改性分子筛催化C4+混合烃制低碳烯烃的性能研究

甲醇制烯烃过程中会副产大量C₄₊混合烃。利用副产C₄₊混合烃来高效生产乙烯和丙烯,提升乙烯和丙烯产率,成为煤制烯烃行业一个重要的研究方向。采用水热法合成了纳米级的HZSM-5分子筛,并在此基础上分别制备了P改性的HZSM-5分子筛催化剂(P/HZSM-5)和P-Mg复合改性的HZSM-5分子筛催化剂(P-Mg/HZSM-5)。采用XRD、SEM和N₂吸/脱附等手段对分子筛和相应催化剂进行了表征,并在小型固定床反应器上分别进行了分子筛和分子筛催化剂催化C₄₊混合烃制低碳烯烃的催化性能测试。结果表明,在温度为520℃、压力为0.2 MPa、水蒸气空速为1000 h^-1和原料混合气体积空速为100 h^-1的条件下反应8 h,P-Mg/HZSM-5的乙烯和丙烯产率可达到46.2%,综合性能最优(乙烯选择性为28.6%,丙烯选择性为60.8%)。     

分子筛对甲醇制轻烯烃反应烃类产物选择性的影响

采用XRD、SEM、XRF、BET、NH₃-TPD等方法表征USY、Beta、ZSM-5、ZSM-22、SAPO-41和SAPO-34分子筛的物相、组成、结构和酸性,并采用脉冲微反技术考察这些分子筛催化甲醇转化反应活性及烃类产物选择性随反应温度的变化。结果表明,三维十二元环的USY和Beta分子筛的甲醇转化催化活性最高,其次为二维十元环的ZSM-5分子筛,一维十元环的ZSM-22分子筛最低。分子筛的孔结构与孔径尺寸具有择形效应,与反应温度共同影响高选择性烃类产物的碳链长度。大孔分子筛在反应温度450℃以下时的C₄ 烃选择性最高;在反应温度400℃以上时,中孔ZSM-5、ZSM-22和SAPO-41分子筛的C₃烃选择性最佳,小孔SAPO-34分子筛的C₃烃和C₂烃选择性最高。随着反应温度升高,高选择性烃产物的碳数降低。ZSM-5和SAPO-34分子筛是特别适合于甲醇制丙烯和乙烯的择形催化剂,这2种分子筛在催化选择性方面还具有优异的升温特性,在400~550℃范围,随着反应温度升高,产物中乙烯和丙烯的总选择性提高,副产物中丙烷、C₄、C₅和C₆₊烃的选择性降低,甲烷选择性略有增加。     

ZSM-5分子筛的磷改性作用

选取硅铝比为45、150和250的H-ZSM-5分子筛,通过磷酸氢二铵水溶液饱和浸渍、干燥,以及在550℃的100%水蒸气气氛下水热处理2 h,制备出一系列不同磷负载量的磷改性ZSM-5分子筛样品。采用XRD、XRF、BET、NH₃-TPD、²⁷Al NMR、³¹P NMR等表征方法研究这些样品的磷氧化物分布状态及对骨架铝配位、物相、孔结构和酸性的影响。通过脉冲微反实验评价分析磷改性对ZSM-5分子筛催化甲醇制丙烯（MTP）反应活性和烃类产物选择性的影响。结果表明,ZSM-5分子筛的硅铝比或骨架铝密度对磷氧化物分布状态及对磷改性作用有显著影响。对低硅铝比的ZSM-5分子筛进行磷改性,磷氧化物的聚合程度高,磷改性作用强,磷与骨架铝形成P-O-Al化学配位,导致四配位骨架铝（Al(OSi)₄)的数量减少;磷氧化物不仅分布在分子筛外表面,并且深入到分子筛孔道内部;比表面积和孔体积也随磷负载量增加而大幅度下降,酸量和酸强度同样也有较大幅度降低。对高硅铝比的ZSM-5分子筛进行磷改性,磷氧化物多以单分子磷氧化物或二聚磷氧化物形式分布在分子筛的外表面,比表面积和孔体积受磷负载量的影响极小,酸量和酸强度变化也不明显,磷改性作用较弱。不同硅铝比的磷改性ZSM-5分子筛的甲醇转化催化活性随磷负载量增加到某一数值后均出现突然降低现象,表明活性降低与磷氧化物对分子筛的孔道修饰作用或堵孔有关。通过提高硅铝比或磷改性降低ZSM-5分子筛的酸密度和酸强度,降低了甲醇转化过程的氢转移反应和烯烃裂解反应的活性,有利于提高产物中丙烯和C₄烃的选择性,而乙烯和烷烃选择性降低。     

混合C4烯烃催化裂解制丙烯

以固定流化床工艺研究了不同硅铝比的改性ZSM-5分子筛对混合C4烯烃催化裂解制丙烯、乙烯的影响,并进行了工艺条件实验.结果表明,提高分子筛催化剂的硅铝比对丙烯选择性有利,而乙烯的选择性降低;在温度550℃、空速10 h-1、水油质量比0.6/1的条件下,丙烯收率31%,选择性45.6%.适量磷改性的催化剂在经过700℃17 h的水热老化后,丙烯的收率仍达到28%以上,表现出良好的水热稳定性.     

不同组成C4的催化裂解反应规律

在小型固定流化床装置上考察了3种组成差异较大的C₄催化裂解反应性能，以及催化剂性质对C₄催化裂解反应的影响。实验结果表明，C₄中烯烃的含量越高，转化率、乙烯和丙烯产率越高；催化剂具有更高的活性、更大的比表面积和孔体积、更高的酸量及较低的金属含量有利于C₄烯烃的转化，并生成更多的乙烯和丙烯。在催化裂解过程中，只需考虑C₄烯烃的转化及其对乙烯和丙烯的贡献。C₄烯烃低聚生成的C₈碳正离子先裂解生成1分子丙烯和1分子戊基碳正离子，戊基碳正离子与C₄烯烃进一步发生低聚反应生成C₉碳正离子或不再发生反应，使得产物的丙烯/乙烯摩尔比大于2。对C₄进行预处理或开发其他反应与催化裂解耦合的新技术，能够有效提高C₄的利用率以及乙烯和丙烯的产率。     

磷改性ZSM-5及其对催化裂化增产丙烯的影响

对催化裂化（FCC）催化剂/助剂进行功能改性是提高丙烯产量、助力炼油厂转型升级的一种简单有效的方法。制备了经过碱处理和不同含量磷改性的ZSM-5分子筛[xP/A/ZSM-5,x表示分子筛磷负载量（以P₂O₅质量分数计）,%],将其用于FCC增产丙烯。采用X射线衍射、透射电镜、³¹P固体核磁共振和X射线光电子能谱等表征方法对改性样品的结构、酸性和磷存在形态进行表征,并对其在FCC过程中增产丙烯的性能进行研究。结果表明,所有改性后ZSM-5作用下的丙烯收率均优于改性前ZSM-5分子筛,这与孔体积减小和酸度变化有关。在测试的助剂中,8.0P/A/ZSM-5样品的催化性能最好,丙烯收率为8.62%。对磷与ZSM-5分子筛相互作用机理的研究表明,磷能与骨架铝和非骨架铝相互作用形成AlPO₄物种,并在磷改性分子筛表面检测到了AlPO₄物种。     

碳五烯烃转化制丙烯和乙烯

用氧化硅作载体,以分子筛为活性组分制备催化剂。考察了反应条件对不同硅铝比的分子筛制备的催化剂对碳五烯烃转化制丙烯和乙烯的活性和稳定性的影响。实验结果表明,在500℃、0.2M Pa、V(水)∶V(油)=0.6、原料空速3h-1的条件下,用高硅铝比(n(S iO2)∶n(A l2O3)=200)分子筛制备的催化剂的活性和选择性比用低硅铝比(n(S iO2)∶n(A l2O3)=50)分子筛制备的催化剂的活性和反应选择性好。在连续240h反应中,碳五烯烃转化率大于80%,丙烯产率大于31%,乙烯产率大于7%。     

分子筛改性Co/SiO_2催化剂对Fischer-Tropsch合成汽油类烃的影响

在中孔SiO2中添加USY,HZSM-5,β分子筛组成双功能载体,并采用初湿浸渍法在载体上浸渍钴盐,制备了一系列分子筛改性的Co/SiO2催化剂,考察了分子筛的类型、HZSM-5分子筛的骨架硅铝比、HZSM-5分子筛在载体中的含量对Fischer-Tropsch合成汽油类烃(C5~12)的影响。实验结果表明,载体中SiO2和分子筛共同作用,提高了催化剂的活性,并使产物分布向汽油类烃偏移,其中,以HZSM-5分子筛改性的Co/SiO2催化剂的催化性能最好。HZSM-5分子筛改性催化剂对催化性能的影响受其骨架硅铝比的影响。当骨架硅铝比n(SiO2)∶n(Al2O3)=38、HZSM-5分子筛在载体中的质量分数为20%时,CO转化率达到80%以上,汽油类烃的选择性高达55%,其中异构烷烃的选择性在10%以上。     

等离子体协同Co/ZSM-5催化CO2加氢制低碳烃

采用浸渍法制备了负载型Co基催化剂,并在介质阻挡放电低温等离子体反应器中研究了其对CO₂加氢转化生成低碳烃反应的催化性能,考察了载体、Co负载量,以及催化助剂对催化剂性能的影响,探讨了催化剂活性相、等离子体与催化剂的协同作用机理,分析了在等离子体体系中CO₂加氢制低碳烃可能的反应路径。结果表明,在介质阻挡放电反应器中,等离子体与Co基催化剂具有显著协同作用,在常压、低温下,CO₂加氢可生成一定量的C₂~C₄低碳烃。以Co质量分数为15%的Co/ZSM-5为催化剂时,CO₂转化率达45.0%;C₂~C₄选择性为13.7%。催化助剂Ni的加入可以进一步提高CO2的转化率和C2~C4的选择性。当Ni-Co/ZSM-5催化剂中m(Co)/m(Ni)为4∶1时,C₂~C₄转化率达52.3%,C₂~C₄选择性达17.9%。     

磷改性ZSM-5分子筛的水热稳定性

选取n(SiO₂)/n(Al₂O₃)为45、150、250的磷改性ZSM-5分子筛样品,在800℃和100%水蒸气气氛下分别水热处理4、8和17 h,得到一系列高温水热老化后的磷改性ZSM 5分子筛样品。采用XRD、XRF、BET、NH3-TPD、³¹P NMR、²⁷Al NMR表征方法研究这些老化样品的磷氧化物状态变化及骨架铝配位、物相、孔结构和酸性变化情况。通过脉冲微反实验考察这些老化样品的甲醇制丙烯（MTP）反应催化性能稳定性。结果表明,ZSM 5的n(SiO₂)/n(Al₂O₃)对磷改性作用和水热稳定性有重要影响,提高水热老化温度和延长老化时间会明显加剧磷氧化物的迁移、缩合及与骨架铝的配位成键作用。低n(SiO₂)/n(Al₂O₃)时,四配位骨架铝容易转变为与磷有配位关系的各类缺陷位骨架铝和六配位非骨架铝;高n(SiO₂)/n(Al₂O₃)时,尤其在n(SiO₂)/n(Al₂O₃)为150时,存在大量骨架铝既具有很高的抗磷氧化物配位成键能力,又具有很好的抗水蒸气水解能力,具有更高的反应催化活性和水热稳定性。提高水热处理温度还具有疏通磷改性ZSM-5分子筛孔道的作用,低n(SiO₂)/n(Al₂O₃)的磷改性ZSM-5分子筛的比表面积和孔体积有部分恢复,高n(SiO₂)/n(Al₂O₃)的微孔部分比表面积有所增加。不同n(SiO₂)/n(Al₂O₃)磷改性ZSM-5分子筛的相对结晶度均随水热老化温度提高和老化时间延长而下降;酸量和酸强度均随水热老化温度升高而急剧下降,但随水热老化时间延长保持相对稳定,n(SiO₂)/n(Al₂O₃)为150的磷改性ZSM 5分子筛的酸性最稳定。n(SiO₂)/n(Al₂O₃)为150的磷改性ZSM-5分子筛经过800℃和100%水蒸气老化4 h后具有优异的MTP催化性能,如高反应活性、高丙烯选择性和烃产物组成稳定性。     

燕山FCC汽油C5窄馏分催化裂解反应特性

 采用重油催化裂解多产丙烯专用催化剂R0,考察了燕山FCC汽油C₅窄馏分的催化裂解反应特性。由于热裂解反应和催化裂解反应的反应机理不同,对于C₅窄馏分,其中的烷烃热裂解反应转化率高于烯烃热裂解反应转化率;而烯烃的催化裂解反应转化率高于烷烃的催化裂解反应转化率,且催化裂解反应的丙烯收率较高。C₅窄馏分的催化裂解反应中,C₅烯烃转化率随温度变化较小,C₅烷烃转化率随温度升高显著增加,且丙烯选择性随温度先增加后降低,表明烯烃更易于生成丙烯;C₅烷烃转化率和C₅烯烃转化率均随质量空速的增加而降低,且C₅烷烃转化率下降更显著;C₅烷烃转化率和C₅烯烃转化率均随催化剂积炭量的增加而降低,且C₅烷烃转化率降低更为显著。当催化剂积炭量达0.44%后,烷烃的催化裂解反应消失,烷烃转化率完全由热裂解反应所控制。     

Catalytic Cracking of <Emphasis Type="Italic">n</Emphasis>-Hexane and <Emphasis Type="Italic">n</Emphasis>-Heptane over ZSM-5 Zeolite: Influence of SiO<Subscript>2</Subscript>/Al<Subscript>2</Subscript>O<Subscript>3</Subscript> Ratio

The performance of two types of ZSM-5 zeolite catalysts (MFI-type zeolite, SiO₂/Al₂O₃ = 50 and 300) was studied in the catalytic cracking of n-hexane and n-heptane as a model compound of light naphtha for production of light olefins at 500, 550, and 600°C. The physicochemical properties of ZSM-5 catalysts were characterized by means of XRD, BET, SEM and NH₃-TPD. The influence of SiO₂/Al₂O₃ molar ratio was investigated on conversion and product selectivity. ZSM-5 zeolite yielded higher conversion in the cracking of n-hexane compared to n-heptane and maximum conversion was achieved over ZSM-5(50) at 600°C. ZSM-5(50) showed higher alkane selectivity rather than olefins. It was found that ZSM-5(300) was more desirable in terms of having significant selectivity to light olefins as well as producing high propylene to ethylene ratio. The maximum propylene to ethylene ratio of 2.7 and 2.48 was observed over ZSM-5(300) at 500°C for n-hexane and n-heptane cracking, respectively.     

Conversion of n-heptane over different catalysts: Effect of catalyst-to-oil ratio and temperature

Catalytic cracking of n–heptane was investigated over various catalysts including ZSM-5, MCM-41, USY and mordenite. The influence of reaction temperature and catalyst-to-oil ratio was investigated in the case of ZSM-5 as more favorable catalyst in terms of conversion and light olefins yield. The highest n-heptane conversion of 97.3 wt.% was achieved over USY zeolite. Both conversion and olefin selectivity were increased by temperature over ZSM-5 zeolite. Increasing catalyst-to-oil ratio enhanced conversion with no significant changes in olefins selectivity. The highest olefin production was achieved over ZSM-5 zeolite in catalyst-to-oil ratios of 1.5 and 3.0 (g/g) at 550°C.     

Stability of La-Zr-HZSM-5/Al2O3 zeolite catalysts in the conversion of dimethyl ether to lower olefins

The stability of the zeolite component and a La-Zr-HZSM-5/Al₂O₃ catalyst synthesized on its basis in the synthesis of lower olefins from dimethyl ether (DME) has been studied. It has been shown that both the zeolite component and the catalyst based on it exhibit highly stable catalytic properties. A high-temperature treatment of the zeolite component and the finished La-Zr-HZSM-5/Al₂O₃ catalyst with air and steam, respectively, leads to a significant increase in the catalyst selectivity for olefins, particularly propylene, while the activity in the DME conversion slightly decreases as the steaming temperature increases from 500 to 750°C.     

催化剂中Y与ZSM-5分子筛比例对裂化、齐聚和氢转移反应的协作影响

本研究的目的是通过考察催化剂中Y分子筛和ZSM-5分子筛的优化组成,来开发新型催化剂以实现催化裂化过程中同时获得低烯烃含量汽油和高丙烯产率。本研究中制备了5种不同Y分子筛和ZSM-5分子筛比例的复配催化剂,采用小型固定流化床反应器,以催化汽油为原料,在480℃反应温度下考察了复配催化剂中Y和ZSM-5的协同作用对质子化裂化、β-断裂、齐聚和氢转移反应选择性的影响。结果表明：复配分子筛催化剂（Y：ZSM-5=1：4）具有最高的质子化裂化和β断裂反应的能力,甚至高于纯ZSM-5分子筛催化剂。另一方面,复配分子筛催化剂（Y：ZSM-5=3：2）的氢转移反应能力最高,而纯Y分子筛催化剂具有最高的齐聚反应能力。对所有5种催化剂而言,提高转化率均会增强质子化裂化和氢转移反应的选择性,但会减少β-断裂反应的选择性。然而,转化率增加时,齐聚反应的选择性未见明显增加。     

基于Y型沸石的解聚制备ZSM-5/Y沸石催化材料

以工业NaY沸石在碱性环境下解聚形成的硅、铝物种作为ZSM-5沸石生长的部分原料,通过补加适宜的硅物种和模板剂等,成功得到了具有核-壳结构的ZSM-5/Y沸石催化材料。采用XRD、FT-IR、NH3-TPD、SEM、EDS等对合成的材料进行表征,并以异丙苯和正庚烷的催化裂化反应评价了该复合材料作为裂解催化剂的催化活性,并与对应的机械混合物比较。结果表明,ZSM-5/Y沸石复合物的形成是一个由Y型沸石向ZSM-5沸石转变的过程,后合成的ZSM-5沸石包裹Y型沸石进行生长,形成以多晶Y型沸石为核,ZSM-5沸石为壳的复合物。ZSM-5/Y沸石复合物与对应的机械混合物的性质存在显著差异,并非两种沸石的简单加和。与对应的机械混合物相比,ZSM-5/Y沸石复合物催化正庚烷裂化反应的正庚烷转化率更高,低碳烃,特别是乙烯和丙烯的选择性更高;催化异丙苯裂化时,异丙苯转化率较低,壳层的孔道结构是其主要影响因素。     

甲醇转化制丙烯技术进展

简要介绍了丙烯的产需状况和新的丙烯生产技术的开发情况,综述了用于甲醇转化制丙烯的 ZSM-5分子筛催化剂的研究进展,重点介绍了 ZSM-5分了筛的晶粒尺寸、硅铝比和改性方法(磷改性、水热处理和碱土金属改性等)对其催化性能的影响。ZSM-5分了筛晶粒尺寸减小,有利于丙烯的扩散从而使丙烯的收率提高;合适的硅铝比以及适当的化学改性可有效调节 ZSM-5分子筛的表面酸性和孔径大小,提高丙烯的选择性和催化剂的稳定性。     

不同分子筛对n-C_(12)催化裂化转化规律的影响

以正十二烷(n-C12)为模型化合物,在固定床微反装置上考察了USY,β,ZSM-5分子筛单独使用及其相互配合使用对链烷烃裂化产物的碳数分布和烃类组成的影响,尤其是对低碳烯烃(丙烯和丁烯)选择性及其收率的影响,并通过XRD,BET,XRF,NH3-TPD,Py-FTIR等分析手段对所采用的3种分子筛的基本性质进行了表征。实验结果表明,强酸比例较高的β分子筛对n-C12的裂化活性明显高于USY分子筛,且对丁烯尤其是异丁烯的选择性较高;当β分子筛与ZSM-5分子筛混合作为n-C12裂化的催化剂时,低碳烯烃的选择性却低于USY分子筛与ZSM-5分子筛混合的催化剂;但β分子筛较强的裂化性能使其与USY和ZSM-5分子筛中的一种或两种混合时,具有较高的n-C12转化率,所以在一定程度上也可以增产低碳烯烃。     

Effect of metal loading on catalytic activity and selectivity of ZSM-5 zeolite catalyst in conversion of methanol to olefins and aromatics

Effect of ZSM-5 zeolite promotion using potassium, strontium, and cerium metals on conversion of methanol to light olefins and aromatics was investigated. ZSM-5 catalyst was promoted using wet impregnation of metal salts and its activity was tested in methanol to hydrocarbons process under optimum operational condition obtained in our group previously. Zeolite samples were characterized by X-ray powder diffraction, scanning electron microscopy, N₂ adsorption-desorption, acid sites distribution, and strength using temperature programmed desorption of NH₃. Results showed that presence of these metals could significantly affect acid site distribution and therefore influence the catalyst activity and selectivity to olefins and aromatics.     

Conversion of Mixed Lower Olefins and Paraffins on Galloaluminosilicate

At many oil refineries and gas processing plants, the C₂–C₅ fractions obtained as by–products do not have any qualified application. These hydrocarbons can be converted into valuable products on zeolite–based catalysts from the pentasil family. The characteristics of conversion of mixed C₂–C₄ olefins and paraffins into aliphatic and aromatic C₅₊ hydrocarbons in the presence of a galloaluminosilicate catalyst with the structure of pentasil were investigated. The temperature intervals of formation of isoparaffins from ethylene and propylene and aromatic hydrocarbons from mixed C₂–C₄ olefins and paraffins were found. Key words: C₂–C₄ olefins and paraffins, aliphatic and aromatic hydrocarbons, zeolites of the pentasil family, galloaluminosilicates.