工艺条件对正戊烷异构化反应的影响

张吉权

（大庆油田化工有限公司轻烃分馏分公司戊烷车间，黑龙江大庆 163000）

想要提升汽油辛烷值，比较常用的手段就是使用正戊烷异构化加工工艺技术，可以产生较高辛烷值汽油馏分。高辛烷值汽油的优势在于降低了发动机在降速情况下的振动，提升了汽油前端辛烷值，有效解决了催化重整汽油所存在的问题。Pt-SO42-/Zr02-Al3O，型固体超强酸化剂应用在正戊烷异构化反应中能够充分发挥出催化作用。Pt-SO42-/Zr02-Al30，型固体超强酸化剂在使用过程中也要满足双功能催化反应机理。金属中心上正构烷烷经过脱氢后形成正构烯烷，在酸性中心上正构烯烷经过后异构化变为正碳离子，最终在金属中心上形成异构烷烃。以上反应基本上就是在催化剂的作用下正戊烷产生的串联反应。正戊烷在分裂成异戊烷的过程中有C1～C4低分子烃类生成，或者裂解成为低分子烃类。异构化反应属于微放热反应的一种，是一种可逆过程，而裂解反应中的吸热反应是不可逆的。想要有效的解决酸中心上因β 键断裂或者加氢裂解造成的裂解副作用，就要对工艺条件合理性进行确定，正戊烷异构化反应中主要是通过添加Pt-SO42-/ZrO2-Al3O 型固体超强酸化剂，实时检查反应压力、温度、空速、氢油比等数据参数，保障正戊烷异构化反应处于最佳的反应条件。

1 空速对反应的影响

在做空速对正戊烷异构化的影响实验时，需要注意以下数据参数，保证反应条件为pH2=2MPa，t=200℃，H2/nC5=4.0，将实验过程中的数据参数进行记录，见表1。

表1 空速对正戊烷异构化反应的影响

空速主要指的是反应气床层中某一时间内催化剂通过的重量，在表1中可以看到相应的实验数据，异戊烷的收率通过对空速大小值的合理控制，与正戊烷的转化率呈现出由小变大再逐渐减小的趋势。正戊烷的转化率随着空速的升高而降低，同时异戊烷的收率也随之下降，相对增加的主要有反应的选择性与液收率。通过以上的实验可知，异构化反应和正戊烷与催化剂接触的时间长短有着密切的关系。因此只有保障选择性合理、转化率升高的基础上，才能尽量选择更高的空速，实现汽油生产能力的进一步提升。从数据参数中可知，当空速为1.5时，异戊烷的收率与正戊烷的转化率为最佳的临界值，此时异戊烷的收率可以达到63%的峰值，正戊烷的转化率也达到了70%的峰值。但是空速在这个阶段比较低，添加的催化剂与正戊烷之间接触的时间比较长，液收率与异戊烷的选择性在此时出现逐渐增加的趋势。

2 反应温度的影响

在做反应温度对正戊烷异构化的影响实验时，需要注意以下数据参数，保证反应条件为pH2=2MPa，空速保持在1.5不变，H2/nC5=4.0，将实验过程中的数据参数进行记录，见表2。

表2 反应温度对正戊烷异构化反映的影响

从实验结果可知，在对异构化与反应温度之间的关系进行分析研究后，正戊烷的转化率随着反应温度的升高而增加，相反异戊烷的选择性与液收率呈现出下降的趋势。异戊烷的收率开始呈现出增加而后变为下降，通过对异戊烷收率进行观察，反应温度为200℃时收率最大，这就表示异戊烷收率在反应温度为200℃时为最高，收率峰值为65%。在这个反应阶段过程中，平行串联反应是造成这一结果出现的主要原因，正戊烷在转换为异戊烷后，才会开始下一阶段的裂解反应，裂解过程中的主要产生物为C1～C4低分子烃类，在此过程中正戊烷也发了直接裂解反应，△H在正戊烷异构化的过程中为负数，此时发生的裂解反应是可逆的，属于微放热反应，反应发生过程中伴随着高温产生，正戊烷在适宜的温度下可以实现异构化反应效率的提升。

3 反应压力的影响

在做反应压力对正戊烷异构化的影响实验时，需要注意以下数据参数，保证反应条件为空速保持在1.5不变，H2/nC5=4.0，t=200℃，将实验过程中数据参数进行记录，见表3。

表3 反应压力对正戊烷异构化反应的影响

正戊烷异构化反应属于一种等分子反应，不能仅仅考虑反应物与析出物本身，这样会受到一定的限制，需要对实验数据参数采用热力学分析，才能了解和掌握异构化反应与压力因素之间的关系，不能只考虑副反应与催化反应在实验中的效果，金属中心上正构烷烃的脱氢和烯烃加烃的速率也会受到氢气的影响，同时也会影响正构氢反应过程的转化率。在裂解反应发生过程中，反应分子数量增加，裂解反应随着反应压力的下降而加快。所以想要裂解反应处于最佳状态，就要尽量保持氢气与压力在一定数值范围内，氢气与压力充足的情况下，裂解反应程度下降，同时积碳生成的速度下降，这就表示在额定的氢气压力下，异构反应才会发生。从表3可以发现，异戊烷选择性与液收率随着压力的增加也出现增加的现象，但是正戊烷的选择性与正戊烷的转化率随着压力的增加呈现出先增加后降低的趋势。从表3可知，正戊烷的转化率与异戊烷的选择性在2.0MPa 的情况下处于最大值，为67%与94%，造成以上数据产生的主要原因就是压力的升高，压力的升高会抑制正戊烷异构化反应，进一步提升异戊烷的选择性与收率。还可以适当的选择高氢压，脱氢反应随着氢气压力的增加而被一定的抑制，异构化反应在脱氢反应受到抑制时烯烃含量会减小，因此从表中可以看出，异戊烷的收率与正戊烷的转化率出现下降的趋势，正戊烷异构反应在压力为2MPa时处于最佳状态。

4 H2/nC5的影响

我们在做H2/nC5对正戊烷异构化的影响实验时，需要注意以下数据参数，保证反应条件为空速保持在1.5不变，t=200℃，p=2.0MPa，将实验过程中的数据参数进行记录，见表4。

表4 H2/nC5对正戊烷异构化反映的影响

经过以上分析发现，准确把控正戊烷异构化的影响因素，一旦某个环节出现问题，就会产生较大的问题，影响异构化的反应过程等，所以需要对每个影响因素都高度重视。以上各种数据参数都是对正戊烷异构化反应进行分析研究，我国目前的相对技术还不够完善，需要进一步研究和开发，目前在正戊烷异构化反应中比较常用的还是固体超强酸催化剂，起到了很好的催化效果，正戊烷双功能反应机理在固体超强酸催化剂的催化作用下优势充分的发挥出来。正构烯烃在经过多次的实验后发现，正碳离子在金属中心第一次脱氢反应后在酸性中心形成，形成后的正碳离子异构化反应会进一步的加剧，在金属中心上形成异构烷烃，在此阶段将催化剂添加其中，在催化剂的作用下，异构烷烃发生催化反应，反应类型属于平行串联反应。正戊烷在转换为异戊烷的过程中随着裂解反应发生伴随着C1～C4低分子烃类产生，异构化在此阶段是可逆的，属于微放热反应，裂解反应属于吸热反应。实验数据的准确性是实验后续开展的重要保障，正戊烷异构化中反应条件的合理性也是十分重要的。

我国汽油生产时正戊烷的异构化对其有着一定的影响，促进我国正戊烷异构化技术的可持续发展，正戊烷异构化影响因素的种类比较多，主要包括反应温度、反应压力、空速等，经过不断实验摸索，计算出正戊烷异构化最佳反应条件，实现正戊烷异构化的顺利开展。同时还要准确计算出正戊烷异构化敏感因素，通过实验得出准确的敏感因素数据参数，结合实际情况实现正戊烷异构化的最大值与最佳的反应条件。

5 反应条件对异构化反应的影响

5.1 反应时间的影响

采用相应的离子液体，将反应温度设置在30℃，压力设置0.5MPa，搅拌速度设置为1 500r/min，对正戊烷异构化反应进行观察，在常温情况下，饱和直链烷经的异构化反应比较难发生，随着反应时间的增加，继续添加正戊烷原料，需要10h 才能达到平衡时间，当反应达到平衡时，反应速度呈现下降的趋势，异构化率随着正戊烷转化率反应时间的增加而增加。

5.2 反应温度的影响

在烷烃异构化热力学平衡关系的影响下，随着温度的不断下降，异构烷烃的生成条件越有优势，这样的情况下，需要保持催化活性不变，离子液体催化剂在催化活性的条件下尽量降低温度。使用相应的离子液体催化剂，将反应时间设置为2h，压力设置0.5MPa，搅拌速度设置为1 500r/min，对异构化在反应温度下的影响进行分析、比较，根据实验结论可以了解，离子液体的催化活性随着反应温度的升高而增加，快速的达到反应平衡点。只需要2h，温度达到80℃以上就能实现平衡率的快速转化，随着反应温度的不断升高，在热力学平衡的影响下，加快了异构化反应速度，同时也加快了裂化、歧化等副作用的反应速度，正戊烷转化为低分子烃类，正戊烷的转化率增加，异戊烷也可以转化为低分子烃类，但是异戊烷的收率及反应选择性出现下降的趋势。

5.3 混合效果的影响

离子液体催化异构化反应属于液液两相催化反应，在反应过程中，混合效果更加明显，催化剂使用相应的离子液体，反应温度设置为30℃，反应压力设置为0.5MPa，反应时间为10h，对正戊烷异构化反应时间与搅拌速率之间的关系进行对比可以发现，在温度、压力、反应条件不变的情况下，相同离子液体体系随着搅拌速度的增加混合效果越好，同时时间不变的情况下，产物异构化率也随之增加。经过对操作变量对异构化影响的结果分析，搅拌速率与其他影响因素相比较，相对的反应程度更高。异构化反应机理中，存在众多的影响因素，但是其中已经确定的就是离子液体界面上发生了离子液体催化正戊烷异构化反应，异构化产生的副作用主要靠以上流程来消除。

6 结束语

通过研究和分析可知，在正戊烷异构化反应中，固体超强酸催化剂发挥着重要的催化作用，最佳的反应参数为空速1.5，反应压力为2.0MPa，H2/nC5最佳数值为4.0。