Наиболее полно исследована кинетика каталитического риформинга н-гептана [10, 56—60]. В работах [10, 57] была изучена кинетика превращений этого углеводорода на алюмоплатиновом катализаторе АП-64 при 470—510 °С под давлением 4 МПа. Молярное отношение водород : углеводород изменяли в пределах от 2,5 до 24, а степень превращения н-гептана — от 15 до 80%.
В этих условиях н-гептан подвергался ароматизации, изомеризации и гидрокрекингу. Продукты реакции состояли из газообразных углеводородов (С1—С4), пентанов, гексанов, изомеров гептана (главным образом, метилгексанов), толуола и небольших количеств других углеводородов. Было показано, что скорость превращения н-гептана в условиях каталитического риформинга, как скорость дегидрирования циклогексана, выражается уравнением (1.3):
где ki — наблюдаемая константа скорости i-й реакции; — сумма парциальных давлений углеводородов в реакционной смеси.
Приведенное уравнение справедливо при условии равенства коэффициентов адсорбции всех углеводородов и пренебрежении адсорбцией водорода.
Скорость общего превращения н-гептана не зависит от степени разбавления его водородом и является только функцией величины (рис. 1.10). В равной мере функцией той же величины является скорость образования продуктов превращения н-гептана, в том числе и толуола. Скорость каталитического риформинга н-гептана на биметаллическом катализаторе Pt—Re/Al2O3 также хорошо описывается приведенным выше уравнением [59].
Скорость ароматизации н-гептана значительно снижается с повышением рн2.По данным [10, 58], порядок реакции ароматизации по водороду, в зависимости от рн2 и применяемого катализатора, меняется следующим образом (температура 490 °С):
Катализатор | рн2 , МПа | Порядок реакции |
Pt/Al2О3 | 0,8 | — 1.0 |
4,2 | — 1,6 | |
Pt — Re/Al2О3 | 0,8 | — 0,7 |
4,2 | — 1,9 |
В работе [59] показано, что при риформинге на алюмоплатинорениевом катализаторе порядок реакции ароматизации н-гептана по водороду равен —1,0.
Снижение скорости ароматизации н-гептана вызывает также повышение общего давления при постоянном молярном отношении водород: углеводород, что является следствием увеличения рн2. Так, при значениях от 1,4 до 3,5 МПа (496 °С, молярное отношение водород : углеводород = 5) скорость ароматизации н-гептана на алюмоплатиновом катализаторе уменьшается в 1,5 раза [17].
Для оценки влияния температуры процесса интересно сопоставить значения энергий активации двух конкурирующих реакций — ароматизации и гидрокрекинга н-гептана, поскольку относительные их скорости предопределяют селективность ароматизации углеводорода. При риформинге на монометаллическом алюмоплатиновом Катализаторе энергии активации реакций ароматизации и гидрокрекинга н-гептана соответственно равны 137,3 и 130,6 кДж/моль [61]. Близкие данные получены на биметаллическом алюмоплатинорениевом катализаторе. Для реакции ароматизации н-гептана значение энергии активации составляет 149,1 кДж/моль, а для гидрокрекинга 147,8 кДж/моль [59]. Исходя из того, что энергии активации для реакций ароматизации и гидрокрекинга мало различаются, нельзя ожидать существенного изменения относительной их скорости при повышении или понижении температуры процесса риформинга.
Скорость ароматизации нормальных парафинов зависит от числа углеродных атомов в молекуле. Приводим массовый выход ароматических углеводородов при (риформинге (в % на сырье) в одинаковых условиях (490 °С, 4 МПа) на катализаторе 0,4% Pt/Al2O3+ + 0,5% F [62]: н-гексана —0,8, н-гептана —6,7, н-октана—14,7, и н-нонана —21,7.
В современных промышленных процессах каталитического риформинга, осуществляемых на более активных катализаторах и при более низких давлениях, степень ароматизации парафинов (в %) выше и, в зависимости от числа углеродных атомов в молекуле, меняется в следующих пределах [21]:
С6 | 0—5 | С8 | 30—50 |
С7 | 25—45 | С9 | 55-65 |
Следовательно, выход ароматических углеводородов, а значит и скорость ароматизации парафинов возрастают с увеличением их молекулярной массы.
На основании результатов, полученных при риформинге н-парафинов на биметаллическом платинорениевом катализаторе, сделан вывод, что при переходе к углеводороду более высокой молекулярной массы скорость реакции ароматизации увеличивается в 1,6— 2 раза [60]. Следует, однако, учесть, что скорости ароматизации н-гексана и н-гептана различаются в значительно большей степени. В частности, выше было показано, что в одинаковых условиях процесса выход ароматических углеводородов из н-гептана примерно в 8—10 раз больше.