Pd/TiO2催化剂上对羧基苯甲醛加氢反应规律及宏观动力学研究

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加氢精制工艺是工业上最主要的对苯二甲酸(TA)精制技术,加氢精制的主要目的是除去与TA形成共结晶的杂质对羧基苯甲醛(4-CBA)。Pd/TiO2作为一种新型的4-CBA加氢催化剂,因其具有加氢活性高、稳定性好、抗中毒能力强和耐酸碱等优点而受到越来越多的科研工作者的关注。但是,关于对苯二甲酸加氢精制过程的研究,主要集中于催化剂制备,如活性金属组分和载体的选择、活性组分含量及其在颗粒中的分布、载体制备方法等,以及加氢工艺与工艺装置的改进上,对加氢过程机理、反应规律和反应动力学的研究却很少报道,而这些基础数据的研究对加氢过程优化和加氢反应器设计有着重要的意义。本课题对4-CBA加氢反应进行热力学计算与分析,并研究Pd/TiO2催化剂上4-CBA加氢反应规律和宏观动力学模型。  采用Yoneda法对4-CBA加氢反应进行热力学计算与分析,结果表明:4-CBA加氢反应、对羟甲基苯甲酸(4-HMBA)加氢反应和4-CBA脱羰反应在热力学上均能自发进行;4-HMBA加氢反应和4-CBA脱羰反应均为不可逆反应,4-CBA加氢生成中间产物4-HMBA反应的反应平衡常数很小,可认为其为可逆反应;4-CBA加氢连串反应为放热反应,4-CBA脱羰反应为吸热反应。  在间歇高压反应釜中,在催化剂加入量1.43kg/m3,搅拌速率800r/min条件下,考察反应物初始浓度(3.33~13.32mol/m3),反应温度(150~280℃)和氢分压(0.2~1.5MPa)对Pd/TiO2催化剂上4-CBA加氢反应规律的影响,结果表明:4-CBA初始浓度与初始反应速率成线性关系,反应对4-CBA的反应级数为一级;4-CBA加氢反应速率增加幅度随温度和氢分压的升高丽变缓,当反应温度高于240℃,平衡因素成为限制反应速率提高的主要因素;当氢分压高于1.0MPa,氢气过量,氢分压对4-CBA加氢反应速率提高不明显;温度和氢分压对4-HMBA加氢反应的影响大于对4-CBA加氢反应的影响;温度升高对4-CBA脱羰副反应有促进作用,而氢分压提高则会抑制脱羰副反应的发生。  根据假设的反应网络,提出半经验的幂函数型4-CBA加氢宏观动力学模型,模型采用龙格-库塔法进行数值积分,参数优化准则采用最小二乘法,使用Matlab软件中的非线性最小二乘法函数lsqnonlin来进行参数估计,参数估计结果为:反应对4-CBA和4-HMBA的表观反应级数均为1级;4-CBA加氢反应对H2的表观反应级数为0.25级;4-HMBA加氢反应在低氢分压(0.2MPa和0.5MPa)对H2表观反应级数为1级,在高氢分压(1.0MPa和1.5MPa)对H2表观反应级数为0.5级;4-CBA加氢表观活化能、4-HMBA加氢表观活化能、4-CBA脱羰表观活化能和4-HMBA脱氢表观活化能分别为25.26kJ/mol、32.66kJ/mol、55.06kJ/mol和72.99kJ/mol。  对建立的宏观动力学模型进行模型检验,检验结果为:决定性指标ρ2=0.9989>0.9,统计量F=13206>10F0.05或10F0.01,平均相对偏差为7.9%,计算值与实验值交叉点密集在对角线两侧,相对偏差均匀的分布于零线的上下侧,说明所选的幂函数型4-CBA加氢反应宏观动力学模型和参数估值结果是可靠的。
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