ZSM-5分子筛催化甲醇制丙烯过程研究

论文摘要

丙烯生产的主要原料是石油,而石油资源又十分有限,以甲醇为原料制取丙烯,即MTP （Methanol to Propylene）技术越来越受到关注。MTP技术的研究重点在于催化剂的开发,主要集中在ZSM-5分子筛催化剂的改性研究。本文以ZSM-5分子筛为催化剂,在固定床积分反应器上研究了催化剂硅铝比、各种元素改性对催化剂性能的影响,并确定了最佳工艺条件。考察硅铝比对催化剂性能的影响,发现硅铝比对丙烯的选择性有较大影响,硅铝比越大甲醇转化率越低,丙烯选择性却随硅铝比增加而增加。且不同硅铝比催化剂其最佳的反应温度存在一定差异。最终确定在硅铝比50和硅铝比200的ZSM-5催化剂反应温度分别选取400℃和450℃。采用非金属元素P,过渡金属Zn、Cu、Co、Ag,稀土元素Ce、La,碱及碱土金属K、Mg分别对两种硅铝比催化剂进行改性研究。表明K改性硅铝比200的ZSM-5催化剂具有最佳的丙烯收率。进一步考察了K浓度对改性催化剂性能的影响。最终确定质量分数2%的K改性硅铝比200的ZSM-5催化剂为甲醇制丙烯反应的适宜催化剂。通过热重测试考察了K改性对催化剂稳定性的影响,结果发现,2%K改性对催化剂的稳定性起到了进一步的促进作用。改性后催化剂积碳量更少,表面的活性中心在反应过程受到的影响更小,从而使催化剂的寿命增加。在2%K改性ZSM-5分子筛催化剂基础上,考察了反应温度、进料空速、原料组成等因素对改性催化剂反应性能的影响,发现温度升高有利于提高甲醇转化率和丙烯选择性,但温度升高的同时,催化剂的结焦失活也进一步加快。空速提高甲醇转化率和丙烯收率都下降,这种趋势在空速大于3h-1后加剧。同时水在原料中的比重增加,甲醇转化率和丙烯收率下降,而水可以作为热载体将反应热及时移除,确保催化剂的寿命更长。确定最佳工艺条件为：反应温度450℃,原料进料空速为3h-1,纯甲醇进料。以异丁烯模拟碳四烯烃回收过程,考察以2%K改性的ZSM-5分子筛为催化剂,反应温度450℃,甲醇进料空速3h-1,常压条件下固定床积分反应器中反应对甲醇转化率和丙烯选择性的影响。发现当异丁烯与进料甲醇摩尔比为0.1时,在保持甲醇转化率在98.7%的同时,丙烯选择性可达44.5%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 第一章 文献综述
• 1.1 研究背景
• 1.2 甲醇制丙烯的催化剂研究进展
• 1.2.1 沸石催化剂
• 1.2.2 SAPO系列催化剂
• 1.2.3 改性SAPO-34催化剂
• 1.2.3.1 高温水蒸气处理
• 1.2.3.2 高温氮化处理
• 1.2.3.3 金属元素改性
• 1.2.4 ZSM-5分子筛催化剂
• 1.2.5 改性ZSM-5催化剂
• 1.2.5.1 水蒸气处理
• 1.2.5.2 碱液处理
• 1.2.5.3 非金属元素改性
• 1.2.5.4 金属元素改性
• 1.3 甲醇制丙烯工艺研究以及进展
• 1.3.1 甲醇制丙烯实验室工艺条件研究进展
• 1.3.2 甲醇制丙烯工业化工艺进展
• 1.4 甲醇制丙烯机理研究
• 1.4.1 表面甲氧基和二甲醚生成
• 1.4.2 第一个C—C键的形成
• 1.4.3 C3和C4的生成
• 1.5 研究与创新
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验试剂与仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 ZSM-5改性分子筛制备
• 2.2.1 非金属元素改性催化剂制备
• 2.2.2 碱及碱土金属和过渡金属元素改性催化剂制备
• 2.2.3 稀土元素改性催化剂制备
• 2.3 ZSM-5分子筛的表征
• 2.4 甲醇制丙烯反应步骤
• 2.5 甲醇制丙烯反应产物分析
• 2.6 评价指标
• 第三章 催化剂筛选
• 3.1 ZSM-5分子筛硅铝比对甲醇制丙烯反应的影响
• 3.1.1 不同硅铝比催化剂的表征
• 3.1.2 不同硅铝比分子筛对甲醇制丙烯反应的影响
• 3.2 非金属元素改性催化剂对甲醇制丙烯反应的影响
• 3.2.1 非金属元素改性催化剂表征
• 3.2.2 非金属元素改性催化剂对甲醇制丙烯反应的影响
• 3.3. 过渡金属元素改性催化剂对甲醇制丙烯反应的影响
• 3.3.1 过渡金属元素改性催化剂表征
• 3.3.2 过渡金属元素改性催化剂对甲醇制丙烯反应的影响
• 3.4 稀土元素改性催化剂对甲醇制丙烯反应的影响
• 3.4.1 稀土金属元素改性催化剂表征
• 3.4.2 稀土元素改性催化剂对甲醇制丙烯反应的影响
• 3.5 碱及碱土金属元素改性催化剂对甲醇制丙烯反应的影响
• 3.5.1 碱及碱土金属元素改性催化剂表征
• 3.5.2 碱及碱土金属元素改性催化剂对甲醇制丙烯反应的影响
• 3.6 不同浓度钾改性催化剂对甲醇制丙烯反应的影响
• 3.6.1 不同浓度钾改性催化剂表征
• 3.6.2 不同浓度钾改性催化剂对甲醇制丙烯反应影响
• 3.7 改性催化剂稳定性考察
• 3.8 小结
• 第四章 工艺条件优化
• 4.1 温度对甲醇制丙烯反应的影响
• 4.2 空速对甲醇制丙烯反应的影响
• 4.3 原料组成对甲醇制丙烯反应的影响
• 4.4 加入异丁烯对甲醇制丙烯反应的影响
• 4.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢