乙炔在钯金催化剂上反应的分子模拟研究

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醋酸乙烯是一种十分重要的化工原料,用途广泛。采用乙烯气相法制备醋酸乙烯是世界上应用最广泛的工艺。该工艺以乙烯、氧气和醋酸为原料,在PdAu催化剂上反应生成醋酸乙烯。在该工艺中,原料乙烯中通常会含有少量的乙炔。目前醋酸乙烯工艺中对于乙烯中乙炔的含量要求苛刻,但是对于乙炔对醋酸乙烯反应体系的影响尚不明确。本论文采用密度泛函理论(DFT)和动力学蒙特卡洛(KMC)相结合的方式,对乙炔在PdAu催化剂上的反应进行了系统的研究。通过研究乙炔在醋酸乙烯合成催化剂PdAu催化剂上的反应路径和反应产物探究乙炔对醋酸乙烯反应体系的影响。首先,构建了乙炔在PdAu催化剂上的反应网络,采用DFT方法对反应网络所涉及物种的单吸附和共吸附的稳定吸附构型及吸附能进行了计算。发现反应物乙炔在PdAu(100)表面容易被吸附活化,且乙炔的吸附能小于主反应物乙烯的吸附能,不会占据主反应物的反应位点。多数反应物种倾向于吸附在含Pd原子的位点,吸附物种与Pd原子的相互作用更强。然后,通过DFT计算得到乙炔在PdAu(100)表面上各基元反应的能垒和反应热。发现乙炔在催化剂表面反应活性很高,氧化反应、加氢反应和聚合反应均有可能发生。氧化反应中,CHOCHO生成和断链的能垒均较低,最有可能发生断链反应氧化为CO2。加氢反应中,C2含氧化合物断链生成的CH和CH2可能连续加氢生成CH4。聚合反应中,C3链状烃类的生成比C4链状烃类及苯的生成更容易。最后,采用KMC方法模拟了乙炔在进料浓度为1%时的反应。结果表明,在乙炔的最终产物和中间体中CO2最多、C2H3次之,另外有少量的CH2O和CH4,只有极微量的聚合产物。在所有反应中,乙炔的氧化反应最具有竞争优势,其次是乙炔加氢生成C2H3的反应。通过对乙炔反应机理的进一步分析,发现乙炔在PdAu(100)催化剂上发生氧化反应的优势路径有两条:一是C2H2+O→CHCHO→CHOCHO→CHO+CHO→CO2/CH2O,二是C2H2+O→CHCHO→CH+CHO→CO2/CH2O。根据以上研究结果可知,乙烯原料中的微量乙炔对于醋酸乙烯反应体系影响较小,可以适当放宽对乙烯原料中乙炔含量的限制。
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