научная статья по теме ЭЛЕКТРОННЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ДЕЗАКТИВАЦИИ КОКСОМ АЛЮМОПЛАТИНОВЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ЭЛЕКТРОННЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ДЕЗАКТИВАЦИИ КОКСОМ АЛЮМОПЛАТИНОВЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ»

НЕФТЕХИМИЯ, 2008, том 48, № 3, с. 211-219

УДК 541.128.13:665.64

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ДЕЗАКТИВАЦИИ КОКСОМ АЛЮМОПЛАТИНОВЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ

© 2008 г. А. В. де Векки, Ю. Л. Краев, А. И. Соловых

Всероссийский научно-исследовательский институт нефтехимических процессов, С.-Петербург

E-mail: kraev3000@mail.ru Поступила в редакцию 05.04.2007 г.

Методами РФЭС, ЭПР, ДТА, флеш-десорбции пиридина, исследованиями в условиях микроимпульсной установки и квантово-химическими расчетами показано: в процессе дезактивации коксом алюмо-платиновых катализаторов в углеводородных средах происходит повышение электронной плотности на атоме платины вплоть до образования Pt0, что с электронных позиций является дезактивирующим фактором. Стабилизация активности алюмоплатиновых катализаторов заключается в повышении эффективного положительного заряда на атоме платины, и эту функцию выполняют элементы-модификаторы. Показано, что механизм защиты платины различен в зависимости от природы модифицирующей добавки; для некоторых элементов введен еще один механизм стабилизации катализаторов - блокирующий. Сделанные в работе теоретические выводы подкреплены успешной апробацией нового катализатора с предсказанными свойствами на основе Pt-Sb-Re на Al2O3-Cl.

Одна из основных причин потери активности и стабильности гетерогенными катализаторами - их закоксование в результате деструктивных и конденсационных процессов. Дезактивация катализаторов в промышленной химии - главная проблема. Считается [1], что она поглощает более 90% всех вложений в области катализа. Технология и аппаратурное оформление многих процессов полностью "подстроены" под дезактивацию. Проблема дезактивации в современной промышленности требует пристального внимания к изучению кинетики и механизмов этого явления. Однако по оценке зарубежных специалистов проблемам дезактивации посвящены не более 10% исследований. За последние 10 лет возросло и существенно изменилось направление исследований: от наблюдаемых закономерностей - к попыткам теоретических обобщений, одна из которых представлена в данной статье.

Из литературы известно множество противоречивых толкований причин дестабилизации каталитических систем и различных механизмов их стабилизации. Однако подавляющее большинство объяснений носит умозрительный характер; количественные оценки, в основном, отсутствуют. Противоречия наблюдаются даже при интерпретации инструментальных методов исследования катализаторов и, в частности, состояния атомов платины в различных алюмоплатиновых катализаторах, в том числе при воздействии модификаторов и компонентов реакционной среды. В связи с отсутствием единых теоретических подходов предпринимаемые практические меры носят в основном эмпирический характер, заключа-

ющийся, например, в простом переборе почти всех элементов Периодической системы.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Исследование катализаторов методом РФЭС осуществляли на приборе Е8САЬЛВ-5 при возбуждении рентгеновским излучением Л1Ка (1486.6 эВ). Наряду с обзорной съемкой в области энергий связи 0-1000 эВ снимали спектры отдельных рентгено-электронных линий элементов на поверхности катализаторов. Самая сильная линия - дублет Р 4/7/2 не могла быть проанализирована из-за перекрывания ее фотолинией Л1 2р от Л1203, однако достаточно хорошо регистрировалась линия Р 4^5/2, которая для платиновой фольги показывает энергию связи электронов 314.1 эВ, принятую за реперную. Спектры были средними из нескольких сканов, причем число сканов выбиралось так, чтобы получить адекватное отношение сигнал-шум для исследуемого образца. Все энергии связи соотносили с С (284.6 эВ), в отдельных случаях - с Л1 2р (74.1 эВ). Результаты анализировали по положению линий (энергии связи), которые дают информацию об изменении в электронном состоянии, и интенсивности линий, которые могут дать информацию об агломерации каталитических составляющих или о растворении их в носителе.

ЭПР проводили на спектрометре РЭ-1301 с использованием в качестве стандарта для измерения интегральной интенсивности третьей линии сигнала Мп2+ в Mg0 с количеством парамагнитных центров 1 х 1016 спин/г (±10% отн.). Для фиксации магнитного поля и измерения частотности микроволнового поля использовали измерители

211

4*

магнитной индукции с электроносчетными частотомерами. Съемку проводили при комнатной температуре в аэробных условиях при скорости развертки 4 э/мин.

Исследование углеродистых отложений на активных центрах катализаторов проводили методом ДТА с использованием дериватографа Q-1500 D системы Ф. Паулик, И. Паулик и Л. Эрдеи. Выжигание кокса осуществляли в режиме температурного программирования при нагревании со скоростью подъема температуры 5-20 град/мин в интервале 20-700°С. Для изучения характера выжига кокса применяли методы ДТА и термогравиметрии (ТГ и ДТГ). Исследования проводили динамическим методом.

Для определения количества кислотных центров катализаторов использовали метод флеш-десорб-ции пиридина, который заключается в предварительной обработке частиц катализатора комбинацией растворителя и основания, в данном случае комбинацией изооктана и пиридина [2]. Образец катализатора нагревали в токе гелия при ступенчатом подъеме температуры до 450°С. При десорбции пиридина с образцов катализаторов отмечали 4 максимума. Количество десорбируемого пиридина определяли методом хроматографии.

Индивидуальный состав сырья и катализатов определяли хроматографически на приборе "Хром-5" с пламенно-ионизационным детектором; капиллярная колонка из нержавеющей стали, диаметр 0.25 мм, длина 50 м, неповижная фаза - сква-лан. Анализ проводили в изотермическом режиме при температуре колонки 50 и 80°С, газ-носитель гелий (3.6 л/ч).

Контроль за изменением активности катализаторов осуществляли путем определения суммарного содержания ароматических углеводородов в ка-тализате [3] хроматографическим методом, основанном на использовании насадки, селективно удерживающей только ароматические углеводороды. Анализ проводили на хроматографе ЛХМ-8МД с детектором по теплопроводности; длина колонки 3 м, диаметр 3 мм, насадка 1,2,3,4,5,6-гекса-кисф-цианэтокси)гексан на динохроме Н, температура колонки 130°С, испарителя 250°С, газ-носитель гелий (1.5 л/ч), ток моста 90 мА.

Квантово-химические расчеты проводили по программе HyperChem Version Professional Release 6.03 фирмы Hypercube Inc. © 2001 расширенным методом Хюккеля с заданием модели Build' a в режиме Single Point. Расчеты осуществляли с использованием метода кластерного приближения [4]. Хемосорбцию углеводородов для простоты рассматривали как точечную (применение более сложных моделей качественных характеристик не меняет). Сами расчетные модули в каждом конкретном случае приведены по тексту статьи.

Для исследований были использованы образцы промышленных и лабораторных катализаторов. В качестве носителя использовали промышленный у-оксид алюминия марки А-64 с уд. поверхностью 200 м2/г, объемом пор 0.7 см3/г. Образцы катализаторов готовили пропиткой водными растворами HReO4, SnQ4, SbQ3 заданной концентрации или их смесями. Для равномерного распределения компонентов по всей поверхности зерна катализатора в пропитывающий раствор вводили пептизаторы - соляную и уксусную кислоты. После выдержки носителя в растворе в течение 1 ч избыток раствора упаривали досуха при 70-80°С. Полученные образцы сушили при 130-140°С в течение 2 ч и прокаливали при 500°С в потоке воздуха при объемной подаче его 500 ч-1. Для предварительного сульфидирования катализаторов использовали этилмеркаптан марки "ч.д.а.".

Ускоренное коксование проводили при 505-515°С, 1.0 МПа, объемной скорости подачи сырья (фракция бензина 85-180°С) 2 ч-1; кратность циркуляции водородсодержащего газа 900-1000 нм3/м3. За меру активности катализаторов принято содержание ароматических углеводородов в катализате.

В импульсной микрокаталитической установке, состоящей из микрореактора, находящегося в термостате хроматографа ЛХМ-8МД, пропускали газ-носитель - водород, в который вводили исследуемый реагент - н-гексан в количестве 1-4 мкл. Данный метод позволяет получать кинетические данные для нестационарных процессов, при которых каталитическая поверхность еще не находится в равновесном состоянии. Анализируя состав импульсов, можно проследить изменения в поведении катализатора еще до наступления стационарного состояния.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В связи с противоречивыми литературными данными [5] по взаимодействию элементов каталитических композиций и самой платины с носителем, было изучено электронное состояние атомов платины в алюмоплатиновых катализаторах с помощью прямого метода оценки состояния электронных оболочек поверхностных атомов - РФЭС (табл. 1).

При нанесении И на оксид алюминия наблюдается увеличение химического сдвига в сторону увеличения значения энергии связи электронов на 1 эВ по сравнению с металлической платиной 4^5/2, что соответствует изменению степени окисления элемента на единицу [6]. Введение в указанную систему 10-кратного атомного избытка хлора вызывает сдвиг в 2.6 эВ. Модифицирование катализатора Sn или Ge действует аналогичным образом, и сдвиг в энергии связи электронов по сравнению с нативным образцом также возрастает. Для платинорениевых катализаторов та-

Таблица 1. Энергия связи электронов отдельных элементов алюмоплатиновых катализаторов и фоновых компонентов по собственным и надежным литературным данным

Элемент, каталитическая композиция Энергия связи, эВ Разница в энергиях связи для элементов, эВ

Pt 4^5/2 Ое 3^5/2 8п 3^5/2 Ие 4/7/2 С1 2Р3/2

Р1 М*

Pt (фольга) 314.1 - - - - 0

Р^у-Л1203 315.1 - - - - 1.0

С№/Л1203 316.7 - - - 199.7 2.6

Ое (металл) - 29.7 - - - 0

0е/Л1203 - 32.6 - - 199.6 2.9

0е^/Л1203 315.6 32.0 - - 199.7 1.5 2.3

8п (металл) - - 484.6 - - 0

8п/Л1203 - - 487.0 - 199.5 2.4

8п-Р^Л1203 315.6 - 486.8 - 199.8 1.5 2.2

Ие (металл) - - - 42.8 - 0

Ие/Л1203 - - - 45.2 199.6 2.4

Ке^/Л1203 314.3 - - 44.6 198.0 0.2 1.8

* М - второй элемент каталитической композиции.

кой сдвиг по линии 4^5/2 незначителен - 0.2

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком