C4烯烃选择性转化制丙烯催化剂及反应机理研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:woshi19891
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丙烯是石化工业重要的基本有机原料之一,用途广泛,需求量与日俱增。传统的丙烯生产路线主要为石油馏分蒸汽裂解和流化催化裂解汽油副产,但随着市场对丙烯需求的持续增长,传统工艺远不能满足市场需求。近年来,为增产丙烯开发了烯烃催化裂解、烯烃歧化等工艺,对于缓解烯烃资源短缺具有重要意义。探究分子筛催化剂的孔道结构、酸性以及对歧化活性中心鉴别有助于提高丙烯产率。为此,本论文详细考察了不同分子筛孔道结构对烯烃裂解催化性能的影响,同时阐明了催化剂酸性影响催化性能的本质原因;考察了负载型钨基催化剂负载量、焙烧温度、载体对1-丁烯自歧化催化性能的影响,并对歧化活性中心及反应机理进行了深入研究。论文的主要内容和结果包括:  1.采用水热法制备一系列不同孔道结构的分子筛,考察了它们在丁烯裂解制丙烯中的催化性能。结果表明,不同孔道结构分子筛催化性能差异较大。小孔径分子筛有利于乙烯生成;而大孔径分子筛(如Beta)稳定性差,反应8小时后丁烯转化率低于10%;具有三维孔道结构的ZSM-5活性最高,丁烯转化率可达80%;一维中孔ZSM-48分子筛丙烯选择性最高,约为55%。孔道结构对积炭生成速率和积炭分布具有较大影响:孔径越大积炭越容易生成,并主要分布在孔道内表面;对于小孔径分子筛尽管积炭量较少,但积炭容易堵塞孔口或覆盖外表面而导致催化剂失活。升高温度催化剂裂解能力增强,产物中乙烯选择性升高,丙烯选择性下降;同时氢转移反应受到抑制,低碳烷烃选择性降低。  2.采用水热法合成了硅铝比从150到400的ZSM-48分子筛,并对硅铝比为150的ZSM-48进行水蒸汽和碱处理。结果表明,随硅铝比增大,ZSM-48比表面积和酸量逐渐减小,丁烯转化率降低;丙烯选择性先升高后降低。碱浓度对ZSM-48分子筛形貌及总酸量影响不大;但碱浓度会对催化活性产生显著影响:碱浓度为0.15 mol/L时催化剂表现出最高稳定性及丙烯选择性,反应125 h时丁烯转化率仍为68%,丙烯选择性为58%。水蒸汽处理导致ZSM-48表面积与酸量明显下降,催化性能降低;水蒸汽处理5h时丁烯转化率下降至59%。丁烯裂解反应路径与分子筛酸量紧密相关,酸量较大时,乙烯选择性较高,降低酸量有助于提高丙烯选择性,分子筛总酸量约为0.13 mmol/g时丙烯选择性最高。  3.以硅钨酸为钨源,采用浸渍法制备了一系列负载型钨基烯烃歧化催化剂,详细考察了负载量、焙烧温度以及载体类型对1-丁烯自歧化活性影响。结果表明,硅钨酸负载量过低(硅钨酸质量分数小于10%),活性位较少,催化活性低,1-丁烯转化率仅为20%,负载量过高焙烧分解产生较大WO3颗粒不利于活性位生成,同样降低了1-丁烯转化率,测试结果证实最佳硅钨酸负载量为20 wt.%。焙烧温度对催化剂活性有显著影响,700℃焙烧后催化剂的Br(o..)nsted酸量适宜,表现出最佳1-丁烯自歧化活性,具有最高的丙烯选择性和催化稳定性。硅钨酸扩散性能依赖于载体类型,对负载型催化剂WO3-SBA-15-700,WO3-silicaitel-700以及WO3-SiO2-700载体结构、催化剂酸性以及活性中心分布等因素进行考察,结果表明,介孔分子筛SBA-15为负载WO3歧化催化剂的最佳载体,三者催化活性变化趋势为WO3-SBA-15-700>WO3-SiO2-700>WO3-silicaitel-700。与机械混合、空气中700℃焙烧催化剂WO3/SBA-15-700相比较,催化剂WO3-SBA-15-700中心金属氧化物分散度更高、更容易被还原、具有更高Br(o..)nsted及Lewis酸位和Si-O-W物种,因而表现出更高催化活性和稳定性。350℃反应时,1-丁烯转化率与丙烯选择性分别为59.6%和59.7%。1-丁烯自歧化经过两个步骤生成丙烯:1-丁烯首先在Br(o..)nsted和Lewis酸位上异构为2-丁烯,1-丁烯与2-丁烯通过卡宾钨物种(W=CHCH3、W=CH2和W=CHCH2CH3)在催化剂歧化活性位上生成丙烯。Br(o..)nsted酸位Si-O-W6+-OH对卡宾形成起决定性作用的形成W-carbene物种,反应主要通过类维帝希机理(pseudo-Wittig mechanism)进行。
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