научная статья по теме КАТАЛИТИЧЕСКАЯ АРОМАТИЗАЦИЯ ЭТАНА НА ЦЕОЛИТАХ РАЗЛИЧНОГО СТРУКТУРНОГО ТИПА, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ЦИНКОМ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «КАТАЛИТИЧЕСКАЯ АРОМАТИЗАЦИЯ ЭТАНА НА ЦЕОЛИТАХ РАЗЛИЧНОГО СТРУКТУРНОГО ТИПА, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ЦИНКОМ»

НЕФТЕХИМИЯ, 2014, том 54, № 6, с. 430-435

УДК 665.632:544.47:544.344:547.52

КАТАЛИТИЧЕСКАЯ АРОМАТИЗАЦИЯ ЭТАНА НА ЦЕОЛИТАХ РАЗЛИЧНОГО СТРУКТУРНОГО ТИПА, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ЦИНКОМ

© 2014 г. Л. Н. Восмерикова, Я. Е. Барбашин, А. В. Восмериков

Институт химии нефти СО РАН, Томск E-mail: pika@ipc.tsc.ru Поступила в редакцию 03.06.2014 г.

Методом гидротермального синтеза из щелочных алюмокремнегелей получены цеолиты структурного типа ZSM-5, ZSM-8, ZSM-11 и ZSM-12, которые модифицировались цинком методом пропитки. Изучены их кислотные свойства и установлено, что катализаторы отличаются друг от друга распределением и соотношением кислотных центров разного типа. Показана возможность прямой химической переработки этана в ароматические углеводороды на Zn-содержащих цеолитах различного структурного типа. Установлено влияние структуры высококремнеземных цеолитов на активность и селективность приготовленных на их основе Zn-содержащих катализаторов. Показано, что наиболее эффективным катализатором процесса превращения этана в ароматические углеводороды является цеолит структурного типа ZSM-5, модифицированный цинком.

Ключевые слова: этан, ароматические углеводороды, катализатор, цеолит, конверсия, активность, селективность.

DOI: 10.7868/S0028242114060100

Разработка новых перспективных процессов в нефтехимии и нефтепереработке в настоящее время во многом связывается с успехами в области катализа на цеолитах. Поиск в направлении создания цеолитных систем нового поколения, проявляющих высокую активность в реакциях крекинга, дегидрирования, изомеризации и ароматизации, открывает реальную возможность вовлечения в каталитическую переработку легких углеводородов с получением ценных химических продуктов. Процесс ароматизации газообразных углеводородов протекает в присутствии различных каталитических систем, среди которых наиболее эффективными считаются высококремнеземные цеолиты семейства пентасила [1—5]. Это цеолиты 28Ы-5, 28Ы-8, 2БМ-11 и их отечественные аналоги — цеолиты марок ЦВК, ЦВМ, ЦВН и другие [6, 7]. Среди потенциальных катализаторов ароматизации легких углеводородов набольшее внимание привлекают металлцеолит-ные системы, которые проявляют более высокую активность и селективность по сравнению с не-модифицированными цеолитными носителями. При этом структура исходного цеолита оказывает определенное влияние на эффективность каталитической системы. Поэтому изучение структурных особенностей различных цеолитов и установление их влияния на каталитические свойства получаемых модифицированных форм представляет значительный научный интерес, и имеет важное практическое значение.

Цель данной работы — исследование влияния структурного типа цеолита на каталитическую активность Zn-содержащих катализаторов, приготовленных на их основе, в реакции ароматизации этана — компонента природного и попутного нефтяного газов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для проведения исследований гидротермальным синтезом из щелочных алюмокремнегелей в лабораторных условиях были синтезированы цеолиты структурного типа ZSM-5, ZSM-8 и ZSM-11 с мольным отношением SiO2/Al2Oз соответственно 70, 80 и 90. Цеолит типа ZSM-12 произведен на промышленном предприятии ОАО «Ангарский завод катализаторов и органического синтеза» (мольное отношение SiO2/Al2O3 = 83). На основе этих цеолитов методом пропитки раствором азотнокислого цинка Zn(NO3)2 • 6Н^ приготовлены Zn-содержащие цеолитные системы. Концентрация цинка (в пересчете на металл) в них составляла 3.0 мас. %.

Качественные показатели синтезируемых цеолитов контролировали с помощью ИК-спектро-скопии и рентгенофазового анализа. ИК-спек-тры исследуемых образцов снимали на ИК-фурье спектрометре №со1е1 5700 в области 2000—400 см-1 в таблетках с КВг (1.2 мг цеолита на 300 мг КВг) на воздухе. Фазовый состав цеолитов определяли методом рентгеновской дифрактометрии, съемку про-

водили на дифрактометре ДРОН-3М на Сиа-излу-чении с Ni-фильтром.

Тестирование кислотных свойств цеолитных катализаторов проводили методом температурно-программируемой десорбции (ТПД) аммиака. Выбор аммиака в качестве адсорбата обусловлен небольшим размером его молекулы, простотой дозировки и высокой основностью, что позволяет определять не только сильные, но и слабые кислотные центры. Концентрацию кислотных центров в исследуемых образцах определяли по количеству аммиака, десорбирующегося в момент фиксации десорбционных пиков, и выражали в микромолях на 1 г катализатора [8].

Оценку параметров пористой структуры и определение удельной поверхности образцов проводили на автоматизированной сорбционной установке TriStar II (3020) ("Micromeritics", США). Удельная поверхность рассчитывалась по изотерме низкотемпературной сорбции паров азота.

Активность исследуемых катализаторов изучали в процессе превращения этана в ароматические углеводороды (АрУ) на установке проточного типа с неподвижным слоем катализатора при температуре реакции 650°C, объемной скорости подачи сырья 800 ч-1 и атмосферном давлении. Исследуемые катализаторы прессовали в таблетки и отбирали для испытаний с помощью сит фракцию 0.5-1.0 мм. Объем загружаемого в реактор катализатора составлял 3 см3. Продукты реакции анализировали методом ГЖХ с использованием хроматографа "Хроматэк-Кристалл 5000.2". Для определения состава жидкой фазы использовали капиллярную колонку BP-1 PONA (100 м х х 0.25 мм х 0.5 мкм), а для определения состава газовой фазы — капиллярную GS-Gas-Pro (60 м х 0.32 мм) и набивную Carbosieve S-II (4 м х х 2 мм, 60/80 меш) колонки. Для оценки каталитической активности образцов определяли степень превращения этана, а также рассчитывали выход и селективность образования газообразных и жидких продуктов реакции.

Изучение природы коксовых отложений, образующихся на поверхности катализаторов в процессе ароматизации этана, проводили на дерива-тографе Q-1500 с обработкой результатов измерений с использованием программного продукта "Tanaliz", обеспечивающего контроль и измерение температуры (Т) и скорости (V) нагрева образца, изменение массы образца (ТГ), тепловых эффектов (ДТА). В опытах использовалась скорость нагревания 10 град/мин, масса исследуемого образца составляла 400 мг, измерения проводились в атмосфере воздуха. В качестве образца сравнения использовался оксид алюминия (а-А12О3).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлены ИК-спектры цеолитов различного структурного типа, которые свиде-

<0 S Я

се

о ^

С о а С

100 80 60 40 20

0

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Волновое число, см-1

Рис. 1. ИК-спектры цеолитов различного структурного типа.

тельствуют о присутствии характерных для высококремнеземных цеолитов полос поглощения. Так, полоса поглощения с максимумом в области 550-560 см-1, определяющая структуру цеолита, относится к колебаниям по внешним связям тетраэдров 8Ю4 и А104 и обусловлена присутствием сдвоенных четырех-, пяти- и шестичленных колец в каркасе. В ИК-спектре цеолита типа ZSM-12 наблюдается слабая полоса поглощения в области 620 см-1, характерная для кристобалита, и полоса поглощения в области 690 см-1, свидетельствующая о присутствии в незначительном количестве кварца. Наличие полосы поглощения в области 550-560 см-1 указывает на принадлежность цеолитов к семейству пентасила. Отношение интен-сивностей полос поглощения 550/450 см-1 позволяет судить о чистоте синтезированных образцов и степени их кристалличности [9]. Для всех полученных цеолитов это отношение больше 0.8, что свидетельствует о достаточно высокой степени их кристалличности.

По данным рентгенофазового анализа исследуемые образцы содержат линии, характерные для цеолитов соответствующих структурных типов. Кроме того, для цеолита структурного типа ZSM-12 обнаружены линии, относящиеся

к фазам кварца = 3.34 А) и кристобалита =

= 4.04 А), что хорошо согласуется с данными ИК-спектроскопии. Цеолиты типа ZSM-8 и ZSM-11 обладают более широким набором линий, что свидетельствует об их неоднородной структуре.

Результаты исследования кислотных свойств Zn-содержащих цеолитов различного структурного типа представлены в табл. 1. Наибольшую силу и концентрацию низкотемпературных кислотных центров имеет Zn-содержащий цеолит структурного типа ZSM-12.

Таблица 1. Кислотные характеристики Zn-содержащих цеолитных катализаторов

Цеолит Т J мак с, °с Концентрация, мкмоль/г

Ti Тц Q СП Q

ZSM-5 165 420 447 128 575

ZSM-8 175 Сглажен 337 97 434

ZSM-11 180 Сглажен 295 49 344

ZSM-12 180 450 737 119 856

Примечание. Т1; Тп — температуры максимумов низко- и высокотемпературных пиков на термодесорбционных кривых; С1; Сп и С2 — концентрации слабых и сильных кислотных центров и их сумма, соответственно.

Катализатор Zn/ZSM-5 характеризуется наличием кислотных центров, имеющих существенно меньшую силу, о чем свидетельствует более значительное по сравнению с другими образцами смещение максимумов обоих пиков в низкотемпературную область. Для катализаторов Zn/ZSM-8 и Zn/ZSM-11 наблюдается сглаживание высокотемпературных максимумов на ТД-кривых, поэтому точное определение максимумов этих пиков не представляется возможным. Кроме того, катализатор Zn/ZSM-11 содержит наименьшее количество слабых и сильных кислотных центров, их суммарная концентрация составляет 344 мкмоль/г.

Таким образом, исследования кислотных свойств Zn-содержащих цеолитов различного структурного типа показали, что катализаторы отличаются друг от друга распределением и соотношением кислотных центров разной природы. Наиболее существенные различия наблюдаются в концентрации низкотемпературных центров и силе кислотных центров обоих типов. Особенности в соотношении слабых и сильных кислотных центров исследуемых образцов сказываются на их каталитических свойствах в превращении эта-

на в ароматические углеводороды, так как определенные активные центры ответственны за протекание той или иной химической реакции.

На рис. 2 представлены зависимости активности и селективности Zn-содержащих цеолитных катализаторов от структурного типа цеолита.

Наиболее высокую каталитическую активность в процессе ароматизации этана проявляет модифицир

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