苯加氢制环己烷解析

四、苯加氢制环己烷

环己烷主要(占总产量90%以上)用来生产环己醇、环己酮及己二酸,后三者是制造尼龙-6和尼龙-66的重要原料。环己烷还用作树脂、油脂、橡胶和增塑剂等的溶剂。

用作尼龙原料的高纯度的环己烷主要由苯加氢制得。

工业上苯加氢生产环己烷有气相法和液相法两种。虽然美国杜邦公司早已开发成功气相加氢工艺,但大多数工厂仍采用液相加氢工艺,例如美国的Uop公司,法国石油研究所(IFP)等。气相法的优点是催化剂与产品分离容易,所需反应压力也较低,但设备多而大,投资费用比液相法高。

1.反应原理

(1)化学反应在反应条件下,苯与氢可能发生下面各种反应:

＋nＨ２→Ｃ＋ＣＨ４(4)

反应(1)若为气相法固定床,用还原Ni 作催化剂,反应温度为65～250℃,压力0.5～3.5MPa;若为液相加氢,采用骨架镍或还原Ni为催化剂,反应温度为160～220℃,压力2.7MPa左右,环己烷收率在99%以上。反应(2)和(4)在250℃左右的低温下不显著,它们可能是由第Ⅷ族金属催化的氢解型机理引起的,也可能是由双功能催化剂的

加氢裂解型机理引起的。双功能催化剂为具有加氢催化活性的某些金属(如Pt,Pd或Ni)负载在酸性载体(SiO2或SiO2/Al2O3)上构成,在载体上往往存在强酸中心,它对反应(2)和(4)有明显促进作用。因此,选择非酸性载体可以避免这种加氢裂解作用。反应(3)是环己烷的异构化,它往往被酸催化,在200℃下,异构化反应达到平衡时环己烷生成甲基环戊烷的转化率为68%,将温度升高到300℃时其转化率达83%,因此也必须选择不会引起这种异构化反应的催化剂。在镍催化剂上,250℃时才开始产生甲基环戊烷。

(2)热力学平衡由反应(1)可知,苯加氢生成环己烷的反应是一个放热的体积(摩尔数)缩小的可逆反应。在127℃时的平衡常数为7×107,在227℃时为1.86×102。氢压和温度对环己烷中苯的平衡浓度的影响示于图3-2-18。由图3-2-18可见,低温

和高压对反应是有利的。相反,反应(2)和(4)则受到抑制;环己烷异构化反应是一个等摩尔反应,压力对反应影响不大。温度对反应(3)平衡的影响示于图3-2-19。由图3-2-19可知,甲基环己烷的平衡浓度随温度的提高而上升。为抑制这一副反应,也要求催化剂在较低温度下就有高的苯加氢活性,而且在催化剂上不存在酸性中心。

(3)催化剂和催化机理对苯加氢有催化活性的金属有:Rh,Ru,Pt,W,Ni,Fe,Pd和Co等。常用金属按活性排列为:

Pt>Ni>Pd

加氢活性的比例为:

K Pt：K ni：

K Pd=18：7：1

这表明铂的活性比镍高2.6倍。但铂的价格为镍的几百倍,因此选择镍作为催化剂活性组分更经济。如前所述,苯加氢有气相和液相两种方法,对液相加氢而言,要求催化剂是细微颗粒(粉末,粒度为20～100μm),能悬浮在反应液中进行液-固相加氢反应。考虑到反应要求低温高活性,而且苯环加氢比烯,炔加氢困难,工业上都选用骨架镍催化剂。用这种催化剂在3.5MPa的压力和不产生副反应的温度(200℃)下,反应速率很容易达到每克镍每分钟转化0.15mol苯的水平。骨架镍催化剂的制备过程为:先由镍和铝(重量比为1)在1500～1600℃下制成镍铝合金,然后研磨至粒度为0.04～0.25mm,再用氢氧化钠浸出铝,最后经洗涤和干燥得到高活性,多孔和高强度的骨架催化剂。由于活性高,在空气中极易自燃,故一般将它浸在乙醇中出售或经表面钝化处理变成不自燃的干燥

粉末后出售。成品为黑色粉末,镍含量为65%,松密度为2.4g/cm3;苯的气相加氢催化剂为负载型Ni催化剂,要求载体有足够的强度承受工业条件下的机械应力,有足够的比表面积和适宜的孔径分布,能负载足够数量的镍盐(氧化镍)。此外,还要求载体对副反应没有催化活性。符合上述条件,工业上应用的载体有高纯度氧化铝球(Φ2～

4mm),SiO2和硅藻土等,比表面积

210m2/g,松密度0.91g/cm3,孔隙度

0.4cm3/g。现在,工业上应用较多的液相催化剂牌号为法国的NiPS2,气相催化剂牌号为法国的LD143催化剂,它们都是由法国石油研究所(IFP)开发成功。除上述镍催化剂外,也有采用Ni-Pd催化剂,硫化镍和硫化钯催化剂。硫化物催化剂虽然不怕原料苯中硫化物的毒害,但要求高温(450℃)和高压(31.0MPa)。

关于催化加氢反应机理,即使像乙烯加氢这样一个简单的反应,认识也不一致。分岐主要集中在①氢是否也发生化学吸附;②作用物在催化剂表面是发生单位(独位)吸附还是多位吸附;③氢与吸附在催化剂表面的作用物分子是怎样反应的。以苯加氢生成环己烷为例,就提出了两种不同的机理,一种认为苯分子在催化剂表面发生多位吸附,形成,然后发生加氢反应,生成环己烷。近年来又提出了另一种观点,认为苯分子只与催化剂表面一个活性中心发生化学吸附(即独位吸附),形成π-键合吸附物,然后吸附的氢原子逐步加到吸附的苯分子上,即

上述二种反应机理,还留待进一步实验验证。

(4)反应动力学Louvain的动力学学派专门研究过在镍催化剂上苯加氢的反应动力学。研究表明,在骨架镍催化剂催化下,苯在高压、液相、温度低于200℃下加氢,苯转化率从低升至90%以上,反应对苯为零级,当转化率在95%以上时,对苯的反应级数变得接近于1。对氢而言,在所研究的压力范

围内对氢为零级反应。实验结果示于图

3-2-20。这一实验结果可用苯和氢之间的非竞争吸附来解积,并可用下列速率方程式表示:

图3-2-20 液相苯加氢反应动力学级数

的实验测定

式中: b B—苯的吸附系数;

b c—环己烷的吸附系数

C B—苯的浓度;

Cc—环己烷的浓度;

PH2—氢分压.

直到转化率为90%都观察到对苯为零级反应这一现象说明苯在催化剂上强烈吸附,在0～90%这一范围内r等于k,活化能接近54.36kJ/mol。

对芳烃在高转化率下的反应级数还没有确切的解释。有可能是因为,在苯浓度很低时,b B C B项与(1+bcCc)相比变得可以忽略不计,也有可能是因为扩散阻力造成的。

对气相催化加氢,经实验测定,有如下动力学方程: