“双碳”政策下重油催化裂解技术研究进展.pdf
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1、第 卷第 期 年 月应 用 化 工 .收稿日期:修改稿日期:基金项目:国家重点研发计划()中国石化股份有限公司十条龙科技攻关项目()作者简介:彭特()男河北保定人在读硕士师从龚剑洪研究员主要从事重油催化裂解的研究 电话:.通信作者:朱金泉男副研究员从事催化裂化技术研究 电话:.“双碳”政策下重油催化裂解技术研究进展彭特龚剑洪朱金泉(中石化石油化工科学研究院有限公司北京)摘 要:从重油催化裂解反应机理的研究概况、重油催化裂解分子筛催化材料的分析对比、不同重油催化裂解工艺的技术特点和工业应用情况等三个方面进行了总结综述了国内外重油催化裂解技术的研究进展 改性分子筛催化剂材料、小晶粒分子筛、多级孔分
2、子筛等成为目前研究和应用的热点以强化重油催化裂解的催化剂的水热稳定性、晶内扩散和重油大分子在梯级孔内的分级裂化基于催化裂解反应正碳离子机理和自由基机理等研究、和 等重油催化裂解技术的反应苛刻度不断提高为匹配不同进料所需最优反应环境的差异新型反应器或多反应器组合技术成为工艺技术研发的主要方向已达到提高低碳烯烃产率和选择性的目的关键词:重油催化裂解分子筛催化剂中图分类号:文献标识码:文章编号:()“”():.:随着“双碳”政策的推动实施成品油在市场需求达到峰值以后进入了下降的过程以乙烯、丙烯为代表的石化产品需求持续快速增长 在“十四五”期间我国乙烯和丙烯每年的需求增速将达到.和.目前乙烯、丙烯等化
3、工原料供不应求许多炼化企业加强了对重质油裂解生产低碳烯烃的研究自从我国催化裂化实现工业化以来自主开发了多种催化裂化技术 催化裂化的原料中约 为渣油同时全国丙烯生产总量的约 来自催化裂化技术 重质油大分子主要的成分是多环芳烃、多环烷烃以及这些大分子连接的结构复杂的侧链同时单一种类的分子筛催化剂在裂解重油的反应中不能全程兼顾大分子、中分子以及小分子的裂解反应、氢转移反应等 这导致了在裂解重油大分子时产生了过高的焦炭、干气组分 为了克服这一难题研究人员分别从重油大分子的催化裂解反应机理、重油裂解新型分子筛开发、工艺技术革新等三个方面进行了研究也取得了优秀成果 重油大分子催化裂解反应机理研究 由于重质
4、原料油中组分结构非常复杂异构烃类种类繁多多环烷烃以及多环芳烃的种类也不尽相同这些大分子所带烷基侧链结构也十分复杂因此不能一一详尽研究 为了对重油大分子裂解的机理进行研究研究人员将重油大分子分为正构第 期彭特等:“双碳”政策下重油催化裂解技术研究进展烷烃组分、异构烷烃和环烷烃组分、芳烃组分 研究人员也大多选取 种组分内的典型模型化合物作为研究对象如:四氢萘、甲基萘、甲基蒽、十氢萘、全氢菲、正十六烷等纯烃组分.正构烷烃裂解机理研究烷烃分子的裂化过程始于催化剂的质子进攻烃类 键或 键生成五配位的正碳离子 生成的五配位正碳离子发生质子化裂化生成小分子烯烃和小分子正碳离子 研究发现质子化的位置应该优先发
5、生在键能较弱的烷烃分子最亲核的中心国外研究人员对正庚烷模型化合物在不同反应温度下裂解气体的产率进行研究 结果表明在 较低的反应温度下质子进攻键能较弱且处于正庚烷碳链中间的 键即第四个碳原子链接的 键丙烷、丙烯摩尔产率与甲烷摩尔产率的比值分别为.丁烷、丁烯摩尔产率与甲烷摩尔产率的比值分别为.而随着反应温度升高反应体系提供了足够的能量使正庚烷端位上的 键能够质子化生成五配位的正碳离子发生裂解反应使得产物中乙烯、乙烷产量增加甲烷的产率也逐渐升高、组分的产率有所降低反应温度升高至 时正庚烷质子化的位置继续向端位碳原子移动此时形成了甲基正碳离子使得产物中甲烷含量升高丙烷、丙烯摩尔产率与甲烷摩尔产率的比值
6、分别降低至.以正十六烷为模型化合物进行催化裂化实验发现在 的反应温度下约 的产物集中在 的范围内在 范围内并未观察到异构烷烃和烯烃产物中还存在有芳烃组分 正十六烷在催化剂的酸性中心上质子化生成五配位的正碳离子随后断裂成三配位的正碳离子进一步裂解生成烯烃 以上异构烷烃和烯烃的缺失表明这些分子在酸性位点反应速度很快且比解吸的速度快 而芳烃组分以及焦炭的产生则表明这些由正十六烷裂解产生的初级产物进行了环化、缩合等二次反应.异构烷烃和环烷烃裂解机理研究环烷烃和正构烷烃均为饱和烃因此推测两者具有相同的裂解机理而带有烷基侧链的环烷烃与异构烷烃结构相似因此可以选用具有烷基侧链的环烷烃来进行模拟研究 研究发现
7、由于十氢萘形成的叔正碳离子比环己烷形成的仲正碳离子稳定十氢萘的转化率高于环己烷.个百分点而十氢萘催化裂解得到的乙烯、丙烯的选择性分别比环己烷高出.和.个百分点可见双环烷烃比单环烷烃更易裂解生成丙烯、乙烯两者催化裂解石脑油的组分中主要是芳烃组分且质量分数都在 以上说明两者均容易发生脱氢缩合反应 对甲基环己烷、乙基环己烷和正丙基环己烷进行裂解实验结果显示正丙基环己烷的转化率和丙烯、乙烯产率和选择性均为最高 对取代基位置不同的环己烷实验发现取代基位置越近越容易生成正碳离子 这是由于正丙基的给电子诱导效应最大甲基给电子诱导效应最小给电子效应越大活化程度越高越容易发生裂解反应由于五元环比六元环的张力大分
8、子能量高不稳定实验结果验证了甲基环戊烷比甲基环己烷更容易开环裂解 分析甲基环戊烷的气体产物和裂解石脑油产物分布发现丙烯产率最高乙烯、丁烯产率较高石脑油裂解产物中主要是 正构烷烃和烯烃 烯烃和 芳烃产率也较高 由此可见环烷烃裂解除开环反应外还会有氢转移、脱氢缩合反应 在对环己烷的裂解实验中发现环己烷还异构化生成了甲基环戊烷这主要是环己烷正碳离子发生了重排产生了大量甲基环戊烷对全氢菲进行裂解实验发现在 酸中心全氢菲通过单分子机理开环裂解生成环己烷、十氢萘等环烷烃部分会通过质子化环丙烷机制生成二甲基环戊烷等还会受到深度氢转移反应的影响生成萘、烷基萘等双环芳烃 在酸性较强的催化剂上还会发生双分子裂解生
9、成二氢菲等甚至进一步生成焦炭前体 在多环烷烃开环的过程中应尽量避免氢转移反应.多环芳烃裂解研究机理对多环芳烃的考察既有以模型化合物为原料进行实验分析机理的考察也有对随转化率的提高产物含量中芳烃组分含量变化的规律的研究 刘银亮以直馏蜡油和混合蜡油为原料考察了不同转化率下重油中多环芳烃的含量变化规律结果显示混合蜡油中转化率由.提升到.时多环芳烃的质量分数迅速提高了.个百分点 同样直馏蜡油转化率由.提高至.时多环芳烃的质量分数增加了.个百分点 这是因为在较低的转化率时工艺条件的苛刻度较低此时在裂化反应中发生的主要是链烷烃、环烷烃的裂化随着苛刻度的提高裂化产生的烯烃等产物发生脱氢缩合、脱氢环化等反应氢
10、转移反应程度也在加剧 因此寻找合适的转化区间控制氢转移程度将是调控产物收率的一大方向以四氢萘为模型化合物进行在酸性催化剂上的研究四氢萘在反应过程中主要发生 种反应:六元环烷异构化生成五元环、开环裂化、氢转移反应、双分子烷基转移 四氢萘环烷部分易脱氢形成正碳离子异构化生成甲基茚满这些生成的甲基茚满随后可以继续发生烷基转移生成二甲基茚满、茚满等 由于四氢萘的典型的芳香基环烷环结构非常容易发生负氢离子转移芳构化形成萘类部分也会发生开环裂化生成苯、甲苯以及相应的应用化工第 卷 烃类 一些烷基萘、甲基四氢萘等则是烷基转移反应的产物将 甲基萘、甲基蒽、正十六烷分别作为重油组分中的二环芳烃、三环芳烃和石蜡基
11、的模型化合物 并分别将 甲基萘、甲基蒽和正十六烷按比例混合进行裂化实验 结果显示在正十六烷中混合 甲基蒽的裂解产生了更高的焦炭收率而混合甲基萘的裂解与正十六烷相比焦炭收率影响不大这说明三环芳烃容易在反应中聚合生成焦炭而二环芳烃则在裂化过程中保持稳定 分子筛催化剂的研究目前工业催化裂化催化剂最常用的是 型分子筛和 分子筛 分子筛主要由硅、铝、磷、钛、硼等元素原子与氧键合形成的一类无机材料并具有丰富的晶内空间 这类多孔材料一般根据孔道大小分为微孔材料(孔径 )分子筛属于微孔材料具有筛选分子的特性.分子筛的研究重质原料在反应过程中渣油大分子很难扩散进入 型分子筛的孔道只能首先在分子筛晶粒外表面的酸性
12、位点发生反应断裂成小分子后才会在孔道内进一步进行裂解 分子筛的外表面积和分子筛晶粒大小有关当晶粒变小分子筛外表面积增加分子的晶内扩散限制也减弱但当晶粒尺寸过小会导致晶体结构易坍塌分子筛的稳定性变差 实验表明 型分子筛的粒径从 减小到 时微反活性有所提高但是当继续减小 型分子筛晶粒尺寸活性则会降低 对晶粒尺寸的调整将会使分子筛催化活性有所改变 在 分子筛晶体结构中 笼通过双六元环(笼)按照金刚石结构连接形成 分子筛空间结构分子筛催化剂的酸性与其硅铝比也有很大关系骨架硅铝比提高铝含量减小分子筛的酸中心密度减小但是酸强度会增大 同时硅铝比提高后晶胞收缩晶胞常数减小 因此可以通过改变硅铝比来改变分子筛
13、酸中心性质 同时还可以引入稀土元素对 分子筛进行改性来增加其活性、稳定性同时改善酸中心性质.稀土改性 型分子筛 稀土交换的 型分子筛是应用时间最长的一种改性 分子筛稀土离子交换可以显著增加其活性稳定性而降低生焦却需要减少稀土含量从而降低 分子筛的晶胞常数、酸密度、降低氢转移反应 因此需要平衡稀土离子在 分子筛中的含量兼顾高稳定性和低生焦率稀土改性 型分子筛可以有效阻止分子筛骨架脱铝提高了分子筛的水热稳定性李宣文等对稀土元素和 型分子筛结构稳定的关系进行了探究发现镧离子会在改性发生的初期阶段进入方钠石笼中并且两两进行配位生成了双核八面体配合物这种双核配合物的结构稳定性更强使得骨架铝难以脱除刘欣梅
14、等使用柠檬酸对 分子筛脱铝处理有效生成了大量介孔减小了扩散阻力使得低碳烯烃收率高于常规 分子筛 孙书红等通过对 型分子筛进行稀土改性得到了 催化剂并在随后的实验中发现使用 催化剂时产物的焦炭产率降低、汽油辛烷值较高 李斌等则是对 分子筛进行稀土改性制备了 分子筛对 分子筛进行表征分析发现其水热稳定性明显提高并且中强酸中心的活性位点数量增加 刘璞生研究发现随着稀土含量增加分子筛的 酸中心活性位点增加 酸中心的活性位点减少重油转化率有所提高烃类分子的深度裂解使得焦炭产率增加 蔡仁杰等在使用适量稀土改性催化剂时增加了催化剂 酸/酸的值使得氢转移反应的比例增加降低了汽油烯烃含量 但同时发现含有较高的稀
15、土元素时焦炭产率明显增加.磷改性 型分子筛 型分子筛经磷改性后可以明显提高其水热稳定性 魏强等利用水热合成技术制备了 型分子筛结果发现除了在分子筛骨架中含有磷元素在分子筛的表面也发现了部分无定形状态的磷元素 分子筛骨架中的 原子抑制了骨架铝的脱除提高分子筛的水热稳定性对 分子筛进行改性时使用含不同磷元素浓度的溶液改性得到的结果也不相同磷原子的存在状态会有所变化 陈清等使用低浓度的磷酸盐溶液改性时单聚态磷在分子筛的表面形成这使得弱酸中心数目变多当使用较高浓度的磷酸盐溶液改性时多聚态磷出现在 型分子筛表面使得强酸中心和弱酸中心的强度和数目降低 王利军等则发现较低浓度进行磷改性时催化剂的结晶度基本无
16、变化浓度较高时分子筛中含有的部分骨架铝会脱除使得分子筛的晶格被破坏导致催化剂的结晶度降低.分子筛的研究 型沸石是一种含有 拓扑结构的沸石具有良好的择形选择性 对 分子筛在裂解反应中生成丙烯等低碳烯烃的应用的研究依然涉及到负载物改性、分子筛晶粒大小对稳定性的影响、稀土离子含量、硅铝比等方面 等制备了.和.两种孔径的多级孔 分子筛与 分子筛相比丙烯等产率增加这是因为介孔导致了汽油组分的增加而这些组分继续在微孔内裂解生成丙烯等小分子烯烃 等用氢氧化钠碱溶液处理制备了介孔 分子筛并对丁烯进行催化裂解实验结果表明介孔分子筛表现出更高的丙烯、乙烯产第 期彭特等:“双碳”政策下重油催化裂解技术研究进展率 等
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