ZSM-5分子篩的碳四裂解性能及積碳研究

趙國(guó)良，何萬仁，袁志慶，徐建軍，滕加偉

（中國(guó)石化 上海石油化工研究院，上海 201208）

丙烯是重要的基本有機(jī)原料，用途非常廣泛［1-2］。目前丙烯主要來源于蒸汽裂解制乙烯的聯(lián)產(chǎn)或煉廠FCC裝置的副產(chǎn)，其中約70%來自蒸汽裂解，28%來自FCC，2%來自丙烷脫氫等其他丙烯生產(chǎn)技術(shù)［3-6］。由于丙烯衍生物需求量的迅速增長(zhǎng)，使全球丙烯需求增長(zhǎng)速率超過了乙烯，傳統(tǒng)的丙烯生產(chǎn)方法難以滿足日益增長(zhǎng)的丙烯需求。采用分子篩催化劑，通過C4烯烴催化裂解技術(shù)獲取高收率的丙烯，成為近年來的研究熱點(diǎn)［7-12］。烯烴裂解技術(shù)主要采用具有10元環(huán)孔道結(jié)構(gòu)的ZSM-5分子篩為催化劑，包括流化床和固定床兩類工藝。流化床工藝的代表有Mobile公司的MOI工藝［13］和ARCO化學(xué)公司的Superflex工藝［14］。固定床工藝的代表主要有Lurgi公司的Propylur工藝［15］、ATOFINA公司和UOP公司的ATOFINA/UOP工藝［16］、日本旭化成公司的Omega工藝［17］以及中國(guó)石化的OCC工藝。流化床工藝目前無工業(yè)化應(yīng)用的報(bào)道；固定床工藝中，Omega工藝于2006年在日本水島實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，OCC工藝則于2009年在中原石化實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。對(duì)于烯烴裂解固定床工藝，目前制約其工業(yè)應(yīng)用的一個(gè)主要問題是積碳導(dǎo)致的催化劑失活。

本工作合成了不同硅鋁比的ZSM-5分子篩，將其用于C4烯烴催化裂解制丙烯，考察了硅鋁比與ZSM-5分子篩的穩(wěn)定性的關(guān)系，并采用多種表征手段對(duì)ZSM-5分子篩的積碳行為進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 催化劑的制備和評(píng)價(jià)

按一定配比配料，在80～160 ℃下晶化72 h，制得不同硅鋁比的ZSM-5分子篩原粉。分子篩原粉經(jīng)高溫脫模板劑、5%（w）硝酸銨溶液交換后，加入黏結(jié)劑擠條成型。

催化劑的評(píng)價(jià)在常壓固定床反應(yīng)裝置上進(jìn)行，采用內(nèi)徑10 mm的不銹鋼反應(yīng)器，催化劑裝填量為2.0 g，反應(yīng)溫度550 ℃，系統(tǒng)壓力為常壓。原料為中國(guó)石化上海石化公司乙烯廠的醚后碳四，原料組成見表1。采用安捷倫公司6820型氣相色譜儀在線分析反應(yīng)產(chǎn)物的組成，氫火焰離子化檢測(cè)器。反應(yīng)裝置示意見圖1。

表1 原料的組成Table 1 Composition of feedstock

圖1 反應(yīng)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental set-up.

1.2 催化劑的表征

XRD表征采用Rigaku公司D/max-1400型X射線粉末衍射儀，Cu Kα射線，管電壓40 kV，管電流40 mA；SEM表征采用FEI公司XL30E型掃描電子顯微鏡，電壓20 kV；NH3-TPD表征采用自建的裝置，反應(yīng)器內(nèi)徑3 mm，催化劑裝填量100 mg，室溫吸附NH3后，在150 ℃下用He吹掃至基線平穩(wěn)，然后以10 ℃/min的速率升溫到600 ℃，記錄脫附曲線；13C CP-MAS NMR表征采用Varain公司NMR System WB400型核磁共振波譜儀；DTG分析采用TA公司Q600型熱分析儀，空氣流量20 mL/min，升溫速率10 ℃/min；元素分析采用Elementar公司Vario EL Ⅲ型元素分析儀，使用25%（w）的氫氟酸溶液處理積碳試樣24 h，然后將溶液去除，剩下的黏稠物質(zhì)用于元素分析；Raman光譜表征采用Jobin Yvon公司Infinity型共焦顯微激光Raman光譜儀，He-Ne激光器，激光功率為9.6 mW，入射光波長(zhǎng)為514.5 nm，分辨率2 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 ZSM-5分子篩的合成與表征

ZSM-5分子篩可以在酸性和堿性體系中合成［18-20］，由于酸性體系中合成ZSM-5分子篩的條件相對(duì)苛刻，且晶化時(shí)間長(zhǎng)，因此本工作在堿性體系中合成了ZSM-5分子篩。采用相對(duì)較為廉價(jià)且模板效應(yīng)較強(qiáng)的1，6-己二胺（HMDA）為模板劑，在水熱體系中合成了不同硅鋁比的ZSM-5分子篩，考察了合成條件的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在其他晶化條件都相同的情況下，硅鋁比越低，所需的晶化時(shí)間越長(zhǎng)。對(duì)于硅鋁比較低的分子篩，可以通過提高堿度達(dá)到縮短晶化時(shí)間的目的。在n（HMDA）∶n（Si）=0.30、n（H2O）∶n（Si）=20、晶化溫度353～433 K、晶化時(shí)間72 h的條件下，通過改變母液的堿度（n（OH-）∶n（Si）=0～0.25），合成出了硅鋁比為20～300的ZSM-5分子篩。

不同硅鋁比的ZSM-5分子篩的SEM照片見圖2。從圖2可看出，所有分子篩試樣的顆粒都是比較均勻的球型或橢球型，且有少量晶粒發(fā)生了團(tuán)聚現(xiàn)象；隨ZSM-5分子篩硅鋁比的增大，晶粒大小有減小的趨勢(shì)，當(dāng)硅鋁比大于100時(shí)，晶粒大小變化不明顯。

不同硅鋁比的ZSM-5分子篩的XRD譜圖見圖3。由圖3可看出，所有試樣的衍射峰與典型的ZSM-5分子篩的標(biāo)準(zhǔn)衍射峰一致，且結(jié)晶良好。

不同硅鋁比的ZSM-5分子篩的NH3-TPD曲線見圖4。由圖4可見，各試樣的酸性差異較大：硅鋁比為20的ZSM-5分子篩的低溫和高溫脫附峰的面積都很大，表明該分子篩的弱酸和強(qiáng)酸酸量都較大。隨硅鋁比的增大，低溫和高溫脫附峰的面積逐漸減小，同時(shí)脫附峰向低溫方向移動(dòng)。該現(xiàn)象表明，增大ZSM-5分子篩的硅鋁比，不僅使強(qiáng)酸和弱酸的酸密度降低，且使強(qiáng)酸中心的酸強(qiáng)度有所減弱。

圖2 不同硅鋁比的ZSM-5分子篩的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of ZSM-5 zeolites with different silica-alumina(Si/Al) ratio.

圖3 不同硅鋁比的ZSM-5分子篩的XRD譜圖Fig.3 XRD patterns of the ZSM-5 zeolites with different Si/Al ratio.

圖4 不同硅鋁比的ZSM-5分子篩的NH3-TPD曲線Fig.4 NH3-TPD profiles of the ZSM-5 zeolites with different Si/Al ratio.

2.2 ZSM-5分子篩的催化性能

不同硅鋁比的ZSM-5分子篩上碳四烯烴裂解反應(yīng)的產(chǎn)物分布見表2。從表2可看出，隨硅鋁比的增大，碳四烯烴轉(zhuǎn)化率逐漸降低。這是因?yàn)橄N裂解為酸催化反應(yīng)，隨硅鋁比的增大，分子篩酸量下降，因此造成ZSM-5分子篩裂解活性降低。從表2還可看出，隨硅鋁比的增大，目標(biāo)產(chǎn)物丙烯的含量增大。這是因?yàn)楦吖桎X比的ZSM-5分子篩酸密度小且酸強(qiáng)度相對(duì)較弱，雖然裂解活性有所降低，但二次反應(yīng)（如丙烯的氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)等）受到較大程度的抑制，因此丙烯選擇性大幅增加（見圖5a），總的結(jié)果是造成丙烯收率提高（見圖5b）。因此，為了獲取高收率的丙烯，需要采用高硅鋁比的ZSM-5分子篩（如硅鋁比200以上的分子篩）作為催化劑。

選用低硅鋁比和高硅鋁比的ZSM-5分子篩進(jìn)行穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。從圖6可見，硅鋁比為20的ZSM-5分子篩上碳四烯烴轉(zhuǎn)化率初期為88.2%，反應(yīng)24 h后，轉(zhuǎn)化率降至51.9%，下降約36百分點(diǎn)；而對(duì)于硅鋁比為220的ZSM-5 分子篩，相同反應(yīng)條件下，碳四烯烴轉(zhuǎn)化率初期為73.7%，反應(yīng)24 h后降至72.6%，僅下降約1百分點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高硅鋁比ZSM-5分子篩的穩(wěn)定性比低硅鋁比ZSM-5分子篩的穩(wěn)定性高得多。對(duì)于主產(chǎn)物丙烯，硅鋁比為220的ZSM-5 分子篩上丙烯收率穩(wěn)定在34%左右；硅鋁比為20的ZSM-5 分子篩上丙烯收率先增大后減小，但始終低于硅鋁比為220的ZSM-5分子篩上的丙烯收率。對(duì)于副產(chǎn)物乙烯，硅鋁比為220的ZSM-5 分子篩上乙烯收率穩(wěn)定在13%左右；硅鋁比為20的ZSM-5 分子篩上乙烯初始收率在15%左右，隨后一直處于下降趨勢(shì)?？傮w來看，無論是從丙烯收率還是分子篩的穩(wěn)定性上看，在高空速反應(yīng)工藝下，高硅鋁比ZSM-5分子篩更適合作為碳四烯烴裂解制丙烯的催化劑。

表2 不同硅鋁比的ZSM-5分子篩上碳四烯烴裂解反應(yīng)的產(chǎn)物分布Table 2 Product distribution of the catalytic cracking of C4 olefins over ZSM-5 zeolites with different Si/Al ratio

圖5 硅鋁比對(duì)產(chǎn)物選擇性及丙烯收率的影響Fig.5 Effects of the Si/Al ratio of the ZSM-5 zeolites on the selectivity to cracking products and the yield of propylene.Reaction conditions referred to Table 2.

圖6 不同硅鋁比的ZSM-5分子篩的穩(wěn)定性Fig.6 Stability of the ZSM-5 zeolites with different Si/Al ratio.

2.3 ZSM-5分子篩的積碳研究

通過13C CP-MAS NMR、DTG和元素分析等方法對(duì)反應(yīng)4，8，24，48，144 h后的積碳ZSM-5 分子篩（硅鋁比220）進(jìn)行了表征。積碳ZSM-5 分子篩的13C CP-MAS NMR譜圖見圖7。從圖7可看出，反應(yīng)8 h后的ZSM-5 分子篩的出峰區(qū)域分別在化學(xué)位移δ=10～30和δ=125～150處，前者譜峰尖銳，對(duì)應(yīng)脂肪族碳?xì)浠衔?；后者譜峰較寬，對(duì)應(yīng)芳香族碳?xì)浠衔铮?1-23］。隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，δ=10～30區(qū)域內(nèi)的峰消失，而δ=125～150區(qū)域內(nèi)的峰強(qiáng)度增強(qiáng)。

由于NMR技術(shù)對(duì)類石墨積碳不敏感，使用激光Raman光譜進(jìn)行了補(bǔ)充表征，表征結(jié)果見圖8。由圖8可見，反應(yīng)8 h后的ZSM-5分子篩在1 600 cm-1附近有譜峰出現(xiàn)，該峰歸屬于結(jié)晶良好的石墨［24-27］；隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，該峰有增強(qiáng)的趨勢(shì)。對(duì)于反應(yīng)144 h后的ZSM-5 分子篩，除了1 600 cm-1附近的譜峰外，在1 335 cm-1附近還有一個(gè)寬化的譜峰，說明可能存在一些無定形碳物種，或部分石墨晶體存在晶體缺陷或晶粒較?。?5］，歸屬于類石墨型積碳。

圖7 積碳ZSM-5 分子篩（硅鋁比220）的13C CP-MAS NMR譜圖Fig.7 13C CP-MAS NMR of carbon deposited ZSM-5 zeolites(Si/Al ratio 220).

圖8 積碳ZSM-5 分子篩（硅鋁比220）的Raman光譜Fig.8 Raman spectra of carbon deposited ZSM-5 zeolites(Si/Al ratio 220).

以上結(jié)果表明，對(duì)于碳四烯烴裂解反應(yīng)，反應(yīng)初期催化劑上的積碳以脂肪族碳?xì)浠衔餅橹?，隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，積碳形態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為以芳香族碳?xì)浠衔餅橹?，且越來越多的積碳轉(zhuǎn)化為類石墨型積碳物種。

積碳ZSM-5分子篩（硅鋁比220）的DTG曲線見圖9。由圖9可見，DTG曲線在兩個(gè)溫度區(qū)有明顯的失重峰出現(xiàn)：Ⅰ區(qū)（低于350 ℃）和Ⅱ區(qū)（350～700℃）。13C CP-MAS NMR和Raman光譜表征結(jié)果顯示，分子篩中含有脂肪族碳?xì)浠衔锓e碳物種（軟炭）和類石墨型積碳物種（硬炭），由于硬炭比軟炭更難焙燒干凈，因此推測(cè)高溫區(qū)（Ⅱ區(qū)）歸屬于硬炭的失重，而低溫區(qū)（Ⅰ區(qū)）歸屬于軟炭和少量分子篩吸附水的失重。隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，催化劑上的積碳總量呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，而軟炭和硬炭的量出現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的現(xiàn)象。對(duì)反應(yīng)8 h和48 h的積碳ZSM-5分子篩進(jìn)行元素分析，前者的C/H原子比為0.56，后者的C/H原子比則提高到1.34，呈現(xiàn)的規(guī)律性與前面的表征結(jié)果一致，進(jìn)一步表明反應(yīng)初期ZSM-5分子篩上的積碳以軟炭為主，隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，軟炭趨于向硬炭轉(zhuǎn)變。

圖9 積碳ZSM-5分子篩（硅鋁比220）的DTG曲線Fig.9 DTG curves of carbon deposited ZSM-5 zeolites(Si/Al ratio 220).

3 結(jié)論

1）在水熱體系中，以HMDA為模板劑合成了硅鋁比為20～300的ZSM-5分子篩；提高分子篩的硅鋁比不僅使強(qiáng)酸和弱酸的酸密度降低，且使強(qiáng)酸中心的酸強(qiáng)度有所減弱。在碳四烯烴裂解反應(yīng)中，無論是從丙烯收率還是分子篩的穩(wěn)定性上看，高硅鋁比的ZSM-5分子篩更適合作為碳四烯烴裂解制丙烯的催化劑。

2）對(duì)積碳行為進(jìn)行研究的結(jié)果表明，積碳量隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加；初期積碳類型主要以脂肪族碳?xì)浠衔餅橹?，隨反應(yīng)的進(jìn)行，積碳類型向芳香族碳?xì)浠衔锛邦愂头e碳轉(zhuǎn)變。

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