張紅梅,姜 維,李金蓮,郝玉蘭,趙 亮
(1.東北石油大學(xué) 石油與天然氣化工省重點實驗室,黑龍江 大慶 163318;2.中國石油大學(xué) 重質(zhì)油國家重點實驗室,北京 102249)
烴類蒸汽熱裂解是生產(chǎn)3大基礎(chǔ)烯烴乙烯、丙烯和丁二烯的重要手段[1]。烯烴生產(chǎn)行業(yè)的劇烈競爭使得原料及生產(chǎn)過程的優(yōu)化顯得極其重要[2-4]。計算機模擬技術(shù)以其計算速度快、適應(yīng)原料頻繁變動的優(yōu)點成為熱裂解過程優(yōu)化和設(shè)計越來越主要的手段[5]。熱裂解過程的化學(xué)反應(yīng)屬于自由基反應(yīng)機理,因此得到不同原料準(zhǔn)確的自由基反應(yīng)規(guī)律是優(yōu)化計算的前提。
作者在對現(xiàn)有自由基機理研究方法的局限性進行分析的基礎(chǔ)上,提出了將分子模擬[6-9]和管式反應(yīng)器工藝模擬[10]相結(jié)合,來了解單一原料烴裂解反應(yīng)機理的新方法,并以乙烷熱裂解為例對該方法進行了介紹,同時得到了乙烷熱裂解反應(yīng)產(chǎn)物及自由基的詳細反應(yīng)規(guī)律。
一般而言,對某一烴類分子進行自由基機理研究采用如下的方法:首先對該烴類分子進行實驗,通過對實驗結(jié)果的分析及總結(jié),得到該分子進行熱裂解可能發(fā)生的自由基反應(yīng),并通過實驗測定或計算這些自由基反應(yīng)的活化能和指前因子[11];其次以上述實驗數(shù)據(jù)為動力學(xué)模型,假設(shè)在反應(yīng)達到穩(wěn)態(tài)時各自由基產(chǎn)生和消失的速度相等,得到不同自由基的非線性微分方程組;最后用微分方程的數(shù)值解法Treanor法[12-13]、Gear法[13-14]或擬穩(wěn)態(tài)法[15-17]等對非線性方程組進行求解,可得到各自由基沿管長的變化規(guī)律,進而可得到各產(chǎn)物的分布。
作者曾用上述方法對乙烷熱裂解反應(yīng)機理進行了研究[18]。首先用分子模擬軟件Materials Studio[19-20]對乙烷熱裂解可能發(fā)生的主要反應(yīng)進行分子模擬計算,得到的計算結(jié)果見表1。
表1 乙烷熱裂解各基元反應(yīng)及動力學(xué)數(shù)據(jù)
將上述自由基進行組合,可設(shè)計得到不同的反應(yīng)路徑,下面是經(jīng)配平后的一個路徑。
反應(yīng)路徑1,由表1中的反應(yīng)(2)、(3)、(4)、(5)和(7)構(gòu)成。
對于自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng),由于自由基活性很大,所以存在的濃度很小,可以假定在穩(wěn)態(tài)時自由基濃度不隨時間而變,即任意一個自由基的生成速度等于其消失速度[21],由此可以推導(dǎo)出各自由基在穩(wěn)態(tài)條件下的物料平衡方程式。以下分別是甲基、氫和乙基自由基的物料平衡方程式。
將[H·]、[CH3·]和[C2H5·]看做未知數(shù),解上述方程組,得:
由此可得產(chǎn)物乙烯的生成速率為:
由上述推導(dǎo)可以看出,如將活化能大的反應(yīng)舍去,第一部分的活化能偏小,與實驗值不符。同樣可設(shè)計得到路徑2~4。
反應(yīng)路徑2由表1中的反應(yīng)(2)、(3)、(4)、(5)和(6)構(gòu)成;反應(yīng)路徑3由表1中的反應(yīng)(2)、(3)、(4)、(5)和(7)構(gòu)成;反應(yīng)路徑4由表1中的反應(yīng)(2)、(4)、(5)和(7)構(gòu)成。采用與反應(yīng)路徑1同樣的方法,可得到路徑1~4的活化能見表2。
根據(jù)文獻[22]中的實驗數(shù)據(jù)可知,實際測得乙烷熱裂解的反應(yīng)活化能為263.6~293.7 kJ/mol。上述結(jié)果都與實驗結(jié)果不符。
對上述結(jié)果進行分析可以看出,經(jīng)典數(shù)值方法機理模型的數(shù)學(xué)表達式為一常微分方程組,求解該常微分方程組是這一復(fù)雜的機理模型能否成功的關(guān)鍵。而由上述推導(dǎo)方法可以看出,該方法存在著配平的任意性、主觀性,且不同的配平方法將得到不同的結(jié)果,這是經(jīng)典數(shù)值方法的局限性。
采用分子模擬得到的乙烷熱裂解自由基機理反應(yīng)動力學(xué)模型代入自建的管式爐一維模型中進行工藝模擬計算的方法,對乙烷熱裂解反應(yīng)規(guī)律進行研究,通過自由基和產(chǎn)物沿管長的變化數(shù)據(jù)探討研究乙烷熱裂解的詳細反應(yīng)機理。
將乙烷熱裂解不同自由基反應(yīng)的分子模擬計算結(jié)果進行分析整理,可得到如圖1所示的2條反應(yīng)路徑。
圖1 乙烷熱裂解自由基反應(yīng)路徑
其中路徑1是乙烷C—C鍵斷裂所引發(fā)的反應(yīng),路徑2是C—H鍵斷裂所引發(fā)的反應(yīng)。
研究內(nèi)容包括3個方面:(1)將上述所有自由基反應(yīng)作為動力學(xué)模型進行工藝模擬計算(簡稱總路徑),觀察各自由基濃度在反應(yīng)器內(nèi)沿管長的變化情況;(2)在同樣操作條件下分別對路徑1和路徑2進行模擬計算;(3)對計算結(jié)果進行分析。
將所有自由基反應(yīng)作為動力學(xué)模型代入工藝模型中進行模擬計算,各自由基和各產(chǎn)物摩爾分?jǐn)?shù)沿管長的變化規(guī)律見圖2和圖3。
管式裂解爐長度/m
管式裂解爐長度/m
對路徑1進行計算,可得到與圖2和圖3相同的結(jié)果;對路徑2進行計算,計算結(jié)果見圖4所示。由圖4可以看出,同樣溫度條件下,路徑2中乙烷幾乎不發(fā)生裂解反應(yīng)。
管式裂解爐長度/m
由上述計算可知,乙烷熱裂解反應(yīng)以斷C—C鍵為主,C—H鍵斷裂幾乎不發(fā)生反應(yīng)。
對比圖2和圖3中的各自由基和產(chǎn)物沿管長的變化規(guī)律進行分析,可得到乙烷熱裂解的詳細反應(yīng)機理,現(xiàn)說明如下。
在反應(yīng)開始階段,反應(yīng)溫度較低,未達到C—C鍵、C—H鍵的斷鍵溫度,因此C2H6維持進料濃度不變;隨著溫度的上升,由于此時沒有自由基生成,且乙烷分子中C—C鍵斷裂所需的活化能為417 kJ/mol,比C—H鍵斷裂所需的活化能451 kJ/mol小,故C—C鍵斷裂比C—H鍵斷裂要容易得多,因此反應(yīng)管外傳遞的熱量只能提供給乙烷分子斷C—C鍵,生成少量的甲基自由基CH3·。
少量的活潑CH3·迅速與乙烷進行鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)生成甲烷和乙基自由基而被消耗掉,管內(nèi)又處于沒有自由基的狀態(tài),因此能量只能提供給乙基自由基進行分解反應(yīng),生成乙烯和氫自由基;活潑的H·迅速與乙烷反應(yīng)生成氫氣和C2H5·,C2H5·繼續(xù)分解生成C2H4和H·,形成了一個可持續(xù)反應(yīng)的鏈傳遞循環(huán)過程;在此階段,乙烷被不斷地消耗,乙烯和氫氣不斷生成。而甲烷只有鏈引發(fā)時有極少量的生成。
隨著鏈傳遞反應(yīng)的不斷循環(huán)進行,乙烷不斷減少,導(dǎo)致鏈傳遞所需的氫自由基減少,因此氫自由基與乙烷的鏈傳遞受乙烷減少的影響而減少,因此能量只能提供給C2H5·分解反應(yīng),這就是在管長約39.5米以后,C2H5·迅速減少,而H·大量生成的原因。
由上述分析可知,乙烷鏈終止反應(yīng)主要由2個氫自由基生成氫氣為主。
(1) 利用實驗方法研究烴類熱裂解反應(yīng)存在著人力、物力消耗大,實驗結(jié)果影響因素復(fù)雜、難以得到具體自由基反應(yīng)機理的缺點;傳統(tǒng)的“假設(shè)在反應(yīng)達到穩(wěn)態(tài)時各自由基產(chǎn)生和消失的速度相等”研究烴類熱裂解自由基反應(yīng)機理的方法存在較多的任意性和人為因素,造成了計算結(jié)果的局限性,使得計算結(jié)果與實驗結(jié)果不符,影響了對烴類熱裂解機理的研究。
(2) 作者提出了用分子模擬軟件研究烴類熱裂解的自由基基元反應(yīng),將其計算結(jié)果作為動力學(xué)模型,代入自建的一維工藝數(shù)學(xué)模型進行模擬計算,通過對計算得到的自由基和產(chǎn)物沿管長的變化規(guī)律的分析,提出了了解烴類熱裂解反應(yīng)機理的新方法,并通過對乙烷熱裂解機理的研究證明了該方法的可行性。
(3) 乙烷熱裂解反應(yīng)機理如下:鏈引發(fā)反應(yīng)主要由斷C—C鍵生成2個甲基自由基完成,但由于后續(xù)鏈傳遞反應(yīng)沒有甲基自由基生成,因此甲基自由基沒有參與到鏈傳遞反應(yīng)中,生成的甲烷數(shù)量很少;乙烷的鏈傳遞反應(yīng)主要由氫自由基與乙烷生成乙基自由基和氫氣、乙基自由基分解生成乙烯和氫自由基為主反復(fù)循環(huán)進行;鏈終止反應(yīng)主要由兩個氫自由基生成氫氣為主。
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