烃分子结构与在FAU和MFI分子筛中扩散特性的定量关系

采用分子模拟方法系统研究了不同尺寸的烷烃、芳烃、环烷烃分子在FAU和MFI分子筛中的扩散特性,计算了一系列反映分子微观特征的结构参数,建立了烃分子结构参数与扩散特性间的定量关系。结果表明,进入定量关系表达式的主要是与分子空间占有情况相关的参数,如分子的三维尺寸、最小截面积、转动惯量等。由于烷烃、芳烃、环烷烃分子具有不同的结构特征,因此进入各自表达式的参数不同。建立的定量关系意义明确、相关性好、预测性能强。由定量关系可找到影响烃分子扩散特性的结构参数,为预测烃分子的扩散特性提供了一种简单、快捷的方法。     

FCC汽油模型化合物在不同分子筛中扩散行为的分子模拟研究

 根据FCC汽油的PONA(Paraffines, Olefines, Naphthenes and Aromatics)分析结果，确定了不同结构的FCC汽油模型化合物。采用半经验量子力学方法计算了所选模型化合物分子的尺寸，用分子动力学方法计算了模型化合物分子在Y、ZSM-5和β分子筛孔道中的扩散能垒。计算结果表明，模型化合物分子在分子筛中的扩散能垒与其自身的尺寸和分子筛孔径大小密切相关。Y和β分子筛孔径较大，不同结构模型化合物分子在这两种分子筛中的扩散能垒差别不大；ZSM-5分子筛的孔径较小，与汽油模型化合物分子尺寸相近，不同结构模型化合物分子在ZSM-5分子筛中的扩散能垒具有明显的差别。实验结果证明，ZSM-5对FCC汽油具有优良的裂化选择性，能够使汽油中的烯烃选择性地裂化为C3、C4烯烃。在降低FCC汽油烯烃含量的同时，实现了增产丙烯的目的。     

吲哚在FAU分子筛中吸附行为的分子模拟研究

通过分子模拟的方法研究了劣质重油中典型的氮化物(吲哚)在4种不同硅铝比的FAU分子筛上的吸附行为。结果表明:在温度823K下,吲哚在4种FAU分子筛上的吸附量随着压力的增大而增加,并在800kPa左右达到饱和状态;在一定范围内,随着硅铝比的增大,分子筛孔道的自由体积增加,吲哚在FAU分子筛上的饱和吸附量增加;通过Langmuir关联,证明了吲哚在FAU分子筛上的吸附属于单分子层吸附;根据分子模拟结果可从微观角度解释FAU分子筛硅铝比对吲哚吸附性能的影响。     

噻吩、吡咯、呋喃在H-FAU分子筛中吸附和扩散行为的分子模拟

采用蒙特卡洛方法(GCMC)和分子动力学方法(MD),研究了在823 K、100~1000 kPa条件下噻吩、吡咯和呋喃3种典型的杂原子分子在H FAU分子筛中吸附和扩散性能,分析了3种分子在H FAU分子筛中的概率密度分布、分子扩散动力学和径向分布函数(RDF)。单组分吸附模拟的结果表明,噻吩的饱和吸附量和吸附热最大,吡咯居中,呋喃最小。三元混合组分的吸附模拟表明：噻吩的吸附强度明显大于吡咯和呋喃;3种分子在分子筛的超笼和SOD笼中均有分布,且噻吩在超笼中更加集中;3种分子在孔道中扩散阻力的大小依次为噻吩、吡咯、呋喃;噻吩、吡咯和呋喃主要通过分子环区的离域电子及杂原子与孔道表面H质子进行作用。     

甲苯歧化反应物与产物在ZSM系分子筛孔道中扩散特性的分子模拟

 应用分子模拟技术计算了甲苯歧化反应中的反应物甲苯、产物苯和二甲苯同分异构体与ZSM系分子筛(MFI (ZSM-5)，MEL (ZSM-11)，MTW (ZSM-12))的相互作用能，得到了扩散特性等信息。计算结果表明，分子扩散的难易程度受分子筛孔径和孔道结构的共同影响。MFI分子筛对于对二甲苯有很好的选择性；芳烃分子在其弯孔中的扩散能垒较直孔中的高，因此，倾向于在MFI分子筛的直孔中扩散。MEL分子筛孔径略小于MFI分子筛，各种芳烃分子的扩散能垒比在MFI分子筛孔道中的高；由于对二甲苯的扩散能垒远小于间二甲苯和邻二甲苯，因此MEL分子筛也表现出对于对二甲苯的较好选择性。MTW分子筛的孔径在三者中最大，各种产物分子的扩散能垒相差较小，对甲苯歧化反应产物的选择性不高。从3种分子筛对于对二甲苯的选择性而言，MFI与MEL相当，MTW较低。当分子筛孔径与扩散分子的动力学直径接近时，分子筛将表现出较好的择形催化性能。     

准确计算烷烃、环烷烃和芳烃在水中溶解度的新方法

以计算溶解度的Yaws关联式的表达形式为基础，提出了引入相对密度对烷烃、环烷烃和芳烃在水中的溶解度进行统一关联的新关联式。新关联式计算偏差小于Yaws关税式和API关联式。新关联式不同于Yaws关税式和API关税式之处在于它无须根据不同种烃类和同种烃类的不同碳数及取代基的数目选取关联式系数。新关联式计算简便，适用范围广，可用于工程可行性研究和环境影响评价。     

VGO分子在FAU分子筛中的扩散研究

应用分子模拟技术计算了VGO模型化合物中刚性基团的尺寸和VGO分子尺寸,利用分子动力学模拟在800K催化裂化反应温度下VGO分子在FAU型分子筛内的扩散过程,并通过计算扩散穿透距离,研究不同类型VGO分子在FAU型分子筛内扩散能力的差异。结果表明:分子中刚性基团的尺寸和VGO分子碳链长度是影响VGO分子在FAU型分子筛内扩散能力的主要因素;直链烷烃的链长增加,烃分子在扩散时易发生卷曲,扩散能力降低;环烷烃、芳烃环数的增加或分子中含有支链会增加烃分子刚性基团的尺寸,进而降低烃分子的扩散能力;烃分子与多环芳烃混合进行扩散,难扩散的多环芳烃占据分子筛孔道,堵塞孔道而降低易扩散烃分子的扩散能力。     

正己烷在FAU和MFI型分子筛催化剂上的转化途径

 以正己烷在分子筛催化剂上的转化途径和各转化产物平均摩尔选择性为基础, 建立了正己烷在分子筛催化剂上转化反应的独立反应方程, 通过关联独立反应议程和转化产物平均摩尔选择性计算出独立反应的摩尔选择性. 结果表明, 一旦正己烷的C-C键或C-H键被质子所戟生成Carbonium ion后, 该C6 Carbonium ion 随后发生的α异裂的位置更货币于在靠近链中的位置. 正己烷在MFI型, 复合FAU型和FAU型分子筛催化剂上的转化反应中, 单分子反应的比例分别为75.87%, 32.01%和31.46%. 正己烷反应产物中的丙烷和丙烯等较大分子的来源不仅是双分子反应, 同时还有单分子反应, 两者的比例受分子筛催化剂类型的影响. 以正己烷和H质子进行验证表明独立反应方程的建立和独立反应摩尔选择性的计算是有效的.     

β和Y型分子筛催化单环烷基环烷烃反应规律

以十氢萘为模型化合物,采用固定床催化裂化微反装置,研究环烷基环烷烃在β和DASY(0.0)(Y型)两种分子筛及其不同配合方式的催化裂化反应规律;通过PONA分析和GC-MS表征检测十氢萘裂化产物组成;并对不同分子筛催化的反应路径进行剖析。实验结果表明,两种分子筛催化单环烷基环烷烃时,均在主要发生一个环烷环开环或异构化反应的同时,导致相邻环烷环发生芳化反应生成烷基苯或环烷基苯类;虽然β分子筛催化十氢萘反应的转化率略低,但对环烷环的开环裂化选择性明显高于DASY(0.0)分子筛,且由于β分子筛具有较低的氢转移活性,低碳烯烃产率较高;采用按照一定方式配合的两种分子筛,对于提高单环烷基环烷烃的转化率及低碳烯烃产率具有一定的协同作用。     

正己烷在FAU和MFI型沸石分子筛催化剂上的转化途径

 Based on the reaction pathways of n-hexane over catalysts and the molar selectivity of products, the independent reaction equations of n-hexane over zeolite catalysts are established. The correlation of independent reaction equations with molar selectivity of products is set up, and the molar selectivity of the independent reactions is calculated. The results show that the position of α cracking of C6 carbonium ion is favorable to the middle of carbon chain. The proportion of mono-molecular reactions over catalysts of MFI, MFI+FAU and FAU type are 75.87%,32.01% and 31.46%, respectively. The large products such as propane and propene are generated from both mono-molecular reaction mechanism and bi-molecular mechanism. The ratio of mono-molecular to bi-molecular reaction mechanism of n-hexane over zeolite catalysts is related to zeolite type. The molar selectivity of independent reactions is valid which is proved by n-hexane and H+.     

Study on Diffusion of Hydrocarbons in FAU and MFI Zeolites by Molecular Simulation and Related Experiments

The diffusion of C4—C24 alkanes, aromatics and cycloalkanes in FAU and MFI zeolites were studied systematically by molecular simulation. The basic data on diffusion energy barriers and the diffusion characteristics of alkanes, cycloalkanes and aromatics in FAU and MFI zeolites were obtained. It was found out that the 12-member-ring openings between the two adjacent super cages limited the diffusion of hydrocarbons in FAU zeolites, and the hydrocarbon molecules diffused more easily in the intersections of MFI zeolite channels than in the straight channels between the intersections. It was more difficult for the molecules to diffuse in the sinusoidal channel of the MFI zeolite than in the straight channel because of the atoms at the corner of sinusoidal channel. The diffusion of three kinds of C6 alkanes was studied by gravity sorption method. The simulation results were well consistent with the experimental results, indicating that the simulation results were convincing.     

分子筛催化剂脱除芳烃中微量烯烃的研究

以分子筛和稀土金属化合物为活性组分,与一定比例的γ-氧化铝载体混合后制成脱烯烃催化剂,以此取代污染严重的白土来脱除芳烃中的微量烯烃。本研究考察了该催化剂的活性和寿命,并利用红外光谱法对催化剂表面的固体酸中心分布情况进行了研究。     

Molecular Simulation of Naphthenic Acid Removal on Acidic Catalyst (Ⅰ) Mechanism of Catalytic Decarboxylation

In this paper, the charge distribution, the chemical bond order and the reactive performance of carboxylic acid model compounds on acidic catalyst were investigated by using molecular simulation technology. The simulation results showed that the bond order of C-O was higher than that of C-C,and C-C bond connected to the carbon atom in the carboxyl radical had the lowest bond order. The charge distributions of model naphthenic acids were similar in characteristics that the negative charges were concentrated on carboxyls. According to the simulation results, the mechanisms of catalytic decarboxylation over acidic solid catalyst were proposed, and a new route was put forward regarding removal of the naphthenic acid from crude oil through catalytic decarboxylation.     

Molecular Simulation of Naphthenic Acid Removal on Acidic Catalyst （I） Mechanism of Catalytic Decarboxylation

In this paper, the charge distribution, the chemical bond order and the reactive performance of carboxylic acid model compounds on acidic catalyst were investigated by using molecular simulation technology. The simulation results showed that the bond order of C-O was higher than that of C-C, and C-C bond connected to the carbon atom in the carboxyl radical had the lowest bond order. The charge distributions of model naphthenic acids were similar in characteristics that the negative charges were concentrated on carboxyls. According to the simulation results, the mechanisms of catalytic decarboxylation over acidic solid catalyst were proposed, and a new route was put forward regarding removal of the naphthenic acid from crude oil through catalytic decarboxylation.     

烃分子尺寸及其与扩散能垒关系的初步研究

 依次采用分子力学、分子动力学、量子力学方法计算得到烃分子的最低能量构象,获得了分子的三维尺寸,并与动力学直径进行了对比分析,并初步研究了烃分子尺寸与在 MFI、FAU 分子筛中扩散能垒的关系。结果表明,在分子筛催化研究中用三维尺寸描述烃分子大小比用动力学直径更合理。与环烷烃、芳烃分子相比,长链烷烃分子结构柔性较大,长链烷烃分子尺寸不能只考虑其最低能量构象的尺寸,还应考虑分子构象的动力学变化。在同一分子筛中,随烃分子最小截面尺寸的增加,扩散能垒增大;同一分子在 MFI 分子筛中的扩散能垒大于在 FAU 分子筛中的扩散能垒。研究结果对于探索分子筛择形催化机理具有一定的理论价值。     

沸石晶内扩散系数的测定

根据ＺＬＣ法测定晶内扩散系数的基本原理,建立了测量误差与参数Ｌ、吸附质最低检测浓度及其精度的理论关系。结合环己烷在ＨＺＳＭ－５、Ｈβ和ΗＹ中扩散系数的测定结果,讨论了为满足ＺＬＣ的基本假设和提高测量精度在试验技术上应注意的问题,并指出了这一方法的应用范围     

Molecular Simulation of Naphthenic Acid Removal on Acidic Catalyst Ⅱ. Experimental results of catalytic decarboxylation over acidic catalysts

The energy barriers of thermal decarboxylation reactions of petroleum acids and catalytic decarboxylation reactions of Br(o)nsted acid and Lewis acid were analyzed using molecular simulation technology.Compared with thermal decarboxylation reactions of petroleum acids, the decarboxylation reactions by acid catalysts were easier to occur. The decarboxylaton effect by Lewis acid was better than Br(o)nsted acid. The mechanisms of catalytic decarboxylation over acid catalyst were also verified by experiments on a fixed bed and a fluidized bed, the experimental results showed that the rate of acid removal could reach up to 97% over the acidic catalyst at a temperature above 400℃.     

碳八芳烃混合物吸附平衡特性的推算

将作者建立的不均匀势吸附平衡模型应用于C_8芳烃异构体混合物饱和吸附体系,关联了文献报道的不同温度下C芳烃/KY沸石体系的二元吸附平衡数据,并对该体系的多组份吸附平衡关系进行了理论推算,取得了令人满意的结果。