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      膜反應(yīng)器中乙苯脫氫制苯乙烯熱力學(xué)分析

      2019-12-13 03:47:16權(quán)文鵬周大發(fā)黎小輝黃風(fēng)林
      石油化工應(yīng)用 2019年11期
      關(guān)鍵詞:乙苯平衡常數(shù)固定床

      張 超,權(quán)文鵬,黃 慶,謝 勇,周大發(fā),黎小輝,黃風(fēng)林

      (西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,陜西西安 710065)

      1 引言

      苯乙烯(SM)作為高分子聚合物的重要單體,是一種重要的基本有機(jī)化工原料,用途十分廣泛,可用于生產(chǎn)聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)樹(shù)脂、苯乙烯-丙烯腈(SAN)樹(shù)脂、丁苯橡膠和丁苯膠乳(SBR/SBR 膠乳)等。它是僅次于PE,PVC,EO 的第四大乙烯衍生產(chǎn)品[1,2]。目前,世界范圍內(nèi)苯乙烯的生產(chǎn)方法主要包括:乙苯脫氫法,乙苯共氧化法,選擇氧化脫氫法等工藝技術(shù),其中,乙苯脫氫法是目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)苯乙烯的主要方法,世界上約有90 %的苯乙烯通過(guò)該方法生產(chǎn)[3]。目前工業(yè)上主要采用絕熱固定床催化反應(yīng)器進(jìn)行乙苯脫氫制苯乙烯,但乙苯轉(zhuǎn)化率較低,且后續(xù)的分離、提純處理成本較高[3]。近年來(lái),由于膜反應(yīng)器具有良好的熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性并可提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率等優(yōu)點(diǎn),受到了廣泛關(guān)注,已在實(shí)驗(yàn)室中利用膜反應(yīng)器進(jìn)行了大量的加氫、脫氫、分解和氧化反應(yīng)實(shí)驗(yàn),有些小規(guī)模的膜反應(yīng)器已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用[4]。

      乙苯在一定的溫度、壓力和催化劑存在條件下發(fā)生脫氫反應(yīng)生成苯乙烯并副產(chǎn)氫氣,主反應(yīng)方程式[5,6]:

      該反應(yīng)是一個(gè)分子數(shù)增加的可逆吸熱反應(yīng),為克服乙苯脫氫反應(yīng)的熱力學(xué)限制,近年來(lái)研究人員設(shè)計(jì)了多種膜反應(yīng)過(guò)程。人們對(duì)膜反應(yīng)器的關(guān)注點(diǎn)在于具有H2選擇透過(guò)性的膜上,它將H2從反應(yīng)區(qū)不斷地移除到隔離區(qū)域內(nèi),實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)-分離的同時(shí)進(jìn)行,可打破熱力學(xué)平衡限制,進(jìn)而大幅度提高反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率,并可降低反應(yīng)苛刻度,提高催化劑選擇性,延長(zhǎng)催化劑使用壽命[3]。在隔離區(qū)域內(nèi),H2或被吹掃出來(lái),或進(jìn)一步參與反應(yīng)生成其他產(chǎn)品。在所設(shè)計(jì)的膜反應(yīng)過(guò)程中,Abo-Ghander 等提出的模型特別令人感興趣,該過(guò)程將乙苯的脫氫與硝基苯的氫化相耦合[7]。

      數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示,在膜反應(yīng)器中,通過(guò)增加反應(yīng)壓力,能夠克服動(dòng)力學(xué)限制,乙苯轉(zhuǎn)化率能增加90 %以上且苯乙烯選擇性未有明顯降低[8]。Becker 等研究了氧化鋁膜反應(yīng)器中的乙烯脫氫反應(yīng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,膜反應(yīng)器中乙苯的轉(zhuǎn)化率比固定床反應(yīng)器中高10 %~15 %[9]。顯然,膜反應(yīng)器性能受膜的滲透性及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等因素控制。

      在高溫條件下,三種膜材料被推薦使用:致密金屬膜(pd 或pd-合金),多孔膜(氧化鋁、鈦、鋯或vycor 玻璃),復(fù)合膜(金屬/氧化鋁、金屬/vycor 玻璃、金屬/不銹鋼)[8]。雖然由于成本較高,但致密鈀膜因其特有的氫滲透特性已受到廣泛關(guān)注。鈀合金膜只允許H2滲透,H2分離選擇性接近100 %[10]。H2分子首先呈原子態(tài)吸附在鈀膜表面,并進(jìn)一步離子化成質(zhì)子和電子,而后擴(kuò)散移出反應(yīng)側(cè),即H2以H+的形式透過(guò)[11,12]。

      為了研究H2移出反應(yīng)體系對(duì)乙苯平衡轉(zhuǎn)化率的影響,從熱力學(xué)角度,對(duì)不同溫度條件下膜反應(yīng)器中乙苯脫氫反應(yīng)體系進(jìn)行了計(jì)算,分析H2移出程度不同時(shí)乙苯平衡轉(zhuǎn)化率的變化情況。

      2 反應(yīng)體系的熱力學(xué)分析

      2.1 吉布斯自由能變的計(jì)算

      由于乙苯脫氫反應(yīng)體系具有高溫、低壓的特點(diǎn),故在進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算時(shí),該體系可按理想氣體處理。乙苯和苯乙烯的沸點(diǎn)分別為136.2 ℃、146 ℃,因此,反應(yīng)過(guò)程中,二者均會(huì)發(fā)生相變?,F(xiàn)根據(jù)熱力學(xué)知識(shí),設(shè)計(jì)熱力學(xué)途徑(見(jiàn)圖1),并說(shuō)明具體計(jì)算過(guò)程[13,14]:

      根據(jù)上述熱力學(xué)途徑,可知熱力學(xué)性質(zhì)間的關(guān)系:

      故有:

      式中:

      式(19)中,i 分別為C8H10,C8H8及H2。

      計(jì)算所需的熱力學(xué)數(shù)據(jù)取自相關(guān)文獻(xiàn)[14,15],完成上述計(jì)算后,乙苯脫氫生成苯乙烯反應(yīng)的吉布斯自由能變?chǔ) 可由下式計(jì)算得到:

      2.2 平衡常數(shù)與平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算

      反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)平衡常數(shù)的熱力學(xué)定義式為:

      式(21)變形得到平衡常數(shù)K 的計(jì)算式:

      膜反應(yīng)器中,H2經(jīng)過(guò)選擇透過(guò)膜后進(jìn)入隔離室,通過(guò)控制吹掃氣流量調(diào)節(jié)氫氣移出比率,計(jì)算不同條件下的乙苯平衡轉(zhuǎn)化率,計(jì)算過(guò)程如下:

      設(shè)初始進(jìn)料為一定比例(1:ns)的乙苯與水蒸氣,乙苯的物質(zhì)的量為1 mol,水蒸氣的物質(zhì)的量為nsmol,平衡時(shí)乙苯轉(zhuǎn)化率為x,H2的移出率為α:

      由上述物料衡算式,可以得到平衡常數(shù)K 的表達(dá)式:

      聯(lián)立式(22)(23),即可解出平衡轉(zhuǎn)化率x。

      在等壓條件下,反應(yīng)的平衡常數(shù)K 只與溫度有關(guān),即K=f(T)。當(dāng)T 一定,則K 不變。因此,無(wú)論H2移出與否,或移出率多大,都不影響K 值大小。但是,當(dāng)H2移出后,乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率x 會(huì)發(fā)生變化。由于平衡向生成苯乙烯的方向移動(dòng),故乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率x會(huì)提高。當(dāng)采用傳統(tǒng)固定床反應(yīng)器時(shí),H2無(wú)法移出,此時(shí)α=0;采用膜反應(yīng)器時(shí),H2會(huì)不斷移出,即此時(shí)α≠0。

      3 計(jì)算結(jié)果與分析

      3.1 吉布斯自由能變

      在100 kPa、乙苯與水蒸氣的初始進(jìn)料比為1:10的條件下,乙苯脫氫生成苯乙烯這一反應(yīng)的焓變及吉布斯自由能變計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表1)。

      由表1 可見(jiàn),該反應(yīng)在550 K~1 000 K 溫度范圍內(nèi)的焓變均大于零,且數(shù)值均在120 kJ/mol 以上,即乙苯脫氫生成苯乙烯為強(qiáng)吸熱可逆反應(yīng)。因此,當(dāng)溫度升高時(shí),對(duì)反應(yīng)向生成苯乙烯方向的進(jìn)行是有利的。此外,由表1 還可知,隨溫度升高,反應(yīng)的ΔG 不斷減小,當(dāng)溫度升至T=973 K,此時(shí),ΔG=0,說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài);在550 K~973 K 的溫度范圍內(nèi),ΔG 均大于0,說(shuō)明反應(yīng)向逆方向進(jìn)行;在973 K~1 000 K 的溫度范圍內(nèi),ΔG<0,說(shuō)明反應(yīng)向生成苯乙烯的正方向進(jìn)行。

      表1 反應(yīng)(R-1)的熱力學(xué)分析結(jié)果Tab.1 The thermodynamic analysis results for R-1

      表2 不同溫度條件下平衡常數(shù)的數(shù)值Tab.2 The value of equilibrium constant under different temperature

      3.2 平衡常數(shù)與平衡轉(zhuǎn)化率

      乙苯脫氫生成苯乙烯的反應(yīng)在不同溫度條件下的平衡常數(shù)K 的計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表2)。

      在平衡常數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步計(jì)算可得不同溫度條件下,膜反應(yīng)器中H2移出率α=0~99.99 %范圍內(nèi)乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)圖2)。

      由圖2 可知,由于乙苯脫氫反應(yīng)為強(qiáng)吸熱反應(yīng),因此,在所考察的溫度范圍內(nèi),隨著溫度的升高,平衡向生成苯乙烯的方向移動(dòng),導(dǎo)致乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率增大,無(wú)論是否有H2移出,亦或H2移出比率有多大。進(jìn)一步細(xì)致觀察可知,當(dāng)H2移出率一定時(shí),在較高溫度區(qū)間內(nèi),隨著溫度的升高,乙苯平衡轉(zhuǎn)化率的增加幅度逐漸變小,這是因?yàn)樯郎刂翗O高溫度條件時(shí),受溫度“補(bǔ)償”作用的影響,各條件下的乙苯平衡轉(zhuǎn)化率的差距縮小,及至近乎消失。

      在溫度相同時(shí),乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率隨著H2移出率的增加而增大,并且增加幅度逐漸提高。當(dāng)所生成的H2幾乎全部被移出時(shí)(移出率達(dá)99.99 %),該可逆反應(yīng)已相當(dāng)大程度地向生成苯乙烯的方向發(fā)生移動(dòng),近乎于不可逆反應(yīng),從而導(dǎo)致乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率接近100 %。在H2移出率為99.99 %的條件下,反應(yīng)溫度的提升會(huì)促使乙苯轉(zhuǎn)化率持續(xù)增大,在650 K 時(shí),該可逆反應(yīng)已具有不可逆反應(yīng)的特點(diǎn),乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率接近100 %。因此,由以上分析可知,提升溫度的措施配合反應(yīng)體系中生成產(chǎn)物H2的不斷移出,可打破該反應(yīng)平衡的熱力學(xué)限制,實(shí)現(xiàn)所謂的“超平衡”,使得乙苯平衡轉(zhuǎn)化率大幅提升。為清晰地看出溫度及H2移出率發(fā)生變化時(shí)乙苯平衡轉(zhuǎn)化率變化的細(xì)節(jié)信息,乙苯平衡轉(zhuǎn)化率增加的百分比(見(jiàn)圖3)。

      由圖3 可知,在同一溫度條件下,無(wú)H2移出的固定床反應(yīng)器中乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率均低于與可實(shí)現(xiàn)H2移出的膜反應(yīng)器中乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率。并且,隨著膜反應(yīng)器中H2移出率α 的增加,反應(yīng)平衡向生成苯乙烯的方向移動(dòng)的幅度增大,導(dǎo)致乙苯平衡轉(zhuǎn)化率提高的百分點(diǎn)數(shù)也增大。在溫度為750 K 的條件下,膜反應(yīng)器中α=40 %時(shí)乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率僅比α=0(固定床反應(yīng)器)時(shí)乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率增加了6.94 %,當(dāng)α=80 %時(shí)乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率比α=0 時(shí)增加24.5 %,因此,即α 增加40 %時(shí),乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率僅提高17.56 %;進(jìn)一步增大H2移出率,當(dāng)α=90 %時(shí)乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率比α=0 時(shí)增加36.23 %,即α 僅增加10 %,乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率提高了11.73 %;由此可見(jiàn),當(dāng)α 越高時(shí),反應(yīng)向生成苯乙烯的方向移動(dòng)幅度越大,乙苯平衡轉(zhuǎn)化率提高的幅度也就越大。

      圖2 不同溫度條件下H2移出率對(duì)乙苯平衡轉(zhuǎn)化率的影響Fig.2 Ethylbenzene equilibrium conversion along with the removal rate of hydrogen under different temperature

      圖3 不同H2移出率時(shí)乙苯平衡轉(zhuǎn)化率相對(duì)于無(wú)H2移出時(shí)平衡轉(zhuǎn)化率增加的百分點(diǎn)數(shù)Fig.3 The increasing percent point value of equilibrium conversion of ethylbenzene under different removal rate of hydrogen relative to the condition when α equals

      表3 不同H2移出率時(shí)乙苯平衡轉(zhuǎn)化率增加的百分點(diǎn)數(shù)Tab.3 The increasing percent point value of equilibrium conversion of ethylbenzene under different removal rate of hydrogen

      進(jìn)一步從圖3 中還可知,膜反應(yīng)器中α=80 %與α=0(固定床反應(yīng)器)時(shí)相比,乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高的增加幅度先逐步增大,升至800 K 時(shí)增加幅度達(dá)到峰值,此后,繼續(xù)升高溫度,乙苯平衡轉(zhuǎn)化率的增加幅度又逐步減小。

      此外,隨α 的增大,乙苯平衡轉(zhuǎn)化率增加的最大增幅對(duì)應(yīng)的溫度逐漸降低,其中幾組計(jì)算數(shù)據(jù)(見(jiàn)表3)。

      由表3 中的數(shù)據(jù)可知,當(dāng)α 分別為80 %、90 %時(shí),乙苯平衡轉(zhuǎn)化率增加的最大百分點(diǎn)對(duì)應(yīng)溫度分別為800 K、750 K;進(jìn)一步增加H2移出率,當(dāng)α=99.99 %時(shí),乙苯平衡轉(zhuǎn)化率增加的最大百分點(diǎn)對(duì)應(yīng)溫度降至650 K,即α 從90%增加為99.99%的過(guò)程中,僅9.99%的H2移出增加量,卻換取了100 K 的溫度降低。因此,H2移出率與溫度之間是相輔相成的,在實(shí)際過(guò)程中,H2移出率的增加有利于操作溫度的降低,即反應(yīng)苛刻度的減小。

      4 結(jié)論

      (1)從熱力學(xué)觀點(diǎn)分析,利用膜反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)乙苯脫氫制苯乙烯這一過(guò)程中乙苯轉(zhuǎn)化率的提升是可行的,且比傳統(tǒng)固定床反應(yīng)器有較大優(yōu)勢(shì)。

      (2)與無(wú)H2移出的固定床反應(yīng)器相比,膜反應(yīng)器中,增加H2移出率,可增加反應(yīng)平衡向生成苯乙烯方向移動(dòng)的幅度,從而增加乙苯平衡轉(zhuǎn)化率提升的幅度。當(dāng)99.99 %的H2被移出反應(yīng)體系時(shí),可逆反應(yīng)將近乎轉(zhuǎn)化為不可逆反應(yīng),此時(shí)乙苯接近于完全轉(zhuǎn)化。

      (3)與無(wú)H2移出的固定床反應(yīng)器相比,膜反應(yīng)器中,隨著反應(yīng)溫度的升高,乙苯平衡轉(zhuǎn)化率的提升幅度先持續(xù)增大,并達(dá)到峰值,而后逐步減小。

      (4)與無(wú)H2移出的固定床反應(yīng)器相比,膜反應(yīng)器中,乙苯平衡轉(zhuǎn)化率增加幅度最大時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度降低,即膜反應(yīng)器可使乙苯脫氫制苯乙烯在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行,從而降低反應(yīng)的苛刻度。

      符號(hào)說(shuō)明:

      ΔG-反應(yīng)的吉布斯自由能變,kJ/mol;ΔH-反應(yīng)的焓變,kJ/mol;ΔH0-反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)焓變,kJ/mol;ΔS-反應(yīng)的熵變,J/(mol·K);ΔS0-反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)熵變,J/(mol·K);Cp-恒壓摩爾熱容,J/(mol·K);T-溫度,K;R-摩爾氣體常數(shù),8.314 J/(mol·K);K-反應(yīng)的平衡常數(shù);Pi-氣體組分i 的氣相分壓,kPa;P-反應(yīng)系統(tǒng)總壓,kPa;Pθ-標(biāo)準(zhǔn)壓力,100 kPa;n0-初始組成,mol;ne-平衡組成,mol;i-組分;vi-組分i 的化學(xué)計(jì)量系數(shù);ni-組分i 的量,mol。

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