交换膜PEM反应器1的阴极入口，去离子水管道的出口连接第一质子交换膜PEM反应器1的阳极入口，第一质子交换膜PEM反应器1的阳极出口连接第一分离器4的入口，第一分离器4的水出口连接第一质子交换膜PEM反应器1的阳极入口，第一质子交换膜PEM反应器1的阴极出口连接第二分离器5的入口，第二分离器5的氢气出口连接第二质子交换膜PEM反应器2的阳极入口，第二分离器5的液体出口连接第二质子交换膜PEM反应器2的阴极入口，第二质子交换膜PEM反应器2的阴极出口连接第三分离器6的入口，第三分离器6的DMF出口连接DMF收集罐7。

本实用新型系统中，5-羟甲基糠醛电催化加氢制备二甲基呋喃，其反应式如下：

本实用新型系统中，以质子交换膜(PEM)电解池作为HMF电催化加氢制备DMF的反应器。制备过程中，第一质子交换膜PEM反应器1的阳极电解水产生质子，电子和氧气。质子通过PEM到达阴极。在阴极，HMF通过结合从阳极电解水产生的质子被电化学还原为DMF。剩余的HMF和未完全反应的中间产物BHMF通过阴极产物流进入第二质子交换膜PEM反应器2，再循环反应进一步加氢获得更高产率的DMF。在电流达到稳定状态后，在第二质子交换膜PEM反应器2的阴极出口收集产物DMF。