工藝條件對正戊烷異構化反應的影響

張吉權

（大慶油田化工有限公司輕烴分餾分公司戊烷車間，黑龍江大慶 163000）

想要提升汽油辛烷值，比較常用的手段就是使用正戊烷異構化加工工藝技術，可以產生較高辛烷值汽油餾分。高辛烷值汽油的優勢在于降低了發動機在降速情況下的振動，提升了汽油前端辛烷值，有效解決了催化重整汽油所存在的問題。Pt-SO42-/Zr02-Al3O，型固體超強酸化劑應用在正戊烷異構化反應中能夠充分發揮出催化作用。Pt-SO42-/Zr02-Al30，型固體超強酸化劑在使用過程中也要滿足雙功能催化反應機理。金屬中心上正構烷烷經過脫氫后形成正構烯烷，在酸性中心上正構烯烷經過后異構化變為正碳離子，最終在金屬中心上形成異構烷烴。以上反應基本上就是在催化劑的作用下正戊烷產生的串聯反應。正戊烷在分裂成異戊烷的過程中有C1～C4低分子烴類生成，或者裂解成為低分子烴類。異構化反應屬于微放熱反應的一種，是一種可逆過程，而裂解反應中的吸熱反應是不可逆的。想要有效的解決酸中心上因β 鍵斷裂或者加氫裂解造成的裂解副作用，就要對工藝條件合理性進行確定，正戊烷異構化反應中主要是通過添加Pt-SO42-/ZrO2-Al3O 型固體超強酸化劑，實時檢查反應壓力、溫度、空速、氫油比等數據參數，保障正戊烷異構化反應處于最佳的反應條件。

1 空速對反應的影響

在做空速對正戊烷異構化的影響實驗時，需要注意以下數據參數，保證反應條件為pH2=2MPa，t=200℃，H2/nC5=4.0，將實驗過程中的數據參數進行記錄，見表1。

表1 空速對正戊烷異構化反應的影響

空速主要指的是反應氣床層中某一時間內催化劑通過的重量，在表1中可以看到相應的實驗數據，異戊烷的收率通過對空速大小值的合理控制，與正戊烷的轉化率呈現出由小變大再逐漸減小的趨勢。正戊烷的轉化率隨著空速的升高而降低，同時異戊烷的收率也隨之下降，相對增加的主要有反應的選擇性與液收率。通過以上的實驗可知，異構化反應和正戊烷與催化劑接觸的時間長短有著密切的關系。因此只有保障選擇性合理、轉化率升高的基礎上，才能盡量選擇更高的空速，實現汽油生產能力的進一步提升。從數據參數中可知，當空速為1.5時，異戊烷的收率與正戊烷的轉化率為最佳的臨界值，此時異戊烷的收率可以達到63%的峰值，正戊烷的轉化率也達到了70%的峰值。但是空速在這個階段比較低，添加的催化劑與正戊烷之間接觸的時間比較長，液收率與異戊烷的選擇性在此時出現逐漸增加的趨勢。

2 反應溫度的影響

在做反應溫度對正戊烷異構化的影響實驗時，需要注意以下數據參數，保證反應條件為pH2=2MPa，空速保持在1.5不變，H2/nC5=4.0，將實驗過程中的數據參數進行記錄，見表2。

表2 反應溫度對正戊烷異構化反映的影響

從實驗結果可知，在對異構化與反應溫度之間的關系進行分析研究后，正戊烷的轉化率隨著反應溫度的升高而增加，相反異戊烷的選擇性與液收率呈現出下降的趨勢。異戊烷的收率開始呈現出增加而后變為下降，通過對異戊烷收率進行觀察，反應溫度為200℃時收率最大，這就表示異戊烷收率在反應溫度為200℃時為最高，收率峰值為65%。在這個反應階段過程中，平行串聯反應是造成這一結果出現的主要原因，正戊烷在轉換為異戊烷后，才會開始下一階段的裂解反應，裂解過程中的主要產生物為C1～C4低分子烴類，在此過程中正戊烷也發了直接裂解反應，△H在正戊烷異構化的過程中為負數，此時發生的裂解反應是可逆的，屬于微放熱反應，反應發生過程中伴隨著高溫產生，正戊烷在適宜的溫度下可以實現異構化反應效率的提升。

3 反應壓力的影響

在做反應壓力對正戊烷異構化的影響實驗時，需要注意以下數據參數，保證反應條件為空速保持在1.5不變，H2/nC5=4.0，t=200℃，將實驗過程中數據參數進行記錄，見表3。

表3 反應壓力對正戊烷異構化反應的影響

正戊烷異構化反應屬于一種等分子反應，不能僅僅考慮反應物與析出物本身，這樣會受到一定的限制，需要對實驗數據參數采用熱力學分析，才能了解和掌握異構化反應與壓力因素之間的關系，不能只考慮副反應與催化反應在實驗中的效果，金屬中心上正構烷烴的脫氫和烯烴加烴的速率也會受到氫氣的影響，同時也會影響正構氫反應過程的轉化率。在裂解反應發生過程中，反應分子數量增加，裂解反應隨著反應壓力的下降而加快。所以想要裂解反應處于最佳狀態，就要盡量保持氫氣與壓力在一定數值范圍內，氫氣與壓力充足的情況下，裂解反應程度下降，同時積碳生成的速度下降，這就表示在額定的氫氣壓力下，異構反應才會發生。從表3可以發現，異戊烷選擇性與液收率隨著壓力的增加也出現增加的現象，但是正戊烷的選擇性與正戊烷的轉化率隨著壓力的增加呈現出先增加后降低的趨勢。從表3可知，正戊烷的轉化率與異戊烷的選擇性在2.0MPa 的情況下處于最大值，為67%與94%，造成以上數據產生的主要原因就是壓力的升高，壓力的升高會抑制正戊烷異構化反應，進一步提升異戊烷的選擇性與收率。還可以適當的選擇高氫壓，脫氫反應隨著氫氣壓力的增加而被一定的抑制，異構化反應在脫氫反應受到抑制時烯烴含量會減小，因此從表中可以看出，異戊烷的收率與正戊烷的轉化率出現下降的趨勢，正戊烷異構反應在壓力為2MPa時處于最佳狀態。

4 H2/nC5的影響

我們在做H2/nC5對正戊烷異構化的影響實驗時，需要注意以下數據參數，保證反應條件為空速保持在1.5不變，t=200℃，p=2.0MPa，將實驗過程中的數據參數進行記錄，見表4。

表4 H2/nC5對正戊烷異構化反映的影響

經過以上分析發現，準確把控正戊烷異構化的影響因素，一旦某個環節出現問題，就會產生較大的問題，影響異構化的反應過程等，所以需要對每個影響因素都高度重視。以上各種數據參數都是對正戊烷異構化反應進行分析研究，我國目前的相對技術還不夠完善，需要進一步研究和開發，目前在正戊烷異構化反應中比較常用的還是固體超強酸催化劑，起到了很好的催化效果，正戊烷雙功能反應機理在固體超強酸催化劑的催化作用下優勢充分的發揮出來。正構烯烴在經過多次的實驗后發現，正碳離子在金屬中心第一次脫氫反應后在酸性中心形成，形成后的正碳離子異構化反應會進一步的加劇，在金屬中心上形成異構烷烴，在此階段將催化劑添加其中，在催化劑的作用下，異構烷烴發生催化反應，反應類型屬于平行串聯反應。正戊烷在轉換為異戊烷的過程中隨著裂解反應發生伴隨著C1～C4低分子烴類產生，異構化在此階段是可逆的，屬于微放熱反應，裂解反應屬于吸熱反應。實驗數據的準確性是實驗后續開展的重要保障，正戊烷異構化中反應條件的合理性也是十分重要的。

我國汽油生產時正戊烷的異構化對其有著一定的影響，促進我國正戊烷異構化技術的可持續發展，正戊烷異構化影響因素的種類比較多，主要包括反應溫度、反應壓力、空速等，經過不斷實驗摸索，計算出正戊烷異構化最佳反應條件，實現正戊烷異構化的順利開展。同時還要準確計算出正戊烷異構化敏感因素，通過實驗得出準確的敏感因素數據參數，結合實際情況實現正戊烷異構化的最大值與最佳的反應條件。

5 反應條件對異構化反應的影響

5.1 反應時間的影響

采用相應的離子液體，將反應溫度設置在30℃，壓力設置0.5MPa，攪拌速度設置為1 500r/min，對正戊烷異構化反應進行觀察，在常溫情況下，飽和直鏈烷經的異構化反應比較難發生，隨著反應時間的增加，繼續添加正戊烷原料，需要10h 才能達到平衡時間，當反應達到平衡時，反應速度呈現下降的趨勢，異構化率隨著正戊烷轉化率反應時間的增加而增加。

5.2 反應溫度的影響

在烷烴異構化熱力學平衡關系的影響下，隨著溫度的不斷下降，異構烷烴的生成條件越有優勢，這樣的情況下，需要保持催化活性不變，離子液體催化劑在催化活性的條件下盡量降低溫度。使用相應的離子液體催化劑，將反應時間設置為2h，壓力設置0.5MPa，攪拌速度設置為1 500r/min，對異構化在反應溫度下的影響進行分析、比較，根據實驗結論可以了解，離子液體的催化活性隨著反應溫度的升高而增加，快速的達到反應平衡點。只需要2h，溫度達到80℃以上就能實現平衡率的快速轉化，隨著反應溫度的不斷升高，在熱力學平衡的影響下，加快了異構化反應速度，同時也加快了裂化、歧化等副作用的反應速度，正戊烷轉化為低分子烴類，正戊烷的轉化率增加，異戊烷也可以轉化為低分子烴類，但是異戊烷的收率及反應選擇性出現下降的趨勢。

5.3 混合效果的影響

離子液體催化異構化反應屬于液液兩相催化反應，在反應過程中，混合效果更加明顯，催化劑使用相應的離子液體，反應溫度設置為30℃，反應壓力設置為0.5MPa，反應時間為10h，對正戊烷異構化反應時間與攪拌速率之間的關系進行對比可以發現，在溫度、壓力、反應條件不變的情況下，相同離子液體體系隨著攪拌速度的增加混合效果越好，同時時間不變的情況下，產物異構化率也隨之增加。經過對操作變量對異構化影響的結果分析，攪拌速率與其他影響因素相比較，相對的反應程度更高。異構化反應機理中，存在眾多的影響因素，但是其中已經確定的就是離子液體界面上發生了離子液體催化正戊烷異構化反應，異構化產生的副作用主要靠以上流程來消除。

6 結束語

通過研究和分析可知，在正戊烷異構化反應中，固體超強酸催化劑發揮著重要的催化作用，最佳的反應參數為空速1.5，反應壓力為2.0MPa，H2/nC5最佳數值為4.0。