научная статья по теме ПОЛУЧЕНИЕ НИЗШИХ НЕПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ КАТАЛИТИЧЕСКИМ ПРЕВРАЩЕНИЕМ ДИМЕТИЛОВОГО ЭФИРА Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ПОЛУЧЕНИЕ НИЗШИХ НЕПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ КАТАЛИТИЧЕСКИМ ПРЕВРАЩЕНИЕМ ДИМЕТИЛОВОГО ЭФИРА»

НЕФТЕХИМИЯ, 2008, том 48, № 1, с. 16-22

УДК 661.183.6.004.14:71

ПОЛУЧЕНИЕ НИЗШИХ НЕПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ КАТАЛИТИЧЕСКИМ ПРЕВРАЩЕНИЕМ ДИМЕТИЛОВОГО ЭФИРА

© 2008 г. А. В. Абрамова, Р. В. Кулумбегов, Т. И. Горяинова, С. Н. Хаджиев

Институт нефтехимического синтеза им. A.B. Топчиева РАН E-mail: abramova@ips.ac.ru Поступила в редакцию 09.07.2007 г.

Изучена конверсия диметилового эфира (ДМЭ) на цеолитных катализаторах типа ЦВМ, аналога ZSM-5. Показано, что введение в состав катализаторов металлов влияет на их активность и селективность. Установлено, что наиболее селективными по отношению к легким олефинам являются катализаторы, модифицированные Zr и P. Показано влияние добавления воды в сырье на выходы целевых продуктов, получены данные, близкие данным фирмы "Lurgi".

Легкие олефины являются ценным сырьем для нефтехимических синтезов. В настоящее время потребность в этилене и пропилене растет. Одним из альтернативных нефти углеводородных источников является природный газ. Существует несколько путей производства олефинов, но наиболее важным является вариант, включающий конверсию метанола в диметиловый эфир и затем в олефины. Основными реакциями конверсии метанола через диметиловый эфир в углеводороды являются: дегидратация метанола в диметиловый эфир с последующим превращением диметилового эфира в легкие олефины, которые затем превращаются в более высокомолекулярные олефи-ны, нормальные и изопарафины, ароматические и нафтеновые углеводороды [1].

Технология "метанол в углеводороды" на цеолитах была первоначально разработана как метод конверсии угля или природного газа в высокооктановый бензин [2]. В мире известны следующие промышленные процессы производства олефинов на основе синтез-газа через метанол и диметиловый эфир: процесс фирмы Mobil "метанол в олефины" (MTO) на катализаторе на основе пентасила, процесс UOP и Norsk Hydro на цеолитном катализаторе на основе силикоалюмофосфата SAPO-34. Фирма Lurgi предложила новый процесс GTP "газ в пропилен", составной частью которого является технология MTP "метанол в пропилен" с неподвижным слоем катализатора на основе пентасила [3].

Целью настоящей работы явились систематические исследования влияния природы активных металлов и модификаторов в составе катализаторов на основе цеолита типа пентасил, параметров проведения процесса на поведение каталитических систем в конверсии диметилового эфира для получения легких олефинов С2=—С4=.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Промышленный цеолит Na-ЦВМ, российский аналог пентасила ZSM-5 производства ЗАО "Нижегородские сорбенты", с мольным отношением SÍO2/AI2O3 = 31.2 переводили в декатионирован-ную форму цеолита методом катионных обменов

№+-формы на N H+ -форму в 1 N растворе NH4NO3 при температуре 90-95°С. Цеолит отфильтровывали, промывали дистиллированной водой, сушили при температуре 100-130°C и прокаливали при 500°С в течение 6 ч. Модифицирование цеолита фосфором осуществляли обработкой цеолита водным раствором H3PO4 при 92-95°С при перемешивании в течение 2 ч. Далее раствор выпаривали, образец сушили при 110-120°С и прокаливали при 500°С в течение 6 ч. Модифицирование цеолита цирконием проводили аналогично с применением раствора ZrO(NO3)2, для совместного модифицирования цеолита фосфором и цирконием был применен раствор, содержащий H3pO4 и ZrO(NO3)2.

Цеолитсодержащие катализаторы получали формованием цеолита со связующим гидроксидом алюминия. Сформованные экструдаты сушили на воздухе, затем при 110-120°С, и прокаливали при 500°С в течение 6 ч. В зависимости от состава катализатора в процессе приготовления в катализа-торную массу вводили металлы II—(VI—VII) групп периодической системы в виде растворов соответствующих солей.

Рентгеноструктурный анализ образцов цеолитов проводили на дифрактометре ДРОН-3М с Cu-Ka излучением с применением Si в качестве внутреннего стандарта. Относительную степень кристалличности образцов рассчитывали по отношению к эталону цеолита, кристалличность которого принята за 100%.

Для получения данных по температурно-про-граммируемой десорбции (ТПД) аммиака 0.2 г образца прокаливали в течение 4 ч при 500°С в токе сухого воздуха, 1 ч в токе азота при той же температуре, охлаждали и при комнатной температуре продували смесью азота и аммиака в соотношении 1/1 по объёму в течение 0.5 ч. Затем проводили в течение 1 ч отдувку слабосвязанного аммиака при 100°С, охлаждали до комнатной температуры и включали программируемый нагрев от Ткомн до Т = 700°С со скоростью 8°С/мин. Нагрев осуществлялся до полного удаления адсорбата из исследуемого образца, что фиксировали по восстановлению нулевой линии. Скорость подачи газов во всех случаях 0.5 мл/с. Это позволяет найти величину общей кислотности и функцию распределения кислотных центров по энергиям активации десорбции аммиака в интервале изменения энергии активации от минимального значения (Емин) до максимального (Емакс) и для всего интервала десорбции вычислить среднее значение ((£», характеризующее среднюю кислотную силу центров. Интервалы энергий активации десорбции разбивали на равные участки (по 5 кДж/моль), внутри которых центры считались однородными, а их сила определялась средним значением энергии активации, которое соответствует середине участка.

Измерение кислотных свойств цеолитов проводилось в лаборатории кинетики и катализа, кафедры физической химии Химического Факультета МГУ, к.х.н. Ющенко В.В. Данные ТПД-КИ3 обрабатывали методом согласования экспериментальной и расчетной форм кривых согласно [4].

Испытания катализаторов в конверсии ДМЭ проводили на лабораторной проточной установке высокого давления. В стальной реактор загружали 6 мл катализатора между слоями кварца. Реактор опрессовывали водородом на давление выше рабочего. Перед проведением тестирования металлсодержащего катализатора проводили предварительную активацию катализатора водородом. Образцы выдерживали 6 часов в токе водорода при Т = 400°С; Р = 0.1 МПа, скорость потока 6-8 л/ч. Затем температуру снижали до первого значения температуры, при котором проводили тестирование катализаторов, перекрывали подачу водорода и переключали на подачу азота или гелия. В токе инертного газа начинали подачу ди-метилового эфира по качеству, соответствующему ТУ 2434-059-05761643 - 2001. После 2-х ч работы катализатора при данной температуре проводили отбор выходящего из реактора газа на анализ и проводили съем жидких продуктов, измеряли объем и количество водного и углеводородного слоя, затем температуру поднимали до следующего значения. Испытание катализаторов проводили при следующих условиях: давление 0.1 МПа, тем-

пература 350, 375, 400 и 450°С, объемная скорость по диметиловому эфиру 3 л/ч, объемная скорость (V) по инертному газу 1500-3000 л/(лкат-ра* ч).

В составе выходящих из реактора газов содержатся азот, диметиловый эфир, алканы и олефины С2-С5 нормального и изо-строения, а также могут содержаться небольшие количества предельных углеводородов С5-С8, возможно также присутствие небольших количеств СО и СО2. Хромато-графический анализ газообразных углеводородных продуктов реакции проводили на хроматографе "Биохром", имеющем капиллярную колонку длиной 30 м, с неподвижной фазой Саг^^ах-20М и пламенно-ионизационный детектор (ПИД). Анализ проводили по следующей программе: после подачи дозы анализируемых газов термостат выдерживали при температуре 30°С в течении 2 мин, затем со скоростью 20°С/мин нагревали до 130°С и выдерживал при этой температуре 8 мин. Для количественной оценки содержания компонентов в газе предварительно была проведена калибровка по индивидуальным углеводородам. Точность определения концентрации отдельных компонентов газовой смеси не ниже 5%. На рис. 1 приведена типичная хроматограмма углеводородных газов, полученная на одном из образцов катализаторов.

Конверсия диметилового эфира (ХОМЕ) рассчитывается по отношению количества прореагировавшего диметилового эфира (углеводородной части) к количеству диметилового эфира (углеводородной части), поступившему в установку:

ХПмЕ = (ВМБвх -БМБВЬ1Х)* х 100/БМЕвх.

Общее количество углеводородов (вх) вычисляется как сумма количества углеводородов в газе, исходя из данных анализа выходящего из реактора газа (вгаз), и количества образующегося жидкого продукта (вЖид.):

_ ^газ + ^жид.

Выход продукта реакции определяется как отношение количества образовавшегося данного продукта за время испытаний при данной температуре к количеству углеводородной части диметилового эфира, поступившего в установку.

= ^^УВ в БМЕ.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 2 приведена рентгенограмма цеолита ЦВМ. На основании анализа интенсивности полос и их ширины образцы цеолита ЦВМ имеют высокую степень кристалличности, примесные недо-кристаллизованные аморфные фазы отсутствуют.

Интенсивность, мВ 6000

4000

2000

К

»о

О

X

и

I

X

чо

о

10

12 14 Время, мин

Рис. 1. Типичная хроматограмма углеводородных газов.

0

0

2

В ранее проводимых нами работах по разработке катализаторов для процессов изомеризации углеводородов бензиновых фракций [5, 6] было показано, что введение в каталитическую композицию различных модификаторов, в том числе фосфора, бора, циркония, редкоземельных элементов и других, изменяющих как общую кислотность цеолитов, так и спектр кислотности и природу кислотных центров, приводит к изменению ак-

тивности и селективности катализаторов. Поэтому в данном исследовании было интересно установить, как влияет введение модификатора в состав катализатора на активность катализаторов и выход по целевым продуктам при проведении сравнительного тестирования. В качестве модифицирующих агентов были взяты фосфор и цирконий.

На рис. 3 представлены термодесорбционные кривые исходного цеолита Н-ЦВМ и модифициро-

Интенсивность 4000

2000

ьЖа^

10

20

НЦВМ

30

40 50

20, град

Рис. 2. Рентгенограмма цеолита Н-ЦВМ.

ммоль МИз/г

0.8 г

7г-ЦВМ

100 200

300

400 500 600 Температура, °С

Рис. 3. Кривые температурно-программируемой десорбции аммиака на образцах Н-ЦВМ, Р-ЦВМ, гг-ЦВМ, р/гг-ЦВМ.

0

Таблица 1. Данные температурно-программируемой десорбции аммиака на обра

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