高效催化MTO反應(yīng)生產(chǎn)工藝研究

王小瑞，董 鵬

(1.蘭州石化技術(shù)職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060；2.蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州 730050)

1 引言

分子篩因具有高的比表面積、穩(wěn)定的化學(xué)性能、機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，常被用作酸催化劑，主要利用其內(nèi)外表面擁有的酸性進(jìn)行催化反應(yīng)。其次分子篩可以作為載體，如作為鉑、鈀、釕類金屬的載體，得到同時(shí)擁有金屬功能和酸性功能的雙功能催化劑。而作為分子篩獨(dú)特的性能擇形性，常被研究者重點(diǎn)關(guān)注。

ZSM-5分子篩擁有孔口尺寸可控、孔道結(jié)構(gòu)可變、酸性質(zhì)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)及水熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，是一種最具有前途的分子篩催化劑前驅(qū)體。因此，在化工領(lǐng)域中是一種重要的催化材料。為了能夠開(kāi)發(fā)適合于資源重整戰(zhàn)略部署的必需品乙烯和丙烯，MTO反應(yīng)勢(shì)必是一種可以替代石油的路線[1～5]。因?yàn)槲覈?guó)煤炭資源豐富因此擬甲醇制烯烴生產(chǎn)技術(shù)就變成了替代傳統(tǒng)路線的新工藝。然而，目前用于MTO反應(yīng)中催化劑均存在副產(chǎn)物多、催化劑容易積碳失活等缺點(diǎn)[3，4]，如SAPO系列催化劑。故采用刻蝕技術(shù)制備新型催化劑，主要研究在該催化劑催化作用下的工藝條件優(yōu)化。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 催化劑制備

HZSM-5(Si/Al=80)，在550 ℃溫度下焙燒4 h，備用。具體步驟位：向一定量的苯溶液中加一定量的3-氨丙基三乙氧基硅烷，攪拌均勻后，分別稱取一定量的HZSM-5分子篩，分別加入苯溶液中；將上述混合液在85 ℃的溫度攪拌25 h。分離同時(shí)將固體樣品在110 ℃溫度下干燥4 h；并在550 ℃溫度焙燒4 h，得到所制樣品，分別記作550-Z5(下列工藝條件優(yōu)化均采用3-氨丙基三乙氧基硅烷/HZSM-5=30%，質(zhì)量比)。

2.2 催化劑性能評(píng)價(jià)

550-Z5催化劑催化MTO反應(yīng)性能在固定床中評(píng)價(jià)。具體步驟為：稱取0.5 g催化劑樣品和5 g石英砂混合均勻，并均勻裝填于固定床一定位置。升溫，啟動(dòng)進(jìn)料、反應(yīng)并分析。采用GC7890Ⅱ氣相色譜儀在線檢測(cè)：檢測(cè)柱溫為40 ℃，進(jìn)樣器溫度200℃，檢測(cè)器溫度180 ℃。采用面積歸一法定量計(jì)算。

3 工藝條件研究結(jié)果

改性HZSM-5催化劑在MTO反應(yīng)中的催化性能結(jié)果見(jiàn)表1。可以看出，溫度對(duì)反應(yīng)的影響是一個(gè)非常重要的因素，當(dāng)溫度為490℃、常壓、氮?dú)饬髁?0 mL/min、WHSV=1.08 h-1、催化劑質(zhì)量0.5 g、石英砂5 g條件下，甲醇轉(zhuǎn)化率均為100%；乙烯和丙烯的選擇性最高為64.78%，烯烴的總選擇性為85.90。溫度過(guò)低，反應(yīng)速率低，溫度過(guò)高積碳嚴(yán)重。空速越高，芳烴含量大量增加，空速過(guò)小，不經(jīng)濟(jì)。壓力從經(jīng)濟(jì)方面考慮，常壓就可以完成此反應(yīng)。總之，MTO反應(yīng)的高效及合理生產(chǎn)是國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)，而工藝條件是該反應(yīng)的具體實(shí)施過(guò)程[6～10]。

表1 催化劑550-Z5催化MTO反應(yīng)工藝條件優(yōu)化結(jié)果

4 結(jié)論

采用KH-550為刻蝕劑制備了KH-550-HZSM-5系列催化劑。通過(guò)對(duì)改性后催化劑催化MTO工藝條件進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：在溫度為490 ℃、常壓、氮?dú)饬髁?0 mL/min、WHSV=1.08 h-1、催化劑質(zhì)量0.5 g、石英砂5 g條件下，甲醇的轉(zhuǎn)化率為100%，乙烯丙烯的選擇性約為64.95%，烯烴總選擇性為85.90%。基于此，本文主要在催化劑理論研究基礎(chǔ)上針對(duì)MTO反應(yīng)工藝條件提出了優(yōu)化結(jié)論，以期進(jìn)一步指導(dǎo)工藝流程實(shí)際改造，減少能耗及設(shè)備費(fèi)用，進(jìn)一步優(yōu)化MTO反應(yīng)工藝的高效性、簡(jiǎn)易性、經(jīng)濟(jì)性。