固定床反應器中乙醇制混合烴工藝過程探析

周巖磊　肖翔

摘 要：乙醇制備乙烯，烷基苯等等基本化學品是補充或替代化石能源的一條有效途徑。本工作研究了ZSM-5作為催化劑，在固定床管式反應器中將乙醇轉化為氣相輕烴和液相混合烴過程，考察了反應溫度、質(zhì)量空速和反應壓力對液相烴收率的影響，以及反應溫度對催化劑使用壽命的影響。實驗表明：在反應溫度、質(zhì)量空速和反應壓力的相應條件下，乙醇轉化為氣相輕烴、液相烴和水的收率分別是38.10%、22.60%、39%；氣相輕烴的主要成分是乙烯，含量92.30%，液相混合烴由20.74%的烷烴，72.09%的烷基芳烴和4.99%的烷基萘組成。在八小時的連續(xù)反應中催化劑的性能沒有明顯的下降。

關鍵詞：乙醇；液相烴；氣相輕烴

隨著時代的不斷發(fā)展，我國的工藝水平得到了有效的發(fā)展，現(xiàn)階段，ZSM-5催化下轉化為烴類化合物的研究受到了人們的廣泛關注。乙醇轉化為液相烴和氣相烴之后，通過分離能夠得到很多種不同的化工產(chǎn)品，這是一種補充或者替代化石能源的有效途徑。乙醇中沒有含硫元素，轉化工藝中也不需要脫硫就能夠得到無硫油品和化工產(chǎn)品，符合綠色環(huán)保的理念。本文在實驗的基礎上，通過沒有改性硅鋁比為25的ZSM-5催化劑，在固定場微分反應實驗裝置中，在氮氣載帶和加壓的條件下，對乙醇制液相混合烴的過程進行詳細研究，考察反應溫度、催化劑用量和反應壓力對液相烴收率和催化劑使用壽命的影響，從而獲得最優(yōu)質(zhì)的反應條件，確定主要的影響因素，便于在研究的過程當中實現(xiàn)液相烴收率的途徑。開展乙醇轉化為液相混合烴的工藝研究。

1 實驗部分

反應在固定床微分反應實驗裝置中進行。反應器直徑為20mm，長度600mm，中間段有催化劑支撐架，條形ZSM-5催化劑放置在支撐架上，催化劑裝填量4-14g，反應器采用不同的電加熱，加熱溫度是可控的，催化劑床層裝熱電偶溫度計，用于測量反應溫度。氣體他倆、進氣速率、液相進料速率、加熱溫度都可以通過控制儀表進行設定和調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)自動采集。

原料乙醇通過計量泵調(diào)節(jié)流量之后通過預熱器氣化之后，進入反應器上段升溫，達到設定溫度之后放置催化劑的中段發(fā)生反應，反應產(chǎn)物通過冷凝之后進入氣液分離灌，分離氣相和液相產(chǎn)物。通過氣相色譜法分析產(chǎn)物的成分。反應器的壓力通過調(diào)節(jié)載氣壓力和控制反應產(chǎn)物的出口壓力來實現(xiàn)。乙醇進料之后，觀察進料速率、反應器催化段溫度和壓力，等乙醇進入催化劑反應段之后，每隔一個小時在汽液分離下部液相出口處取一次樣品，取樣的時候是一小時末，將液相產(chǎn)物全部去除，在分液漏斗中將水和油進行分離，分別稱量水和油相質(zhì)量，計算水和油箱的收率。

2 結果與分析

2.1 產(chǎn)物分布

在催化劑裝填量10g，液相進料速率為90ml/h，質(zhì)量空速為7.10h，氮氣作為載氣，進氣速率3L/h，反應壓力為2.50MPa，反應溫度為390攝氏度的時候，連續(xù)反應時間為八小時，乙醇轉換率為100%，反應產(chǎn)物中液相烴，氣相烴和水的質(zhì)量分率分別為22.60%、38.40%和39.00%。

2.2 溫度對液相烴收率的影響

不同反應溫度下的液相烴收率變化，溫度對出滑稽催化乙醇產(chǎn)液相烴活性的影響。在350攝氏度的時候，一個小時的液相烴收率能夠達到22.6%，但是在兩個小時之后，出現(xiàn)活性下降的趨勢，三小時催化劑就會失去活性。360攝氏度的時候液相烴收率是最高的，為23.85%，但是在五個小時之后催化劑就會失去活性，370攝氏度的時候液相烴收率坐高為21.65%，催化劑在六個小時之后失活。所以，當溫度適當?shù)纳哂欣谔挤肿訌目椎纼?nèi)溢出，縮短在孔道內(nèi)的停留時間。

2.3 質(zhì)量空速對液相烴收率的影響

在實驗的條件下，隨著質(zhì)量空速的降低，液相烴的收率急劇增加。當質(zhì)量空速降低到8.88h以下之后，收率增幅就會變得非常的緩慢，并且這個時間段也是曲線的拐點，5.07h質(zhì)量空速的時候收率達到了26.68%，鑒于催化劑成本較高，質(zhì)量空速以7.01h為適當，液相烴收率為25.4%。

2.4 反應壓力對液相烴產(chǎn)率的影響

在實驗的條件下，反應壓力對液相烴收率的影響并不顯著，收率隨著壓力的變化而變化。壓力不是影響液相烴收率的主要因素。常壓下反應的時候，在乙醇進料質(zhì)量空速為23.67h的條件下，不同氮氣載帶的時候，液相烴最高收率為17.7%，所以反應壓力不應該過高，不然設備和操作成本就會增加。實驗中氮氣作為載氣給反應器加壓，主要的目的就是想要提高乙醇進入催化劑孔道的擴散速率，同時能夠盡快帶走反應產(chǎn)物。同時起到稀釋反應濃度的作用，減緩催化劑積碳，延長催化劑使用壽命。

3 結束語

乙醇在催化下轉化為氣相烴、液相烴和水，在溫度350-400攝氏度之間，乙醇轉化率達到了百分之百，乙醇在390攝氏度的時候，液相烴、氣相烴和水收率分別為22.60%，38.40%和39%，液相烴的主要成分是20.74%的側鏈烷烴，72.09%的烷基芳烴和4.99%的烷基萘。在實驗的條件下，反應溫度對液相烴收率影響并不顯著，但是對催化劑的活性和使用壽命的影響非常的大。反應壓力對液相烴收率影響并不明顯，但是氮氣載帶能夠減緩催化劑積炭，延長催化劑使用壽命。

參考文獻：

[1]張俊旺，汪灃，楊利敏，常彥龍.固定床反應器中乙醇制混合烴工藝過程考察[J].化學反應工程與工藝，2016， 32（01）：15-21.