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《大连理工大学》 2011年
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C_4液化气中丁烯在纳米ZSM-5沸石上芳构化

孙琳  
【摘要】:丁烯芳构化反应是提高炼油副产C4液化气资源附加值的一条重要途径。然而,积炭失活快是传统沸石芳构化催化剂的主要难题。因此,本文重点研究了芳构化催化剂在C4液化气低温芳构化反应中的抗积炭失活性能。着重考察了ZSM-5沸石催化剂的晶粒度、酸度和微孔扩散性对其积炭失活速度的影响。主要研究结果如下: (1)研究了酸度相近,而晶粒度不同的ZSM-5沸石催化剂对C4液化气芳构化反应的影响,发现这些样品表现出了相同的初始活性和不同的稳定性。不同沸石催化剂的反应稳定性顺序为:微米沸石催化剂小晶粒沸石催化剂纳米沸石催化剂。纳米ZSM-5沸石催化剂优异的抗积炭失活性能归结为孔道短,外表面积大,丰富的晶间孔以及较多的孔口减少了积炭堵孔的机会。 (2)用高温水汽钝化与酸扩孔处理制备了四组催化剂样品,通过XRD、NH3-TPD、Py-IR以及正己烷和环己烷的吸附量表征,研究了C4液化气低温芳构化反应中纳米ZSM-5沸石催化剂的酸度、微孔扩散性与积炭失活的关系。发现酸度较强的纳米ZSM-5沸石催化剂表现出了更快的积炭失活速度。同时,沸石的微孔扩散性能也对催化剂的积炭失活速度有显著影响。微孔约束力(即正己烷和环己烷的吸附量之比,用n-h/c-h表示)越大,积炭失活越严重。纳米HZSM-5沸石催化剂经500-550℃水蒸气处理,以及钝化前后都经过稀硝酸溶液处理后,制得的改性催化剂具有适宜的酸度和良好的微孔扩散性能,因此也表现出优异的抗积炭失活能力。 (3)通过综合改性调变了沸石的酸度和微孔扩散性能,研制出一种以纳米ZSM-5沸石为催化剂母体的DLG-1催化剂,表现出了良好的抗积炭失活性能以及C4液化气中丁烯的低温芳构化性能。研究了反应条件、C4液化气原料组成、杂质含量以及反应气氛对DLG-1催化剂上C4液化气低温芳构化反应的影响。发现除了催化剂外,适宜的反应条件、清洁的原料(例如,较低的二烯烃和硫化物含量以及无碱性氮化物)以及临氢反应都对进一步提高催化剂的抗积炭失活性能起到了重要作用。在优化的反应条件下(T=420-450℃、P=2.0-3.0 MPa、WHSVLPG=0.8-0.9 h-1和VH2/VLPG=260), DLG-1催化剂在1104h的长运转过程中丁烯转化率和芳构化活性始终分别保持在99%和60%以上,积炭量和积炭的碳氢摩尔比分别为20.8%和1.32。 (4)DLG-1催化剂表现出了优异的再生性能。其经历十次体内烧炭再生后,在1000余小时的长运转过程中芳构化活性仍能保持在60%,丁烯转化率始终稳定在99%。并在放大装置(催化剂装填量200m1)上验证了DLG-1催化剂的芳构化性能:在T=410℃,P=2.0 MPa, WHSVLPG=1.2 h-1和VH2/VLPG=260的条件下反应600 h(运转时间限于C4LPG的供应),丁烯转化率大于99%,芳构化活性稳定在48%左右,干气及焦炭低于2%,氢气消耗低于0.6(wt%)。产物分析表明,放大实验中汽油收率达到76%(以进料丁烯计),上述汽油产品因烯烃含量(1.6%)低、苯含量(1.3%)低以及硫含量(1 ppm)低,而辛烷值(RON97.8)高,成为理想的汽油调和组分。反应同时联产大量烯烃含量小于1.0%的优质丙、丁烷液化气,可作为乙烯裂解原料。可以预期改性纳米HZSM-5沸石催化剂-DLG-1用于C4液化气低温芳构化反应,具有很好的工业化前景。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:O643.32

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