偏三甲苯甲醇烷基化制备均四甲苯的

偏三甲苯甲醇烷基化制备均四甲苯的研究

摘要：

对偏三甲苯与甲醇的反应进行了热力学分析，计算了不同温度下的反应焓变和平衡常数；进行了气相色谱柱的筛选和均四甲苯在偏三甲苯中的溶解度测定；在管式反应器内进行了空白实验和催化剂的活性实验。实验结果表明偏三甲苯的转化率大于24%，均四甲苯的选择性大于97.2%。

关键词：均四甲苯，偏三甲苯，烷基化

ALKYLATION OF 1，2，4-TRIMETHYLBENZENE WITH METHANOL

TO FORM 1，2，4，5-TETRAMETHYLBENZENE

Abstract：

The alkylation of 1,2,4-Trimethylbenzene with methanol on HZSM-5 zeolite catalysts was studied. the enthalpy of reaction and equilibrium-constant under different temperature were calculated. gas phase column was choosed and the solubility of 1,2,4,5-Tetramethylbenzene in 1,2,4-Trimethylbenzene was measured. In the pipeline reactor, the empty experiment and the experiment of catalysts’ activity is also done. The results of the experiment show 1,2,4,5-Tetramethylbenzene’s

inversion

rate

was

more

than

24%,

and

the

1,2,4,5-Tetramethylbenzene’s selectivity was over 97.2%.

Key words: alkyation; 1,2,4-Trimethylbenzene ; 1,2,4,5-Tetramethylbenzene

一． 前言

均四甲苯是一种重要的有机化工原料，主要用于生产均苯四甲酸二酐(简称均酐或PMDA)。PMDA是合成聚酰亚胺聚合物的重要原料。聚酰亚胺以优异的电绝缘性能、耐高温性能、耐辐射性能广泛应用于宇航工业、原子能工业、机电工业中。另外，PMDA还是高品质增塑剂、固化剂及粉末涂料消光剂的重要原料。

均四甲苯可由C10重芳烃馏分蒸馏、冷冻结晶和分步结晶提纯或由C10重芳烃馏分蒸馏、吸附分离制得。也可以由偏三甲苯缩合与分解合成，偏三甲苯与一氯甲烷烷基化生产或偏四甲苯异构化。但是这些工艺易发生烧、积碳和腐蚀。而采用偏三甲苯甲醇直接烷基化,催化剂的寿命和活性较短。

本实验采用新型改性HZSM-5型分子筛催化剂，期望偏三甲苯的转化率、均四甲苯的选择性以及催化剂的活性和寿命有较大的提高。

本课题对南京炼油厂的提供的改性HZSM-5型分子筛催化剂进行考评,探索在此催化剂上偏三甲苯与甲醇反应的工艺条件、催化剂的催化活性和使用寿命,得出催化剂的综合性能评价。

二．工艺原理

偏三甲苯甲醇烷基化制均四甲苯工艺的主反应为：

+CH3OH +H2O

主要副反应为：

CH3OH + CH3OH CH3OCH3 + H2O

2C6H3(CH3)3 C6H2(CH3)4 + C6H4(CH3)2

偏三甲苯与甲醇气化后进入催化反应器，在非临氢的气氛及一定温度和压力下，

在HZSM-5分子筛催化剂上进行反应，反应产物经冷凝后液相产物分为油相和水相两相，油相产物主要产物为1,2,4,5-四甲苯和二甲苯，同时有少量的1,2,3-三甲苯、1,3,5-三甲苯、1,2,3,4-四甲苯、1,2,3,5-四甲苯和大分子产物，水相中含有很少的甲醇，冷凝后的气相产物主要是高温下甲醇在酸性分子筛上转化成的各种低级烃类，不含芳烃。

偏三甲苯甲醇烷基化制均四甲苯工艺条件通常为：甲醇与偏三甲苯的原料配比为2～3（mol），反应温度范围为 250～400℃，主要在330～350℃，反应压力范围为2Mpa以下。

三．热力学分析

3.1物质的物性数据

表1 物质的基本物性数据[1]

物质名称 甲醇 偏三甲苯 均四甲苯 水 分子量 32.042 120.195 134.222 18.0 正常熔点 （K） 175.5 227.0 352.65 273.15 正常沸点 （K） 337.8 442.5 469.95 373.15

沸点汽化热（KJ/mol ） 34.48 39.25 45.52 40.66 熔点熔化热 （cal/g） \\ \\ 37.4 \\ 表2 物质标准摩尔生成焓与标准摩尔生成吉氏函数[1]

物质名称 甲醇（l） 偏三甲苯（l） 均四甲苯（s） 水（l） o △fHm(298k) (Kcal/mOL) -57.04 -14.79 -32.57 -68.315

o △fGm(298k) (Kcal/mOL) -39.76 24.46 19.00 -56.687 表3 物质CP 值的计算公式及其使用的温度范围[2]

物质 甲醇（g） 水（g） 偏三甲苯(l) 偏三甲苯(g) 均四甲苯(s) 均四甲苯(l) 均四甲苯(g) Cp （J·mol-1·K-1） (20.4+0.1037T-2.464e-5)·T2 (30.12+1.13e-2)·T 0.181T+269 0.363T+51.3 0.167T+165.2 232.2 0.395T+74.2

温度范围（K） 293—1000 293—1000 298—442.5 442.5—T 298—352.3 352.3—470.4 470—T 3.2 热力学计算的过程设计

+ CH3OH 523K,g△H + H2O 523K,g523K,g 523K,g ↓ 442.4K,g↓↓ ↑ 469.8K,g↑ 373K,g337.6K,g↑ 469.8K,l↓ ↑ ↑ 373K,l352.5K,l442.4K,l337.6K,l↑ 352.5K,s↓ 273K,l↓ +273K,l↑ +273K,l↑ 273K,l

3.3 反应焓和平衡常数

根据热力学计算公式 △G=-RTln(K)，可得到 K=exp(-G/RT)，

表4 不同温度下的反应焓及平衡常数 T (K) 523 543 563 583 603 623 △H （J/mol） -70914 -70756 -70621 -70499 -70390 -70293 K 893857 765971 378132 247855 168838 93610

四.实验部分

4.1实验流程

过滤器截止阀减压阀D07—11A型质量流量计单向阀TC1P预热器TC2反应器加热炉氮气TI2液路冷凝器背压阀平流泵气体排空气液分离器原料罐电子秤接收罐产品 图1 实验流程图

偏三甲苯与甲醇以一定配比混合，从原料罐经平流泵进入预热器预热到200℃左

右后，流入反应器进行反应。生成物经过冷凝后进入气液分离器，其中气体通过背压阀排出，液体进入接收器，得到产品。每隔一定时间进行取样，通过气相色谱分析产物浓度。

此外，在实验之前需要通入氮气进行吹扫。采用电子秤上以精确计量进入反应器原料的量，并采用精密电子天平计量反应产物的量。

4.2实验装置

选用管式活塞流等温积分反应器反应器外径32mm，内径26mm，长1000mm。内装有催化剂和惰性填料。为保证反应器的等温，在反应器外加导热性较好的铜套。另外，还使用了2PB-10型平流泵，气体流量计，温控仪表，预热炉，加热炉，背压阀等。

4.3分析方法

本实验液相产物采用气相色谱分析。

由于偏四甲苯与均四甲苯沸点相差2℃，二者的分开是色谱分析难点。在研究偏三制备均四的过程中，Y.Barahaf等人[3]采用FFAp毛细管柱及程序升温进行气相色谱分析，陶克毅等人[4]采用SE-30毛细管柱，赵东源[5]采用OV101毛细管柱，用He气作载气并采用程序升温，李云[6]采用N2作载气，用聚乙二醇-20M毛细管柱，采用恒温进行分析。

本次实验用的是GC-930型气相色谱仪。从预实验中得知

CBP20-S25-050Φ0.33mm×25m×0.50μm型号的色谱柱能够较好的分析出偏四与均四两种异构体。载气为氮气,检测器为FID，柱温为80℃，进样器温度是260℃，检测器温度为250℃。程序升温的初温为0℃，保持时间0min，升温速率3℃/min；终温为50℃，保持时间20min。进样量为0.2μl。

五、实验结果 5.1 色谱柱的选择

实验采用了Semi-Widebore CBP1-S25-050弹性石英毛细管色谱柱

Φ0.33mm×25m×0.25μm和CBP20-S25-050Φ0.33mm×25m×0.50μm两根色谱柱对产物进行分析，分析结果如图2和图3所示。

图2 色谱柱：PEG20M（极性柱） 图3 色谱柱：SE-30（非极性柱）

从图3可看出,SE-30为非极性色谱柱，其中峰值为8.82的是均四甲苯与偏四甲苯产量之和，无法得知目的产物均四甲苯的具体含量。而PEG20M属极性色谱柱，

可以使均四甲苯（图中为峰值7.71小峰）和偏四甲苯（图中为峰值7.90小峰）完全分开。因此实验选用的色谱柱型号为PEG20M。

5.2 溶解度测定

在室温下，将固体均四甲苯溶解于偏三甲苯液体中，使充分溶解后溶液中仍存在均四甲苯固体，然后对溶液进行色谱分析。

图4 均四甲苯的饱和溶液色谱分析

表5 偏三甲苯与均四甲苯色谱分析

ID号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 由分析结果可以看出，常温下均四甲苯的最高浓度为24.99%。 5.3 空白实验

实验条件：加热炉温控300℃.，压力为1.9Mpa.，甲醇与偏三甲苯原料配比为2（mol比） ，流量为1.0ml/min。

停留时间 （分钟） 4.692 4.908 5.525 1，2，4-三甲基苯 5.633 5.883 8.808 1，2，4，5-四甲基苯 39.808 52.217 60.8 61.808 组分名 峰高 （微伏） 2451 8365 794122 5414 19088 287241 1974 856 1051 704 峰面积 （微伏*秒） 15960 67672.5 9884095 30299.5 66204.5 3318197 20844.3 11570.5 13750 28352.3 峰形 VV VV VV VV VV BV BB VV VB IBB 含量 （%） 0.1181 0.5006 73.1237 0.2242 0.4898 24.9923 0.1542 0.0856 0.1017 0.2098 320.0300.0280.0T/℃260.0240.0220.0200.00.020.040.0L/cm60.080.0100.0图5 反应管温度分布

由图5可知，反应器中上部20cm（29-49cm）范围内温差在±0.4℃范围内，此区域可作为等温区。

图6 原料

图7 产物

偏差 % 1．94 0．26

组份名 甲醇 偏三甲苯 表6 原料及产物含量 原料含量 液相产物含量 % % 12．9306 12．6791 85．5089 85．7285

从图6,图7和表6可以看出，原料与产物含量几乎相同，证明空白实验无反应。 5.4 活性实验

实验条件：原料配比是甲醇：偏三甲苯=2（mol比），流量为0.46ml/min，反应温度是350℃，压力为0.5MPa。

365.0360.0355.0/T ℃350.0345.0340.001020t hr/30405060

图8 反应温度变化

0.5040.5020.5000.4980.4960.4940.4920.4900.4880.4860.4840102030t /hr40506070

P /MPa

图9 反应压力的变化

1600140012001000w /g80060040020000102030t /hr进料量出料量405060

图10 进出物料变化

如图10为进出物料随时间的变化，从图中进出物料随反应时间的增加达到平衡状态。

20181614y /w10864200102030t /hr均四含量偏四甲苯 405060 图11 产物组成变化

从图11可以看出，反应初期均四甲苯含量较低，随着反应时间增加, 均四甲苯的相对含量不断升高,最终达到一稳定值；偏四甲苯随着反应时间增加含量不断降低，最终达到稳定值。

图11 油相产物分析谱图

表7 进出物料含量

进料 出料 甲醇 w％ 34.77 偏三 w％ 65.23 62.61 均四 w％ 18.47 偏四 w％ 0.668 水相 g 4.5

油相 g 24 19 总量 g 24 23.5 通过对油相产物的分析可得到出料的含量，见表7。由表中数据可计算出偏三甲苯的转化率为24.0%,均四甲苯在四甲苯中的选择性达到97.2%。

六．结论

1) 分析结果表明PEG20M型号能够使均四甲苯和偏四甲苯完全分开，满足分

析的要求；

2) 反应器中上部20cm（29-49cm）范围内温差在±0.4℃范围内，此区域可

作为等温区；

3) 常温下均四甲苯的最高浓度为24.99%。

4) 偏三甲苯与甲醇的反应反应初期均四甲苯含量较低，随着反应时间增加,

均四甲苯的相对含量不断升高, 偏四甲苯含量不断降低，最终达到稳定。

5) 在温度350℃，压力为0.5MPa下，偏三甲苯的转化率为24.0%,均四甲

苯在四甲苯中的选择性达到97.2%。

参考文献

[1] 化学工程手册，陈敏恒等主编 [2] 兰氏化学手册, 迪安等主编

[3] Barakaf Y.Zeolites,1987(7)：235—239 [4] 陶克毅.石油学报，1989，5（1）：33—38

[5] 赵东源.混和金属络合物胶锰脱土的合成及表征.长春,吉林大学,1990

[6] 李云.1,2,3,5-四甲苯催化制备 1,2,4,5-四甲苯反应体系的气相色谱分析.沈阳,沈阳化工学院精细化工系

六．结论

1) 分析结果表明PEG20M型号能够使均四甲苯和偏四甲苯完全分开，满足分

析的要求；

2) 反应器中上部20cm（29-49cm）范围内温差在±0.4℃范围内，此区域可

作为等温区；

3) 常温下均四甲苯的最高浓度为24.99%。

4) 偏三甲苯与甲醇的反应反应初期均四甲苯含量较低，随着反应时间增加,

均四甲苯的相对含量不断升高, 偏四甲苯含量不断降低，最终达到稳定。

5) 在温度350℃，压力为0.5MPa下，偏三甲苯的转化率为24.0%,均四甲

苯在四甲苯中的选择性达到97.2%。

参考文献

[1] 化学工程手册，陈敏恒等主编 [2] 兰氏化学手册, 迪安等主编

[3] Barakaf Y.Zeolites,1987(7)：235—239 [4] 陶克毅.石油学报，1989，5（1）：33—38

[5] 赵东源.混和金属络合物胶锰脱土的合成及表征.长春,吉林大学,1990

[6] 李云.1,2,3,5-四甲苯催化制备 1,2,4,5-四甲苯反应体系的气相色谱分析.沈阳,沈阳化工学院精细化工系

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/lkkf.html