張紅梅,李青月,李金蓮,郝玉蘭,張晗偉,趙 亮
(1.東北石油大學(xué) 石油與天然氣化工省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 大慶 163318; 2.中國(guó)石油大學(xué) 重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249)
乙烯工業(yè)的巨大效益及激烈競(jìng)爭(zhēng)使得我國(guó)石化既面臨機(jī)會(huì),又有挑戰(zhàn)[1]。雖然Rice[2]很早就提出烴類(lèi)熱裂解反應(yīng)是按照自由基反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行的,但由于反應(yīng)具有自由基種類(lèi)多、濃度小、反應(yīng)時(shí)間短的特點(diǎn),給實(shí)驗(yàn)研究[3-8]造成了很大的困難,致使對(duì)自由基反應(yīng)機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展緩慢。雖然裂解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型[9-12]有很多,但由于經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng),預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性較差,因此應(yīng)用受到了限制。而隨著裂解原料優(yōu)化問(wèn)題[13-16]越來(lái)越突出,預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性高的動(dòng)力學(xué)模型將會(huì)受到青睞。張紅梅等[17-19]利用分子模擬軟件這一理論研究方法,對(duì)小分子烴類(lèi)的自由基反應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算,并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,證明分子模擬軟件可以得到單一烴類(lèi)熱裂解自由基反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。
作者在上述基礎(chǔ)上提出了利用Materials studio[20-21]軟件和自建的一維工藝數(shù)學(xué)模型[22-24]研究烴類(lèi)熱裂解反應(yīng)機(jī)理的方法,并用該方法對(duì)乙烷、丙烷單獨(dú)及混合熱裂解的反應(yīng)機(jī)理及相互作用機(jī)理進(jìn)行了研究,證明了該方法的可行性。
(1) 用分子模擬軟件Materials studio對(duì)乙烷和丙烷所有可能發(fā)生的一次自由基基元反應(yīng)進(jìn)行模擬計(jì)算,得到各基元反應(yīng)的活化能和指前因子。
(2) 以分子模擬得到的動(dòng)力學(xué)參數(shù)建立動(dòng)力學(xué)模型,設(shè)定一定的管壁溫差,用一維工藝數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬計(jì)算,可得到反應(yīng)產(chǎn)物及自由基沿管長(zhǎng)的變化規(guī)律。為了詳細(xì)了解反應(yīng)機(jī)理,必須選擇合適的入口反應(yīng)溫度。入口反應(yīng)溫度過(guò)低,原料反應(yīng)不充分;溫度過(guò)高,反應(yīng)會(huì)瞬間完成,不利于觀察機(jī)理;作者一般選擇原料在爐出口接近反應(yīng)完全時(shí)的溫度作為該原料的入口反應(yīng)溫度。
(3) 通過(guò)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物沿管長(zhǎng)變化規(guī)律的分析和研究,得到乙烷和丙烷單獨(dú)熱裂解的反應(yīng)機(jī)理。
(4) 將乙烷和丙烷的所有一次基元反應(yīng)作為動(dòng)力學(xué)模型,計(jì)算乙烷和丙烷混合裂解時(shí)產(chǎn)物和自由基的變化規(guī)律,通過(guò)與單獨(dú)機(jī)理的對(duì)比分析,得到乙烷和丙烷混合裂解的反應(yīng)機(jī)理。
乙烷進(jìn)行鏈引發(fā)時(shí)可以斷C—C鍵和C—H鍵。利用Materials studio軟件構(gòu)建乙烷分子模型,并對(duì)乙烷分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后可知,C—C鍵的鍵長(zhǎng)為0.152 6 nm和C—H鍵為0.110 1 nm,故初步推斷:在發(fā)生鏈引發(fā)反應(yīng)時(shí),C—C鍵應(yīng)比C—H鍵容易斷裂,即主要發(fā)生C—C鍵斷裂生成2個(gè)甲基自由基的反應(yīng)。通過(guò)分子模擬軟件計(jì)算得到乙烷熱裂解可能發(fā)生的各自由基基元反應(yīng)的指前因子和活化能,詳見(jiàn)表1。
表1 乙烷熱裂解自由基反應(yīng)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)
將上述自由基反應(yīng)作為動(dòng)力學(xué)模型代入一維工藝數(shù)學(xué)模型中進(jìn)行模擬計(jì)算,證明在720 ℃,鏈引發(fā)反應(yīng)(2)確實(shí)不發(fā)生,各產(chǎn)物沿管長(zhǎng)的變化規(guī)律見(jiàn)圖1。
管式裂解爐管長(zhǎng)/m圖1 乙烷單獨(dú)裂解原料及x(產(chǎn)物)變化曲線
由圖1可知乙烷裂解的機(jī)理如下:乙烷熱裂解反應(yīng)前期為鏈引發(fā)反應(yīng),由于沒(méi)有自由基生成,且斷C—C鍵比斷C—H鍵要容易得多,因此反應(yīng)管外傳遞的熱量只能使乙烷分子斷C—C鍵生成2個(gè)CH3·;有了CH3·后,由于鏈傳遞反應(yīng)的活化能明顯比斷C—C鍵所需的能量低,因此吸收的熱量主要提供給CH3·鏈傳遞反應(yīng)生成C2H5·;由于C2H5·的分解反應(yīng)活化能與鏈引發(fā)相比較低,因此C2H5·發(fā)生分解反應(yīng)生成乙烯和H·;H·會(huì)取代CH3·進(jìn)行鏈傳遞反應(yīng),并不斷地消耗乙烷,生成乙烯和氫氣,這就是產(chǎn)物中乙烯和氫氣較多的原因。因?yàn)镃H3·只是在鏈引發(fā)階段有少量產(chǎn)生,故甲烷產(chǎn)率較低。
利用Materials studio軟件對(duì)丙烷分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,得到丙烷分子的鍵長(zhǎng)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2。
圖2 丙烷分子鍵長(zhǎng)結(jié)構(gòu)圖
由圖2可知,2個(gè)C—C鍵的鍵長(zhǎng)完全相同,且均大于C—H鍵,因此可以初步推斷在發(fā)生裂解反應(yīng)時(shí)C—C鍵應(yīng)比C—H鍵容易斷裂,即主要發(fā)生C—C鍵斷裂的反應(yīng)。
通過(guò)分子模擬計(jì)算,得到了丙烷熱裂解自由基反應(yīng)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 丙烷熱裂解自由基反應(yīng)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)
經(jīng)模擬計(jì)算可知,鏈引發(fā)反應(yīng)(2)和(3)在687℃下基本不反應(yīng),因此下面主要研究由鏈引發(fā)反應(yīng)(1)所引起的自由基反應(yīng),即生成1個(gè)C2H5·和1個(gè)CH3·的反應(yīng)。由文獻(xiàn)可知,C2H5·是比較特殊的自由基,它既可以與原料發(fā)生鏈傳遞反應(yīng)生成乙烷,也可以發(fā)生分解反應(yīng)生成乙烯和H·,因此假設(shè)C2H5·可以發(fā)生分解反應(yīng)和鏈傳遞反應(yīng)2種反應(yīng);活潑自由基的鏈傳遞反應(yīng)還會(huì)生成1-C3H7·和2-C3H7· 2種不同的丙基自由基,它們會(huì)發(fā)生不同的裂解反應(yīng),生成乙烯和丙烯等產(chǎn)物分子。經(jīng)整理可得到丙烷熱裂解反應(yīng)的4條可能反應(yīng)途徑,見(jiàn)圖3。
圖3 丙烷熱裂解自由基反應(yīng)途徑
用一維模型計(jì)算丙烷裂解的總路徑,見(jiàn)圖4。通過(guò)與分路徑計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,可得到丙烷熱裂解時(shí)具體的裂解反應(yīng)機(jī)理如下。
丙烷熱裂解的鏈引發(fā)反應(yīng)雖然有3種可能性,但計(jì)算結(jié)果表明在反應(yīng)器中只有1個(gè)鏈引發(fā)反應(yīng)在進(jìn)行,即丙烷分子分解生成1個(gè)CH3·和1個(gè)C2H5·;雖然C2H5·在丙烷熱裂解過(guò)程中既可能進(jìn)行鏈傳遞反應(yīng)又可能進(jìn)行分解反應(yīng),但模擬結(jié)果證明C2H5·既沒(méi)有進(jìn)行分解反應(yīng)(圖3中的氫氣主要是2-C3H7·生成),也沒(méi)有進(jìn)行鏈傳遞反應(yīng)(產(chǎn)物乙烷很少),其原因一是由于C2H5·是鏈引發(fā)的產(chǎn)物,本身數(shù)量很少,二是C2H5·自身基團(tuán)較大,活化能也較大,因此活躍性低于CH3·和H·,故鏈傳遞反應(yīng)最初由CH3·承擔(dān),CH3·與丙烷進(jìn)行鏈傳遞反應(yīng)可生成1-C3H7·和2-C3H7·。
1-C3H7·可分別在C—C鍵和C—H鍵的β位進(jìn)行斷裂生成乙烯和丙烯見(jiàn)圖4。
管式裂解爐管長(zhǎng)/m圖4 丙烷熱裂解原料及x(產(chǎn)物)變化曲線
由圖4可知,1-C3H7·主要進(jìn)行斷C—C鍵生成C2H4和CH3·的反應(yīng),CH3·繼續(xù)與原料反應(yīng),形成鏈的循環(huán)。這就是乙烯和甲烷多的原因,同時(shí)也是丙烷熱裂解反應(yīng)中生成乙烯的主要途徑。
2-C3H7·只存在C—H鍵的β位,斷裂后生成丙烯和H·,H·繼續(xù)與原料反應(yīng)形成鏈的循環(huán),這就是丙烯和氫氣多的原因,同時(shí)也是丙烷熱裂解生成丙烯的主要途徑。
雖然1-C3H7·分解生成乙烯和CH3·的活化能稍小于2-C3H7·分解生成丙烯和H·,但H·的活化能卻比CH3·小近一倍,因此綜合競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果,反應(yīng)途徑(1)和(2)都參與了鏈傳遞反應(yīng),且在作者選擇的反應(yīng)溫度下反應(yīng)途徑(1)占優(yōu)勢(shì);只要原料丙烷存在,自由基反應(yīng)(6)和(9)及自由基反應(yīng)(7)和(10)均可不斷地循環(huán)進(jìn)行,生成較多的乙烯和丙烯;同時(shí)H·和CH3·生成氫氣和甲烷。
由于自由基反應(yīng)的特殊性,因此利用實(shí)驗(yàn)對(duì)不同烷烴之間相互作用機(jī)理的研究報(bào)導(dǎo)較少[25-27],多數(shù)是數(shù)值模擬研究,但由于以前受模擬軟件的影響,結(jié)果并不理想。作者對(duì)乙烷和丙烷的相互作用機(jī)理進(jìn)行了研究。將表1和表2中的所有一次反應(yīng)作為自由基反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型代入一維工藝數(shù)學(xué)模型中,且原料n(乙烷)∶n(丙烷)=1∶1,為了與單獨(dú)裂解時(shí)進(jìn)行比較,混合裂解的入口反應(yīng)溫度與丙烷單獨(dú)裂解的溫度相同,模擬計(jì)算結(jié)果中x(產(chǎn)物)沿管長(zhǎng)的變化見(jiàn)圖5。
管式裂解爐管長(zhǎng)/m圖5 乙烷和丙烷混合熱裂解中原料及x(產(chǎn)物)變化曲線
對(duì)比圖4和圖5中丙烷的轉(zhuǎn)化率可以看出,將乙烷與丙烷混合后,目的產(chǎn)物乙烯及丙烯的數(shù)量有了一定的變化,說(shuō)明確實(shí)存在著一定的相互作用。乙烷、丙烷單獨(dú)熱裂解和混合熱裂解消耗曲線見(jiàn)圖6。從圖6可以更直觀地看到乙烷、丙烷單獨(dú)熱裂解和混合熱裂解確實(shí)存在著相互作用,需進(jìn)一步分析。
為了更清楚地了解鏈傳遞過(guò)程中自由基間的相互作用機(jī)理,下面通過(guò)刪除不同反應(yīng)的方法,分析自由基間相互作用的規(guī)律。
管式裂解爐管長(zhǎng)/m圖6 單獨(dú)和混合熱裂解中乙烷、丙烷消耗的變化曲線
比較丙烷單獨(dú)熱裂解的產(chǎn)物收率和混合熱裂解的產(chǎn)物收率可知,H2變化不大,而丙烷單獨(dú)熱裂解得到的CH4比混合熱裂解要明顯地多,故可以推測(cè),活潑的H·取代了一部分CH3·參與了鏈傳遞反應(yīng),故設(shè)計(jì)驗(yàn)證計(jì)算如下。
(1) 在混合熱裂解中CH3·的鏈傳遞反應(yīng)為:
(10)
(7)
當(dāng)其它反應(yīng)條件不變時(shí)刪去反應(yīng)(10),即只允許進(jìn)行2-C3H7·分解,結(jié)果表明,H2和CH4的收率變化不大,說(shuō)明在混合熱裂解中CH3·與丙烷單獨(dú)裂解時(shí)一樣,對(duì)H·影響很小。
(2) 在混合熱裂解中H·的鏈傳遞反應(yīng)主要有2個(gè)路徑,分別為表2中的反應(yīng)(9)和(6)以及表1中的反應(yīng)(5)和(4):
(9)
(6)
(5)
(4)
刪去反應(yīng)(9),即只允許進(jìn)行1-C3H7·分解后,H2明顯下降,而CH4明顯上升,說(shuō)明在混合熱裂解中H·主要是由反應(yīng)(6)生成的,當(dāng)H·不足時(shí),CH3·可以替代H·進(jìn)行了一部分反應(yīng),因此甲烷明顯上升。
刪去反應(yīng)(5)后H2和CH4也有一定的變化,但變化沒(méi)有刪去反應(yīng)(9)后的明顯,說(shuō)明活潑的H·確實(shí)與乙烷進(jìn)行了鏈傳遞反應(yīng),由于反應(yīng)(4)的活化能遠(yuǎn)小于乙烷斷C—C鍵的活化能,因此加快了乙烷的熱裂解反應(yīng)。
由以上驗(yàn)證計(jì)算可以看出,混合裂解時(shí),自由基之間確實(shí)產(chǎn)生了相互作用,通過(guò)多次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)可以得到乙烷丙烷相互作用機(jī)理如下。
(1) 丙烷單獨(dú)裂解時(shí),存在H·和CH3· 2個(gè)鏈傳遞循環(huán),由于CH3·循環(huán)是鏈引發(fā)就產(chǎn)生的;H·奪的是丙烷的伯氫,而伯氫與仲氫的數(shù)量比為3∶1,占有優(yōu)勢(shì);1-C3H7·的分解反應(yīng)的活化能比2-C3H7·低,且生成CH3·,因此CH3·循環(huán)占了優(yōu)勢(shì),產(chǎn)物中乙烯的收率大于丙烯。
(2) 乙烷丙烷混合裂解時(shí),由于丙烷較容易進(jìn)行鏈引發(fā)反應(yīng),所以較早形成了CH3·和H·的循環(huán),CH3·和H·的存在可以幫助乙烷不必經(jīng)過(guò)難進(jìn)行的鏈引發(fā)反應(yīng),而直接進(jìn)入鏈傳遞,因此比乙烷單獨(dú)時(shí)反應(yīng)速率加快;另外由于乙烷的鏈傳遞循環(huán)所需能量遠(yuǎn)低于1-C3H7·的分解反應(yīng),因此雖然形成循環(huán)較晚,但也發(fā)生了一部分反應(yīng)。
(3) 丙烷單獨(dú)裂解時(shí)只有丙烷原料,但加入乙烷后,乙烷的6個(gè)伯氫的存在使得基團(tuán)較大的CH3·的奪氫反應(yīng)難度加大,因此影響了1-C3H7·的分解反應(yīng),使得乙烯和甲烷的收率下降;而所形成的氫循環(huán)也可以參與到丙烷的奪氫反應(yīng)中去,但由于所生成的1-C3H7·分解后只會(huì)生成CH3·,因此CH3·的循環(huán)因CH3·積累的原因也會(huì)繼續(xù)進(jìn)行。
(1) 提出了將Materials studio軟件和自建的一維工藝數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算相結(jié)合的研究烴類(lèi)熱裂解反應(yīng)的方法,并用該方法對(duì)乙烷、丙烷單獨(dú)及混合裂解的反應(yīng)機(jī)理及相互作用機(jī)理進(jìn)行了研究,證明了該方法的可行性;
(2) 乙烷熱裂解時(shí),鏈引發(fā)反應(yīng)是乙烷生成2個(gè)CH3·,但鏈傳遞是由C2H5·分解生成乙烯和H·,生成的H·與乙烷進(jìn)行奪氫反應(yīng)生成氫氣和C2H5·,因此產(chǎn)物中乙烯和氫氣較多,甲烷很少;
(3) 丙烷熱裂解反應(yīng)的鏈引發(fā)反應(yīng)是由斷C—C鍵生成的,鏈傳遞有2個(gè),一是由CH3·與丙烷反應(yīng)生成1-C3H7·,1-C3H7·分解生成乙烯和CH3·組成;另一個(gè)鏈傳遞是H·與丙烷反應(yīng)生成2-C3H7·和氫氣、2-C3H7·分解生成丙烯和H·組成。
(4) 乙烷和丙烷混合熱裂解時(shí),丙烷熱裂解生成的H·會(huì)與乙烷反應(yīng),使得乙烷不用經(jīng)過(guò)鏈引發(fā)就可進(jìn)行鏈傳遞,因此加快了乙烷的反應(yīng);同時(shí)由于乙烷的出現(xiàn),阻止了較大的CH3·與丙烷的反應(yīng),因此使得CH3·的鏈傳遞速率下降,從而對(duì)丙烷的反應(yīng)起到了抑制作用。
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