化工工艺 加氢与脱氢过程

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学平衡成为关键因素。如CO加氢制甲醇。
◆压力影响
分子减少反应,加压有利。
◆氢气与原料的用量比
A +H2
B
KN
yB yA yH2
KN
yH2
yB yA
X
H2↑,优点:X↑,有利于移走反应热。 缺点:分离、循环量大,能耗大
●动力学分析 ◆反应机理:不同烃的加氢反应机理不同
★多位吸附 苯在催化剂表面发生多位吸附,然后加氢得产物
(2)CO2直接加氢生成,CO通过变换生成CO2再合成 甲醇
(3)CO和CO2直接加氢
◆活性中心的吸附类型
■ Cu0是活性中心 ■ Cu+是活性中心 ■ Cu0- Cu+是活性中心 ■ CO与CO2的吸附中心与Cu有关 ■ H2与H2O的吸附中心与ZnO有关
●合成甲醇催化剂
◆Zn-Cr催化剂: 机械强度好,耐热性好,寿命2-3年, 用于高温、高 压法合成甲醇,380-400℃,30MPa。 ◆Cu-Zn-Cr催化剂或Cu-Zn-Al: 活性高,低温性能良好,副产物量少,用于中低压法 合成甲醇。易中毒,寿命为1-2年, 230-270℃,510MPa。S、As中毒,精脱硫 使用前需活化,将氧化铜还原为金属铜或低价铜
●惰性气体及杂质的影响(控制15-20%)
★当原料气中N2、CH4存在时,可使H2、CO分压降低, 使转化率降低,故应采用循环气定期排放的方法;
+ H2
+ 2H2
●芳烃加氢
苯核加氢、苯核外的双键加氢、或二者兼有
●含氧化合物加氢
醛、酮、酸、酯
加氢

加氢能力:醛>酮,酸>酯;醇和酚加氢困难
●含氮化合物加氢 -CN,-NO2 加氢 -NH2
●氢解
指加氢过程有裂解,产生小分子混合物。酸、酯、 醇、烷基芳烃加氢时可产生氢解。
COOC2H5
cat.
6.3.3 合成甲醇工艺条件 ●温度
Zn-Cr催化剂:380-400℃ Cu-Zn-Al催化剂:230-270℃ 温度↑ 平衡不利,反应速率增加, 适宜温度曲线。 不同催化剂最适宜反应温度不同。
①为延长催化剂寿命,开始易用较低温度,过一定 时间再升至适宜温度,其后随着催化剂老化程度 升高,反应程度也相应高。
●合成甲醇反应热力学 ◆化学反应
主反应:
CO+2H2 CH3OH(g)+90.8kJ/mol
CO2+3H2
CH3OH(g)+H2O(g)+ 58.6kJ/mol
反应热随温度和压力变化而变化,
反应温度越低,压力越高,反应热越大
★反应温度低、压力高, 放热大
★高压,同时采用高温 ★低压,同时采用低温 ★20MPa,300-400℃, 反
◆温度影响
( d ln K P dT
)P
-H 0
RT 2
△H<0,∴T↑,KP↓
分三种类型: ① 较宽温度范围内KP大,几乎反应不可逆。乙炔加氢 ② 随温度变化较大,低温时KP大,温度升高KP↓,反应
只能在不太高温度下进行。如:苯加氢制环己烷。 ③ 低温时KP较大,温度稍高KP↓↓,热力学不利,化
H2适当过量
◆溶剂的影响
常用乙醇、甲醇、环己烷等。 作用:
①作稀释剂,带走反应热。 ②原料或产物为固体时,溶于液体溶剂,
利于反应进行。 因溶剂对加氢反应速度有影响,对选择性也有影响, 故应选择好溶剂。萘加氢
◆加氢物质结构的影响(空间位阻,影响吸附) □烯烃加氢
□芳烃
□不同类型烃类加氢
单独加氢: r烯烃>r炔烃 ; r烯烃>r芳烃, r二烯烃>r烯烃
★对反应选择性影响 T↑,S↓ ,因为副反应的活化能大。如:
H2
C + CH4
◆压力的影响(与反应物级数有关)
□ 级数负值: P加大,r下降。 □ 0级: P与反应速度无关。 □ 0~1级: P加大,r加大。 □ 对于液相加氢: 高压增加氢溶解度, r增大
◆H2用量的影响
□ H2适度过量,反应速度加快; □ H2过量,产物浓度降低,有时选择性也降低。 □ 考虑抑制结焦,传热,能耗,
CO过量能引起羰基铁在催化剂上积聚,使催化剂失 活;副反应增加。故常用氢气过量的反应。 氢气过量 ①抑制Fe(CO)5在催化剂表面沉积而造成的失活, ②导热,③ 加快反应速度 工业上 Zn-Cr2O3催化剂时,H2与CO比为4.5左右; 铜基催化剂,H2与CO比为2.2- 3.0。
●空速:
合成甲醇空速大小能影响选择性和转化率,直接关 联到催化剂的生产能力和单位时间的反应放热量。 Zn-Cr催化剂:20000-40000h-1 Cu-Zn-Al催化剂:1000h-1
低温对反应有利
◆压力对平衡常数的影响
分子减少反应,高压对反应有利
◆副反应
2CO+4H2 → (CH3)2O+H2O CO+3H2 → CH4+H2O 4CO+8H2 → C4H9OH+3H2O CO2+H2 → CO+H2O
选择催化剂,抑制副反应。
●合成甲醇反应动力学
◆甲醇合成的反应机理:
(1)CO直接加氢生成,CO2通过逆变换生成CO再合成 甲醇
第六章 加氢与脱氢过程
讲授内容
●加氢反应一般规律 ●合成氨 ●合成甲醇 ●脱氢反应一般规律 ●乙苯脱氢制苯乙烯 ●正丁烯氧化脱氢制丁二烯
第一节 加氢反应一般规律
加氢反应是指有机化合物中一个或几个不饱和的 官能团在催化剂的作用下与氢气的加成反应。H2和 N2合成氨及CO和H2合成甲醇及烃类的反应也为加氢 反应。 加氢反应可分为:加氢(hydrogenation)
◆合成反应
◆原
CO+2H2 → CH3OH 料 国外:天然气80%
重油、渣油10%
石脑油5%
煤2%
国内:以煤为主
◆合成方法 (1)高压法:1923年德国
巴登苯胺纯碱公司 —20世纪60年代 350-420℃,压力15-30MPa,ZnO-Cr2O3作催化剂。 (2)低压法:1966年 英国ICI公司 230-270℃,压力5-10MPaቤተ መጻሕፍቲ ባይዱCu-Zn-Al氧化物催化剂。 (3)中压法:1971年,德国鲁奇公司 240-290℃,压力10-15MPa,Cu-Zn-Al氧化物催化剂。 (4)联醇法:1973年,意大利
★单位吸附 苯分子只与催化剂表面一个活性中心发 生化学吸附,形成π–键吸附物,然后 把H原子逐步吸附至苯分子上(单位吸附)
◆温度影响
★对反应速度r的影响 对不可逆反应:T增加,反应速度常数k增加,r增; 考虑副反应、能耗、材质,选TOP
对可逆反应:低温时KP大,动力学占主导,T↑,r↑ 高温时KP小,热力学占主导,T↑,r↓
■UOP/Hydro、ExxonMobil的MTO技术: 流化床反应器,甲醇转化率99.8%,丙烯产率45%, 乙烯产率34%,丁烯产率13%
■鲁奇(Lurgi )的MTP技术: 甲醇制单一丙烯新工艺,采用中间冷却的绝热固定床反应 器,使用南方化学公司提供的专用沸石催化剂。
甲醇与水蒸气转化制氢
甲醇与水蒸气在一定的温度、压力条件下通过催化剂, 在催 化剂的作用下, 发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应, 生成氢和二氧化碳, 这是一个多组份、 多反应的气固催化 反应系统。转化为 75%H2和 24%CO2、极少量的CO、CH4
●骨架催化剂
将活性重金属和Al或Si制成合金,再以NaOH溶液 浸渍合金, 除去其中部分Al或Si得到活性金属骨
架。即为骨架催化剂。
如骨架镍(Raney Ni Catalyst) 骨架钴、骨架铜 等。
●金属氧化物催化剂
活性比金属催化剂差,需较高温度。为提高热稳 定性,常加Cr2O3、MoO3等。 主要有MoO3、Cr2O3、ZnO、 CuO等。即可单独用, 又可混用,且其活性比单用好。
●甲醇的用途
①甲醇+酸 → 酯+水 ②甲醇+氧气→甲醛 ③甲醇+NH3 → 甲胺、二甲胺、三甲胺 ④甲醇 →醋酸(羰基合成) ⑤甲醇合成人造蛋白是很好的禽畜饲料。 ⑥合成汽油(美国Mobil公司,ZSM-5催化剂,发现了甲醇制汽油
(Methanol to Gasoline,MTG)反应), 1979年新西兰政府利用天然气建 成了全球首套MTG装置
②因反应放热,反应热应及时移出,否则副反应增 加,活性降低。严格控制温度,及时有效地移走
反应热是合成塔设计、操作之关键。
●压力:
加压有利于反应平衡。压力过大,会使能耗增加, 设备材质要求提高,受反应温度限制。
Zn-Cr催化剂:30MPa ; Cu-Zn-Al催化剂:5-10MPa
●H2与CO比:
氢解(hydrogenolysis)
6.1.1 加氢反应类型
●不饱和炔烃、烯烃的加氢 ★烯烃加氢,乙烯反应速度最快。
C原子数↑ ,加氢速度↓ 。 ★同C数有取代基的加氢速度慢, ★二烯烃无取代基双键先加氢。
R-CH=CH2 +H2
RCH2CH3
R-CH=CH-CH-CH2 + 2H2
RCH2CH2CH2CH3
Cu-Zn-Al
●金属硫化物催化剂
MoS2、WS2、Ni2S3等。 抗毒性好,但活性低,需高温反应。
●金属络合物催化剂
多为贵重金属Ru、Rh、Pd等的络合物。 优点:活性高,选择性好,反应条件缓和。 缺点:反应为均相进行,催化剂分离难。
马来酸一苯乙烯一钯络合物(简称 (PMS·Pd) 硝基化合物,芳香族醛酮的催化加氢反应
CH3OH+ H2O → CO2+3H2-49.5 KJ/mol ⑴ CH3OH → CO+2H2 -90.7 KJ/mol ⑵ CO+H2O → CO2+H2 +41.2 KJ/mol ⑶ 重整反应生成的H2和CO2, 再经过变压吸附法(PSA)将H2和CO2 分离,得到高纯氢气。
甲醇的产能
甲醇的产能
+ 4 H2
COOC2H5
CH2OH CH2OH + 2 C2H5OH
●选择性加氢
◆同一化合物有2个可加氢官能团如:
CH=CH2 Cu Ni
C2H5 C2H5
◆催化体系中有多个加氢物质:个别或几个物质加氢 如:裂解汽油加氢
◆炔烃或二烯烃加氢:加氢深度不同
CH CH
CH2 = CH2
CH3CH3
6.1.2 催化加氢反应的一般规律 ●热力学分析(催化加氢皆为放热反应)
第三节 甲醇的合成
●概述 ●合成甲醇的基本原理 ●合成甲醇工艺条件 ●合成甲醇工艺流程 ●合成甲醇主要设备----反应器
6.3.1 合成甲醇概述 ●甲醇性质
工业甲醇是无色、类似酒味的挥发性液体。相对密 度0.7914;熔点-93.9℃;沸点65℃;折光率 1.3288;动力粘度(120℃时)0.56cp;膨胀系数 (20℃时)0.001031;蒸汽压12.8KPa;蒸汽密度 1.1kg/m3. 能与水、乙醇、醚、苯酮类和其它有机溶剂混合; 能与多种化合物形成共沸物。
共同存在: r炔烃> r二烯烃> r烯烃> r芳烃
□含氧化合物:
醛﹥酮;酯﹥酸;醇与酚较慢,需较高温度
□有机硫化物 R-S-S-R>R-SH>R-S-R>C4H8S>C4H4S
6.1.3 催化加氢催化剂
●金属催化剂
活性金属:Ni、Pd、Pt 常用载体:氧化铝、硅胶、硅藻土。 优点:活性高,低温性能好。 缺点:易中毒,原料杂质要求高。 如 S、As、P、N、Cl等。
7、合成MTBE
甲醇制烯烃技术(MTO/MTP) 技术
■Mobil公司以ZSM-5催化剂为基础,最早研究甲醇转化为乙烯 和其它低碳烯烃的工作。 ■UOP和Norsk Hydro合作开发的以UOP MTO-100(SAPO-34)为 催化剂的UOP/Hydro的MTO工艺。 ■中科院大连化物所开发的合成气经二甲醚制低碳烯烃的工艺 路线(SDTO)具独创性,与传统合成气经甲醇制低碳烯烃的 MTO相比较,CO转化率高,达90%以上,建设投资和操作费用节 省50%~80%。采用D0123催化剂时产品以乙烯为主,当使用 D0300催化剂是产品以丙烯为主。
2010年我国甲醇产能将达4500万吨/年的,甚至有一位化 工分析师算出在未来几年我国甲醇产能将达6400万吨/年。 相对中国本土市场对甲醇的消化能力,这个数字难免让人恐 惧。
2012年甲醇产能达到5149.1万吨,
2013年有效产能为5590万吨,
2013年全年进口能在490-500万吨
●甲醇的合成
应热变化小,易于控制
◆温度对平衡常数的影响
高温高压,非理想气体,逸度表示Kf只与温度有关
K f exp(13.1652 9263.26 / T 5.92839ln T 0.352404102T 0.102264104T 2 0.769446108T 3 0.238531011T 4 ) 0.1013252
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