Риформинг

Селективность и механизм реакции дегидрирование шестичленных нафтенов

Селективность. Дегидрирование шестичленных нафтенов в ароматические углеводороды на бифункциональных платиновых ка­тализаторах может сопровождаться другими реакциями, в частности изомеризацией в пятичленные нафтены и гидрогенолизом. Однако скорости дегидрирования шестичленных нафтенов в условиях ката­литического риформинга намного больше скоростей протекания других реакций. Следствием является близкая к 100% селектив­ность ароматизации шестичленных нафтенов  [19—21].

Механизм реакции. Реакции дегидрирования циклогексана и его гомологов, приводящие к образованию ароматических углеводо­родов, протекают на металлическом компоненте катализатора ри­форминга. Адсорбция циклогексана на металлических участках катализатора может сопровождаться либо одновременной диссо­циацией шести атомов водорода [22], либо последовательным быстрым их отщеплением  [23].

Механизм реакции дегидрирования циклогексана [23] включает последовательное отщепление двух атомов водорода с образованием адсорбированного циклогексена. Предполагается, что эта стадия реакции—лимитирующая. Далее происходит отщепление одного за другим остальных четырех атомов водорода, в результате чего образуется бензол. Подобные представления о стадийном протека­нии реакции были ранее высказаны и другими авторами [24 ].

Все стадии реакции дегидрирования циклогексана на алюмопла­тиновых катализаторах протекают быстро, а потому трудно обнару­жить в газовой фазе циклогексен и циклогексадиен, а тем более до­казать, что они являются промежуточными продуктами реакции. Существенный шаг в этом направлении был сделан в работе [25], авторы которой решили выяснить, как протекает реакция дегидри­рования циклогексана на алюмоплатиновом катализаторе в условиях, близких к применяемым в каталитическом риформинге (520 °С, 2 МПа, молярное отношение водород : углеводород = 6:1). Чтобы обнаружить промежуточные продукты реакции, была поставлена, серия опытов, в которых степень превращения циклогексана изменя­лась в пределах от 32,0 до 2,9% увеличением объемной скорости по­дачи углеводорода от 1000 до 18 000 ч-1. Продукты реакции при ма­лых степенях превращения циклогексана, наряду с бензолом, содер­жали заметные количества циклогексена. По мере уменьшения степени превращения циклогексана молярное отношение циклогек­сен : бензол значительно возрастало:

 

Степень   превращения   цикло­гексана, %

32,0

27,5

18,1

9,1

5,5

2,9

(ЦГе : Б)103

1

7

17

24

28

29

Исходя из полученных результатов сделан вывод о том, что де­гидрирование циклогексана в бензол протекает через промежуточ­ную стадию образования циклогексена:

де­гидрирование циклогексана в бензол протекает через промежуточ­ную стадию образования циклогексена

Отношение циклогексен : бензол значительно возрастает при ча­стичной дезактивации алюмоплатинового катализатора в результате отравления серой [25]. Такой эффект, вероятно, объясняется тем, что при отравлении катализатора серой скорость дегидрирования циклогексана в циклогексен снижается значительно меньше, чем скорость дегидрирования циклогексена в бензол.

Механизм реакции раскрывают также данные, полученные при дегидрировании циклогексана под атмосферным давлением на алюмоплатиновых катализаторах, модифицированных оловом [26, 27]. При введении в алюмоплатиновый катализатор от 2,2 до 4,2% (по массе) олова значительно снижается скорость образования бензола. Продукты реакции, наряду с бензолом, содержат циклогексен и край­не незначительные количества циклогексадиена. По-видимому, как и при отравлении алюмоплатинового катализатора серой, под влия­нием олова изменяются относительные скорости отдельных стадий реакции, что позволяет выявить стадийный механизм реакции деги­дрирования циклогексана:

стадийный механизм реакции деги­дрирования циклогексана

Алкилциклогексаны с блокированными положениями, благодаря наличию в них четвертичного атома углерода (гем-диалкилы), под­вергаются дегидрированию на платиновых катализаторах при более высоких температурах, при которых ароматизация сопровождается перегруппировками [23]. Так, при дегидрировании 1,1-диметилциклогексана и подобных ему соединений происходит элиминирова­ние метильной группы, в результате чего образуются толуол и метан:

элиминирова­ние метильной группы, в результате чего образуются толуол и метан

 

С другой стороны, происходит миграция метильных групп, что приводит к образованию изомеров ксилола:

происходит миграция метильных групп, что приводит к образованию изомеров ксилола

При осуществлении реакции на бифункциональном платиновом катализаторе 1,1-диметилциклогексан вероятно сперва подвергается изомеризации, после чего соответствующие изомеры диметилциклогексана превращаются в ксилолы.