甲醇制芳烃催化剂失活特性研究进展

在系统分析甲醇制芳烃催化反应特性基础上,重点对影响催化剂长周期使用性能的失活原因及应对方案进行综述。催化剂失活是多因素共同影响的结果,主要包括可再生的积炭失活、可部分再生的分子筛骨架铝流失失活、及不可再生的活性金属迁移/聚并失活和杂质毒化失活。积炭导致的催化剂失活可通过调变ZSM-5的B酸强度、合成小晶粒ZSM-5分子筛及采用碱液预处理ZSM-5分子筛等方式减缓; ZSM-5分子筛骨架铝流失导致的催化剂失活可通过采用磷改性等方式降低;活性金属迁移导致的催化剂失活可通过引进稳定助剂、降低催化剂生产过程中铝的引入等方式解决;而杂质毒化导致的催化剂失活需要通过净化原料和反应体系的措施来避免。     

负载型ZSM-5分子筛催化剂再生方法研究

吡啶合成中所用的催化剂为负载铅ZSM-5分子筛（Pb-ZSM-5）,活性很好,但反应过程中催化剂很易发生积炭失活。通过对O₂烧炭再生、水蒸汽再生和甲醇再生处理的催化剂进行评价以及进行BET、XRD和TPD 表征,结果表明,甲醇再生方法效果明显,提高了催化剂的寿命。催化剂再生过程要抑制“飞温”现象发生。     

金属改性ZSM-5分子筛催化剂应用于甲醇制烯烃

甲醇制烯烃是重要的生产低碳烯烃技术,ZSM-5是MTO/MTP中常用的分子筛催化剂之一,目前众多研究者通过金属改性ZSM-5分子筛催化剂以达到提高其催化性能的目的。本文综述了近年来甲醇制烯烃技术中ZSM-5分子筛催化剂的研究应用,对ZSM-5分子筛催化剂基础性研究进行分析,从ZSM-5分子筛催化剂酸性、晶粒粒径和硅铝比之间的相互影响及对催化剂活性的影响进行了分析,总结了甲醇制低碳烯烃反应机理和催化剂积炭与失活及再生的情况。在以上基础上重点探讨了ZSM-5分子筛的金属改性,包括碱土金属、过渡金属、稀土金属、贵金属以及多组分金属改性对催化剂活性、稳定性的影响。最后,对ZSM-5分子筛催化剂用于甲醇制烯烃的发展方向做出了展望,提出以催化剂及催化剂改性的作用机理为出发点,研制出高选择性、高活性及高稳定性的分子筛催化剂仍是甲醇制烯烃技术工业应用的突破点。     

乙炔氢氯化无汞催化剂及其再生性能

以ZSM-5分子筛为载体,Bi和Cu的金属复合盐为活性组分,酸处理浸渍液,采用等体积浸渍法经高温焙烧制备了乙炔氢氯化反应的无汞催化剂(Bi+Cu)/ZSM-5。该催化剂表现出与工业HgCl2/AC相当的初始活性和氯乙烯的选择性,且该催化剂可以高温烧炭再生。通过对催化剂进行BET、TEM、EDS和TG的分析,结果表明,积炭堵塞催化剂孔道,覆盖催化剂的活性点位,反应和再生过程中,活性组分的流失、骨架结构的坍塌是该催化剂失活的主要原因,HCl气体在催化剂活性位的强吸附是导致催化剂中毒而失活的另一原因。     

不同结构分子筛的甲醇制丙烯催化性能

在常压、空速为1.5 h^-1、反应温度为450℃条件下,考察了4种具有不同拓扑结构的分子筛(SAPO-34、ZSM-48、ZSM-5和beta)在甲醇转化制丙烯(MTP)反应中的催化性能,并对催化剂的积炭失活行为进行了研究。结果表明,从8元环到12元环,分子筛孔口尺寸越小,低碳烯烃(乙烯+丙烯)选择性越高,积炭失活速率也越快。孔道尺寸越大,丙烯/乙烯(P/E)比越高,但产物分布向C₄以上组分偏移,丙烯选择性降低。10元环分子筛具有较高的丙烯选择性,但催化剂的积炭失活速率随孔道体系的不同有很大差异。一维直通孔道的ZSM-48容易积炭失活,而具有三维交叉孔结构的ZSM-5表现出了优异的抗积炭失活性能。不同结构分子筛在MTP反应中催化性能的差异主要归因于分子筛的过渡态择形和产物择形作用的不同。     

NTP再生La改性多级孔HZSM-5及催化提质生物油的试验研究

以氧气为气源，利用低温等离子体（NTP）喷射系统，在不同温度下对结焦失活的La改性多级孔HZSM-5分子筛进行再生，采用TG、XRD、Py-IR及N₂吸附-脱附等测试技术对再生前后催化剂的理化性质进行表征，并利用再生催化剂进行在线催化提质生物油试验。结果表明，再生温度为250℃时，失活La改性多级孔HZSM-5分子筛再生效果最好，去除了97.4%的积炭，其表面结晶度、酸性、比表面积和孔容恢复程度最高。再生温度上升至300℃时，O₃分解较多，此时O₃分解已经成为积炭氧化分解的限制因素，排气中CO₂和CO浓度峰值减小，失活催化剂再生效果有所下降。再生温度为250℃时，再生催化剂催化性能恢复最好，制得的生物油高位热值最大（36.48 MJ/kg），烃类含量最高（40.51%），其理化性质与新鲜催化剂制得的生物油理化性质最接近。     

甲苯和甲醇制二甲苯催化剂的失活与再生

针对甲苯甲醇甲基化反应催化剂失活快的问题,对ZSM-5分子筛催化的甲基化反应的反应行为进行了分析,并结合X射线衍射(XRD)、N2吸附–脱附、傅里叶红外光谱(FT-IR)和吡啶吸附红外光谱(Py-IR)等方法对失活催化剂以及积炭物种进行了表征。结果表明,固定床甲基化反应中催化剂经历平稳期和快速失活期,二甲苯的选择性随着反应的进行持续上升,甲苯歧化反应持续受到抑制。积炭物种主要由羰基以及羟基化合物、烷基芳烃和复杂的稠环芳环等物质组成。积炭物种会堵塞分子筛孔道以及覆盖表面酸性位,孔道阻塞是造成催化剂快速失活的原因。在此基础上提出了一种操作简单的梯度氧化烧焦再生方式,能使催化剂的结构性质以及催化性能得到有效地恢复。     

甲醇制芳烃催化剂研究进展

系统回顾了甲醇制芳烃(MTA)的反应原理、MTA催化剂的活性组分(沸石与脱氢组分)、修饰组分、制备方法以及MTA催化剂反应-失活研究等方面的研究进展。甲醇可通过氢转移与脱氢环化两种途径转化为芳烃,后一途径可获得更高的芳烃选择性。负载具有脱氢功能的Zn组分、低硅铝比的ZSM-5基催化剂为性能优异的MTA催化剂。La、P及Si等组分的修饰可改善MTA催化剂的水热稳定性、提高其芳烃选择性或对二甲苯(PX)选择性。积炭、脱氢组分聚集、还原及分子筛骨架脱Al(或Ga)是导致MTA催化剂失活的重要因素。最后指出,改善催化剂水热稳定性、提高芳烃收率与高附加值芳烃产品的选择性及实现制备过程的绿色化是未来MTA催化剂开发的重要方向。     

喷动-载流床中Co/ZSM-5分子筛催化剂对煤热解的催化作用

在喷动-载流床中考察了Co/ZSM-5分子筛催化剂对煤热解气、液、固产物产率及组成变化的影响,分析了催化剂失活的原因及催化剂的再生使用寿命. 结果表明,在550~600℃的热解温度范围内,Co/ZSM-5分子筛催化剂提高煤热解总转化率达70%以上. 而在650℃时,煤热解正己烷可溶物产率最大,其中酚类、脂肪烃类和芳香烃类的产率比无催化剂时分别增加203%, 51%和78%. 因积碳失活的Co/ZSM-5分子筛催化剂经过500℃焙烧后再生使用6次,活性下降不到5%. Co/ZSM-5分子筛催化剂的结构表征结果说明,Co进入了ZSM-5分子筛骨架. Co的催化加氢活性促进了H·与煤热解焦油片断的结合,减少了焦油聚合成大分子的几率,从而提高了煤热解油品的产率和品质.     

HZSM-5催化剂在MTG反应中的积炭失活

在固定床不锈钢反应器中进行了HZSM-5分子筛催化甲醇制汽油(MTG)反应的催化性能和失活实验。采用热重、X射线衍射、FT-IR、低温氮吸附-脱附、色谱-质谱联用仪等方法对催化剂进行了表征。结果表明,在反应进行到336 h时,甲醇转化率为40%,汽油收率低至12.6%,催化剂严重失活,但在700℃有氧再生后活性恢复,且保持了完整的MFI结构。积炭是催化剂失活的主要原因,大部分积炭沉积在分子筛微孔中,积炭物种主要是带有双键的聚合态化合物和稠环芳烃。     

甲苯甲醇烷基化制对二甲苯催化剂中试反应性能研究

经过多步改性制备了负载二氧化硅（SiO₂）、氧化镁（MgO）、五氧化二磷（P₂O₅）、贵金属铂（Pt）的纳米ZSM-5分子筛催化剂,并在六段固定床反应器上分段装填该催化剂720 g进行甲苯、甲醇烷基化制对二甲苯反应活性评价。实验结果表明,通过调变甲醇和甲苯物质的量比可以使甲苯转化率在22%~30%可调,烷基化液相产物中二甲苯选择性保持在95%以上,二甲苯中对二甲苯选择性保持在95%以上;催化剂单程寿命达到1 300 h,随着反应时间延长催化剂的活性有所下降。通过X射线衍射（XRD）、热重分析（TG-DTG）和氮气吸附-脱附等手段对参加反应前后的催化剂进行了表征,结果表明反应中生成的积炭堵塞了分子筛的孔道或覆盖了催化剂的活性位;经过在反应器内原位再生,催化剂的反应活性基本恢复到新鲜催化剂水平。     

NTP再生La改性多级孔HZSM-5及催化提质生物油的试验研究

以氧气为气源,利用低温等离子体(NTP)喷射系统,在不同温度下对结焦失活的La改性多级孔HZSM-5分子筛进行再生,采用TG、XRD、Py-IR及N_2吸附-脱附等测试技术对再生前后催化剂的理化性质进行表征,并利用再生催化剂进行在线催化提质生物油试验。结果表明,再生温度为250℃时,失活La改性多级孔HZSM-5分子筛再生效果最好,去除了97.4%的积炭,其表面结晶度、酸性、比表面积和孔容恢复程度最高。再生温度上升至300℃时,O_3分解较多,此时O_3分解已经成为积炭氧化分解的限制因素,排气中CO_2和CO浓度峰值减小,失活催化剂再生效果有所下降。再生温度为250℃时,再生催化剂催化性能恢复最好,制得的生物油高位热值最大(36.48 MJ/kg),烃类含量最高(40.51%),其理化性质与新鲜催化剂制得的生物油理化性质最接近。     

二甲醚羰基化催化剂的烧炭再生

以水热合成的H-MOR分子筛催化剂,通过对二甲醚羰基化反应失活后催化剂进行再生,考察了不同再生气体、再生温度、O₂体积分数、烧炭升温速率等条件,烧炭后催化剂上二甲醚羰基化活性性能。TPO表征结果表明：反应后H-MOR分子筛上有两种不同性质的积炭。积炭催化剂在3%（体积） O₂/N₂气氛中,从室温以2℃·min^-1升温至320℃恒温一段时间,然后以相同速率升温至550℃进行烧炭,再生催化剂活性几乎完全恢复。NH₃-TPD和BET表征结果表明,再生催化剂活性得以恢复是因为优化了烧炭方案,分子筛表面积炭能够被烧除干净同时分子筛孔道不被破坏。     

Pd/AC催化剂在烯酮加氢反应中的失活及再生

浸渍法制备Pd/AC催化剂，在二氢法尼基丙酮加氢反应过程中有失活现象，通过再生处理恢复催化活性。利用XRD、N₂吸附-脱附、ICP-AES、TEM、TG-MS等技术分析催化剂物化性质，探究失活机理。结果表明，反应过程中催化剂Pd金属粒径增加，且有明显积炭形成，金属团聚对催化剂活性影响不大，催化剂失活主要为积炭失活，为可逆失活。     

异丙苯合成分子筛催化剂的水蒸汽再生

研究了中试失活的M-92异丙苯合成催化剂上积炭的性能及在不同温度下的H₂O-O₂-N₂烧炭再生。对再生后催化剂的活性、酸性、比表面积和结晶度等性能进行了考察和测定。结果表明,催化剂上的积炭有两种形态,低温炭和高温炭。再生温度及再生时间对催化剂再生性能有重要影响,水蒸汽再生温度可控制在450 ℃以下。在适宜再生条件下,催化剂活性能够恢复,且稳定性比新鲜催化剂的更好。     

二甲醚羰基化催化剂的烧炭再生

以水热合成的H-MOR分子筛催化剂,通过对二甲醚羰基化反应失活后催化剂进行再生,考察了不同再生气体、再生温度、O_2体积分数、烧炭升温速率等条件,烧炭后催化剂上二甲醚羰基化活性性能。TPO表征结果表明:反应后H-MOR分子筛上有两种不同性质的积炭。积炭催化剂在3%(体积)O_2/N_2气氛中,从室温以2℃·min~(-1)升温至320℃恒温一段时间,然后以相同速率升温至550℃进行烧炭,再生催化剂活性几乎完全恢复。NH_3-TPD和BET表征结果表明,再生催化剂活性得以恢复是因为优化了烧炭方案,分子筛表面积炭能够被烧除干净同时分子筛孔道不被破坏。     

ZSM-35分子筛催化剂用于正丁烯骨架异构的反应性能及失活再生研究

采用高硅铝比ZSM-35分子筛催化剂,在固定床连续反应器中进行了正丁烯骨架异构化稳定性试验,并采用氧气烧炭再生,利用TPO、BET、NH3-TPD、Py-IR等技术,对新鲜催化剂、不同反应时间后及再生的催化剂进行表征,研究了积炭对催化剂活性的影响。结果表明：正丁烯转化率为45%时,异丁烯选择性为95%,经过390 h的运行,异丁烯的收率仍能达到32%,该催化剂具有良好的稳定性及选择性,且再生性能良好。催化剂上积炭主要在反应初期形成,沉积在微孔内,且优先发生在强酸中心上,主要为难以烧除的类石墨炭。     

ZSM-35分子筛催化正丁烯骨架异构的反应性能及失活再生

采用高硅铝比ZSM-35分子筛催化剂,在固定床连续反应器中进行了正丁烯骨架异构化稳定性实验,并采用氧气烧炭再生,利用TPO、BET、NH3-TPD、Py-IR对新鲜催化剂、不同反应时间后及再生的催化剂进行表征,研究了积炭对催化剂活性的影响。结果表明,正丁烯转化率为45%时,异丁烯选择性为95%,经过390 h的运行,异丁烯的收率仍能达到32%,该催化剂具有良好的稳定性及选择性,且再生性能良好。催化剂上积炭主要在反应初期形成,沉积在微孔内,且优先发生在强酸中心上,主要为难以烧除的类石墨炭。     

分子筛负载铂催化剂上四氢萘加氢裂解反应行为

四氢萘是多环芳烃加氢转化的产物或者中间体,其加氢裂解行为和规律的研究在重芳烃转化和脱除领域有着重要的意义。采用等体积浸渍法制备得到了氧化铝负载贵金属(Pt,Ir和Pd)催化剂和酸性分子筛(MOR和ZSM-5)负载铂双功能催化剂,考察了它们催化四氢萘加氢裂解的反应行为。氧化铝为载体时金属催化剂表面主要发生加氢及脱氢反应,其中金属Pt表现出最高的加氢和脱氢活性。双功能催化剂上四氢萘发生加氢裂化、异构化、氢转移及烷基化等复杂反应,金属Pt通过氢溢流作用提高了分子筛Br?nsted酸活性从而提高催化剂加氢裂解活性和选择性,但过量金属Pt会加剧苯环加氢而不利于单环芳烃的生成。分子筛孔道的限域作用对四氢萘的反应活性及产物分布有重要影响,相比Pt/ZSM-5催化剂,Pt/MOR表现出更高的裂解活性及异构化选择性。Pt/MOR催化剂上四氢萘加氢裂解主要通过异构-裂解路径进行,异构化活性及异构体构型决定了裂解活性及产物的分布。     

分子筛型催化剂的失活与再生

轻烃转化过程中酸性分子筛催化剂失活的主要原因是积炭。积炭由反应物生成，其生成速率受分子筛的孔结构、酸性及反应操作条件影响。通过积炭组分形成过程的分析，可以提出积炭形式的模型及限制分子筛催化剂积炭失活的一些方法和最佳化的再生条件。从失活催化剂上去除积炭，一般是在贫氧空气流下的氧化处理，由于积炭分子中大量的氢原子在低温下被氧化，防止分子筛分解的再生操作方法分为2个阶段：第一阶段低温，第二阶段高温，通过使催化剂在高温下避免与水蒸气接触而减少催化剂的分解。