CC BY
15ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ОКИСЛЕНИЕ ИЗОБУТИЛЕНА В МЕТИЛАКРОЛЕИН: ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Гусейнов А.С.1, Ибрагимов Ч.Ш.2
'Гусейнов Адыгезал Самидхан оглы - доктор философии по техническим наукам, доцент;
2Ибрагимов Чингиз Ширин оглы - доктор технических наук, профессор, кафедра нефтехимической технологии и промышленной экологии, химико-технологический факультет, Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности, г. Баку, Азербайджанская Республика
Аннотация: в статье приведены результаты исследований в области определения кинетических закономерностей процесса окисления изобутилена в метилакролеин. Разработана и проанализирована кинетическая модель данного процесса, используя механизм реакции окисления изобутилена в метилакролеин. На основе механизма реакции составлены уравнения скорости каждого элементарного этапа реакции. Составлены также балансовые дифференциальные уравнения каждого вещества, находящегося в данное время в реакционной зоне. В табличном виде представлены результаты экспериментальных исследований зависимости процесса окисления изобутилена в метилакролеин от начального парциального давления кислорода, от добавки углекислого газа в начальную реакционную смесь и от добавки метилакролеина в начальную реакционную смесь.
Ключевые слова: окисление изобутилена, получение метилакролеина, механизм окисления изобутилена, кинетика реакции.
УДК66. 094.37:547.313.4:547.392.3.05(043)
Получение метилакролеина, метакриловой кислоты связано с проблемой получения метакриловых мономеров. Эти продукты синтезируются каталитически окислением изобутилена.
Теоретические исследования процесса окисления изобутилена в метилакролеин на основе экспериментальных показателей позволяет ускорить внедрение данного процесса, т.е. проектирование, масштабирование и управление.
В связи с вышеизложенным, в данной статье приведены результаты теоретических аспектов кинетических исследований и анализ результатов экспериментального процесса окисления изобутилена в метилакролеин. Разработана и анализирована кинетическая модель данного процесса [1, 2].
Известно, что в химической технологии важным этапом построения математической модели высокого уровня, в которой учитываются все процессы, идущие в реакторах, и связанные с ними все технологические процессы, является разработка кинетической модели химических превращений, происходящих в реакторах. Для этого используется механизм химического процесса [3, 4].
Механизм реакции окисления изобутилена в метилакролеин можно представить в следующем виде (1) - (3):
¡с,н+о2 —— с4 н 6 о+н 2 о (1)
1С4Щ + 602 —— 4С02 + 4Н20 (2) ¡С 4Щ + 40 —— о + 4 Н20 (3)
где к — к константы скорости реакции
соответственного элементарного этапа реакции. На основе этого механизма запишем уравнения скорости каждого элементарного этапа реакции, которые составляются путем умножения концентраций веществ, вступающих в реакцию, с учетом постоянной скорости реакции (4) - (6):
(4)
гг =£2[/С4Я8]-[02]6 г3 = к2[1С4Н,][02]4
(5)
(6)
где квадратными скобками обозначена концентрация данного вещества.
22
Далее составлены следующие балансовые дифференциальные уравнения каждого вещества, находящегося в данное время в реакционной зоне:
д Г/С4 Н8]
1 4 81 = -!1 - Г - Гз (7)
дг
д[Р2 ] дг
= -г - 6Г - 4г
18)
д[С Н6 О]
дг
д[ Н2О ]
(9)
= г + 4 г + 4 Г (10) дг 123
д[СО]
—^-± = 4г (11)
дг 3
д[СО ] ^ 1 = 4г, (12) дг
Балансовые уравнения (7) - (12) отражают образование и расход данного вещества. Очевидно, что скорость каждого этапа зависит от скорости других этапов. Если вещество, на которое составляется
уравнение баланса, является сырьем, тогда скорость данного этапа ( г ) входит в дифференциальное
уравнение баланса со знаком «минус», а если для данного этапа она является продуктом, тогда скорость данного элементарного этапа входит со знаком «плюс». Здесь учитываются также стехиометрические коэффициенты.
Подставляя значения Г\ Г2 из (4)-(6) в (7)-(12), после несложных операций получим следующую систему балансовых уравнений для процесса окисления изобутилена в метилакролеин:
д[СН8 ] = - [С Н8 ] [О2 ] (к, + к2 [О2 ]5 + кз [О2 ]3 ) (13)
д[О2] = -[С4Н8 ][О2 ](к, + 6к2 [О2 ]5 + 4кз [О2 ]3 ) (14)
д[С;Н6О] = к, [СН][О2] (15)
^^ = [Ю<Щ][О2](к, + 4к2 [О2]5 + 4кз [О2]3) (16)
д[СО] п г ,4
1 ]= 4кз [СН ] к2 [О2 ] (17)
дг
^^ = 4к2 [СН ][О2 ]6 (18)
Из системы уравнений (13)-(18) рассчитываются численные значения констант скоростей к ! - к 2 с использованием экспериментальных данных. Некоторые результаты экспериментальных данных приведены в таблицах 1-3.
В таблицах 1-3 приведены экспериментальные данные зависимости окисления изобутилена в метил акролеин от разных факторов, которые имеют влияние на выходы реакции при одинаковой температуре 3250С, количества катализатора 21%, состава катализатора и времени контакта [5].
Таблица 1. Зависимость показателей процесса окисления изобутилена в метилакролеин от начального парциального давления кислорода: катализатор 21% (М0 Р0 0К ВЧ №пгаО ) + силикагель, температура - 3250С, время контакта - 2,0 с
Исход Смесь, кПа Состав контактного газа, кПа Выход продуктов
реакции
Ро2 Ри C4H8 Р^ C4H8 Р МА 1 РсО2 MA,% об ТО2, %
20,6 2,27 1,36 0,79 0,4 35.0 3.9
2,25 0,7 0,4 33. 5.00
2,18 1,37 0,7 0,4 32.1 5.1
2,27 1,7 0,46 0,38 20.2 4.1
15,0 2,29 1,7 0,50 0,38 21.9 4.1
2,26 1,6 0,50 0,38 22.5 4.2
2,27 1,88 0,3 0,27 14.1 2.9
10, 2,21 1,82 0,3 0,27 14.5 3.0
2,32 1,85 0,3 0,27 14.3 4.0
2,3 2,06 0,18 0,17 8.0 0.9
5,0 2,9 2,1 0,15 0,17 6.6 1.8
2,3 2,0 0,18 0,17 8.0 1.9
Таблица 2. Зависимость показателей процесса окисления изобутилена в метилакролеин от добавки углекислого газа в начальную реакционную смесь: катализатор 21% (М^ Р5Щ05Соъе&Реъ Ко 0Мп200О ) + силикагель, температура - 3250С, время контакта - 2,0 с
СО2 Исход. Состав контактного газа, кПа Выход продуктов реакции
Р1-С4Н8 Р1-С4Н8 МА СО2
Нет 2,15 2,23 2,02 2,23 2,10 2,17 1,33 1,37 1,27 1,44 1.31 1.32 0,75 0,73 0,64 0,78 0,68 0,74 0,25 0,25 0,45 0,45 0,43 0,43 32.5 32,9 31.6 33.5 32.6 34,0 2,37 2,77 5,58 4,87 4,11 4,94
2,0 2,17 2,12 2,17 1,33 1,28 1,37 0,73 0,73 0,70 0,43 0,43 0,43 33,7 34,6 32,2 4,94 5,07 4,92
4,5 22,31 2,27 2,08 1.42 1.43 1,27 0,79 0,73 0,70 0,43 0,43 0,43 33,9 32,3 33,6 4,64 4,73 5,14
5,5 2,19 2,03 2,3 1,32 1,25 1,50 0,72 0,66 0,76 0,43 0,48 0,48 35.4 32.5 38,1 4,90 5,90 5,04
7,0 2,17 2,09 1,33 1,30 0,75 0,69 0,37 0,37 34,5 33,1 4,3 4,47
Таблица 3. Зависимость показателей процесса окисления изобутилена в метилакролеин от добавки метилакролеина в начальную (исходную) реакционную смесь: катализатор 21% (М0 ) +силикагель, температура - 3250С, время контакта - 2,0 с
Состав контактного газа, кПа Выход продуктов реакции
MA i-C4 Ы8 i-C4H8 MA CO2 Аи MA CO2 Аи
Нет 2.08 2.02 2.09 2.09 1.20 1.15 1.24 1.20 0.78 0.76 0.73 0.79 0.31 0.31 0.31 0.31 0.04 0.04 0.04 0.04 37.4 37.5 35.2 37.6 3.76 3.88 3.76 3.74 1.41 1.45 1.41 1.40
0.25 2.10 2.12 2.17 2.19 1.20 1.26 1.24 1.28 0.77 0.73 0.79 0.77 0.40 0.40 0.40 0.41 0.04 0.04 0.04 0.04 36.9 34.5 36.6 35.3 4.70 4.67 4.55 4.66 1.40 1.38 1.35 1.50
0.40 2.19 2.15 2.1 1.28 1.27 1.32 0.79 0.76 0.65 0.43 0.39 0.39 0.03 0.04 0.04 35.8 39.3 33.6 4.86 4.50 4.44 1.07 1.36 1.34
0.50 2.21 2.15 1.32 1.30 0.76 0.73 0.43 0.39 0.04 0.04 34.7 34.0 4.82 4.50 1.05 1.35
0.63 2.16 1.26 0.78 0.41 0.04 35.9 4.73 1.34
Список литературы / References
1. Гусейнов А.С., Зейналов Р.И. Выбор поликомпонентных молибденсодержащих катализаторов для процесса окисления изобутилена. III международная научная конференция «Тонкий органический синтез и катализ», посвященная 85-летнему юбилею АГНА. 14-16 декабрь. Баку, 2005. С. 237-238.
2. Гусейнов А.С. Поиск эффективных катализаторов для процессов газофазного окисления метилакролеина. Научная конференция, посвященная 100-летнему юбилею академика М.Ф. Нагаева. Баку, 2008, 2015. С. 214-215.
3. Гусейнов А.С., Мамедов Э.А. Каталитическая активность нанесенных поликомпонентных Mo-содержащих катализаторов для процесса окисления изобутилена в метилакролеин. «ЭКОЭНЕРГЕТИКА» научно-технический журнал. № 2. Баку, 2011. С. 213.
4. Ибрагимов Ч.Ш., Бабаев А.И. Научные основы и практические задачи химической кибернетики. Баку. Издательство «АГНА», 2015. 383 с.
5. Бабаев А.И., Ибрагимов Ч.Ш. Кибернетика процессов нефтехимической промышленности. Баку. Изд. «Гюнаш-В», 2016. 394 с.
