научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА АЛЮМОХРОМОВОГО КАТАЛИЗАТОРА ДЕГИДРИРОВАНИЯ НИЗШИХ ПАРАФИНОВ Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА АЛЮМОХРОМОВОГО КАТАЛИЗАТОРА ДЕГИДРИРОВАНИЯ НИЗШИХ ПАРАФИНОВ»

УДК 547.313+ 661.7:678.6+66.094.18

ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА АЛЮМОХРОМОВОГО КАТАЛИЗАТОРА ДЕГИДРИРОВАНИЯ НИЗШИХ ПАРАФИНОВ © 2013 г. С. Р. Егорова*, Г. Э. Бекмухамедов, А. А. Ламберов

Казанский (Приволжский) федеральный университет *Е-таИ: Segorova@rambler.ru Поступила в редакцию 29.11.2011 г.

Комплексом современных физико-химических методов (дифракция рентгеновских лучей, низкотемпературная адсорбция азота, УФ-Вид-спектроскопия диффузного отражения, Раман- и ЭПР-спектроскопия) исследована кристаллическая и пористая структура микросферического алюмо-хромового катализатора, прокаленного при 800—1100°С, изучены состояние его активного компонента и каталитические свойства в реакции дегидрирования изобутана. При повышении температуры прокаливания с 800 до 900—1000°С свойства катализатора улучшаются вследствие формирования кластеров Сг203 в оптимальном количестве и снижения поверхностной кислотности катализатора в результате дегидроксилирования и фазовых превращений алюмооксидного носителя. Прокаливание при 1100°С сопровождается уменьшением выхода изобутилена вследствие образования неактивного крупнокристаллического оксида хрома(Ш), а также формирования недоступной для реагирующих молекул формы хрома, "капсулированной" в замкнутых порах и входящей в состав твердого раствора а-Л1203—Сг203.

БО1: 10.7868/80453881113010073

Катализаторы, содержащие в качестве активного компонента кислородные соединения хрома, имеют большое промышленное значение и находят широкое применение в процессах органического синтеза. По объемам потребления микросферические алюмохромовые катализаторы занимают лидирующее положение в нефтехимической отрасли РФ [1], а дегидрирование низших парафинов в кипящем слое алюмохромового катализатора является основным способом получения олефинов С3—С5. В свою очередь, пропилен, бутены и пентены служат мономерами для синтеза таких крупнотоннажных продуктов органического синтеза как спирты, кетоны, нитрилы, а также высокооктановые компоненты моторных топлив, синтетических каучуков и других полимерных материалов [2—4]. Непрерывно растущая потребность в низших олефинах [5—7] стимулирует поиск способов улучшения эксплуатационных свойств алюмохромовых катализаторов дегидрирования. Проблема может быть решена путем использования алюмооксидных носителей с меньшей удельной поверхностью или термической обработки готового катализатора [8—10]. Так, было отмечено повышение активности и селективности алюмохромовых катализаторов дегидрирования при нанесении активного компонента на высокотемпературные формы алюмоок-сидных носителей [8, 9], а в работе [10] обнаружено возрастание селективности алюмо-

хромового катализатора дегидрирования н-бута-на после его прокаливания при 800—900°С. Однако единого мнения о причинах повышения активности и селективности таких катализаторов не существует.

Целью настоящей работы было изучение влияния прокаливания алюмохромового катализатора при 800—1100°С на состояние активного компонента, а также на кристаллическую и пористую структуру, активность и селективность катализатора в реакции дегидрирования изобутана.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Объектом исследования был выбран микросферический алюмохромовый катализатор дегидрирования изобутана с размером гранул от 40 до 200 мкм. Для его синтеза использовали монофазный бемитный носитель, полученный по технологии последовательной термической и гидротермальной обработки тригидроксида алюминия в промышленных условиях [11] в автоклаве в течение 3 ч при 195°С. Катализатор готовили методом пропитки носителя водным раствором хромового ангидрида и карбоната калия с последующей сушкой в вакууме. Носитель, помещенный в камеру роторно-вакуумного испарителя, подвергали дегазации, а затем при остаточном давлении около 40 кПа вводили водные растворы предшественников активного компонента (хромовой

51

4*

кислоты) и промотора (карбоната калия) в количествах, отвечающих влагоемкости носителя. После пропитки катализатор сушили в вакууме при остаточном давлении 10—20 кПа, а затем термоак-тивировали. Содержание в катализаторе Cr2O3 составляло 9.1 мас. %, К2О — 0.9 мас. %. Такие концентрации были выбраны на основании предварительных лабораторных экспериментов по оптимизации химического состава катализатора. Образец данного состава обладал наилучшими показателями активности и селективности.

Готовый катализатор прокаливали в муфельной печи, нагревание до 800—1100°С производили со скоростью 4°С/мин в атмосфере воздуха, выдерживая образцы при заданной температуре в течение 1 ч.

Кривые интенсивности рассеяния рентгеновских лучей снимали на модернизированном автоматическом рентгеновском дифрактометре, созданном на базе серийного прибора ДРОН-2 (Россия) и снабженном графитовым монохроматором, используя длинноволновое излучение Cu^a. Вращение образца и счетчика осуществляли независимо. Диапазон углов 29 составлял от 5° до 95°, ди-фрактограммы записывали в режиме 30 кВ, 15 мА. В качестве эталона для определения размеров кристаллитов применяли отожженную медную фольгу. Идентификацию проводили по дифракционным линиям кристаллических фаз y-Al2O3 (ICSD № 66559), 9-Al2O3 (ICSD № 82504), 8-Al2O3 (ICSD № 82604) и a-Al2O3 (ICSD № 31545).

Удельную поверхность (5уд) и объем пор (Уп) измеряли по адсорбции—десорбции азота на универсальном анализаторе ASAP 2400 ("Micromeritics", США). При расчете ^уд площадь поверхности молекулы азота принимали равной 0.162 нм2, плотность азота в нормальном жидком состоянии — 0.808 г/см3. Точность измерения ^уд составляла ±3%. Изотермы адсорбции были получены при температуре —196°С после дегазации образца при 500°С до остаточного давления 0.013 Па. Расчеты объема пор и распределения объема пор по их диаметрам проводили на основании десорбционной ветви изотермы, пользуясь стандартной процедурой Баррета—Джойнера—Хайленда (точность измерения ±13%).

Для определения общего содержания Cr(VI) к навеске катализатора (0.4—0.6 г) приливали растворы серной кислоты и пирофосфата натрия при перемешивании. Затем добавляли раствор иодида калия, снова перемешивали и выдерживали в темноте в течение 5 мин. Выделившийся свободный иод титровали раствором тиосульфата в присутствии крахмала до обесцвечивания раствора. Для определения содержания растворимого шестивалентного хрома аналогичным способом анализировали водные вытяжки из образцов катализатора. Концентрацию связанного Cr(VI) опреде-

ляли по разности между его общим содержанием и содержанием растворимого Cr(VI).

УФ-Вид-спектры диффузного отражения были получены на сканирующем двухлучевом спектрофотометре V-650 ("Jasco", Япония), соединенным с интегрирующей сферой ISV-722 ("Jasco") диаметром 60 мм, покрытой изнутри BaSO4. В качестве стандарта использовали пластину из BaSO4. Для съемки спектров образцы катализатора и оксида хрома(Ш) размером 40—100 мкм помещали в держатель с кварцевым окном. Спектры фиксировали в диапазоне длин волн 200—800 нм (волновые числа 12500—50000 см-1) со спектральным разрешением 2 нм. Данные по диффузному отражению образцов катализатора и оксида хро-ма(Ш) в УФ-Вид-области представляли в виде зависимости функции Кубелки-Мунка от волнового числа. УФ-Вид-спектры образцов катализатора и оксида хрома были разложены на гауссовы компоненты для определения положения и интенсивности максимумов полос поглощения.

Рамановские спектры снимали на дисперсионном микроспектрофотометре комбинационного рассеяния Nicolet Almega XR ("Thermo Fisher Scientific", США). Исследуемые образцы помещали на предметный столик микроскопа Olympus BX-51 (Япония), cнабженного объективом с 50-кратным увеличением. Для возбуждения спектра использовали лазер с длиной волны 532 нм (2-ая гармоника Nd-YAG), диаметр фокусированного лазерного пятна на образце составлял ~1 мкм. Мощность излучения лазера на образце не превышала 10 мВт. Спектры фиксировали в диапазоне сдвигов 100-1100 см-1 со спектральным разрешением 2 см-1. Каждый спектр получали усреднением 10 результатов измерений длительностью 10 с.

Спектры ЭПР регистрировали при температуре -196°С на радиоспектрометре РЭ-1306 (СКБ аналитического приборостроения, Россия) с рабочей частотой 9.37 ГГц, частотой модуляции 100 кГц и амплитудой 0.5 мТл. Интенсивность магнитного поля измеряли частотомером Ч3-35А ("Акип", Россия), а микроволновую частоту - измерителем магнитной индукции Ш1-1 ("Измеритель", Россия). Диапазоны развертки спектрометра калибровали по свободному радикалу дифенилпик-рилгидразилу.

Содержание углерода в катализаторах определяли на приборе HORIBA EMIA-510 (Япония) с детектором по теплопроводности, пользуясь методикой ASTM [12]. Пробы катализатора массой ~1 г сжигали в токе кислорода при температуре 1450°С в течение 60 с.

Испытания катализаторов в реакции дегидрирования изобутана проводили на лабораторной установке проточного типа в псевдоожиженном слое катализатора, используя кварцевый трубчатый реактор с внутренним диаметром 30 мм. В

нижнюю часть реактора с целью равномерного распределения газа по диаметру, создания однородного кипящего слоя и предотвращения образования пузырей была вмонтирована керамическая распределительная решетка с диаметром отверстий 100—200 мкм и долей свободного сечения 30%. Объем загружаемого образца составлял 100 см3, объемная скорость подачи изобутана — 400 ч-1, температура реакции — 570°С. Для поддержания постоянной температуры в реакторе применяли трубчатую печь общей высотой 840 мм (высота температурного плато печи 500 мм), соединенную с ПИД-регулятором. Термопара располагалась в середине псевдоожиженного слоя. В процессе реакции перепады температуры в слое катализатора благодаря его интенсивному кипению и перемешиванию не превышали 2°С.

Цикл дегидрирования включал следующие операции: дегидрирование (15 мин), продувка азотом (5 мин), регенерация воздухом (30 мин) и продувка азотом (5 мин). Затем цикл повторяли. В ходе дегидрирования в период времени с 6 по 15 мин включительно отбирали пробы контактного газа. Для проведения реакции использовали промышленную изобутановую фракцию следующего состава, мас. %: и

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