楊幸川,位根磊,徐麗,劉國際
(鄭州大學(xué)化工學(xué)院,河南鄭州450001)
1,6-己二醇(C6H14O2,HDOL)是一種重要的化工原料,可應(yīng)用于生產(chǎn)聚氨酯膠黏劑、聚氨酯彈性體以及環(huán)保型涂料、黏合劑等多個(gè)領(lǐng)域[1-2]。HDOL具有兩個(gè)端鏈羥基和較長的碳鏈,與乙二醇相比,以HDOL為原料制備的聚酯具有更為優(yōu)異的柔韌性和抗腐蝕性[3],因此,以HDOL為原料制造的新型高性能材料越來越受到用戶青睞。近年來,全球HDOL市場規(guī)模不斷增大,據(jù)預(yù)測(cè),HDOL的市場規(guī)模將由2019年的9.02億美元增長至2025年的14.01億美元,年復(fù)合增長率為8%[4]。隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,國內(nèi)對(duì)HDOL的需求量也逐年上升,HDOL對(duì)外依存度常年居高[1],因此,需要加快國內(nèi)HDOL工業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)程,開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的HDOL生產(chǎn)工藝,降低國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)成本,提高抗風(fēng)險(xiǎn)能力。
采用己二酸或者己二酸酯,特別是己二酸二甲酯(DMA)加氫制備HDOL的生產(chǎn)工藝,因產(chǎn)物選擇性高、反應(yīng)流程簡單、三廢較少等特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注[5-8],是具有較好應(yīng)用前景和較強(qiáng)競爭力的HDOL生產(chǎn)途徑。反應(yīng)熱力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)研究是研究化學(xué)反應(yīng)過程的重要環(huán)節(jié)[9-10]。通過熱力學(xué)分析可以知道反應(yīng)發(fā)生的可能性、反應(yīng)進(jìn)行的程度以及外界條件對(duì)反應(yīng)平衡的影響[11-13]。動(dòng)力學(xué)研究是從動(dòng)態(tài)角度研究反應(yīng)條件對(duì)反應(yīng)速率的影響,實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)的反應(yīng)可能性[14-17],對(duì)反應(yīng)過程開發(fā)、反應(yīng)器設(shè)計(jì)有著重要作用。而目前關(guān)于DMA加氫制備HDOL的熱力學(xué)數(shù)據(jù)和動(dòng)力學(xué)研究鮮有報(bào)道?;诖耍疚牟捎没鶊F(tuán)貢獻(xiàn)法[18-19],對(duì)DMA加氫體系進(jìn)行熱力學(xué)數(shù)據(jù)估算,探討了反應(yīng)溫度、壓力等對(duì)Gibbs自由能變和反應(yīng)平衡常數(shù)的影響;采用固定床反應(yīng)器對(duì)DMA加氫本征動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究,獲得了冪函數(shù)型動(dòng)力學(xué)方程參數(shù),以期為HDOL的生產(chǎn)優(yōu)化和工業(yè)化設(shè)計(jì)提供參考。
式中,Nts為總對(duì)稱數(shù),DMA和HDOL的總對(duì)稱數(shù)分別為18和2;Noi為光學(xué)異構(gòu)體數(shù),對(duì)于本研究體系,各物質(zhì)的光學(xué)異構(gòu)體數(shù)均為1。計(jì)算所得摩爾標(biāo)準(zhǔn)生成焓、標(biāo)準(zhǔn)熵和比定壓熱容多項(xiàng)式回歸結(jié)果列于表3。
DMA和HDOL的臨界溫度、臨界壓力和臨界摩爾體積采用Joback法估算[24],偏心因子采用Constantinou-Gani基團(tuán)貢獻(xiàn)法[20]進(jìn)行估算。計(jì)算式如式(6)~式(11)所示:
表2 熱力學(xué)基團(tuán)貢獻(xiàn)值:比定壓熱容(Benson法)Table 2 Thermodynamic data of group contribution of each component:heat capacity at constant pressure(Benson method)
臨界性質(zhì)估算值和文獻(xiàn)查得的甲醇與H2臨界性質(zhì)列于表4中。估算得到的DMA和HDOL的沸點(diǎn)與文獻(xiàn)值[25]相對(duì)偏差分別為0.58%和0.86%,說明估算得到的結(jié)果是可靠的。
采用適用于高溫高壓條件下的Soave-Redlish-Kwang(RKS)狀態(tài)方程計(jì)算混合物中各物質(zhì)的逸度系數(shù)[26],計(jì)算式如下:
反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變、標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵變、標(biāo)準(zhǔn)摩爾Gibbs自由能變以及標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)平衡常數(shù)采用如下方程進(jìn)行計(jì)算:
根據(jù)上述求得的標(biāo)況下熱力學(xué)數(shù)據(jù),進(jìn)而可以得到在不同溫度下的反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)焓變、熵變和Gibbs自由能變。其計(jì)算式如式(17)~式(19)所示。
其中,ΔCp,m=∑vi Cp,i(T)。
采用上述方程計(jì)算了反應(yīng)溫度在400~600 K范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓變、熵變、自由能變及平衡常數(shù),其中,反應(yīng)自由能變及平衡常數(shù)隨溫度變化情況繪制于圖1中。由計(jì)算結(jié)果可知,在考察溫度范圍內(nèi),反應(yīng)焓變(-53.49~-64.52 kJ·mol-1)、熵變(-87.25~-109.83 J·mol-1·K-1)均為負(fù)值且隨溫度升高而降低,即隨反應(yīng)溫度升高,DMA加氫反應(yīng)放熱量增大。反應(yīng)Gibbs自由能變隨反應(yīng)溫度升高而升高,在反應(yīng)溫度不高于580 K時(shí),反應(yīng)Gibbs自由能變小于零,反應(yīng)為自發(fā)過程,升高溫度不利于該反應(yīng)的自發(fā)進(jìn)行。僅從熱力學(xué)角度分析,降低溫度有利于反應(yīng)物平衡轉(zhuǎn)化率的提高。然而,由Arrhenius方程可知,反應(yīng)溫度的降低會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)速率降低,因此,在實(shí)際生產(chǎn)過程中,反應(yīng)條件的確定還需綜合考慮溫度對(duì)反應(yīng)平衡和反應(yīng)速率的影響。
表3 各物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓、標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵及比定壓熱容關(guān)聯(lián)系數(shù)Table 3 Standard molar formation enthalpy,standard molar entropy and the parameters of heat capacity of the species involved in this work
表4 各物質(zhì)臨界性質(zhì)及偏心因子Table 4 Critical parameters and the acentric factor of species used in this work
圖1 不同溫度下的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)Gibbs自由能變及平衡常數(shù)Fig.1 Curves ofΔ(T)and K p with the increases of temperature
相關(guān)文獻(xiàn)及本課題組前期研究表明[7,27-29],DMA加氫反應(yīng)一般是在較大氫酯摩爾比(H2/DMA≥150)和較高反應(yīng)壓力(p≥6 MPa)下進(jìn)行的。因此,在高壓、高氫酯摩爾比條件下對(duì)反應(yīng)體系進(jìn)行熱力學(xué)分析是更有現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值的。本文在H2/DMA=150,壓力分別為2、6、10、15和20 MPa的反應(yīng)條件下,在一定溫度范圍內(nèi)對(duì)反應(yīng)Gibbs自由能變和平衡常數(shù)進(jìn)行計(jì)算,探究壓力對(duì)反應(yīng)平衡的影響。由熱力學(xué)第一定律和第二定律得到的dG=Vdp-SdT,可以推導(dǎo)出恒溫條件下Gibbs自由能變與反應(yīng)壓力之間的關(guān)系如下:
采用式(20)計(jì)算的反應(yīng)Gibbs自由能變和由此得到的平衡常數(shù)繪制于圖2中。由圖可知,隨著壓力升高,DMA加氫反應(yīng)Gibbs自由能變降低,反應(yīng)平衡常數(shù)升高,說明高壓有利于反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行。在計(jì)算條件范圍內(nèi),平衡常數(shù)計(jì)算結(jié)果為1.6×106~9.7×108,說明在熱力學(xué)上DMA加氫轉(zhuǎn)化為HDOL是可行的。此外,從圖2(b)中還可以發(fā)現(xiàn),溫度越低,壓力對(duì)平衡常數(shù)的影響越大。
為進(jìn)一步討論氫酯摩爾比對(duì)反應(yīng)平衡的影響,計(jì)算了在體系壓力為6 MPa、溫度為500 K條件下,氫酯摩爾比在100~650之間的反應(yīng)Gibbs自由能變和反應(yīng)平衡常數(shù),結(jié)果如圖3所示。由圖可知,隨著氫酯摩爾比的升高,反應(yīng)平衡常數(shù)逐漸變大。當(dāng)氫酯摩爾比由100升高至650時(shí),反應(yīng)平衡常數(shù)由8.2×107增大至3.4×109。對(duì)于化學(xué)反應(yīng)來講,在反應(yīng)平衡常數(shù)不變的情況下,增大一種反應(yīng)物的濃度,有利于提高其他反應(yīng)物的平衡轉(zhuǎn)化率。因此,在DMA加氫反應(yīng)中,適當(dāng)提高氫酯摩爾比,不僅有利于DMA的汽化,也有利于增大反應(yīng)平衡常數(shù)和提高關(guān)鍵組分DMA的平衡轉(zhuǎn)化率。但是,高氫酯比就意味著有更多的H2需要循環(huán)處理,這無疑會(huì)增加動(dòng)力和分離等設(shè)備的運(yùn)行成本。所以,在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究中,還需綜合考量,選擇適宜的氫酯摩爾比。
圖2 不同反應(yīng)壓力下反應(yīng)Gibbs自由能變、平衡常數(shù)與反應(yīng)溫度的關(guān)系Fig.2 ΔG r(T)and K p of reaction at different pressures as a function of temperature
圖3 氫酯摩爾比對(duì)反應(yīng)Gibbs自由能變及平衡常數(shù)的影響Fig.3 Effect of molar ratio of H2/DMA onΔG r(T)and K p
為確定不同反應(yīng)條件下混合物的狀態(tài),采用計(jì)算得到的熱力學(xué)數(shù)據(jù)和RKS方程對(duì)混合物(H2/DMA=150)的露點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖4(a)所示,動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)條件下的混合物露點(diǎn)溫度與實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)比繪制于圖4(b)中。由圖可見,在考察條件范圍內(nèi)和動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)條件下,反應(yīng)溫度均高于露點(diǎn)溫度,混合物均以氣相形式存在。因此,反應(yīng)平衡常數(shù)與平衡時(shí)物質(zhì)組成之間的關(guān)系可用式(21)表示:
結(jié)合物料衡算可以得到反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)各組分含量,進(jìn)而求得關(guān)鍵組分DMA的平衡轉(zhuǎn)化率。經(jīng)計(jì)算,在考察壓力和氫酯摩爾比范圍內(nèi)DMA平衡轉(zhuǎn)化率均在99.99%以上,因此,在一定范圍內(nèi),工藝條件的改變不會(huì)引起DMA理論平衡轉(zhuǎn)化率的顯著改變。此外,在本文動(dòng)力學(xué)研究實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi),計(jì)算所得DMA理論平衡轉(zhuǎn)化率均接近100%。
DMA加氫實(shí)驗(yàn)是在固定床管式反應(yīng)器(青島捷天)中進(jìn)行的,反應(yīng)管內(nèi)徑10 mm、長度600 mm、DMA和H2流量分別通過高壓微量恒流泵和質(zhì)量流量計(jì)控制。加氫產(chǎn)物經(jīng)冷凝后進(jìn)行氣液分離,尾氣排空,液體收集后利用氣相色譜儀(島津)進(jìn)行定量分析。色譜條件為:進(jìn)樣器和檢測(cè)器(FID)溫度分別為250℃,色譜柱采用毛細(xì)管柱,載氣為高純氮?dú)?,流?0 ml/min。柱箱采用程序控溫,程序?yàn)椋撼跏紲囟?0℃,保持5 min,然后以20℃/min升溫至220℃,保持15 min。液相產(chǎn)品用無水乙醇(色譜純)稀釋后由自動(dòng)進(jìn)樣器進(jìn)樣,進(jìn)樣量為1μl,分流比為100∶1,樣品中物質(zhì)含量采用外標(biāo)法定量,DMA和HDOL標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)分別為0.99998和0.99994。每個(gè)樣品至少分析3次,取其平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖4 混合物露點(diǎn)曲線Fig.4 Dew point curves of mixtures
實(shí)驗(yàn)采用本課題組研制的Cu/ZnO/Al2O3催化劑[7,28-29],通過改變催化劑顆粒大小的方法,消除內(nèi)擴(kuò)散的影響。經(jīng)模壓成型、研磨篩分后,選取顆粒尺寸分別為20~40目(0.42~0.84 mm),40~60目(0.25~0.42 mm)和60~80目(0.18~0.25 mm)3種粒徑的催化劑顆粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖5(a)所示。當(dāng)顆粒直徑為20~40目時(shí),內(nèi)擴(kuò)散影響已經(jīng)消除。外擴(kuò)散影響可通過增大物料流速的方法消除,即在相同的氣時(shí)空速條件下,改變催化劑的裝填量。氣體流速對(duì)DMA轉(zhuǎn)化率的影響如圖5(b)所示在催化劑裝填量為2 g時(shí),外擴(kuò)散影響可認(rèn)為已經(jīng)消除。在本研究中,選用催化劑粒徑為40~60目,催化劑裝填量為3 g進(jìn)行動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。
采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,在溫度為473.15~514.15 K、壓力為2.0~6.1 MPa、液時(shí)空速(LHSV,DMA常溫下為液體,在實(shí)驗(yàn)條件下為氣體,為便于計(jì)算,實(shí)驗(yàn)采用液時(shí)空速計(jì)量)為1.28~2.55 h-1、氫酯摩爾比為150~270,進(jìn)行25組動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表5。
反應(yīng)產(chǎn)物分析結(jié)果表明,在實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi),HDOL選擇性均大于95%,因此在動(dòng)力學(xué)方程擬合中,忽略副反應(yīng)影響。根據(jù)熱力學(xué)分析結(jié)果,在動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究條件下,DMA平衡轉(zhuǎn)化率均接近100%,因此反應(yīng)按不可逆處理。本文選取形式較為簡單、方便應(yīng)用的冪函數(shù)型動(dòng)力學(xué)模型[30-31],方程形式如下:
其中,k=Aexp(-EaRT);pDMA和pH2分別表示DMA和H2的分壓,MPa;采用RKS方程分別對(duì)各組實(shí)驗(yàn)始、終態(tài)混合物組分逸度系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果表明,各物質(zhì)逸度系數(shù)均接近1且變化幅度小于5%,因此在動(dòng)力學(xué)方程擬合中,為方便應(yīng)用,DMA和H2分壓在計(jì)算時(shí)忽略逸度系數(shù)影響;a、b分別表示DMA和H2的反應(yīng)級(jí)數(shù)。
表5 動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 The results of kinetic experiments
圖5 內(nèi)擴(kuò)散和外擴(kuò)散對(duì)DMA轉(zhuǎn)化率的影響Fig.5 Effect of internal and external diffusion on DMA conversion
本研究以DMA作為關(guān)鍵組分,以出口DMA摩爾分?jǐn)?shù)作為獨(dú)立變量,設(shè)定目標(biāo)函數(shù)為式(23)。采用四階Runge-Kutta法求解微分方程,通過簡面體爬山法進(jìn)行參數(shù)估值,得到DMA加氫動(dòng)力學(xué)方程如式(24)所示,可知,反應(yīng)活化能為63.55 kJ·mol-1,DMA和H2的反應(yīng)級(jí)數(shù)分別為0.63和0.40。值得注意的是,根據(jù)反應(yīng)方程式,1分子的DMA與4分子的H2反應(yīng),H2的反應(yīng)級(jí)數(shù)應(yīng)大于DMA,但是,擬合結(jié)果卻與之相反。這是由于反應(yīng)體系中氫酯摩爾比較高(≥150),H2分壓近似等于反應(yīng)壓力,反應(yīng)前后變化不大。在動(dòng)力學(xué)方程中,H2分壓項(xiàng)(pH2)主要反映的是反應(yīng)壓力對(duì)反應(yīng)速率的影響。這一研究結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道相一致[32-34]。
對(duì)上述動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行形式變換,可得到氫酯摩爾比為n(n=150~270)時(shí)的初始反應(yīng)速率如式(25)所示。可以看到,在本實(shí)驗(yàn)考察條件范圍內(nèi),壓力對(duì)初始反應(yīng)速率的影響比氫酯摩爾比更大,增大反應(yīng)壓力和減小氫酯摩爾比,有利于提高初始反應(yīng)速率。
反應(yīng)器出口DMA含量實(shí)驗(yàn)值與模型計(jì)算值對(duì)比如圖6所示。由圖可見,模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合度較高。對(duì)獲得的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),結(jié)果列于表6。其中,ρ2表示決定性指標(biāo),F(xiàn)代表回歸均方和與模型殘差均方和之比[35]。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,ρ2>0.99,F(xiàn)>10F0.05(20,4),表明在實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi),該動(dòng)力學(xué)模型是適用的。
(1)計(jì)算了DMA和HDOL的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓、標(biāo)準(zhǔn)熵和比定壓熱容,并以此得到了DMA加氫反應(yīng)的Gibbs自由能變和平衡常數(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)壓力、不同反應(yīng)溫度下得到的反應(yīng)焓變、Gibbs自由能變數(shù)據(jù)表明,該反應(yīng)為放熱反應(yīng),反應(yīng)放熱量隨溫度升高而升高,在400~580 K,反應(yīng)Gibbs自由能變小于零,反應(yīng)為自發(fā)過程,平衡常數(shù)隨反應(yīng)溫度的升高而降低。
圖6 反應(yīng)器出口DMA摩爾分?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比Fig.6 Comparison of experimental and calculated data of molar fraction of DMA at the reactor outlet
表6 動(dòng)力學(xué)方程統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)結(jié)果Table 6 Statistical test results of kinetic equation
(2)不同反應(yīng)壓力下的計(jì)算結(jié)果表明,提高反應(yīng)壓力和氫酯摩爾比有利于反應(yīng)的正向進(jìn)行,有利于提高反應(yīng)平衡常數(shù)。對(duì)反應(yīng)平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算結(jié)果表明,在所考察的工藝條件范圍內(nèi),反應(yīng)條件的改變不會(huì)引起DMA理論平衡轉(zhuǎn)化率的顯著變化,其值均在99.99%以上。在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究中,DMA加氫的工藝條件在熱力學(xué)上具有較大調(diào)變空間。
(3)在消除了內(nèi)外擴(kuò)散對(duì)反應(yīng)的影響后,利用固定床高壓反應(yīng)器對(duì)DMA加氫動(dòng)力學(xué)展開研究。采用Runge-Kutta對(duì)建立的冪函數(shù)型動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)估值,得到了反應(yīng)的活化能為63.55 kJ·mol-1,DMA的反應(yīng)級(jí)數(shù)大于H2,分別為0.63和0.40,在動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi),增大反應(yīng)壓力和減小氫酯摩爾比有利于初始反應(yīng)速率的提高。
符號(hào)說明
A——指前因子,mol·g-1·s-1·MPa-(a+b)
Cp——比定壓熱容,J·mol-1·K-1
Ea——反應(yīng)活化能,J·mol-1
G——Gibbs自由能,kJ·mol-1
H——焓值,kJ·mol-1
Kp——反應(yīng)平衡常數(shù)
k——反應(yīng)速率常數(shù),mol·g-1·s-1·MPa-(a+b)
LHSV——液時(shí)空速,h-1
M——?jiǎng)恿W(xué)實(shí)驗(yàn)組數(shù)
Mp——?jiǎng)恿W(xué)方程參數(shù)個(gè)數(shù)
NA——分子中的原子數(shù)目
Ni——基團(tuán)i
Nes,Nis——分別為外部、內(nèi)部不可分辨性數(shù)目
p——壓力,MPa
pΘ——標(biāo)準(zhǔn)態(tài)壓力,0.1 MPa
pc——臨界壓力,MPa
R——?dú)怏w常數(shù),8.314 J·mol-1·K-1
r——反應(yīng)速率,mol·g-1·s-1
S——熵值,J·mol-1·K-1
T——溫度,K
Tb——沸點(diǎn),K
Tc——臨界溫度,K
Td——露點(diǎn),K
V——混合物的摩爾體積,ml·mol-1
Vc——臨界摩爾體積,ml·mol-1
v——反應(yīng)計(jì)量系數(shù)
vc——臨界反應(yīng)計(jì)量系數(shù)
y——摩爾分?jǐn)?shù)
Z——壓縮因子
Zc——臨界壓縮因子
ω——偏心因子
φ——逸度系數(shù)
上角標(biāo)
a,b——反應(yīng)級(jí)數(shù)
cal——計(jì)算值
exp——實(shí)驗(yàn)值
lit——文獻(xiàn)值
Θ——標(biāo)準(zhǔn)態(tài)
下角標(biāo)
f——生成態(tài)
i——組分
k——基團(tuán)數(shù)
m——摩爾
r——反應(yīng)態(tài)