单环环烷烃分子水平催化裂化反应动力学模型的建立

在深入研究环烷烃催化裂化反应机理的基础上,采用反应族的概念制定了11大类、37条针对单环环烷烃催化裂化反应的规则,并结合计算化学建立了基于反应路径层面的单环环烷烃分子水平催化裂化反应动力学模型。以辛基环己烷为模型化合物,验证了建立的动力学模型,任选4组实验数据回归得到了16类催化裂化反应动力学参数值。结果表明,该模型能预测环烷烃催化裂化的主要反应产物分布,预测值与实验值吻合良好;得到了4种反应类型在不同空速下对转化率的贡献值。另外,回归得到的动力学参数值可以用于其他单环环烷烃催化裂化反应体系,为进一步建立其他环烷烃催化裂化反应动力学模型提供数据支持。     

甲基环己烷催化裂化的研究进展

详述了近年来国内外在甲基环己烷(MCH)催化裂化转化途径和机理研究中取得的成果。从单环环烷烃的催化裂化反应机理出发,分析了不同催化剂和工艺条件下的MCH转化反应特点。在催化裂化条件下,MCH主要发生开环、β-裂化、氢转移、异构化、烷基转移和脱烷基等六大类反应。着重讨论了MCH在不同催化体系下的反应性能、反应机理及动力学模型的建立;在此基础上,进一步总结了典型的MCH催化裂化反应网络。展望了环烷烃催化裂化催化剂研制和工艺优化的发展方向。     

环烷烃催化裂解生成乙烯和丙烯反应探析

采用小型固定流化床装置研究了不同环烷烃催化裂解生成乙烯和丙烯的反应规律。结果表明,环烷烃的催化裂解反应中,无取代基的双环环烷烃比单环环烷烃更有利于生成乙烯和丙烯,但两者容易发生脱氢缩合反应;给电子诱导效应相对最强的正丙基环己烷比甲基环己烷和乙基环己烷更易生成正碳离子,利于生成乙烯和丙烯;对于含有2个取代基的环烷烃,取代基之间的距离越近,环烷烃环上的电子分布越不均匀,越容易生成正碳离子;具有较大环张力和较小动力学直径的甲基环戊烷比甲基环己烷更易催化裂解生成乙烯和丙烯。根据甲基环戊烷催化裂解的产物分析和分子模拟计算结果,推测H⁺优先进攻甲基环戊烷取代基的碳原子,进而发生电荷转移,形成C₍₁₎五配位正碳离子。     

单环环烷烃催化裂化动力学模型的建立-指前因子的计算

烃类催化裂化反应包含了成百上千的化学反应。分子水平动力学模型的理论基础是经典正碳离子机理,获取每一个化学反应的动力学参数是动力学模型建立的要点之一。以甲基环己烷为模型化合物,从详细的反应机理出发,利用过渡态理论和统计热力学相关知识,建立了一个相对简单、快捷获取指前因子的方法,为后期的分子水平催化裂化动力学模型建立提供数据支持。     

烃类在HZSM－5和ZnHZSM－5上芳构化反应和动力学考察

研究了链烷烃、烯烃及环烷烃在ＨＺＳＭ－５和ＺｎＨＺＳＭ－５佛石催化剂上的转化反应特征，考察了ＺｎＨＺＳＭ－５沸石的改性Ｚｎ含量与ＺｎＯ对转化反应和产物分布的影响。结果表明，在低温条件下（＜４５０℃），链烷烃在ＺｎＨＺＳＭ－５沸石的直接脱氢芳构化活性中心上不易发生裂解，反应进行的第一步─表面正碳离子形成，其活性随Ｚｎ含量增加而降低。环烷烃在ＺｎＨＺＳＭ－５上转化动力学为非一级。在高温下，转化反应与芳构化活性则随Ｚｎ含量增加而提高，由于烯烃较活泼，在反应条件下首先产生部分热裂解，在ＺｎＨＺＳＭ－５上的芳构化反应为动力学一级。环己烷和甲基环己烷在ＺｎＨＺＳＭ－５上转化活性均低于ＨＺＳＭ－５上的转化活性，但它们在ＺｎＨＺＳＭ－５上直接脱氢芳构化生成相应本和甲苯。实验表明，环己烷和甲基环己烷在ＺｎＯ上于３５０～５５０℃范围内存在直接脱氢生成苯和甲苯的催化活性。作者利用脉冲反应技术测定不同反应物在ＺｎＨＺＳＭ－５沸石上转化和芳构化反应活化能，并探讨了烃类在ＺｎＨＺＳＭ－５上转化可能的反应历程。     

FCC反应机理与分子水平动力学模型研究Ⅱ.轻馏分油反应动力学参数的测定

以三种不同的轻馏分油为原料，其中二种为催化蜡油生成的轻馏分油，采用三种不同性质的平衡催化剂，在小型催化裂化固定流化床装置上考察馏分油的催化转化反应规律。从催化裂化反应机理出发，把原料及其产物按馏程和化学组成分为链烷烃、环烷烃、烯烃和芳烃等虚拟组分，通过参数估计求取18个反应动力学常数，建立集总动力学模型。结果表明：反应动力学常数反映了催化裂化反应的特征，该模型能较好地拟合试验数据，不仅能预测不同原料的产品分布，而且可以预测汽油和液化气组成，为进一步研究以重质油为原料降低汽油烯烃含量和多产轻烯烃的催化裂化反应作了准备。     

催化裂化反应动力学模型的研究——轻烷烃催化裂化反应网络及动力学常数的确定

为了研究和建立催化裂化反应动力学模型,本文以集总体系的动力学模型为基础,对轻烷烃在兰州炼油厂高铝微球分子筛催化剂上的催化裂化反应进行了研究,建立了轻烷烃催化裂化反应网络,并用参数估计的方法确定了反应速率常数和催化剂时变失活常数。最后对模型计算值与实验值作了比较,两者有很好的一致性。     

Zn-Pt-Re/ZSM-5催化剂上烷烃芳构化反应规律的研究;

以正己烷、正庚烷、正辛烷、甲基环戊烷及环己烷为模型化合物,在固定床连续微型反应器上研究不同碳数和结构的烷烃在催化剂Zn-Pt-Re/ZSM-5上的芳构化反应规律,并与传统重整催化剂的芳构化性能进行比较。结果表明：在反应温度小于450 ℃时不同烷烃生成芳烃从难到易的顺序为正己烷＞环己烷＞甲基环戊烷＞正庚烷≈正辛烷;在反应温度大于450 ℃时芳烃收率均在90％以上。烷烃在传统重整催化剂CB-8上直接脱氢环化生成环烷烃,然后再脱氢生成芳烃。烷烃在Zn-Pt-Re/ZSM-5催化剂上的反应按两种机理进行：小部分烷烃直接脱氢环化生成环烷烃,然后再脱氢生成芳烃;大部分烷烃先裂解为低碳烯烃,再发生聚合、环化、脱氢等反应生成芳烃。     

促进环烷烃开环裂化增产高辛烷值汽油的催化剂工业应用

中国石化石油化工科学研究院开发了促进环烷烃开环裂化增产高辛烷值汽油的催化剂ROC-1,在中国石化齐鲁分公司2号催化裂化装置进行了工业应用,结果表明：在原料性质和操作工况基本一致,催化剂单耗相当的情况下,汽油收率增加0.43百分点,汽油研究法辛烷值提高0.6个单位,液体产品收率增加1.27百分点,焦炭产率降低0.68百分点,产品分布显著改善,实现了增产高辛烷值汽油的同时改善焦炭选择性的目标;多环环烷烃和环烷芳烃开环裂化反应的表观选择性增加了18.37%。ROC-1催化剂具有更强的促进多环环烷烃和环烷芳烃转化的能力,适用于加工富含环烷烃和环烷芳烃的催化裂化原料。     

催化裂化集总动力学模型的研究 Ⅰ.物理模型的确立

本文考察了催化裂化原料中烷烃、环烷烃和芳烃的裂化性能。用较丰富的实验数据验证了Weekman 十集总动力学模型的基本假设。针对我国催化裂化大回炼比的特点,提出将重芳烃环集总,分成单、双环芳烃集总(C_(Ah))和多环芳烃集总(PC_(Ah))。从而确立了十一集总催化裂化动力学模型。     

重油催化裂化十二集总动力学模型研究

根据催化裂化反应机理和产物分布特点，建立了包含54条虚拟反应路径的重油催化裂化12集总反应网络。以Davison Circulating Riser（DCR）试验装置数据为基础，基于Python平台，将模型数学方程转化为程序语言，采用四阶Runge-Kutta 法求解模型微分方程、BFGS法优化目标函数，求取了模型的动力学参数。采用小型实验数据验证模型动力学参数，结果表明主要产品产率的计算值与实验值之间的相对误差均小于5%。说明所建模型的动力学参数是可靠的，能较好地反映重油催化裂化的反应规律，可用于对实际生产过程进行模拟优化。     

渣油催化裂化生焦反应集总动力学模型的研究

在柴油馏分和重馏分油催化裂化生焦反应集总动力学模型研究的基础，通过生焦反应试验和动力学参数估计，建立渣油催化裂化生焦反应十集总动力学模型。结果表明，反应系统气相和液相均符合催化生焦机理的动力学模型，具有较好的拟合试验数据能力和良好的外推性，并符合催化裂化生焦反应规律。     

A Kinetic Model for Flexible Dual-riser Fluid Catalytic Cracking Process

According to the mechanism of catalytic cracking reactions, the characteristics of flexible dual-riser fluid catalytic cracking (FDFCC) process, a 10-lumped kinetic model for heavy oil riser reactor and a seven-lumped kinetic model for gasoline riser reactor were developed in the article to simulate the FDFCC process. Based on the data from a commercial FDFCC unit, 43 kinetic parameters for the ten-lumped kinetic model and 18 kinetic parameters for the seven-lumped kinetic model were calculated by the stepwise method. The validity check of the model show that the calculated values of the models are close to the commercial data. In general, the two models could not only describe reaction rules of the FDFCC process correctly but also give good prediction for the distribution and composition of main products, especially for gasoline and propylene.     

A new lumping kinetic model for fluid catalytic cracking

Abstract

In the modeling of fluid catalytic cracking reaction, it is necessary to take slurry as an independent lump due to the great difference between feedstock properties and slurry properties. Based on the commercial data and the reaction mechanism of catalytic cracking, the 8 lumped kinetic model including slurry lump and 7 lumped kinetic model excluding slurry lump were developed combined with the characteristics of the MIP (maximizing isoparaffins) reaction. By means of Fourth-order Runge-Kutta integral method and two-swarm cooperative particle swarms optimization method, the kinetic model parameters were estimated, respectively. The average relative error between commercial data and calculated values, as well as the results of product predictions, indicate that the eight-lumped kinetic model has higher prediction accuracy, and the predicted results of slurry yield are more in line with the actual industrial conditions.     

Study on Lumped Kinetic Model for FDFCC I. Establishment of Model

According to the process features and the reaction mechanism of FDFCC technology, its two reaction subsystems, one for heavy oil riser reactor, the other for gasoline riser reactor, were respectively studied. Correspondingly, a 12-lump kinetic model for heavy oil FCC and a 9-lump kinetic model for gasoline catalytic upgrading were presented. Based on this work, mathematical correlation of the lumps in the feeds and products involved in the reaction subsystems and those of the overall reaction system were analyzed in detail. Then, a combined kinetic model for FDFCC, which was based on the data recovered from a commercial unit, was put forward. The reaction performance embodied by the kinetic constants for the combined model of FDFCC was in accordance with catalytic cracking reaction mechanism. The model-calculated values were close to the data obtained in commercial scale. The model was easy to be applied in practice and could also provide some theoretical groundwork for further research on kinetic model for FDFCC.