Дегидрирование этилбензола в стирол

Стирол относится к числу важнейших мономеров. Из мономеров для производства каучука общего назначения стирол как сомономер по объему производства находится на третьем месте, уступая изопрену и бутадиену. Он производится в крупных масштабах и используется для получения разнообразных материалов: полистирола, синтетических каучуков, латексов и др.

Одним из промышленных способов получения стирола является процесс каталитического дегидрирования этилбензола (ЭБ). Реакция дегидрирования ЭБ по своей природе является эндотермической; ее обычно проводят при высоких температурах (~600 °С) и низких парциальных давлениях ЭБ, т.е. при условиях, которые термодинамически способствуют образованию стирола:

Из нескольких возможных методов уменьшения парциального давления ЭБ на практике, как правило, применяют разбавление водяным паром. В качестве катализаторов используют железооксидные катализаторы, промотированные оксидом калия. Промышленный катализатор фирмы «Шелл» имеет следующий состав: Fe₂O₃ - 75-80 %, K₂CO₃ - 15-20 %, Cr₂O₃ - 2-3 %, SiO₂ - 0,1-0,5 %. Процесс проводят при температуре 580-620 °С, мольном отношении этилбензола к воде, равном 1:10, и объемной скорости подачи этилбензола 0,20-0,50 ч^-1. При степени конверсии этилбензола 40-50 % селективность процесса составляет около 90 %.

Побочные продукты процесса (бензол, толуол, этилен, метан, смолистые вещества и др.) образуются в результате реакций термического распада, гидрогенолиза и уплотнения как этилбензола, так и стирола:

Железооксидные катализаторы обладают способностью саморегенерации, так как они катализируют частично и реакцию водяного пара с коксом и смолистыми веществами, которые отлагаются на катализаторе:

Цель работы:проведение реакции дегидрирования этилбензола на железооксидном катализаторе и изучение влияния различных факторов (температуры, активности катализатора, объемной скорости подачи этилбензола) на степень конверсии этилбензола и селективность.

Реактивы:

1) этилбензол ММ-106,2, Т_кип = 136 °С, d₄²⁰ = 0,867, n_d²⁰ =1,4959;

2) дистиллированная вода;

3) катализатор К-24, размер частиц 2x3 мм, 10 см³;

4) инертная насадка (кварц), размер частиц 2x3 мм.

Описание установки

Дегидрирование этилбензола в стирол проводят на установке, схема которой представлена на рис. 2.

Рис. 2. Установка для дегидрирования этилбензола:

1 - электронагревательная печь; 2 - реактор; 3 - бюретка для воды; 7,4 - микронасосы; 5 - испарители; 6 - бюретка для сырья; 8 - холодильник; 9 - приёмник; 10 -термопара; 11 - потенциометр; 12 - охлаждающая баня со льдом

Установка состоит из системы дозирования и испарения сырья, реакторного блока и узла конденсации. Реактор 2 изготовлен из нержавеющей стали, представляет собой трубку диаметром 22x2 мм, нижняя часть которой переходит в узкий канал диаметром 10 мм. В верхней части реактора имеются штуцера для ввода перегретого пара, сырья и воздуха. В реактор вставляют решетку, которая обеспечивает нахождение катализатора в плато печи в зоне максимальной и относительно постоянной температуры. Решетка изготовлена из нержавеющей стали. В центр реактора вставлен карман, в котором размещена термопара ХА (хромель-алюмелевая).

Для определения плато печи проводят предварительные эксперименты. Для этого печь разогревают до 600 °С и дают выдержку 2 часа. После чего промеряют температуру через 1 см по высоте печи при подаче водяного пара в количестве 70-80 мл/ч. Плато печи составляет 5 см.

Испаритель 5 представляет собой трубку диаметром 40x2 мм, длиной 250 мм, изготовленную из стали Х18Н9Т. Испаритель помещен в электронагревательную печь. Обогрев печи реализуется с помощью ЛАТРа. С внешней стороны испаритель изолирован асбестом. Микронасосы 4,7 предназначены для подачи сырья и воды в реактор. Производительность насоса 0-240 мл в час.

Выполнение работы

Для дегидрирования этилбензола используется промышленный катализатор К-24 фракции 2÷3 мм. Объём загрузки катализатора составляет 10 см³. Реактор заполняют катализатором и инертной насадкой (кварц), как показано на рис.2. Свежезагруженный катализатор перед контактированием подвергается активизации паровоздушной смесью. Для этого катализатор нагревается в токе воздуха со скоростью 200 °С в час до 400 °С. Подача воздуха поддерживается 700 л/л катализатора в час (0,28 л/мин). Начиная с 400 °С подаётся вода со скоростью в 2 раза меньшей, чем при контактировании. При температуре 600 °С катализатор выдерживается 1 час в токе паровоздушной смеси, после чего проводится дегидрирование.

Исходный зтилбензол и вода заливаются в бюретки, и отмечается их уровень. При достижении заданной температуры в течение 10 мин подаётся вода из бюретки с помощью микронасосов, а затем этил бензол.

Водяной пар вводится в реактор в строго дозированном количестве. Для этого дистиллированная вода из бюретки 3 насосом 4 подаётся в испаритель 5, испаряется и образующийся пар перегревается. Далее перегретый пар поступает в реактор. Температуру контактирования измеряют термопарой, работающей в комплекте с потенциометром ЭПВ 2-11 А.

Смесь этилбензола и водяного пара проходит по реактору до слоя катализатора, нагревается до температуры реакции и поступает на катализатор. На неподвижном слое катализатора проходит эндотермическая реакция дегидрирования. Смесь контактного газа с водяным варом, выходящая из реактора 2, охлаждается, конденсируется в холодильнике 8 и поступает в приемник 9. Несконденсировавшаяся часть контактного газа выбрасывается через воздушку. Отбор пробы реакционной массы для анализа начинают после 15 мин. стабильной работы установки на заданном режиме. Органический слой (печное масло) отделяют от водного в делительной воронке, взвешивают его, сушат над безводным хлоридом кальция и анализируют на хроматографе, определяя количественный и качественный составы. Хроматографическая колонка длиной 1,0 м заполнена 15%-ным гексакис-β-цианэтоксигексаном на кирпиче фракции 0,16-0,25. Оптимальные условия работы хроматографа: Т колонки- 100 °С, Т испарителя - 200 °С, скорость диаграммной ленты - 600-720 мм/ч.

Процесс дегидрирования проводится при следующих условиях:

Т = 580 °С , 600 °С , 620 °С (указывается преподавателем).

Массовое соотношение ЭБ: Н₂О =1:3.

Скорость подачи ЭБ - 0,5 ч^-1, 1,0 ч^-1 (0,2 мл/мин, 0,4 мл/мин).

После каждого опыта при температуре контактирования проводится регенерация катализатора пропусканием паровоздушной смеси. Для этого сначала подаётся вода, скорость подачи которой при регенерации равна скорости воды при контактировании, затем подаётся воздух. Скорость подачи воздуха регулируется таким образом, чтобы температура в реакторе не превышала 650 °С. Регенерацию ведут в течение 30 мин, затем прекращают подавать воздух, воду продолжают подавать в течение 30 мин, после чего можно вновь проводить контактирование. Результаты опытов записывают в табл. 2.

Таблица 2. Результататы экспериментов

№ п/п	Темпе-ратура, °С	Объемная скорость подачи ЭБ, ч -1	Состав жидких продуктов реакции, %мас.	Конверсия, %	Селективность, %
			бензол	толуол	ЭБ	стирол

Образец хроматограммы продуктов дегидрирования стирола

Техника безопасности

Стирол имеет молекулярную массу 104,14, температуру кипения 145,2 °С, плотность 0,9060 г/см³.

Стирол представляет собой бесцветную прозрачную сильно преломляющую свет жидкость с характерным запахом. Смешивается во всех отношениях с метиловым и этиловым спиртами, ацетоном, диэтиловым эфиром, бензолом, толуолом, четырёххлористым углеродом. Он является хорошим растворителем для многих соединений. В воде растворяется плохо.

Стирол характеризуется высокой реакционной способностью. На воздухе легко окисляется с образованием альдегидов и кетонов, придающих ему неприятный запах. Стирол является довольно летучим и легко воспламеняющимся веществом с низкими пределами взрываемости смеси его паров с воздухом.

Пределы взрываемости с воздухом - 1,1-5,2 % об.

Токсичен. Жидкий стирол раздражает кожные покровы и при длительном воздействии вызывает воспалительные процессы. Пары стирола раздражают слизистые оболочки глаза и носа, интенсивность раздражения увеличивается с увеличением концентрации.

Предельно допустимая концентрация стирола в воздухе производственных помещений 5 мг/м³. Все работы со стиролом проводить обязательно в вытяжном шкафу.

Лабораторная работа 3