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        SAPO-34分子篩催化氯甲烷制取低碳烯烴的性能

        2015-06-06 11:56:10孔令濤沈本賢
        石油化工 2015年5期
        關(guān)鍵詞:丙烯烯烴分子篩

        孔令濤,沈本賢,蔣 章,高 帥

        (華東理工大學(xué) 化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200237)

        SAPO-34分子篩催化氯甲烷制取低碳烯烴的性能

        孔令濤,沈本賢,蔣 章,高 帥

        (華東理工大學(xué) 化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200237)

        采用水熱合成法制備了SAPO-34分子篩,并采用XRD,SEM,NH3-TPD等方法對(duì)其物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了表征。利用不銹鋼固定床積分反應(yīng)器,考察了反應(yīng)溫度、重時(shí)空速、N2與氯甲烷的體積比對(duì)催化氯甲烷制取低碳烯烴反應(yīng)的影響。表征結(jié)果顯示,SAPO-34分子篩均為三維立方晶體,晶粒大小較均一,約為1~2 μm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,SAPO-34分子篩催化氯甲烷的反應(yīng)屬于非穩(wěn)態(tài)快速失活的反應(yīng)過程,當(dāng)重時(shí)空速從0.95 h-1增至3.78 h-1時(shí),氯甲烷轉(zhuǎn)化率明顯下降;升高反應(yīng)溫度,乙烯選擇性逐漸增加,丙烯選擇性略有降低;當(dāng)反應(yīng)溫度為500 ℃時(shí),隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),甲烷選擇性逐漸達(dá)到50%左右,成為主要產(chǎn)物。SAPO-34分子篩再生后,初始乙烯選擇性明顯增加,初始丙烯選擇性略有降低,最終乙烯和丙烯的選擇性分別保持在40%和35%左右。

        SAPO-34分子篩催化劑;氯甲烷;低碳烯烴

        乙烯和丙烯主要來源于石腦油蒸汽裂解工藝,隨著石油資源日益減少以及人們對(duì)以低碳烯烴為原料的大宗化學(xué)品需求的不斷增加,許多非石油生產(chǎn)低碳烯烴的工藝引起了國內(nèi)外科研工作者極大的關(guān)注[1]。以煤和天然氣為原料經(jīng)甲醇制取低碳烯烴的工藝發(fā)展迅速并已進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)階段[2]。此外,甲烷經(jīng)氯甲烷催化轉(zhuǎn)化制取低碳烯烴的工藝因過程簡(jiǎn)單、條件溫和及低碳烯烴選擇性較高,為乙烯和丙烯生產(chǎn)提供了一條新的非石油生產(chǎn)路線[3],同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)天然氣的化工利用。

        催化氯甲烷制取低碳烯烴的催化劑主要為分子篩,如HY,HMCM-22,SAPO-34,H-beta等[4-5]。SAPO-34分子篩因其較小的孔口尺寸(0.38 nm×0.38 nm),較大的CHA籠型空間(1.27 nm×0.94 nm)以及適宜的酸性質(zhì),不僅在甲醇制烯烴反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能,而且在催化氯甲烷的反應(yīng)中也表現(xiàn)出較高的低碳烯烴選擇性和催化活性[6]?;诼燃淄榕c甲醇在制取低碳烯烴過程中相似的原料分子結(jié)構(gòu)、產(chǎn)物分布和積碳成分等,普遍認(rèn)為氯甲烷制取低碳烯烴同樣遵循“碳池機(jī)理”[7-8]。但到目前為止,溫度和空速等基本工藝參數(shù)對(duì)SAPO-34分子篩催化氯甲烷反應(yīng)影響的報(bào)道還較少。

        本工作在水熱合成SAPO-34分子篩的基礎(chǔ)上,利用不銹鋼固定床積分反應(yīng)器考察了反應(yīng)溫度、重時(shí)空速、N2與氯甲烷的體積比(稀釋比)對(duì)催化氯甲烷制取低碳烯烴反應(yīng)的影響;對(duì)該反應(yīng)中SAPO-34分子篩的再生性能進(jìn)行了研究;并采用XRD,SEM,NH3-TPD等方法對(duì)其物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了表征。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 主要試劑

        擬薄水鋁石:質(zhì)量分?jǐn)?shù)68.77%,山東淄博金琪化工科技有限公司;硅溶膠:質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%,上海應(yīng)用物理研究所;磷酸:質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%,上海凌峰化學(xué)試劑有限公司;三乙胺(TEA):質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%,江西永華精細(xì)化學(xué)品有限公司;四乙基氫氧化銨(TEAOH):質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;氯甲烷:質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.99%,上海加杰特種氣體有限公司。

        1.2 分子篩的合成

        參照文獻(xiàn)[9]報(bào)道的方法,按原料配比n(Al2O3)∶n(P2O5)∶n(SiO2)∶n(TEA)∶n(TEAOH)∶n(H2O)=1.0∶1.0∶0.6∶2.0∶0.20∶60合成SAPO-34分子篩。按一定順序?qū)⑸鲜鑫镔|(zhì)混合形成晶化前驅(qū)液,移入200 mL內(nèi)襯聚四氟乙烯的晶化釜中,室溫陳化24 h,然后在200 ℃和自身壓力下晶化24 h,將得到的固液混合物離心分離并用去離子水洗滌至中性,然后在烘箱內(nèi)于110 ℃下干燥6 h,再將其置于馬弗爐中于550 ℃下焙燒6 h,得到SAPO-34分子篩。壓片,破碎成40~60目,待用。

        1.3 表征方法

        采用Rigaku公司D/max 2550VB/PC型X射線衍射儀分析試樣的晶型,管電壓40 kV,管電流100 mA,Cu Kα射線,掃描范圍2θ=3o~50o。采用FEI 公司Nova 600型掃描電子顯微鏡觀察試樣表面的微觀形貌,加速電壓5 kV,噴金處理。采用Micromeritics公司的ASAP2920型化學(xué)吸附儀進(jìn)行NH3-TPD測(cè)試,將0.1 g焙燒后的試樣在He氣氛下以10 ℃/min的速率升溫至550 ℃,預(yù)處理1 h,以脫除孔道中的水分和其他雜質(zhì);然后冷卻至100 ℃,通入NH3-He混合氣(NH3與He的體積比為1∶5)30 min;再經(jīng)He吹掃30 min,除去吸附過量的NH3;最后以10 ℃/min的速率從100 ℃升溫至800 ℃進(jìn)行程序升溫脫附,收集數(shù)據(jù)。

        1.4 實(shí)驗(yàn)裝置

        采用不銹鋼固定床反應(yīng)器(管徑φ 10 mm×1.5 mm,管長(zhǎng)500 mm)作為催化氯甲烷制取低碳烯烴反應(yīng)的評(píng)價(jià)裝置,簡(jiǎn)易流程見圖1。稱取0.72 g催化劑(40~60目)裝入反應(yīng)器中的恒溫段,在N2吹掃下,將恒溫段溫度保持在500 ℃,預(yù)處理1 h;然后在一定溫度下通入氯甲烷氣體,同時(shí)通入N2作為稀釋氣,兩股氣體在進(jìn)入反應(yīng)器前匯合,經(jīng)預(yù)熱段后,在恒溫段反應(yīng),再流出反應(yīng)器;產(chǎn)品中無液相產(chǎn)物,氣體產(chǎn)物經(jīng)堿洗除去氯化氫氣體,定時(shí)收集,利用上海海欣色譜儀器有限公司的GC-920型氣相色譜儀分析產(chǎn)物組成,色譜柱為PLOT/Al2O3毛細(xì)管柱(50 mm×0.53 mm×20 μm),F(xiàn)ID檢測(cè)。

        圖1 SAPO-34分子篩催化氯甲烷制取低碳烯烴的流程Fig.1 Schematic diagram for the preparation of light olefi ns from chloromethane over the SAPO-34 molecular sieve catalyst.1 CH3Cl tank;2 N2tank;3 Desiccator;4 Mass fl owmeter;5 Fixed-bed reactor;6 Liquid collector;7 NaOH solution

        2 結(jié)果與討論

        2.1 催化劑的表征結(jié)果

        使用前后SAPO-34分子篩的XRD譜圖見圖2。由圖2可見,在2θ=9.5o,15.9o,20.5o,23.0o,25.0o附近均出現(xiàn)了SAPO-34分子篩的特征衍射峰,與文獻(xiàn)[10]所示標(biāo)準(zhǔn)譜圖一致,表明所合成的試樣為SAPO-34分子篩。SAPO-34分子篩的SEM圖片見圖3。

        圖2 使用前后SAPO-34分子篩的XRD譜圖Fig.2 XRD spectra of the fresh and spent SAPO-34 molecular sieves.

        由圖3可見,SAPO-34分子篩均為三維立方晶體,晶粒大小較均一,約為1~2 μm。SAPO-34分子篩的NH3-TPD曲線見圖4。從圖4可看出,SAPO-34分子篩有兩個(gè)明顯的NH3脫附峰,100~200 ℃的脫附峰對(duì)應(yīng)弱酸酸性位,200~500 ℃的脫附峰對(duì)應(yīng)中強(qiáng)酸和強(qiáng)酸酸性位。在合成SAPO-34分子篩的過程中,通過取代的方式將硅元素引入到中性磷鋁分子篩的骨架上,形成酸性中心。硅元素含量及其分布影響SAPO-34分子篩的酸中心數(shù)目和酸強(qiáng)度。

        圖3 SAPO-34分子篩的SEM圖片F(xiàn)ig.3 SEM image of the SAPO-34 molecular sieve catalyst.

        圖4 SAPO-34分子篩的NH3-TPD曲線Fig.4 NH3-TPD profi le of the SAPO-34 molecular sieve catalyst.

        2.2 溫度對(duì)SAPO-34分子篩催化氯甲烷反應(yīng)的影響

        不同溫度下SAPO-34分子篩催化氯甲烷反應(yīng)的性能見圖5。

        圖5 不同溫度下SAPO-34分子篩催化氯甲烷反應(yīng)的性能Fig.5 Performances of the SAPO-34 molecular sieve catalyst in the preparation of light olefi ns from chloromethane at various temperature. Reaction conditions:WHSV=1.89 h-1,dilution ratio(V(N2)∶V(CH3Cl)) 5.Temperature/℃:350;400;450;500

        由圖5可見,反應(yīng)溫度為350 ℃時(shí),氯甲烷的初始轉(zhuǎn)化率最低,反應(yīng)60 min時(shí)轉(zhuǎn)化率迅速降至10%左右。隨反應(yīng)溫度的升高,氯甲烷初始轉(zhuǎn)化率不斷提高,在500 ℃時(shí)氯甲烷初始轉(zhuǎn)化率達(dá)到96%以上。當(dāng)反應(yīng)溫度在400 ℃以上時(shí),SAPO-34分子篩的失活速率明顯減慢,因此升高反應(yīng)溫度可顯著提高氯甲烷在SAPO-34分子篩上的轉(zhuǎn)化率。總之,SAPO-34分子篩催化氯甲烷制取低碳烯烴的反應(yīng)屬于非穩(wěn)態(tài)的催化過程,隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),生成的積碳迅速堵塞了分子篩孔道并覆蓋孔道內(nèi)的活性位,致使其催化活性明顯下降,這與文獻(xiàn)[11]報(bào)道的結(jié)果一致。

        SAPO-34分子篩催化氯甲烷反應(yīng)的產(chǎn)物包括甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烯、C4+烷烴及氯化氫等,并未出現(xiàn)液相產(chǎn)物,主要產(chǎn)物的選擇性隨溫度的變化趨勢(shì)見圖5。由圖5可見,當(dāng)反應(yīng)溫度低于500 ℃時(shí),甲烷選擇性為5%左右;當(dāng)反應(yīng)溫度升至500 ℃時(shí),甲烷選擇性隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而迅速增加,在180 min時(shí)達(dá)到50%以上。因此,較高的反應(yīng)溫度提高了氯甲烷的轉(zhuǎn)化率,加快了反應(yīng)速率,但極易導(dǎo)致甲烷生成。從圖5還可看出,乙烯選擇性隨反應(yīng)溫度的升高而逐漸增大;當(dāng)反應(yīng)溫度高于350 ℃時(shí),隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)乙烯選擇性提高,60 min后逐漸穩(wěn)定;然而當(dāng)反應(yīng)溫度升至500℃時(shí),乙烯選擇性在60 min后卻緩慢下降,這可能是由于較高的反應(yīng)溫度下乙烯易發(fā)生聚合等副反應(yīng),進(jìn)而使乙烯選擇性有所下降。因此,在一定范圍內(nèi)升高反應(yīng)溫度有利于乙烯選擇性的提高。

        從圖5還可看出,降低反應(yīng)溫度有利于丙烯的形成,這可能是由于降低溫度可降低丙烯發(fā)生氫轉(zhuǎn)移等副反應(yīng)的速率。Haw等[12]的研究結(jié)果表明,在甲醇制烯烴反應(yīng)中,生成的初始產(chǎn)物可進(jìn)一步發(fā)生烯烴甲基化反應(yīng)、聚合反應(yīng)和氫轉(zhuǎn)移等二次反應(yīng),而降低反應(yīng)溫度減緩了這些二次反應(yīng)的發(fā)生,使丙烯選擇性提高。在400 ℃時(shí),丙烯初始選擇性可達(dá)65%左右,隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),丙烯選擇性緩慢降低,在60 min后穩(wěn)定在45%左右。隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),生成的積碳堵塞了SAPO-34分子篩的孔道,致使丙烯擴(kuò)散受到限制,在傳遞過程中發(fā)生了副反應(yīng),故丙烯選擇性隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)緩慢降低[13]。由圖5可知,C4烯烴的選擇性并未隨溫度的改變顯示出規(guī)律性的變化趨勢(shì),除350 ℃外,450℃時(shí)的C4烯烴選擇性較高。一方面升高溫度有利于消耗C4烯烴,另一方面高溫有利于乙烯和丙烯等初始產(chǎn)物發(fā)生烯烴甲基化等反應(yīng)生成C4烯烴,因而C4烯烴的反應(yīng)規(guī)律隨溫度變化不明顯。

        2.3 重時(shí)空速對(duì)SAPO-34分子篩催化氯甲烷反應(yīng)的影響

        重時(shí)空速對(duì)氯甲烷轉(zhuǎn)化率的影響見表1。由表1可見,當(dāng)重時(shí)空速為0.95 h-1時(shí),氯甲烷的初始轉(zhuǎn)化率為95%左右,反應(yīng)180 min后,氯甲烷轉(zhuǎn)化率降至60%左右;當(dāng)重時(shí)空速增至3.78 h-1時(shí),氯甲烷的初始轉(zhuǎn)化率約為56%,反應(yīng)180 min后SAPO-34分子篩基本失去活性,因此增大氯甲烷的處理量使SAPO-34分子篩的失活速率明顯加快。目前普遍認(rèn)同SAPO-34分子篩催化氯甲烷制取乙烯和丙烯的反應(yīng)遵循“碳池機(jī)理”[6-8],即反應(yīng)中間產(chǎn)物多甲基苯與分子篩活性中心共同構(gòu)建了氯甲烷生成乙烯、丙烯等產(chǎn)物的反應(yīng)場(chǎng)所。但隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),多甲基苯極易生成萘和菲等大分子芳環(huán)有機(jī)物,填充在SAPO-34分子篩的CHA籠內(nèi),同時(shí)堵塞了連接CHA籠的八元環(huán)孔道,使分子篩失去活性。增加空速使催化劑活性位附近氯甲烷分子的濃度提高,加速了大分子芳環(huán)有機(jī)物的形成,因而催化劑失活加快。

        表1 重時(shí)空速對(duì)氯甲烷轉(zhuǎn)化率的影響Table 1 Effect of WHSV on the CH3Cl conversion

        2.4 稀釋比對(duì)SAPO-34分子篩催化氯甲烷反應(yīng)的影響

        在一定空速下,稀釋比越大,氯甲烷在催化劑床層的停留時(shí)間越短。稀釋比對(duì)氯甲烷轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物選擇性的影響見圖6。由圖6可見,在反應(yīng)初期,較低的稀釋比使氯甲烷轉(zhuǎn)化率有所提高,在反應(yīng)后期氯甲烷轉(zhuǎn)化率下降較為明顯。隨稀釋比的增大,在反應(yīng)初期乙烯選擇性明顯提高,這可能是由于隨稀釋比的增大,氯甲烷的停留時(shí)間縮短,乙烯發(fā)生副反應(yīng)的強(qiáng)度降低。與乙烯的變化趨勢(shì)相同,丙烯選擇性隨稀釋比的增大而增加,稀釋比為5.0時(shí),反應(yīng)5 min時(shí)的丙烯選擇性(約55%)明顯增大。

        圖6 稀釋比對(duì)氯甲烷轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物選擇性的影響Fig.6 Effects of dilution ratio on the conversion of CH3Cl and the selectivities to products. Reaction conditions:450 ℃,WHSV=1.89 h-1.Dilution ratio:1.5;3.0;5.0

        2.5 SAPO-34分子篩的再生性能

        SAPO-34分子篩催化氯甲烷制取低碳烯烴的反應(yīng)極易因積碳而使催化劑失活,因而SAPO-34分子篩的再生性能尤其重要[14-15]。SAPO-34分子篩催化氯甲烷反應(yīng)的再生性能見圖7。由圖7可見,隨再生次數(shù)的增加,氯甲烷初始轉(zhuǎn)化率從90%左右逐漸降至85%左右,這可能是由于再生過程中殘留在SAPO-34分子篩孔道內(nèi)未完全脫除的積碳堵塞了部分SAPO-34分子篩的孔道所致。當(dāng)再生次數(shù)大于3時(shí),隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),氯甲烷轉(zhuǎn)化率的降幅加快。如再生5次時(shí),氯甲烷初始轉(zhuǎn)化率為85%,反應(yīng)90 min時(shí)氯甲烷的轉(zhuǎn)化率降至65%左右。

        圖7 SAPO-34分子篩催化氯甲烷反應(yīng)的再生性能Fig.7 Regeneration of the SAPO-34 molecular sieve catalyst. Reaction conditions:425 ℃,WHSV=1.89 h-1,dilution ratio 1.5;regeneration conditions:550 ℃,atmosphere,100 mL/min,8 h.Regeneration times:0;1;2;3;4;5

        由圖7還可看出再生次數(shù)對(duì)乙烯和丙烯選擇性的影響。經(jīng)過再生的SAPO-34分子篩,在反應(yīng)初期均表現(xiàn)出較高的乙烯和丙烯選擇性。SAPO-34分子篩催化氯甲烷制取低碳烯烴的反應(yīng)與催化甲醇制烯烴的反應(yīng)均經(jīng)歷誘導(dǎo)期,在誘導(dǎo)期階段最初生成的乙烯和丙烯等分子發(fā)生聚合、氫轉(zhuǎn)移等反應(yīng)形成了“碳池”(即多甲基苯),碳池的活性成分與分子篩酸性位構(gòu)成了反應(yīng)中心[3,7]。因而,新鮮SAPO-34分子篩上乙烯選擇性隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增加;而再生后的SAPO-34分子篩,由于少量積碳成分未完全脫除,使反應(yīng)初期活性中心的數(shù)目增加,進(jìn)而在反應(yīng)初期表現(xiàn)出較高的乙烯選擇性;同時(shí)再生后SAPO-34分子篩上未完全脫除的積碳也降低了氯甲烷初始轉(zhuǎn)化率。此外,反應(yīng)初期活性中心數(shù)目的增加使丙烯更易發(fā)生烯烴甲基化等反應(yīng),因而再生后的SAPO-34分子篩上丙烯初始選擇性有所降低。隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),再生后的SAPO-34分子篩上的乙烯選擇性與新鮮SAPO-34分子篩上的乙烯選擇性基本一致,均保持在40%左右;與新鮮SAPO-34分子篩相反,再生后的SAPO-34分子篩上丙烯選擇性隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增加,并最終保持在35%左右。經(jīng)5次再生后,使用前后SAPO-34分子篩的XRD譜圖見圖2。由圖2可見,與新鮮SAPO-34分子篩相比,使用后的SAPO-34分子篩具有全部的CHA特征衍射峰,然而其結(jié)晶度有所下降,這可能是由于多次高溫焙燒對(duì)SAPO-34分子篩的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了少許破壞。

        3 結(jié)論

        1)隨反應(yīng)溫度的升高,乙烯選擇性逐漸提高,丙烯選擇性不斷降低;當(dāng)反應(yīng)溫度為500 ℃時(shí),隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),甲烷的選擇性達(dá)50%左右,成為主要產(chǎn)物。

        2)SAPO-34分子篩催化氯甲烷的反應(yīng)屬于快速失活的過程,隨重時(shí)空速從0.95 h-1增至3.78 h-1,氯甲烷轉(zhuǎn)化率明顯下降。

        3)隨SAPO-34分子篩再生次數(shù)的增加,氯甲烷初始轉(zhuǎn)化率略下降;當(dāng)再生次數(shù)大于3時(shí),隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),SAPO-34分子篩失活速度加快;SAPO-34分子篩再生后,初始乙烯選擇性明顯增加,初始丙烯選擇性略降低,最終乙烯和丙烯的選擇性分別保持在40%和35%左右。

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        (編輯 王 萍)

        Preparation of Light Olefins from Chloromethane over SAPO-34 Molecular Sieve Catalyst

        Kong Lingtao,Shen Benxian,Jiang Zhang,Gao Shuai
        (State Key Laboratory of Chemical Engineering,East China University of Science & Technology,Shanghai 200237,China)

        SAPO-34 molecular sieves were synthesized hydrothermally and were characterized by means of XRD,SEM and NH3-TPD. The SAPO-34 molecular sieve catalyst was used in the preparation of light olefins from chloromethane in a fixed-bed reactor. The results showed that the reaction process was rapidly deactivated. The conversions of chloromethane evidently declined with the increase of WHSV from 0.95 h-1to 3.78 h-1. When the reaction temperature rose,the selectivity to ethylene gradually increased while the selectivity to propylene lowered. The selectivity to methane as a main product graduelly reached 50% when the reaction temperature was at 500 ℃. Over the regenerated SAPO-34 catalyst,the initial selectivity to ethylene clearly increased while the initial selectivity to propylene slightly decreased,and the selectivities to ethylene and propylene were fi nally kept at about 40% and 35%,respectively.

        SAPO-34 molecular sieve catalyst;chloromethane;light olefi ns

        1000 - 8144(2015)05 - 0559 - 06

        TQ 426.94

        A

        2014 - 10 - 30;[修改稿日期] 2015 - 01 - 29。

        孔令濤(1987—),男,新疆維吾爾族自治區(qū)奎屯市人,博士生,電話 021 - 64253346,電郵 lingtao_kong@hotmail.com。

        聯(lián)系人:沈本賢,電話 021 - 64252851,電郵 sbx@ecust.edu.cn。

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