原料性質對正構烷烴加氫異構化選擇性影響的研究

胡子煜，畢云飛，黃衛國，夏國富

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

原料性質對正構烷烴加氫異構化選擇性影響的研究

胡子煜，畢云飛，黃衛國，夏國富

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

對不同結構的烷烴在分子篩催化劑上的加氫異構化反應進行研究，考察正構烷烴鏈長變化對其加氫異構化選擇性的影響、長鏈正構烷烴與短鏈正構烷烴之間的影響、正構烷烴與異構烷烴之間的影響。結果表明：正構烷烴的碳鏈越長其降凝越困難；混合原料中長鏈正構烷烴與短鏈正構烷烴相互影響、正構烷烴與異構烷烴相互影響，長鏈烷烴存在時會影響短鏈烷烴的反應活性，而異構烷烴的存在對正構烷烴反應活性無影響，但對正構烷烴的異構產物分布有影響；在轉化率相當的條件下，混合原料的異構產物分布比單純正構烷烴的異構烷烴分布更加有利于降低凝點。

正構烷烴 鏈長 加氫異構化 異構烷烴 混合原料

為了生產高質量的汽油、煤油、柴油和潤滑油等石油產品，加氫異構化技術越來越受到重視[1]。對于石腦油餾分，由于相同碳數異構烴的辛烷值高于正構烷烴，因此可以利用加氫異構化技術提高汽油的辛烷值；對于柴油和潤滑油餾分，由于相同碳數的異構烴的凝點低于正構烷烴，因此可以利用加氫異構化技術降低柴油和潤滑油的凝點，改善產品的結構[2-3]。

烷烴的加氫異構化反應成為近年來的研究熱點，但這些研究大多考察催化劑性質變化[4-5]對單一模型化合物的加氫異構化反應性能的影響，黃衛國等[6]考察了不同孔結構的分子篩催化劑(Pt/Y，Pt/MCM-22，Pt/β，PtSAPO-11，PtZSM-5)對n-C16的加氫異構化反應的催化性能。Sourerjins等[7]考察了PtH-ZSM-22上n-C17的臨氫異構化反應，發現該催化劑具有較強的加氫異構化選擇性。原料性質變化對加氫異構化選擇性也有較大的影響[8-9]。本課題以正癸烷、正十二烷、正十四烷、正十六烷、正十八烷、正二十烷為模型化合物，考察正構烷烴鏈長變化對加氫異構化選擇性的影響；選擇正十六烷和正二十烷的異構產物混合樣為反應原料，考察正構烷烴與異構烷烴之間的影響；分別選擇摩爾比為1∶1的n-C10與n-C16混合原料和摩爾比為1∶1的n-C18與n-C20混合原料為反應原料，考察長鏈正構烷烴與短鏈正構烷烴之間的影響。

1 實 驗

1.1 催化劑制備

ZSM-22分子篩由中國石化石油化工科學研究院和中國石化長嶺分公司提供。分別將ZSM-22與一定量的氧化鋁混合，擠壓成型，然后進行干燥和焙燒，制成載體；將金屬Pt以飽和浸漬法引入載體中，進行干燥和焙燒后即制得成品催化劑。

1.2 催化劑性能評價

催化劑的活性評價在連續流動式固定床微型反應裝置上進行。具體步驟為：將1.5 g 40～60目的PtZSM-22催化劑裝入固定床微型反應器的恒溫區中，反應器兩端裝填石英砂，通入氫氣，將催化劑在特定溫度下還原4 h，然后調至反應溫度，開始進正構烷烴，待反應穩定后取氣體和液體樣品進行分析，然后變換反應原料，置換一定時間后，再取氣體和液體樣品進行分析，根據分析結果，計算反應的轉化率和選擇性。

采用色譜-質譜聯用儀對液體產物進行定性分析。采用Agilent7890氣相色譜儀對液體產物進行定量分析。色譜柱選用HP-1毛細管柱，固定相為二甲基聚硅氧烷，柱長30 m，內徑0.32 mm，液膜厚度0.25 μm。色譜條件：初始溫度50 ℃，以2 ℃min的速率升溫至220 ℃，并保持5 min。載氣(N2)、燃氣(H2)及助燃氣(空氣)的比例為V(N2)∶V(H2)∶V(空氣)=1∶1∶10。檢測器為氫火焰離子化檢測器(FID)。

2 結果與討論

2.1 不同鏈長正構烷烴的反應性能

選擇n-C10，n-C12，n-C14，n-C16，n-C18，n-C20為模型化合物，考察不同鏈長正構烷烴在PtZSM-22上的反應性能，反應溫度為300 ℃，反應壓力為1 MPa，評價結果見圖1。

圖1 不同鏈長正構烷烴在PtZSM-22上的反應性能■—轉化率； ●—選擇性

由圖1可以看出：隨著碳鏈長度的增長，其轉化率增加，n-C10的轉化率只有70%，而n-C20的轉化率高達92%，從n-C10到n-C12，轉化率的增幅尤為明顯，而從n-C12到n-C20，轉化率只有小幅度的增加；隨著碳鏈長度的增長，其選擇性變化不大，n-C10加氫異構選擇性為80.5%，n-C20加氫異構選擇性為84.0%，故鏈長對選擇性影響較小。

不同鏈長正構烷烴的異構產物中異構烴分布見表1。由表1可知，當正構烷烴轉化率都在90%左右時，隨著碳鏈的增長，其異構產物中多支鏈烴的含量變化不大，由于支鏈位置的增加，其端位異構烷烴的含量不斷減少。

表1 不同鏈長正構烷烴的異構產物中異構烴分布 w，%

1) 4-MeCn與5-MeCn之和。

2) 5-MeCn與其它單支異構烴之和。

n-C16，n-C18，n-C20異構產物的降凝幅度見表2。由表2可知，隨著碳鏈的增長，其降凝幅度減小，n-C16的降凝幅度為-64 ℃，而n-C20的降凝幅度只有-45 ℃。不同鏈長異構烷烴的降凝幅度與甲基支鏈位置的關系見圖2[10]。由圖2可以看出，對于相同甲基位置的異構烷烴，隨著鏈的增長，其降凝幅度減小。在產物類型相同時，長鏈烷烴降凝幅度小于短鏈烷烴，而由于長鏈烷烴本身的凝點遠高于短鏈烷烴[11]，故長鏈烷烴對降凝幅度的要求遠大于短鏈烷烴，說明鏈越長降凝越困難。

表2 n-C16，n-C18，n-C20的降凝幅度

圖2 甲基支鏈位置與降凝幅度的關系■—C10； ●—C12； ▲—C14； ； ◆—C18；

2.2 不同烷烴間的相互作用

2.2.1 不同鏈長正構烷烴之間的影響 分別選擇摩爾比為1∶1的n-C10與n-C16混合原料和摩爾比為1∶1的n-C18與n-C20混合原料，考察長鏈正構烷烴與短鏈正構烷烴之間的影響，混合原料與單純正構烷烴的評價結果見表3。由表3可見：長鏈烷烴存在時會影響短鏈烷烴的反應活性，而短鏈烷烴的存在對長鏈烷烴的反應活性幾乎沒有影響；混合原料中不同組分的碳原子數差距越大時，這種影響越明顯，300 ℃時n-C18與n-C20混合原料中n-C18的轉化率比單純n-C18的轉化率低6百分點，而n-C10與n-C16混合原料中n-C10的轉化率比單純n-C10的轉化率低43百分點，當反應溫度上升時這種差距減小。這種差異主要是由于長鏈烷烴與短鏈烷烴的競爭吸附導致的，長鏈烷烴在分子篩上的吸附能力比短鏈烷烴強，長鏈烷烴的存在會影響短鏈烷烴進入分子篩孔道內的幾率，故混合原料中短鏈烷烴的轉化率比單純短鏈烷烴的轉化率低。

表3 混合原料與單純正構烷烴原料的評價結果

2.2.2 正構烷烴與異構烷烴之間的影響 選擇n-C16、n-C20異構產物混合樣作為反應原料，分別以原料1、原料2表示，其反應后產物分別以產物1、產物2表示，反應前后C16、C20混合樣的組成如表4所示，反應條件不變。

表4 反應前后C16和C20混合樣中各類烷烴的含量 w，%

對比表4中反應前后C16混合樣和C20混合樣中n-Cn的含量，C16混樣中n-C16的轉化率為90%，與純凈n-C16原料的轉化率是一致的，C20的轉化率為92.5%，與純凈C20原料的轉化率也相近，說明異構烷烴的存在對正構烷烴反應活性無影響。對比表4中反應前后C16混合樣和C20混合樣中各類異構烷烴含量，可以看出，反應前后端位甲基異構烷烴含量變化不大，而反應后中端甲基異構烷烴和多支鏈異構烷烴含量均明顯增加，說明異構烷烴的存在對正構烷烴的異構產物分布有影響，使異構產物分布更加有利于降低凝點。

3 結 論

(1) 在相同的反應條件下，隨著正構烷烴碳鏈長度的增加，其轉化率增加，選擇性變化不大。在產物類型相同時，長鏈烷烴的降凝幅度小于短鏈烷烴，說明鏈越長降凝越困難。

(2) 長鏈烷烴存在時會影響短鏈烷烴的反應活性，混合原料中短鏈烷烴的轉化率比單純短鏈烷烴的轉化率低，而短鏈烷烴的存在對長鏈烷烴的反應活性沒有影響，混合原料中不同組分的碳原子數差距越大這種影響越明顯，當反應溫度上升時這種影響減小。

(3) 異構烷烴的存在對正構烷烴反應活性無影響，而對正構烷烴的異構產物分布有影響，在轉化率相當的條件下，混合原料的異構產物分布比單純正構烷烴的異構烷烴分布更加有利于降低凝點。

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STUDY ON EFFECT OF ALKANE STRUCTURE ON HYDROISOMERIZATION SELECTIVITY

Hu Ziyu， Bi Yunfei， Huang Weiguo， Xia Guofu

(SINOPECResearchInstituteofPetroleumProcessing，Beijing100083)

The hydroisomerization reactions of alkanes， single or mixed ones， with different structure on zeolite catalyst were studied. It is found that the chain lengths of alkanes have an obvious influence on the hydroisomerization selectivity of alkanes and that there is a mutual influence on isomerization reaction even between alkanes with different chain length and between normal and iso-alkanes. The data show that the longer the chain of the alkane， the more difficult to reduce the pour point of the alkane. The results indicate that long-chain n-alkanes can influence the reaction activity of the short-chain ones. The iso-alkanes in the mixed feed only influence the isomerization reactivity of the n-alkanes， but have an impact on the product distribution. At close conversion rate， the iso-product distribution of mixed material is more beneficial to reduce the pour point than that of the individual alkane.

normal alkane； chain length； hydroisomerization； iso-alkane； mixed material

2014-03-07； 修改稿收到日期： 2014-04-23。

胡子煜，碩士，主要從事異構降凝催化劑的基礎規律研究工作。

胡子煜，E-mail：huzy.ripp@sinopec.com。