碳?xì)淙剂狭呀饨Y(jié)焦特性分析

賈貞健 范勐

摘? 要：該文研究中選擇SAPO-34、HZSM-5、USY這3種孔徑不同的分子篩催化劑進(jìn)行碳?xì)淙剂系牧呀饨Y(jié)焦特性分析，研究反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度等外界因素對研究催化劑結(jié)焦特性的影響。研究結(jié)果顯示，700℃條件下這3種催化劑均能夠得到最大的結(jié)焦量，其中USY型分子篩催化劑則能夠達(dá)到達(dá)55μL/mg的結(jié)焦量。分子篩的結(jié)焦過程還受到表面酸性、孔徑大小等分子篩的自身性質(zhì)、時間、裂解溫度等因素的影響。此次實(shí)驗(yàn)可用于碳?xì)淙剂洗呋呀獯呋瘎┑倪x擇。

關(guān)鍵詞：碳?xì)淙剂? 裂解結(jié)焦特性? 表面酸性? 孔徑大小

中圖分類號：O346.1 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）02（a）-0064-02

碳?xì)淙剂鲜且环N可代替石化柴油的生物液體燃料，是一種石油能源的替代品。其是以各種脂類化合物與甲醇作為原材料，在催化劑作用下，通過脂交換反應(yīng)生產(chǎn)的一種液體燃料，金黃色，顯中性[1]。燃燒時，無黑煙、無異味、無有害氣體排出。經(jīng)檢測各項(xiàng)理化指標(biāo)均達(dá)國家標(biāo)準(zhǔn)。屬生物質(zhì)可再生能源，所需原材料來源廣，價格便宜。能廣泛用于各種柴油運(yùn)輸車輛、農(nóng)業(yè)機(jī)械、發(fā)電機(jī)組等柴油內(nèi)燃機(jī)，同時還可以用于工業(yè)鍋爐及民用鍋爐、賓館、酒店、機(jī)關(guān)、學(xué)校食堂、大排檔及家庭作為非動力燃料使用[2]。該次研究設(shè)計(jì)了碳?xì)淙剂献龃呋呀鈱?shí)驗(yàn)，研究注氧燒焦的方法對結(jié)焦?fàn)顩r的影響。

1? 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

該文研究目的在于探索不同催化劑下碳?xì)淙剂系牟煌Y(jié)焦量。為此在實(shí)驗(yàn)裝置中將催化裂解與結(jié)焦測定進(jìn)行同步進(jìn)行。為實(shí)驗(yàn)設(shè)置催化裂解反應(yīng)室、控溫系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、在線分析檢測系統(tǒng)。

運(yùn)用高壓計(jì)量平流泵輸送燃料，實(shí)驗(yàn)中載氣設(shè)置為高純N2，設(shè)置0.2MPa壓力值、20mL/min流速。在汽化室汽化之后通入至石英反應(yīng)管之中。設(shè)置300℃的汽化室溫度，設(shè)置400℃～800℃的反應(yīng)管溫度[3]。

將裂解產(chǎn)物進(jìn)行防空處理之后，進(jìn)行分流處理，之后進(jìn)行色譜分析。通過裂解反應(yīng)，進(jìn)行30min通N2將裂解反應(yīng)的殘留物清理干凈，之后將氧氣注入進(jìn)行燒焦，反應(yīng)會生成CO2，之后再利用甲烷轉(zhuǎn)化器，將CO2轉(zhuǎn)化為甲烷氣體，針對甲烷含量，運(yùn)用色譜進(jìn)行衡量，判斷催化劑結(jié)焦量。以μL/mg計(jì)算甲烷體積[4]。

1.2 實(shí)驗(yàn)原料

該研究中選擇吸熱型碳?xì)淙剂蟂-1作為原料，其分子量為173.16Mw，密度為0.8108ρ20/g·cm-3，粘性為2.122

ν20/mm2·s-1，閃點(diǎn)為47Tf/℃，散熱器溫度為700℃，氫含量為13.77w/%，沸點(diǎn)為222.82Tb/℃。

可見，S-1型燃料的密度較高，這能夠有效提升燃料體積熱值，同時其熱沉值也較高，是一種較為典型的碳?xì)淙剂稀?/p>

該研究中選擇了溫州華華催化劑廠制造的HZSM-5催化劑、天津催化劑廠制造的USY型催化劑以及實(shí)驗(yàn)自行合成的SAPO-34。

2? 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)溫度對分子篩結(jié)焦的影響

反應(yīng)溫度在碳?xì)淙剂洗呋呀膺^程中具有重要影響，對催化劑上焦沉積量具有、顯著影響。在其他反應(yīng)條件固定的情況下，反應(yīng)溫度與催化劑的結(jié)焦現(xiàn)象成正比，在反應(yīng)溫度越高的情況下，就會出現(xiàn)越為嚴(yán)重的催化劑結(jié)焦現(xiàn)象。該研究中分別設(shè)置了450℃、500℃、550℃、600℃、650℃的700℃反應(yīng)溫度，對USY型、HZSM-5、SAPO-34分子篩催化劑進(jìn)行分別研究。針對碳?xì)淙剂蟂-1做催化裂解反應(yīng)。設(shè)置5min的裂解時間，測定各分子篩結(jié)焦量。

從數(shù)據(jù)中可以看出，隨著溫度的升高，3種催化劑的結(jié)焦量均增加，在550℃～600℃溫度范圍內(nèi)，結(jié)焦量增加較為明顯。這是由于催化劑的反應(yīng)活性在這一溫度下更為明顯，因此提升了裂解反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。結(jié)焦前驅(qū)物的含量也隨之明顯增加。因此相應(yīng)的結(jié)焦量隨之提升。

在不同的反應(yīng)溫度下，，USY型分子篩的結(jié)焦量均較高，其中最低的是SAPO-34結(jié)焦量，分子篩孔徑大小是其中重要決定因素之一。HZSM-5和SAPO-34為中小孔徑，USY型催化劑的孔徑則較大[5]。

2.2 反應(yīng)時間對分子篩結(jié)焦量的影響

在相同的反應(yīng)時間內(nèi)，SAPO-34結(jié)焦量與USY型、HZSM-5型結(jié)焦量的變化趨勢不同，這與SAPO-34分子篩孔道的空間結(jié)構(gòu)有一定關(guān)系。隨著裂解反應(yīng)的不斷推進(jìn)，結(jié)焦量一般隨之增加。一旦覆蓋了分子篩表面，催化劑的活性也隨之喪失，出現(xiàn)了結(jié)焦量較為穩(wěn)定的局面。

2.3 產(chǎn)物中小分子因素的影響

烴類燃料結(jié)焦過程屬于一種催化反應(yīng)過程，具有多項(xiàng)化學(xué)步驟。結(jié)焦反應(yīng)過程一般逐漸生成低碳烯烴、多烯物種與低環(huán)芳烴、焦炭沉積物。可見S-1吸熱型碳?xì)淙剂现袝饾u生成小分子產(chǎn)物，在對分子篩催化劑結(jié)焦趨勢的判斷預(yù)測中可以運(yùn)用低級烯烴含量。

不同的溫度催化劑轉(zhuǎn)化率不同，500℃時，SAPO-34轉(zhuǎn)化率為3.79%，HZSM-5轉(zhuǎn)化率為99.9%，USY轉(zhuǎn)化率為12.17%;600℃時，SAPO-34轉(zhuǎn)化率為15.27%，HZSM-5轉(zhuǎn)化率為100%，USY轉(zhuǎn)化率為24.01%;700℃時，SAPO-34轉(zhuǎn)化率為59.44%，HZSM-5轉(zhuǎn)化率為100%，USY轉(zhuǎn)化率為83.31%。

可見不同的溫度條件下，700℃條件下3種催化劑均得到最大的結(jié)焦量，其中USY型分子篩催化劑結(jié)焦量為55μL/mg。SAPO-34、HZSM-5、USY的轉(zhuǎn)化率，USY型分子篩、SAPO-34的烯烴選擇性較為相似，隨著催化裂解的進(jìn)行，USY型分子篩結(jié)焦量比SAPO-34更高。分子篩結(jié)構(gòu)差異、催化裂解反應(yīng)總轉(zhuǎn)化率等共同促進(jìn)了這些差異的形成。

從數(shù)據(jù)中還能夠看出，SAPO-34催化劑裂解反應(yīng)過程中具有最低的轉(zhuǎn)化率。此時的烯烴生成中具有最低的烯烴含量，可知與其他兩種催化劑相比，結(jié)焦量最低。

3? 結(jié)語

該研究中通過測焦裝置的建立分析不同分子篩催化劑的結(jié)焦情況，可知分子篩的結(jié)焦過程受到表面酸性、孔徑大小等分子篩的自身性質(zhì)的影響，同時還受到時間、裂解溫度等外界因素的影響。結(jié)焦前驅(qū)物分布量對催化劑結(jié)焦情況也具有重要的影響作用。

參考文獻(xiàn)

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