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轻质芳烃(苯、甲苯和二甲苯)是重要的有机化工原料和高辛烷值汽油调和组分。目前,我国是世界上主要的轻质芳烃缺口国之一;另一方面,液化石油气是催化裂化和蒸汽裂解装置的副产品,其主要成分为C3、C4,而大多数液化石油气被作为燃料,利用价值较低。ZSM-5分子筛催化剂的应用使低碳烃直接转化为轻质芳烃的轻烃芳构化技术成为可能。
本文着重研究了C4单体烃和工业混合C4在工业芳构化催化剂上的芳构化反应性能,考察了工艺条件对C4单体烃和工业混合C4芳构化反应的影响,同时探讨了C4烃芳构化反应生成芳烃的途径和主要转化产物的生成机理。
利用100ml等温固定床实验装置,采用工业芳构化催化剂,进行了C4单体烃和工业混合C4芳构化生产芳烃的工艺研究。实验结果表明,高温度和小空速可得到较高的液体收率和芳烃收率;C4H8最容易转化为芳烃,I-C4H10次之,n-C4H10最难;n-C4H8和I-C4H8芳构化反应的产物分布基本相同;液体产物中芳烃的组成与反应原料无关。当反应温度460℃～540℃、质量空速0.25h-1～1.00h-1时,n-C4H10能得到17﹪～30%的轻质芳烃和10﹪～16%的液化石油气,I-C4H10能得到33%～41%的轻质芳烃和21﹪～34%的液化石油气,n-C4H8和I-C4H8能得到48%～54%的轻质芳烃和11﹪～18%的液化石油气。利用。Excel处理实验数据,得到C4烃芳构化反应的芳烃产率与原料组成和工艺条件的经验关联式,利用此关联式可以预测工业混合C4的芳构化反应在某一工艺条件下的芳烃产率,此经验关联式的绝对误差R＜3%。
通过工艺实验所得的物料平衡数据,计算得到C4单体烃芳构化反应的反应热,结果表明:丁烷的芳构化反应为吸热反应,丁烯的芳构化反应为放热反应,当反应温度为500℃,n-C4H10芳构化的反应热约为45kJ/mol,I-C4H10芳构化的反应热约为76kJ/mol,而C4H8芳构化的反应热约为-40kJ/mol。
计算了C4各单体烃芳构化反应过程中可能发生反应的标准平衡常数,计算结果验证了C4烃生产芳烃在热力学上的可行性,同时也反映了C4各单体烃芳构化反应性能的差异。分析了反应产物中各物质的生成机理和转化过程,归纳了C4烃转化为芳烃的反应网络图。