Selective Oxidation of Ethylene to Ethylene Oxide on Silver Catalysts at Industrial Conditions: Reactor Profiles, Kinetics, and Chlorine Inhibition

环氧乙烷 乙烯 氯 动力学 催化作用 化学 无机化学 氧化物 化学工程 有机化学 共聚物 量子力学 物理 工程类 聚合物
作者
Viktor Berg,Michael Geske,Oliver Korup,Michael Schmidt,Frank Rosowski,Andrey S. Karpov,Michael Kraemer,Raimund Horn
出处
期刊:Industrial & Engineering Chemistry Research [American Chemical Society]
卷期号:63 (9): 3891-3909 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acs.iecr.3c04345
摘要

Selectivity is the key parameter in industrial ethylene oxide (EO) production by oxidation of ethylene with oxygen on Ag/α–Al 2 O 3 catalysts. Accurate temperature control in wall-cooled multitubular fixed-bed reactors and chlorination of the silver surface by feeding small chlorinated hydrocarbons such as 1,2-dichloroethane (DCE) are required to fine-tune electrophilicity and surface oxygen coverage for maximum EO selectivity at economic ethylene conversion. Temperature and molar flow rate profiles of C 2 H 4, O 2, EO, CO 2, H 2 O, DCE, and chlorine-containing reaction products vinyl chloride (VC) and ethyl chloride (EC) were measured in a compact profile reactor (CPR) and in a pilot-scale profile reactor (PSPR) to explore the spatial interplay between DCE concentration, temperature, inlet flow rate, and O 2 conversion. Chlorine and oxygen compete for the same active silver sites despite more than 4 orders of magnitude different concentrations (ppm vs vol %). Chlorine coverage increases from inlet to outlet due to the decreasing partial pressure of O 2 along the bed, leading to shutdown of all reactions if all active Ag sites are blocked by chlorine. A kinetic model is derived from a dual-site mechanism taken from the literature. Kinetic parameters are determined from differential initial rate measurements, Arrhenius plots, and by fitting the rate expressions implemented in a plug flow model to the species and temperature profiles in the CPR. A very good agreement is reached. PSPR profiles are modeled by implementing the derived kinetic model into a 2D pseudohomogeneous reactor model. At conversions <10%, the experimental profiles are well captured, but the model fails to accurately reproduce the point of thermal runaway in the catalyst bed of the PSPR caused by a too low reactor temperature and resulting insufficient chlorine coverage of the silver surface.
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