MIBK加氫制MIBC熱力學研究

祁文博，艾撫賓，喬 凱，袁 毅，彭紹忠

(中國石化 大連石油化工研究院，遼寧 大連 116045)

甲基異丁基醇（4-甲基戊醇-2，簡稱MIBC）是一種性能優良的惰性溶劑，可用作石油、石蠟、樹脂、橡膠、纖維素、染料等的溶劑，能增加涂料的光澤度和平整性，并且能夠改進發白現象，最主要的是作為礦石精選的浮選劑，有較大的市場需求。

大連（撫順）石油化工研究院從20世紀80年代就開始丙酮化學的研究，先后開發了丙烯水合-脫氫制丙酮、丙酮加氫制MIBK、丙酮加氫制異丙醇等技術，如何把丙酮轉化為附加值高的化工產品，開發出多種具有實用性和經濟價值的丙酮衍生物，對丙酮化學技術的工業化有重要的實際意義。大連（撫順）石油化工研究院開發的丙酮加氫一步法生產MIBK技術已工業化，若MIBK加氫制備MIBC技術開發成功，可延長產業鏈、提高MIBK裝置對市場的適應性。

為了深入了解MIBK加氫制備MIBC反應的特點，控制好反應，優化反應條件，需要對該反應進行熱力學方面的研究。本文計算了氣相及液相反應時的標準摩爾生成焓和反應平衡常數。此外，研究了反應溫度、壓力及氫酮物質的量比（以下簡稱氫酮比）對反應平衡轉化率的影響，為該技術的工藝條件設計提供了理論依據。

1 氣相反應熱力學計算

1.1 Cpm與T之間的函數關系

MIBK加氫制MIBC的反應方程式為:

從文獻[1]和[2]中查出MIBK及MIBC在不同溫度下的定壓熱容，見表1。經過多項式回歸得到MIBK和MIBC的Cpm與T之間的函數關系式，氫氣的相關參數從文獻[1]中查出，見表2。

表1 氣相條件下MIBK及MIBC各溫度下的定壓熱容

表2 MIBK及MIBC的Cpm與T之間函數關系

用 Benson 基團貢獻法[3]，利用公式（2）和（3）計算 MIBK 及 MIBC 的 ΔfHmΘ，SmΘ。

式 （2）中nj為j種基團數；ΔH為各種基團數對ΔfHmΘ的貢獻參數；Ci為第i種修正參數 （σ 和 η除外）。 式（3）中nj為j種基團數；ΔS為各種基團數對SmΘ的貢獻參數；σ為對稱數；η為對映（光學）異構體數。表3為MIBK及MIBC中各基團對理想氣體標準熱化學性質的貢獻。

表3 MIBK及MIBC中各基團對理想氣體標準熱化學性質的貢獻

根據表 3 中的數據，用公式（2）和（3）計算出MIBK 的 ΔfHmΘ(g)為-287.88kJ·mol-1，SmΘ(g)為 407.06J·mol-1·K-1；MIBC 的 ΔfHmΘ(g)為-344.09kJ·mol-1，SmΘ(g)為 419.13J·mol-1·K-1。 從文獻[3]中查出氫氣的 ΔfHmΘ(g)為 0kJ·mol-1，SmΘ(g)為 130.59J·mol-1·K-1。

1.3 氣相反應的ΔrHm及K計算

根據公式 （4）～（6） 計算出 MIBK加氫制備MIBC氣相反應的ΔrHm及K。

圖1 MIBK加氫氣相反應的ΔrHm及K

由圖1中數據可以看出，反應的標準摩爾焓變都小于0，是放熱反應，且氣相反應的焓變隨反應溫度的升高而增加。反應平衡常數隨反應溫度的升高而減小。在低溫下，反應平衡常數較大，這說明低溫有利于氣相反應的進行。

2 液相反應熱力學計算

2.1 Cpm與T之間的函數關系

從文獻[1]和[2]中查出MIBK及MIBC在不同溫度下的定壓熱容，見表4。經過多項式回歸得到MIBK和MIBC的Cpm與T之間的函數關系式，氫氣的相關參數從文獻[3]中查出，見表5。

表4 液相條件下MIBK及MIBC各溫度下的熱容

表5 MIBK及MIBC的Cpm與T之間函數關系

式（8）中 Tr=T/Tc，Tc為臨界溫度； ai，bi，ci為基團i的預測參數，Ni為分子中基團的數目。MIBK及MIBC的Tc[1-2]分別為574.6K、574.4K。表6為MIBK及MIBC的Tu-Liu基團貢獻法參數值[3]。

2.2 液態組分焓的計算

各組分在標準狀態下的液相摩爾生成焓的ΔfHmΘ(l)等于氣相摩爾生成焓 ΔfHmΘ(g)減去蒸發焓ΔvHmΘ，計算公式見式（7）。標準狀態下各組分的 ΔvHmΘ采用Tu-Liu基團貢獻法[3]計算，公式見式（8）。

表6 MIBK及MIBC的Tu-Liu基團貢獻法參數值

根據表 6 中的數據，用公式（7）和（8）計算出MIBK 的 ΔfHmΘ(l)為-330.25kJ·mol-1，MIBC 的 ΔfHmΘ(l)為-401.45kJ·mol-1。

2.3 液態組分熵的計算：

各組分在標準狀態下的液相摩爾熵SmΘ(l)等于氣相摩爾熵 SmΘ(g)減去蒸發熵 ΔvHmΘ[3]，計算公式見式（9）。標準狀態下各組分的ΔvHmΘ采用趙國良經驗式[3]計算，公式見式（10）。

式（9）中A和B為經驗常數，Tb為沸點。MIBK的A、B、Tb[1-3]分別為 125.52、-222.59、389.7K；MIBC 的A、B、Tb[1-3]分別為 390.58、-894.16、404.9K。

根據公式 （8） 和 （9） 計算出MIBK的SmΘ(l)為304.46J·mol-1·K-1，MIBC 的 SmΘ(l)為 274.91J·mol-1·K-1。

2.4 液相反應的ΔrHm及K計算

根據公式 （4）～（6） 計算出 MIBK加氫制備MIBC液相反應的ΔrHmΘ及K。

圖2 MIBK加氫液相反應的ΔrHm及K

由圖2中數據可以看出，液相反應與氣相反應類似，也是放熱反應，不同的是液相反應的焓變隨反應溫度的升高而降低。液相反應平衡常數與氣相反應平衡常數類似，也隨反應溫度的升高而減小，這說明低溫有利于液相反應的進行。

3 反應平衡轉化率的影響

對于MIBK加氫制MIBC反應，影響反應平衡轉化率的主要因素是溫度、壓力和氫酮比。溫度是影響化學平衡的重要因素。因為標準平衡常數只是溫度的函數，不同溫度下標準平衡常數值不同，從而化學平衡時體系的組成不同。在有氣體參與的反應中，壓力往往會對反應體系的平衡組成產生影響。對于氣體分子數減小的反應，增加系統的總壓，平衡會向右移動，有利于正反應進行。對于兩種及以上反應物參加的反應，可通過反應物的配比（氫酮比）來改變反應的平衡組成。MIBK加氫時氫氣容易從混合氣中分離，為了MIBK能反應充分，可使氫氣過量來盡量提高MIBK的平衡轉化率。

為了方便計算MIBK加氫制備MIBC的平衡轉化率，做兩點假設:（1）反應體系為理想氣體混合物；（2）反應在恒溫恒壓下進行。

在MIBK加氫制備MIBC過程中，設反應體系壓力為p，溫度為T，反應起始時氫酮比為n，MIBK為1mol，反應平衡后，生成的MIBC為ymol。反應平衡時體系中總的物質的量為w=1+n-y，標準平衡常數與各組分平衡組成的關系[4]見式（11）:

3.1 溫度對反應平衡轉化率的影響

在氫酮比為10，反應壓力為4.0MPa的情況下，MIBK加氫平衡轉化率隨反應溫度的變化關系如圖3所示。

圖3 溫度對反應平衡轉化率的影響

圖4 壓力對反應平衡轉化率的影響

從圖3可以看出，MIBK的平衡轉化率隨溫度的升高而降低，160℃后降低的尤為明顯。說明從熱力學角度低溫有利于反應的進行。反應溫度≯160℃時，MIBK的平衡轉化率都＞99%；反應溫度≯240℃時，MIBK的平衡轉化率都＞90%。

3.2 壓力對反應平衡轉化率的影響

在反應溫度160℃，氫酮比為10的情況下，MIBK加氫平衡轉化率隨反應壓力的變化關系如圖4所示。

從圖4可以看出，MIBK的平衡轉化率隨壓力的升高而增大，說明增加反應壓力有利于反應的進行。大于3.5MPa后，MIBK的平衡轉化率都高于99%，且在此之后壓力的變化對平衡轉化率的影響逐漸變小。

3.3 氫酮比對反應平衡轉化率的影響

在反應溫度160℃，反應壓力為4.0MPa的情況下，MIBK加氫平衡轉化率隨氫酮比的變化關系如圖5所示。

圖5 氫酮比對反應平衡轉化率的影響

從圖5可以看出，MIBK的平衡轉化率隨氫酮比的升高而增大，當氫酮比為0.5時，MIBK過量，平衡轉化率只為48%；當氫酮比為1.0時，平衡轉化率也僅能達到92%；當氫酮比為2.0時，此時的平衡轉化率即可接近99%。說明提高氫酮比有利于反應的進行。但當氫酮比大于2.0后，氫酮比的升高對MIBK平衡轉化率的影響變得很小。

4 結論

MIBK加氫制備MIBC的反應是放熱反應，溫度對反應焓變的影響較小，但對反應平衡常數的影響較大，反應平衡常數隨溫度的升高而迅速減小，當氣相反應的反應溫度高于170℃、液相反應的反應溫度高于190℃時，反應平衡常數開始小于1，且溫度的升高對平衡常數的影響逐漸變小。

通過研究反應溫度、壓力及氫酮比對反應平衡轉化率的影響，確定出MIBK加氫制MIBC適宜的反應條件為:反應溫度為≯240℃，反應壓力≮3.5MPa，氫酮比≮2。

符號說明

Cpm等壓摩爾熱容，J·mol-1·K-1

T 溫度，K

a,b,c,d 各物性經驗常數

R 通用氣體常數，8.314J·mol-1·K-1

ΔfHmΘ各組分在標準狀態下的摩爾生成焓,kJ·mol-1

ΔfHm各組分的摩爾生成焓，kJ·mol-1

SmΘ各組分在標準狀態下的摩爾熵kJ·mol-1

ΔrHm反應的焓,kJ·mol-1

ΔrSm反應的熵,kJ·mol-1

ΔvHmΘ蒸發焓,kJ·mol-1

ΔvSmΘ蒸發熵 kJ·mol-1

K 反應平衡常數

ΔrGm反應的吉布斯自由能，J·mol-1

PΘ標準狀態下的壓力，MPa