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MoCx/HZSM-5催化剂上甲烷和丁烷的芳构化反应研究

袁山东  
【摘要】: 低碳烷烃尤其是甲烷的芳构化过程是天然气等化石资源直接转化利用的一条途径。Mo/HZSM-5具有较好的甲烷无氧芳构化性能,但迄今在Mo/HZSM-5仅进行了甲烷的无氧芳构化研究,尚未实现甲烷的有氧芳构化反应。另一方面,使用MoO_3/HZSM-5进行甲烷芳构化反应时,反应过程中钼物种会被还原和碳化形成多种钼物种(如氧化钼,碳化钼等),但关于这些不同钼物种的Mo/HZSM-5催化剂的芳构化性能尚不清楚或存在争议。本论文考察了Mo/HZSM-5的甲烷有氧芳构化性能,研究了具有不同钼物种Mo/HZSM-5催化剂上丁烷的芳构化反应,得到如下结果: 反应结果发现,尽管无氧条件下甲烷在Mo/HZSM-5上芳构化时催化剂积碳严重、失活快,高温加速催化剂的失活,但当原料气中加入适量氧化剂(O_2,N_2O)时能显著提高催化剂的寿命,反应温度越高,这种效果越明显。氧化剂有一可控制甲烷反应机理的浓度阈值。氧化剂的加入量低于此阈值时,甲烷芳构化反应不仅得到维持,而且Mo/HZSM-5催化剂的芳构化性能和寿命均能得到很大改善。氧化剂浓度高于该浓度阈值时甲烷芳构化反应就转变成了甲烷的完全氧化反应。该氧化剂浓度阈值与反应温度正相关(比如在700℃,3wt%Mo/HZSM-5催化剂,氧气的浓度阈值仅为~6x10~(-3)(O_2CH_4),但800℃增至5x10~(-2)),而且还与氧化剂的类型有关,同样条件下氧化能力较弱的氧化剂给出较高的浓度阈值。 甲烷芳构化反应时催化剂上积碳物种的UV-Raman光谱表征结果表明,无氧时HZSM-5上的积碳物种主要是聚烯烃和芳烃类积碳,但加入钼后变成了芳烃和聚芳烃类积碳物种。反应气氛中加入微量氧气时,Mo/HZSM-5上仅观察到聚芳烃和部分石墨化的积碳物种。但当氧气浓度高到发生完全氧化反应时,催化剂上的积碳量很低,而且钼物种变成了氧化钼。 根据反应结果和表征结果,我们认为,甲烷芳构化反应条件下加入氧化剂时催化剂上存在MoO_3被甲烷碳化和Mo_2C被氧化剂氧化两个过程,适量氧化剂的加入不仅能抑制(或消除)石墨化程度较低的积碳物种的沉积从而降低催化剂上的积碳量,而且能将钼物种动态维持在最佳甲烷芳构化催化剂活性状态:MoOxCy/HZSM-5。积碳的消除(或抑制)和催化剂上活性钼物种的维持这两方 互互 面因素的共同作用使适量氧化剂的添加有利于甲烷的芳构化反应。 为了区分含不同铂物种的MO凸区SM-5催化剂的芳构化性能,用丁烷代替甲 烷进行了Mo个区SM-5的芳构化性能研究。反应结果和XJLD表征结果揭示出了丁 烷在MOOZSM-5上反应时催化剂结构和反应性能的关系。丁烷在MOOxrr1ZSM- 5上反应时MOOX会被丁烷还原炭化经历MOO。/HZSM巧、MOO。f4ZSM巧、 (MoO广Mo*f1ZSM6最终生成Mo厂/HZSM6,这些具有不同钥物种的 MoMZSM-5都有丁烷芳构化反应性能。但反应温度较高时,前三种催化剂上的 铝氧物种可被丁烷还原和炭化,严重的氧化反应和裂解反应导致抑制了其丁烷 芳构化性能。MO厂/HZSM巧不仅稳定,而且在所有这些MO/HZSM6催化剂中具 有最佳丁烷芳构化性能。 本论文还研究了铝物种之间的相变关系。MOO。f4ZSM5能被丁烷在 540-620”C (6还原炭化为a-Mo。C肥SM-5,660”C以上则 被炭化为卜 Mo。CfllZSM-5。a-Mo;C/HZSM-5有在H。/CxHy中稳定至700“C以上,而在H。中 600吧时就能生成卜Mo;C/HZSM6。出此结果找到一条从MoO。直接制取a-Mo厂 和p-MO;C的新途径。 Mo厂/HZSM6上的丁烷芳构化反应结果显示,a-Mo厂MZSM6的丁烷芳构 化性能好于卜MO厂/HZSM6,但MO厂MZSM上上的积碳量和MO厂晶粒大小形对 催化剂反应性能影响很大。反应温度、铝担载量。HZSM巧酸性变化对MO厂 干0SM-5丁烷芳构化性能的影响结果显示:存在一最佳铂的担载量,其值接近 铝在HZ S*-5上的分散阈值:*ZS*-5的酸性和较高的反应温度有利于 MO厂MZSM5上丁烷的芳构化反应。


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