Kinetic modeling of mechanisms of industrially important organic reactions in gas and liquid phase

This dissertation is based on 5 articles which deal with reaction mechanisms of the following selected industrially important organic reactions: 1. dehydrocyclization of n-butylbenzene to produce naphthalene 2. dehydrocyclization of 1-(p-tolyl)-2-methylbutane (MB) to produce 2,6-dimethylnaphthalene 3. esterification of neopentyl glycol (NPG) with different carboxylic acids to produce monoesters 4. skeletal isomerization of 1-pentene to produce 2-methyl-1-butene and 2-methyl-2-butene The results of initial- and integral-rate experiments of n-butylbenzene dehydrocyclization over selfmade chromia/alumina catalyst were applied when investigating reaction 2. Reaction 2 was performed using commercial chromia/alumina of different acidity, platina on silica and vanadium/calcium/alumina as catalysts. On all catalysts used for the dehydrocyclization, major reactions were fragmentation of MB and 1-(p-tolyl)-2-methylbutenes (MBes), dehydrogenation of MB, double bond transfer, hydrogenation and 1,6-cyclization of MBes. Minor reactions were 1,5-cyclization of MBes and methyl group fragmentation of 1,6- cyclization products. Esterification reactions of NPG were performed using three different carboxylic acids: propionic, isobutyric and 2-ethylhexanoic acid. Commercial heterogeneous gellular (Dowex 50WX2), macroreticular (Amberlyst 15) type resins and homogeneous para-toluene sulfonic acid were used as catalysts. At first NPG reacted with carboxylic acids to form corresponding monoester and water. Then monoester esterified with carboxylic acid to form corresponding diester. In disproportionation reaction two monoester molecules formed NPG and corresponding diester. All these three reactions can attain equilibrium. Concerning esterification, water was removed from the reactor in order to prevent backward reaction. Skeletal isomerization experiments of 1-pentene were performed over HZSM-22 catalyst. Isomerization reactions of three different kind were detected: double bond, cis-trans and skeletal isomerization. Minor side reaction were dimerization and fragmentation. Monomolecular and bimolecular reaction mechanisms for skeletal isomerization explained experimental results almost equally well. Pseudohomogeneous kinetic parameters of reactions 1 and 2 were estimated by usual least squares fitting. Concerning reactions 3 and 4 kinetic parameters were estimated by the leastsquares method, but also the possible cross-correlation and identifiability of parameters were determined using Markov chain Monte Carlo (MCMC) method. Finally using MCMC method, the estimation of model parameters and predictions were performed according to the Bayesian paradigm. According to the fitting results suggested reaction mechanisms explained experimental results rather well. When the possible cross-correlation and identifiability of parameters (Reactions 3 and 4) were determined using MCMC method, the parameters identified well, and no pathological cross-correlation could be seen between any parameter pair.

Neopentyyliglykolin ja propionihapon välisen esteröintireaktion kinetiikka

Glykolien esterit ovat haluttuja pintareaktiivisia aineita. Niitä voidaan valmistaa esteröintireaktiolla karboksyylihappojen kanssa katalyytin läsnä ollessa, jolloin toivottu reaktiotuote on yleensä muodostuva monoesteri. Monoesterin saannon lisäämiseksi reaktiossa muodostuvaa vettä voidaan poistaa jatkuvasti reaktiosta. Reaktion tasapainotilan tutkiminen on kuitenkin tärkeää, jotta reaktion kinetiikka tunnettaisiin mahdollisimman hyvin. Tällöin reaktiotuotteita ei poisteta reaktioseoksesta reaktion aikana. Glykolit esteröityvät happojen kanssa kahdessa vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheessa muodostuu monoesteriä ja vettä ja toisessa vaiheessa diesteriä ja vettä. Kokeiden perusteella ensimmäinen vaihe on selvästi toista vaihetta nopeampi reaktio. Kirjallisuudessa on esitetty myös kaksi sivureaktiota, transesteröityminen ja disproportionaatio. Reaktion kinetiikka voidaan kuvata ilman näitä pieniä sivureaktiota, mutta täydellisen kuvaamisen vuoksi on ne myös otettava huomioon. Reaktion kinetiikan tutkimiseksi suoritettiin viisi laboratoriokoetta eri lämpötiloissa neopentyyliglykolilla ja propionihapolla homogeenisen para-tolueenisulfonihapon toimiessa katalyyttina. Lähtöaineiden ja tuotteiden konsentraatioita seurattiin ajan funktiona ja saatujen tulosten perusteella sovitettiin reaktiomekanismin differentiaaliyhtälöiden reaktionopeusvakiot. Nopeusvakioiden lämpötilariippuvuutta tutkittiin Arrheniuksen yhtälön avulla. Lisäksi määritettiin tasapainovakiot kullekin osareaktiolle.