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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

C8芳烃在BaX分子筛中的扩散机理

通过分子动力学方法,模拟对二甲苯、邻二甲苯、间二甲苯和乙苯4种分子的混合物在纯硅FAU分子筛(SiFAU)和钡离子交换的X型分子筛(BaX)中的扩散过程;通过密度泛函理论和波函数方法计算和分析C₈芳烃分子的电子密度等值面及其确定的分子尺寸,同时考虑了乙苯侧链柔顺性导致的构象多样性。将C₈芳烃分子的横截面积、分子筛的孔口尺寸变化与扩散能力进行关联,来探究C₈芳烃分子在BaX分子筛孔道内动态扩散的微观机理。结果表明：相比SiFAU分子筛,BaX分子筛中阳离子的引入减小了孔口尺寸,4种C₈芳烃分子在BaX分子筛中的扩散能力由大到小的顺序为对二甲苯、乙苯、邻二甲苯、间二甲苯,这与其最小横截面积大小(乙苯平面构象)的顺序相一致。     

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。     

BaX分子筛吸附分离C8芳烃过程中的尺寸筛分机理

通过量子化学方法考察侧链与芳环二面角变化对乙苯分子结构稳定性的影响,进一步通过分子动力学讨论乙苯分子在SiFAU和BaX分子筛中扩散时的柔顺性;结合量子化学方法和波函数分析,分别研究了邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯、乙苯4种C₈芳烃异构体在电子密度为0.002等值面确定的三维尺寸信息,以及SiFAU和BaX分子筛超笼簇模型的静电势和孔口尺寸。结合C₈芳烃在分子筛中的扩散结果可知,4种C₈芳烃异构体皆可扩散通过比自身尺寸稍小的分子筛孔口。因此,在根据尺寸筛分机理筛选吸附剂时,需要综合考虑分离组分分子的表面电子特征。     

四氢萘在分子筛催化剂上环烷环开环反应的研究

在小型固定流化床(FFB)装置中考察了Y与ZSM-5分子筛催化剂以及温度、剂油比对四氢萘裂化环烷环开环的影响。结果表明,四氢萘在分子筛催化剂上通过环烷环开环反应生成丙烷、丙烯、丁烷、丁烯、甲基戊烷和环戊烷、环己烷等非芳烃,苯、C1～C4烷基取代苯等单环芳烃;并通过脱氢缩合反应生成萘、甲基萘等双环芳烃,菲、芘等三环以上芳烃甚至焦炭等;其中环烷环开环与脱氢缩合反应的相对比例在两种分子筛上分别为1.22、0.95。由于扩散和吸附性能的影响,其裂化开环反应的选择性在Y分子筛催化剂比ZSM-5分子筛催化剂上高;温度在450～550℃、剂油比在3～9范围,反应温度升高或者剂油比增加,双分子氢转移以及脱氢缩合反应增强,从而导致环烷环开环产物选择性降低。     

沉积钒氧化数对催化裂化催化剂酸性和结构的影响

针对降低催化剂上沉积钒的氧化数后，导致催化剂总酸量虽然降低，但催化剂的降硫活性增加、裂化活性提高、产品选择性改善的效果，提出了催化剂“负效酸中心”概念，认为高氧化数沉积钒具有的酸性虽然对催化剂的总酸量有贡献，但效果却是负的，使沉积钒的氧化数降低后，负效酸性中心会减少，其对催化剂的毒性减弱，使催化剂原先的有效酸性中心得以部分恢复，酸强度有所增强；降低钒氧化物的氧化数还造成钒物种熔点的显著提高。上述作用均有助于提高催化剂的裂化活性，改善产品选择性并降低催化剂的生焦量。采用分子模拟技术研究过渡金属氧化物特别是不同氧化数钒氧化物在分子筛上的沉积状况，分子动力学模拟研究表明，与高氧化数钒氧化物相比，低氧化数钒氧化物在FAU分子筛孔口及超笼内的沉积位置更为接近孔道及超笼内的晶格氧，其中VO与晶格氧的距离最近，降低钒的氧化数有利于优化钒在分子筛结构内的沉积位置，改善分子在分子筛孔道内的扩散，增加分子筛活性中心可接近性和超笼可利用性（Active Site Accessibility & Supercage Availability），有助于改善催化剂的活性和选择性，降低焦炭产率。     

多级孔复合沸石的骨架结构与酸性能

多级孔复合沸石是一类具有丰富酸性基的新型催化材料。分别以MOR沸石和ZSM-5型沸石为原料制备了MOR/FAU(记为MFZ)和ZSM-5/FAU(记为MFC)2种复合沸石;采用XRD和FT-IR表征了不同晶化时间合成的MFZ和MFC的结构性能,采用NH3-TPD和Py-IR技术研究了该2种复合沸石催化剂的酸性能,并与单一型沸石催化剂的酸性能进行了对比。结果表明,一种沸石晶体的消失和另一种沸石的生成规律性地体现在复合沸石的形成过程中,揭示了骨架结构性能对复合沸石酸性的影响和调变作用;复合沸石的酸性能明显优于单一型沸石,且可以通过调节复合沸石中某一组分的含量来改变复合沸石的结构,从而达到调节复合沸石的酸量、酸强度和酸性分布的目的。     

BaX分子筛吸附C8芳烃作用机理

采用正则系综蒙特卡洛方法模拟等量4种C₈芳烃分子分别在SiFAU和BaX分子筛上的吸附行为,并结合量子化学计算和波函数分析,基于分子筛组成和结构、C₈芳烃分子结构和电子分布特征进行吸附机理研究。蒙特卡洛模拟结果表明：4种C₈芳烃分子的密度分布主要在分子筛超笼内,吸附能分布近似为正态分布,吸附状态多样化;SiFAU上吸附位随机且范围广,但对二甲苯无选择性;BaX上吸附位集中在超笼内的Ba附近,平均吸附热由高到低的顺序为对二甲苯、乙苯、邻二甲苯、间二甲苯,与BaX分子筛对C₈芳烃吸附选择性的实验结果顺序一致。波函数分析结果表明,4种C₈芳烃分子静电势分布相似,芳环区域静电势为负,静电势极小值点偏离于取代基方向。考虑乙苯侧链柔顺性,将C₈芳烃分子的负静电势面积与其在BaX分子筛上的平均吸附能进行关联,阐明电子分布特征对吸附性能的影响。     

己烯-1和正己烷混合烃在FAU和MFI型分子筛催化剂上的竞争催化

在小型固定流化床装置上,以不同配比的己烯-1和正己烷混合烃为探针,研究了混合烃在300℃下,在3种不同类型分子筛催化剂上的催化反应。结果表明,在3种分子筛催化剂上,己烯-1和正己烷的催化反应具有竞争性。在FAU型分子筛催化剂上,己烯-1摩尔分数小于28.35%时,参与反应的正己烷物质的量变化不大;当己烯-1的摩尔分数大于28.35%时,正己烷很少甚至不参与反应。在MFI型和复合FAU型分子筛催化剂上,混合烃原料中己烯-1的存在对正己烷的转化以及正己烷的生成均有较明显的影响。混合烃催化反应中的骨架异构反应和双键迁移反应为竞争反应。对于MFI型和FAU型分子筛催化剂,己烯-1摩尔分数小于28.35%时,骨架异构反应占优;对于复合FAU型分子筛催化剂,己烯-1摩尔分数小于55.50%时,骨架异构反应占优。     

Influence of spectral and textural characteristics and acidity of MFI zeolite on activity of catalysts for dimethyl ether conversion to hydrocarbons

Comparative data obtained by studying the synthesis of С₅₊ hydrocarbons from dimethyl ether (DME) on catalysts using MFI zeolites available from different manufacturers are presented. It has been shown that MFI zeolite samples substantially differ in their acidic properties and structural, morphological, and textural characteristics. The catalysts based on different MFI zeolites also noticeable differ in the yield and chemical composition of С₅₊ hydrocarbons. By switching from the stand-alone operation of a DME conversion reactor to the joint operation of two reactors for synthesis of oxygenates (DME and/or methanol) from synthesis gas and synthesis of hydrocarbons from oxygenates connected by a single circuit, high selectivity for hydrocarbons of the gasoline fraction is achieved with the catalyst based on the MFI zeolite, for which the bands characteristic of Н₃О⁺ acid sites are observed in diffuse reflectance IR spectra.