Термодинамический анализ процесса алкилирования бензола пропиленом

Изопропилбензол (кумол) — важное сырьё в нефтехимической промышленности, используемое для производства фенола и ацетона. Эти соединения, в свою очередь, служат основой для синтеза поликарбонатов, смол и других материалов. Основной метод получения кумола — алкилирование бензола пропиленом в присутствии катализаторов, таких как хлорид алюминия.

Актуальность исследования обусловлена необходимостью оптимизации этого процесса для повышения выхода целевого продукта и снижения образования побочных соединений. В работе проведён термодинамический и кинетический анализ реакций с использованием методов квантовой химии.

Методы исследования

Для расчётов использовался метод теории функционала плотности (DFT) на уровне B3LYP с базисным набором 6-31++G(d,p). Это позволило с высокой точностью определить энергетические параметры реакций:

• энтальпию
• энтропию
• энергию Гиббса

Учтён эффект сольватации (растворитель — бензол), а переходные состояния реакций найдены методом QST2.

Основные реакции процесса

Процесс алкилирования включает несколько стадий:

1. Активация пропилена хлоридом алюминия с образованием карбокатиона.
2. Электрофильная атака бензола, приводящая к формированию σ-комплекса.
3. Отщепление протона и восстановление катализатора.

Помимо основной реакции, протекают побочные процессы:

• трансалкилирование (перераспределение алкильных групп между молекулами),
• образование полиалкилбензолов (ди- и триизопропилбензолов).

Термодинамические и кинетические параметры

Расчёты показали, что:

• Энергия активации алкилирования бензола пропиленом составляет 150,94 кДж/моль, а трансалкилирования — 156,13 кДж/моль.
• Предэкспоненциальный множитель в уравнении Аррениуса для основной реакции — 1,58·10⁵, для побочной — 5,34·10⁴.

Это означает, что алкилирование протекает легче, но вторичные реакции трансалкилирования играют ключевую роль в увеличении выхода кумола за счёт переработки полиалкилбензолов.

Математическая модель процесса

На основе полученных данных разработана математическая модель, позволяющая прогнозировать:

• выход изопропилбензола,
• содержание побочных продуктов (н-пропилбензола, этилбензола, полиалкилбензолов).

Погрешность модели не превышает 7–10%, что подтверждено сравнением с данными промышленного производства (ОАО «Омский каучук»).

Влияние температуры на процесс

Исследование показало, что:

• Повышение температуры снижает выход кумола из-за усиления деалкилирования.
• Оптимальный диапазон — 350–400 К, при котором достигается баланс между скоростью реакции и селективностью.
• Снижение доли полиалкилбензолов наблюдается при росте температуры, так как активируются реакции их переработки в целевой продукт.

1. Лимитирующая стадия процесса — образование σ-комплекса (электрофильная атака бензола).
2. Трансалкилирование играет важную роль в увеличении выхода кумола.
3. Разработанная модель позволяет оптимизировать параметры процесса (температуру, давление, состав сырья) для максимизации выхода целевого продукта.

Применение методов квантовой химии для анализа алкилирования бензола пропиленом позволило установить ключевые закономерности процесса и создать точную математическую модель. Это открывает возможности для совершенствования промышленных технологий синтеза кумола.