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传统的苯与丙烯烷基化合成异丙苯工艺主要采用AlCl3法和固体磷酸法,其转化率高,反应流程比较简单,但催化剂会腐蚀设备和污染环境。以固体酸沸石分子筛为催化剂,虽然可有效地解决这些难题,但催化剂容易结焦失活。而超临界流体具有良好的传热和传质性能,对焦前驱体具有较强的萃取能力;采用超临界相反应工艺,可以明显延缓分子筛催化剂的结焦失活。
由于超临界流体和超临界相反应的复杂性,目前对超临界反应,尤其是超临界多相催化反应规律和本质的认识非常有限。在临界点附近,温度或压力的微小改变,可能导致反应物相态和各种性质发生很大的变化,从而对反应行为产生很大的影响。在实际反应过程中,由于体系中各组分摩尔分数的不断变化,反应体系的临界性质也将随着改变。所以,研究研究超临界相必须确定反应混合物在反应过程中的相态变化以及实际反应混合物的临界参数随反应进程的变化规律。
本工作首先用高压可视平衡池测定了苯与丙烯烷基化反应中所涉及的二元(苯+丙烯,异丙苯+丙烯,苯+异丙苯)和三元(苯+丙烯+异丙苯)混合物的临界参数。结果表明,苯与丙烯二元体系的临界温度随丙烯含量的增加而降低;临界压力在丙烯含量较低时,随丙烯含量的增加而增加,在经过一极大值后,则随丙烯含量的增加而下降。异丙苯与丙烯二元体系临界参数随丙烯含量的变化与苯与丙烯二元体系的类似,但其变化范围更大。苯与异丙苯二元体系的临界温度和临界压力则随丙烯含量的增加呈单调变化,且近似呈一条直线。同时确定了苯/丙烯比为3~6时苯与丙烯烷基化反应体系临界参数随丙烯转化率的变化规律。结果表明,随着丙烯转化率的提高,体系的临界温度升高,临界压力下降,其变化范围随苯烯比的增加而减小。这些数据为选择合适的苯与丙烯烷基化超临界反应条件提供了可靠的依据。
采用β分子筛催化剂,在较宽的温度(250~320℃)和压力(3.4~6.6 MPa)范围内研究了苯/丙烯为4、苯的重量空速为59.6 h-1时的反应性能。根据实际测定的体系临界参数,将反应按体系在反应过程中的相态变化分成十个不同的区域。由于不同反应条件下,体系在反应过程中经历的相态变化不同,所以反应温度和压力对催化剂的寿命影响很大,300℃、5.7 MPa时,反应混合物在整个反应过程中都处于接近其临界点的超临界相或液相区,反应条件兼顾了初始反应物和最终产物的临界性质,催化剂的寿命最长。
应用TPO-MS、UV-Vis、N2-吸附等方法对不同反应时间下的催化剂进行了表征研究。结果表明,丙烯的团聚和苯的深度烷基化都会引起催化剂的失活。结合反应过程中苯转化率的变化可知,催化剂的失活符合孔口失活机理。
应用TPO-MS等方法,对不同反应温度下失活催化剂的表征可知,随着温度的升高,积炭的碳氢比提高;而积炭量则与寿命有关。催化剂寿命越长,积炭量越高,且脱除温度越高。
分别用不同浓度的柠檬酸和NH4F对催化剂进行了改性,并对改性后的催化剂进行了表征。结果表明,柠檬酸和NH4F改性可延长催化剂的寿命,并减少副产物二异丙苯和正丙苯的生成量。