SKI-210催化二甲苯異構化反應的動力學研究

馮培曦，周震寰，康承琳，蓋月庭

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

對二甲苯(PX)是重要的石油化工基礎原料，工業(yè)上為了滿足PX生產(chǎn)的需求，通常采用二甲苯異構化工藝，將相對過剩的鄰二甲苯(OX)和間二甲苯(MX)轉化為PX[1]。催化劑是二甲苯異構化工藝的核心，中國石化石油化工科學研究院通過在傳統(tǒng)二甲苯異構化催化劑中引入改性組元，成功研發(fā)了SKI-210催化劑[2]。該催化劑具有活性高、選擇性好和穩(wěn)定周期長的優(yōu)點，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益[3]。反應動力學是反應器設計和工藝模擬優(yōu)化的重要依據(jù)，同時研究反應動力學也有助于加深對整個反應過程的理解[4]。

對于二甲苯異構化過程，Okada等[5]使用固定床反應器研究了在鎳離子交換的硅鋁催化劑上OX的異構化反應動力學模型，選擇基于Langmuir吸附的雙曲型動力學方程，利用初始速率法求解動力學參數(shù)。Corma等[6]使用類似的方法建立了二甲苯異構化反應整體的動力學模型。Iliyas等[7]使用提升管反應器研究了二甲苯在USY分子篩上的異構化反應動力學，并加入了歧化副反應，選用一級動力學方程，使用單一組分作為原料簡化反應網(wǎng)絡，利用非線性擬合的方法求解動力學參數(shù)。陳金仙等[8]使用固定床反應器研究了在HZSM-5分子篩上MX異構化反應的動力學，選用一級動力學模型，使用最優(yōu)化算法計算得到模型參數(shù)。

本課題利用固定床反應器研究SKI-210催化二甲苯異構化反應動力學，選擇基于Langmuir吸附的動力學模型，利用初始速率法求解模型參數(shù)，并通過得到的模型研究反應條件對二甲苯異構化反應的影響。

1 實 驗

1.1 原 料

試驗所用反應原料為OX、MX，均為分析純，質量分數(shù)大于99%，天津市大茂化學試劑廠提供。所用SKI-210催化劑為工業(yè)成品，中國石油撫順石化公司催化劑廠提供。

1.2 試驗裝置

試驗在固定床反應器上進行。反應器為長500 mm、內徑6 mm的不銹鋼管，利用電熱爐加熱控制溫度。反應器出口壓力由背壓閥控制。反應氣相產(chǎn)物通過六通閥切入氣相色譜分析。氣相色譜為安捷倫7890A，HP-WAX毛細柱(60 m×0.25 mm×0.5 μm)，F(xiàn)ID檢測器。采用面積歸一化法定量。

1.3 試驗條件

整個動力學實驗均在催化劑活性穩(wěn)定期內進行。反應溫度選擇350～380 ℃，反應壓力選擇0.3～0.6 MPa。催化劑的裝填量為0.2 g，反應的質量空速為26～78 h-1。本試驗為研究該催化反應的宏觀動力學，因此將催化劑的內擴散影響包含在動力學常數(shù)內，試驗選擇的空速較大，因此忽略外擴散的影響。

2 反應動力學模型

二甲苯異構化反應過程的主反應為3種異構體的相互轉化，對于SKI-210催化劑，二甲苯異構體之間的轉化為順序型，即OX和PX之間不能直接轉化[9]。從試驗結果看，發(fā)生的副反應為二甲苯的歧化。因此，整個反應過程的反應網(wǎng)絡為：

式中：k1，k-1，k2，k-2為主反應速率常數(shù)，mol/(h·g)；kO，kM，kP為副反應速率常數(shù)，mol/(h·g·MPa)；T為副產(chǎn)物，包括甲苯和三甲苯。

2.1 模型假設

在建立數(shù)學模型時，為了使模型簡化，便于計算，通常需要進行合理的假設。在本研究中作以下假設：①由于催化劑裝量較少，床層高度較低，因此假設催化劑床層內的流體流動滿足固定床柱塞流模型，忽略沿反應器方向的床層壓降；②二甲苯在催化劑上的吸附行為滿足Langmuir吸附，異構化動力學模型選擇基于Langmuir吸附的雙曲型動力學模型；③反應產(chǎn)物中甲苯和三甲苯的量很少，因此將副反應視為一級不可逆反應。

2.2 動力學模型的建立

根據(jù)以上假設，得到反應體系內各組分的反應速率方程為：

-rM=[(k1+k2)KMPM-k-1KOPO-k-2KPPP]/
(1+∑KjPj)+kMPM

(1)

-rO=(k-1KOPO-k1KMPM)/
(1+∑KjPj)+kOPO

(2)

-rP=(k-2KPPP-k2KMPM)/
(1+∑KjPj)+kPPP

(3)

rT=kOPO+kMPM+kPPP

(4)

式中：r為反應速率，mol/(h·g)；K為吸附平衡常數(shù)，MPa-1；P為各組分的分壓，MPa；下標O，M，P，T分別為OX、MX、PX和副反應產(chǎn)物?？梢酝ㄟ^繪制反應物轉化率與停留時間的關系曲線，在曲線上求取某一點的斜率來確定該點對應的反應速率。根據(jù)柱塞流反應器模型，停留時間可以通過W和F計算，其中：W為裝填催化劑的質量，g；F為反應物的流量，mol/h。

2.3 動力學參數(shù)的求解

由于反應網(wǎng)絡中包含可逆反應，導致動力學模型較復雜，因此采用初始速率法來簡化求解動力學參數(shù)。利用純OX或MX作為原料，在反應初始時，可將反應網(wǎng)絡簡化為：

反應動力學方程可簡化為：

(5)

(6)

式中：ri為反應原料初始反應速率，mol/(h·g)；P0為反應物的初始分壓，MPa。

2.3.1k1，k2，kM的求解

當進料為純MX時，由式(5)可知，產(chǎn)物OX和PX以及副產(chǎn)物的初始生成速率(r0)可表示為：

(7)

(8)

rT，0=kMPM，i

(9)

反應的初始速率使用圖解法求得。通過繪制反應物轉化率和W/F的關系曲線，在曲線上求取原點處的斜率即為初始反應速率，其結果如表1所示。

對式(7)和式(8)進行變換可得：

(10)

(11)

繪制1/PM，i與1/rP，0和1/rO，0的關系曲線，擬合求得k1，k2，KM，如圖1和圖2所示。根據(jù)式(9)，繪制PM，i與rT，0的關系曲線，如圖3所示，擬合求得kM。

表1 以MX為原料時不同溫度和壓力下的產(chǎn)物初始生成速率

圖1 以MX為原料時PX初始生成速率與MX初始壓力關系擬合曲線溫度，℃：▲—350； ◆—360； ■—370； ●—380。圖2～圖5同

圖2 以MX為原料時OX初始生成速率與MX初始壓力關系擬合曲線

圖3 以MX為原料時副反應產(chǎn)物初始生成速率與MX初始壓力關系擬合曲線

2.3.2k-1、kO的求解

以純OX為原料，根據(jù)試驗結果發(fā)現(xiàn)，k-1與kO相差很大，因此在計算k-1時忽略kO的影響。由式(6)可知，OX的初始反應速率和副產(chǎn)物的初始生成速率分別為：

(12)

rT,0=kOPO,i

(13)

對式(12)變形，得：

(14)

OX的初始反應速率通過繪制OX的轉化率與W/F的關系曲線，在曲線上求取原點處的斜率得到，其結果如表2所示。繪制1/PO，i與-1/rO，i的關系曲線，擬合求得k-1、KO，如圖4所示。繪制PO，i與rT，0的關系曲線，如圖5所示，擬合求得kO。

表2 以OX為原料時不同溫度和壓力下的反應初始速率

圖4 以OX為原料時OX反應初始速率與OX初始壓力關系擬合曲線

圖5 以OX為原料時副反應產(chǎn)物初始生成速率與OX初始壓力關系擬合曲線

2.3.3k-2、kP求解

使用純PX為原料進行試驗時，由于PX能夠進入催化劑孔道，導致積炭嚴重阻塞孔道，催化劑失活過快。因此根據(jù)式(1)，用MX試驗數(shù)據(jù)通過非線性擬合的方法計算得到k-2。副反應速率較小，對反應整體影響不大，且反應速率常數(shù)與OX和MX反應速率常數(shù)相差不大，可直接用后二者的平均值計算。

3 結果與討論

3.1 動力學參數(shù)

根據(jù)上述方法求解得到各反應溫度下的動力學參數(shù)及吸附平衡常數(shù)，如表3所示。動力學參數(shù)和溫度之間的關系滿足Arrhenius方程：

式中：k0為指前因子，mol/(h·g)；E為活化能，kJ/mol。利用不同溫度下的反應速率常數(shù)，對1/T和lnkj擬合得到反應的活化能和指前因子，結果如表4所示。

從表3和表4可以看出，二甲苯在催化劑上的吸附是放熱反應，可自發(fā)進行。PX的吸附平衡常數(shù)比OX和MX的高，這是因為PX的特殊構型使其能進入分子篩孔道內吸附。PX到MX轉化反應的活化能低于其他各主反應，說明PX更易于轉化為MX。

表3 不同溫度下的反應速率常數(shù)及吸附平衡常數(shù)

表4 各反應速率常數(shù)對應的活化能和指前因子對數(shù)值

3.2 模型驗證

為了驗證計算所得模型參數(shù)的可靠性，使用混合二甲苯為原料在壓力為0.5 MPa下進行試驗。原料組成如表5所示。將試驗所得產(chǎn)物的組成與模型計算值進行比較，結果如圖6所示。

表5 混合二甲苯原料組成 x，%

從圖6可以看出，模型計算值與試驗值吻合較好，誤差均在5%以內，說明模型求解所得動力學參數(shù)是可靠的。

圖6 各溫度下試驗值與計算值比較試驗值：◆—MX； ▲—OX； ■—PX； ●—T計算值： —MX； —OX； —PX； —T

3.3 反應條件的影響

對于二甲苯異構化反應，最重要的指標為PX收率。影響PX收率的因素主要有空速、溫度和壓力，以下以混合二甲苯(表5)為原料，利用求得的模型來考察這些因素對PX收率的影響。

3.3.1空速的影響

在反應溫度分別為350，360，380 ℃、壓力為0.5 MPa時，考察空速對PX收率的影響，結果如圖7所示。從圖7可以看出：空速較高時，隨著空速越低，PX收率越高，這是由于空速越低，反應物與催化劑接觸時間越長，反應轉化率越高；在溫度為380 ℃、質量空速約為12 h-1時，PX收率出現(xiàn)峰值，約為23%，這是由于在此空速下，主反應達到了平衡；之后隨著空速降低，PX收率逐漸降低，副反應產(chǎn)物較多。

圖7 進料空速對PX收率的影響溫度，℃： —350； —360； —380

3.3.2反應溫度的影響

在反應壓力為0.5 MPa、質量空速分別為5，10，20 h-1時，考察反應溫度對PX收率的影響，結果如圖8所示。從圖8可以看出：隨著反應溫度升高，各空速下PX收率均升高，這是由于溫度升高，反應速率常數(shù)增大，反應加快，提高了反應物的轉化率；在反應溫度達到375 ℃后，隨著溫度進一步升高，各空速下PX收率增長均變緩，這是由于隨著反應體系內PX濃度增加，逆反應加快，反應趨于平衡；反應達到平衡時，PX收率約為24%。

圖8 反應溫度對PX收率的影響質量空速，h-1： —5； —10； —20

3.3.3反應壓力的影響

在反應溫度為380 ℃、質量空速分別為5，10，50，100 h-1時，考察反應壓力對PX收率的影響，結果如圖9所示。從圖9可以看出：在質量空速高于10 h-1時，隨著反應壓力升高，PX收率均升高，這是由于壓力升高，反應物濃度增大，反應加快，反應物轉化率升高；當空速較低時，如質量空速為5 h-1時，隨著反應壓力逐漸升高，PX收率出現(xiàn)下降趨勢，這是由于在低空速下，主反應已達平衡，隨著壓力升高，副反應加快，使得PX收率降低。為了使工業(yè)裝置有較高的處理量，同時能夠維持較高的PX收率，選擇質量空速為10 h-1、反應壓力為0.6 MPa較為合理，此時PX收率約為24%。

圖9 反應壓力對PX收率的影響質量空速，h-1： —5； —10； —50； —100

4 結 論

(1)根據(jù)二甲苯異構化反應產(chǎn)物分布，建立了二甲苯異構化反應網(wǎng)絡。在該反應網(wǎng)絡中，主反應為3種二甲苯異構體之間的相互轉化，副反應為二甲苯的歧化。

(2)利用基于Langmuir吸附的雙曲型模型建立了二甲苯異構化反應的動力學模型，使用初始速率法設計試驗并求解了模型的動力學參數(shù)。模型計算所得反應體系組成與試驗結果吻合較好，相對誤差在5%以內。

(3)利用所建模型考察操作條件對PX收率的影響，結果符合二甲苯異構化反應的試驗結果。在質量空速為10 h-1、反應溫度為380 ℃、反應壓力為0.6 MPa時，可獲得較高的PX收率，約為24%，且該條件下裝置有較高的處理能力。