Zn/Mn/ZSM-5催化生物乙醇脱水制乙烯的研究

论文摘要

石油资源危机将给以石油为原料的乙烯工业带来巨大冲击,而生物质发酵乙醇可以作为生产乙烯的原料,并且具有可再生性,因此,石油的不可再生性给乙醇脱水制乙烯技术路线的发展创造了机会。目前乙醇制乙烯的技术路线得到了国内外广泛关注。本研究以金属离子溶液交换法复合改性的Zn/Mn/ZSM-5为催化剂,在常压固定床反应器中进行脱水反应。主要考察了催化剂改性条件和脱水工艺条件并分别进行优化,从而取得了良好的效果:同时在最优的工艺条件下考察了催化剂的单程寿命和使用周期,并简单地探讨了动力学和脱水机理。这种工艺具有能耗低、设备简单易控制等特点,为开发出具有重要经济价值和战略意义的生物乙醇脱水制备乙烯新工艺及工业化生产奠定了基础,因此可以作为生物质产业的一个重要发展方向。催化剂改性结果表明,当HzSM-5原粉硅铝比为25、在改性温度为60℃,Zn（N03）2和MnCl2浓度分别为2%和4%,改性1.5h,然后在550℃下焙烧获得的分子筛催化效果最好,乙醇转化率和乙烯选择性分别达到99%和93%以上。脱水实验表明,在乙醇浓度为5%～95%均有良好的脱水效果;当质量空速分别为2.31h-1和2.64h-1,反应温度为250℃,载气流速为O.5L/min时,生物乙醇和乙醇溶液的转化率和乙烯的选择性均在99%以上。催化剂单程使用72h后,活性下降了近50%:在未焙烧的情况下,ZnMnZSM-5连续使用5次后,活性也有所下降。对轻微失活的催化剂进行焙烧处理,其催化活性基本得到了恢复。对反应前后的ZnMnZSM-5催化剂进行表征,结果表明Zn2+,Mn2+进入了分了筛骨架中,分子筛能很好保持原有的结构,并且B酸中心量减少,L酸中心量增多,这有利于乙醇催化脱水制乙烯。反应后活性下降的催化剂表面发生积炭,经NH3-TPD分析,积炭的催化剂强酸位和弱酸位均下降。通过IR分析积炭物质可能为含有乙烯的聚合物和含有酯基的物质。宏观动力学测试结果表明,整个过程脱水反应的平均活化能为-312.5KJ/mol,负号表明为放热反应:乙醇在230℃～240℃和250℃～270℃的宏观动力学方程分别为:Rm=7.3 1exp（3.759×104/T）C1.2m,Rm=7.3 1exp（3.759x 104/T）C0.6m。可能在低温区域发生两步反应,而在高温区域发生直接脱水,但具体的脱水机理有待于进一步分析。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 乙烯研究现状
• 1.1.1 乙烯概述
• 1.1.2 国内外乙烯供需状况
• 1.1.2.1 国外乙烯供需状况
• 1.1.2.2 国内乙烯供需状况
• 1.1.3 国内外乙烯技术研究现状
• 1.2 催化剂改性技术研究现状
• 1.2.1 ZSM-5 概述
• 1.2.2 催化剂改性技术
• 1.3 乙醇脱水研究现状
• 1.3.1 国内外研究现状
• 1.3.2 磷酸体系催化剂
• 1.3.3 沸石分子筛
• 1.4 反应动力学及机理
• 1.4.1 概述
• 1.4.2 反应动力学表达式的确定
• 1.4.3 动力学实验数据处理方法
• 1.4.4 反应机理
• 1.5 课题背景意义及市场前景
• 1.5.1 背景意义
• 1.5.2 市场前景
• 1.6 课题研究内容及创新点
• 1.6.1 研究内容
• 1.6.2 研究目标
• 1.6.3 创新点
• 第二章 金属离子溶液浸渍改性HZSM-5 分子筛
• 2.1 前言
• 2.2 方法
• 2.2.1 实验药品
• 2.2.2 仪器设备
• 2.2.3 反应装置
• 2.2.4 实验方法
• 2.2.5 分析方法
• 2.3 结果讨论
• 2.3.1 催化剂颗粒大小对催化效果的影响
• 2.3.2 金属溶液种类对催化效果的影响
• 2.3.3 硅铝比对催化效果的影响
• 2.3.4 改性条件对催化效果的影响
• 2.3.5 改性条件的优化
• 2.4 本章小结
• 第三章 Zn／Mn／zSM-5 催化剂的表征
• 3.1 前言
• 3.2 表征内容及方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 XRD 分析
• 3.3.2 比表面测试
• 3.3.3 酸度测定
• 3.4 本章小结
• 第四章 Zn／Mn／ZSM-5 催化乙醇脱水制乙烯
• 4.1 前言
• 4.2 实验方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 乙醇溶液脱水条件
• 4.3.2 脱水工艺的优化
• 4.3.3 载气种类和流速对脱水的影响
• 4.3.4 催化生物乙醇脱水
• 4.3.5 催化剂寿命实验
• 4.4 本章小结
• 第五章 积炭ZnMnzSM-5 催化的表征及再生研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验方法
• 5.3 结果分析
• 5.3.1 反应前后ZnMnZSM-5 的表征
• 5.3.2 积炭物质分析
• 5.3.3 积炭催化剂再生研究
• 5.4 本章小结
• 第六章 乙醇在ZnMnzSM-5 上脱水动力学及机理
• 6.1 概述
• 6.2 实验方法
• 6.2.1 空白实验
• 6.2.2 内外扩散的消除
• 6.2.3 动力学实验步骤
• 6.3 结果分析
• 6.3.1 空白实验
• 6.3.2 内外扩散阻力的排除
• 6.3.3 反应速率和速率方程式
• 6.3.4 反应机理探讨
• 6.4 本章小结
• 第七章 经济性分析
• 7.1 经济预算基础数据
• 7.2 投资估算
• 7.3 成本估算
• 7.4 年成本、年收入及利润情况
• 第八章 主要结论与展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 石河子大学硕士研究生学位论文导师评阅表