賈進(jìn)許,李明曉,孫曉艷,樊宏飛,王 浩
(1. 中國石化 撫順石油化工研究院,遼寧 撫順 113001;2. 遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部,遼寧 撫順 113001)
氟硅酸銨改性對β分子篩性能的影響
賈進(jìn)許1,2,李明曉1,2,孫曉艷1,樊宏飛1,王 浩1,2
(1. 中國石化 撫順石油化工研究院,遼寧 撫順 113001;2. 遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部,遼寧 撫順 113001)
用不同含量的氟硅酸銨溶液處理β分子篩,采用XRD、N2物理吸附、NH3-TPD、Py-FTIR、27Al MAS NMR、SEM等方法對氟硅酸銨改性前后的β分子篩進(jìn)行了表征,考察氟硅酸銨改性對β分子篩物化性能的影響。用改性前后的β分子篩制備NiW/β-Al2O3雙功能加氫裂化催化劑,并在微型反應(yīng)器上考察了所制備的催化劑對正十二烷加氫裂化反應(yīng)的催化性能。實驗結(jié)果表明,當(dāng)氟硅酸銨含量為3.34%(w)時,以改性后的β分子篩制備的加氫裂化催化劑CFβ-3的性能最好,在保持較高加氫裂化活性的情況下具有較高的中油(C4~8烴)選擇性,中油收率最高。在320 ℃、4.0 MPa、液態(tài)空速2 h-1、V(H2)∶V(正十二烷)=800、反應(yīng)時間5 h的條件下,中油收率達(dá)到56%。
氟硅酸銨;β分子篩;加氫裂化催化劑
β分子篩具有特殊的三維孔道結(jié)構(gòu)、較高的硅鋁比、大的比表面積和適宜可調(diào)的酸分布,在實際應(yīng)用中表現(xiàn)出熱穩(wěn)定性、酸催化特性、反應(yīng)選擇性和易于活化再生等優(yōu)良的性能[1-4],因此在加氫裂化反應(yīng)中,含β分子篩的加氫裂化催化劑顯示出活性高、中油收率高和柴油凝點低等特性;但由于其酸性較高,在加氫裂化反應(yīng)中存在氣體產(chǎn)率高、積碳多、石腦油芳烴潛含量和尾油芳烴指數(shù)低的問題[5]。酸處理可使β分子篩發(fā)生脫鋁現(xiàn)象,增大β分子篩的硅鋁比,調(diào)節(jié)其酸分布,進(jìn)一步提高β分子篩晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,使其更好地應(yīng)用于催化體系中[6]。
本工作采用氟硅酸銨對β分子篩進(jìn)行改性處理,對其物化性能進(jìn)行了表征,并考察了采用改性β分子篩制備的NiW/β-Al2O3雙功能加氫裂化催化劑對正十二烷加氫裂化反應(yīng)的催化性能。
1.1 原料
焙燒后的β分子篩原粉(SAβ):硅鋁比24,中國石化撫順石油化工研究院;氟硅酸銨:分析純,上海試劑三廠;無定形硅鋁粉、黏合劑、田菁粉:中國石油撫順催化劑分公司;偏鎢酸銨:工業(yè)級,湖南信力金屬有限公司;硝酸鎳:分析純,天津市大茂化學(xué)試劑廠。
1.2 催化劑的制備方法
β分子篩的改性:配制不同含量(w=0.84%,1.67%,3.34%,6.68%,12.53%,17.69%)的氟硅酸銨溶液各500 g;取100 g SAβ用1 000 mL蒸餾水打漿,將打漿后的分子篩溶液置于水浴槽內(nèi),控制水浴溫度為90 ℃,在2 h內(nèi)將配制的500 g氟硅酸銨溶液滴加到分子篩漿液內(nèi),滴加完后穩(wěn)定1 h,之后抽濾、洗滌、烘干,得到改性的β分子篩,記為Fβ。
催化劑的制備:分別將改性前后的β分子篩、無定形硅鋁粉、黏合劑、田菁粉按一定配比充分混合后擠條成型,于120 ℃下干燥4 h,550 ℃下焙燒4 h制得載體。將偏鎢酸銨和硝酸鎳混合溶解后配成溶液,用等體積浸漬法[7]將金屬W和Ni浸漬到載體上,于120 ℃下干燥4 h,500 ℃下焙燒4 h制得含β分子篩的加氫裂化催化劑。用改性前的β分子篩制備的NiW/β-Al2O3催化劑記為FSAβ;用改性后的β分子篩制備的NiW/β-Al2O3催化劑記為CFβ。
1.3 改性β分子篩的表征
XRD表征采用理學(xué)公司D/max 2500型X射線衍射儀。管電壓40 kV,管電流80 mA,Cu Kα射線,入射波長0.154 05 nm。
N2吸附-脫附實驗采用麥克儀器公司ASAP2420型物理吸附儀。測定前試樣經(jīng)300 ℃抽真空活化4 h以上。比表面積用BET方法計算,微孔體積和微孔比表面積用t-plot方法計算,總孔體積由相對壓力為0.98時的液氮體積計算,中孔體積和中孔比表面積由總孔體積和BET比表面積分別減去微孔體積和微孔比表面積得到。
NH3-TPD分析采用Micromeritics公司AutoChem 2910型化學(xué)吸附儀。試樣用量100 mg,氦為載氣,將試樣在600 ℃下預(yù)處理1 h,降至120 ℃吸附NH3,然后進(jìn)行程序升溫脫附,升溫速率8 ℃/min。
FTIR表征采用尼高力儀器公司Nicolet 560型傅里葉變換紅外光譜儀。將試樣壓成約10 mg/cm2的片劑,在真空度1×10-4Pa、溫度500 ℃的原位池中處理1 h,冷卻至室溫,吸附吡啶30 min后測定FTIR譜圖,波數(shù)范圍1 400~1 700 cm-1。以1 540 cm-1處的特征峰表征催化劑中的B酸位,以1 450 cm-1處的特征峰表征催化劑中的L酸位,相應(yīng)的酸量由峰面積積分計算得出。
27Al MAS NMR表征采用Bruker公司AV-500型核磁共振儀,譜圖采集頻率為130.3 MHz,參照物為Al(NO3)3·9H2O。
SEM表征采用JEOL公司JSM-7500F型掃描電子顯微鏡,配備EDAX-EDS,工作電壓10 kV,工作距離7 mm,分辨率1 nm。
1.4 催化劑性能的評價
催化劑的加氫裂化性能評價在固定床微型反應(yīng)裝置上進(jìn)行,在反應(yīng)管中部裝填10 mL催化劑,上部和下部用石英砂填充。以含2%(w)CS2的正十二烷為硫化劑,在4.0 MPa、液態(tài)空速2 h-1、V(H2)∶V(正十二烷)=1 000的條件下對催化劑進(jìn)行程序升溫預(yù)硫化[8],然后以正十二烷為模型化合物,在320 ℃、4.0 MPa、液態(tài)空速2 h-1、V(H2)∶V(正十二烷)=800的條件下進(jìn)行加氫裂化反應(yīng),反應(yīng)5 h后取樣,采用安捷倫公司7890A型氣相色譜儀分析產(chǎn)物的組成。
正十二烷轉(zhuǎn)化率(X)、中油(C4~8烴)選擇性(S)和中油收率(Y)的計算方法見式(1)~(3)。
式中,m0為初始液體進(jìn)料質(zhì)量,g;mL為液體產(chǎn)物的質(zhì)量,g;w1為液體產(chǎn)物中未轉(zhuǎn)化的正十二烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù);w2為液體產(chǎn)物中C4~8烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
2.1 XRD表征結(jié)果
氟硅酸銨改性前后β分子篩的XRD譜圖見圖1。由圖1可看出,改性前后β分子篩試樣的XRD譜圖基本一致,在2θ=7.67°,9.75°,13.46°,19.67°,22.41°,25.76°處均出現(xiàn)β分子篩的特征衍射峰,表明改性后β分子篩試樣的晶相結(jié)構(gòu)沒有被破壞。
2.2 硅鋁比和相對結(jié)晶度
氟硅酸銨改性前后β分子篩的相對結(jié)晶度和硅鋁比見表1。由表1可看出,F(xiàn)β-1,F(xiàn)β-2,F(xiàn)β-3的相對結(jié)晶度與改性前相比變化不大,但隨氟硅酸銨含量的提高,F(xiàn)β-4,F(xiàn)β-5,F(xiàn)β-6的相對結(jié)晶度逐漸下降;改性后β分子篩的硅鋁比隨氟硅酸銨含量的增加而增大。表明在氟硅酸銨含量低時,氟硅酸銨產(chǎn)生的HF脫除了β分子篩中的非骨架物種,同時也脫除了骨架鋁,骨架脫鋁產(chǎn)生的羥基空穴被氟硅酸銨水解產(chǎn)生的硅物種所填充[9],使改性后的β分子篩相對結(jié)晶度變化不大,硅鋁比增大。繼續(xù)增大氟硅酸銨的含量,產(chǎn)生的HF量增多,脫鋁量增大,骨架脫鋁產(chǎn)生的羥基空穴未被氟硅酸銨水解產(chǎn)生的更多硅物種填充,骨架有大量的羥基空穴,使改性后的β分子篩相對結(jié)晶度降低,硅鋁比增大。
2.3 孔體積和比表面積
氟硅酸銨改性前后β分子篩的比表面積和孔體積見表2。由表2可知,用較低含量的氟硅酸銨改性處理時,改性后β分子篩的BET總比表面積、微孔比表面積逐漸變大,中孔比表面積、總孔體積、微孔體積略有減小,中孔體積變化不大。這是由于氟硅酸銨含量較低時,氟硅酸銨水解產(chǎn)生的HF洗脫出β分子篩孔道內(nèi)的非骨架物種和部分骨架鋁,使BET總比表面積、微孔比表面積變大;而氟硅酸銨使β分子篩發(fā)生脫鋁的同時也存在著補(bǔ)硅的過程,氟硅酸銨水解產(chǎn)生的Si(OH)4填充了脫鋁產(chǎn)生的具有中孔尺度的羥基空穴和原來存在的中孔,故中孔比表面積、總孔體積和微孔體積略有減小,中孔體積變化不大。繼續(xù)增大氟硅酸銨的含量,比表面積和孔體積開始減小。這是由于較高含量的氟硅酸銨水解產(chǎn)生的HF在洗脫出β分子篩孔道內(nèi)非骨架物種的同時還脫除了部分骨架鋁,形成了新的非骨架鋁物種沉積在孔道內(nèi),氟硅酸銨水解產(chǎn)生的Si(OH)4未完全對羥基空穴進(jìn)行補(bǔ)硅,這部分硅物種經(jīng)高溫焙燒后,以無定形SiO2的形式殘留在β分子篩孔道中,堵塞了部分微孔孔道,從而導(dǎo)致微孔體積和比表面積有所減小。
圖1 氟硅酸銨改性前后β分子篩的XRD譜圖Fig.1 XRD spectra of β zeolites before and after the (NH4)2SiF6modification.
表1 氟硅酸銨改性前后β分子篩的相對結(jié)晶度和硅鋁比Table 1 Relative crystallinity and n(SiO2)∶n(Al2O3) of the β zeolites before and after the (NH4)2SiF6modification
2.4 NH3-TPD和FTIR表征結(jié)果
氟硅酸銨改性前后β分子篩的NH3-TPD譜圖見圖2。由圖2可知,220,380 ℃附近的脫附峰分別對應(yīng)于β分子篩的弱酸和強(qiáng)酸中心,改性后β分子篩的強(qiáng)酸脫附峰和弱酸脫附峰均向低溫方向遷移,且隨氟硅酸銨含量的增大,弱酸脫附峰和強(qiáng)酸脫附峰的強(qiáng)度均逐漸減弱。這是氟硅酸銨產(chǎn)生的HF脫除了β分子篩內(nèi)的非骨架鋁和部分骨架鋁的結(jié)果。
由FTIR表征得到的氟硅酸銨改性前后β分子篩的酸量見表3。由表3可看出,隨氟硅酸銨含量的增大,改性后β分子篩的總酸量與改性前相比逐漸減小,強(qiáng)酸、中強(qiáng)酸和弱酸的酸量均呈逐漸減小的趨勢。這是由于氟硅酸銨改性脫除了β分子篩的部分骨架鋁,使提供強(qiáng)酸位的β分子篩骨架鋁連接的橋羥基[10]數(shù)量減少,因此強(qiáng)酸量減少,酸強(qiáng)度降低;同時氟硅酸銨產(chǎn)生的HF脫除了β分子篩的非骨架鋁物種,使提供弱酸中心的非骨架鋁數(shù)量減少,因此弱酸量減少,這與NH3-TPD表征結(jié)果一致。一般認(rèn)為β分子篩的B酸中心主要由骨架鋁提供,L酸中心主要由非骨架鋁提供[11]。改性前后β分子篩的B酸量與L酸量之比(B/L)呈先增大后減小的規(guī)律,這是由于在氟硅酸銨含量較低時,HF在脫除少量骨架鋁的同時還有效地脫除了非骨架鋁,所以在氟硅酸銨含量低時,隨氟硅酸銨含量的增加β分子篩的B/L值變大;當(dāng)氟硅酸銨含量繼續(xù)增加時,骨架鋁的脫除程度增大,B酸的酸量顯著減少,L酸所占比例增大,因此B/L值開始減小;而Fβ-6的B/L值與改性前相比顯著增大,可能是由于氟硅酸銨含量過大,使β分子篩的骨架嚴(yán)重坍塌所致。
圖2 氟硅酸銨改性前后β分子篩的NH3-TPD譜圖Fig.2 NH3-TPD profiles of the β zeolites before and after the (NH4)2SiF6modification.
表3 由FTIR表征得到的氟硅酸銨改性前后β分子篩的酸量Table 3 Acid amount of of the β zeolites before and after the (NH4)2SiF6modification obtained by FTIR
2.5 27Al MAS NMR表征結(jié)果
氟硅酸銨改性前后β分子篩的27Al MAS NMR譜圖見圖3,其中化學(xué)位移δ=0, 55處的共振峰分別歸屬于非骨架鋁和骨架鋁[12],其峰面積的比值可用來表示非骨架鋁與骨架鋁的摩爾比n(AlE)∶n(AlF)(見表4)。
圖3 氟硅酸銨改性前后β分子篩的27Al MAS NMR譜圖Fig.327Al MAS NMR spectra of the β zeolites before and after the (NH4)2SiF6modification.
表4 氟硅酸銨改性前后β分子篩中的n(AlE)∶n(AlF)Table 4 n(AlE)∶n(AlF) of the β zeolites before and after the (NH4)2SiF6modification
由圖3和表4可知,用較低含量的氟硅酸銨進(jìn)行處理,可有效地脫除β分子篩中的非骨架鋁,n(AlE)∶n(AlF)降低;而用較高含量的氟硅酸銨進(jìn)行處理,在脫除非骨架鋁的同時也會使骨架鋁大量脫除,使n(AlE)∶n(AlF)增大。故當(dāng)氟硅酸銨含量較低時,脫鋁程度較低,β分子篩中非骨架鋁所占的比例較脫鋁前有所下降;當(dāng)氟硅酸銨含量提高時,脫鋁程度增大,β分子篩中非骨架鋁所占的比例明顯增大,這與FTIR表征結(jié)果一致。由圖3還可看出,F(xiàn)β-6在δ=10處出現(xiàn)了共振峰,而其他3個試樣均未出現(xiàn)該共振峰,這可能是由于高含量的氟硅酸銨溶液處理使β分子篩骨架脫鋁嚴(yán)重,而脫除的骨架鋁未及時移出,形成了新形態(tài)的非骨架鋁,使Fβ-6在δ=10處出現(xiàn)了歸屬于非骨架鋁的共振峰。
2.6 SEM表征結(jié)果
氟硅酸銨改性前后β分子篩的SEM照片見圖4。由圖4可看出,用低含量的氟硅酸銨進(jìn)行處理時,所得Fβ-1與改性前的SAβ相比,形貌特征變化不明顯;當(dāng)繼續(xù)增大氟硅酸銨的含量時,所得Fβ-4和Fβ-6與改性前的SAβ相比,形貌特征發(fā)生了較明顯的變化,SAβ具有較光滑完整的晶體結(jié)構(gòu),而Fβ-4和Fβ-6表面坑洼不平,表面顆粒更加突出和明顯,特別是Fβ-6的表面顆粒細(xì)小且多,與改性前有明顯不同。說明當(dāng)用低含量的氟硅酸銨進(jìn)行處理時,β分子篩脫鋁程度較低,其形貌特征無明顯變化;當(dāng)增大氟硅酸銨的含量時,β分子篩脫鋁嚴(yán)重,對其形貌和結(jié)構(gòu)影響較大。
圖4 氟硅酸銨改性前后β分子篩的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of of the β zeolites before and after the (NH4)2SiF6modification.
2.7 催化劑的加氫裂化性能
用氟硅酸銨改性前后的β分子篩制備的雙功能加氫裂化催化劑對正十二烷加氫裂化反應(yīng)的催化性能見圖5。由圖5可看出,隨氟硅酸銨含量的增大,改性后的β分子篩制備的催化劑對正十二烷加氫裂化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率呈逐漸減小的趨勢,在反應(yīng)溫度320 ℃下,F(xiàn)SAβ催化劑對正十二烷的轉(zhuǎn)化率為99.04%,而改性后的β分子篩制備的催化劑對正十二烷的轉(zhuǎn)化率分別為91.34%,87.00%,85.85%,78.61%,75.01%,70.42%。這是因為β分子篩作為加氫裂化催化劑的主要酸性組分對催化劑的活性、選擇性和產(chǎn)品質(zhì)量起決定性作用[13]。改性前的SAβ具有較多的酸性位和較高的酸強(qiáng)度,使催化劑具有較高的活性;而氟硅酸銨處理使β分子篩發(fā)生了脫鋁,降低了β分子篩的酸量及酸強(qiáng)度,且隨氟硅酸銨含量的增大,β分子篩的脫鋁程度逐漸加深,從而使其制備的催化劑的活性逐漸降低。
由圖5還可看出,改性后的β分子篩制備的催化劑與改性前相比中油選擇性均顯著提高,F(xiàn)SAβ催化劑的中油選擇性為51.41%,而改性后的β分子篩制備的催化劑的中油選擇性分別為53.70%,59.40%,64.65%,63.96%,69.73%,68.17%。這是因為β分子篩的酸性太強(qiáng),使加氫裂化反應(yīng)過于激烈[14],易發(fā)生二次裂解和多次裂解,生成大量低碳組分(C4以下),使目的產(chǎn)物(C4~8烴)的生成量減??;而氟硅酸銨處理有效脫除了β分子篩中的非骨架鋁及部分骨架鋁,使β分子篩的總酸量和強(qiáng)酸量減小,有效地調(diào)整了β分子篩的B/L值,所以改性后的β分子篩制備的催化劑選擇性均顯著提高。其中,CFβ-3催化劑對正十二烷的加氫裂化性能較好,在反應(yīng)溫度320 ℃時,正十二烷轉(zhuǎn)化率為85.85%,中油選擇性為64.65%,中油收率最高(為56%)。這可能是由于改性后Fβ-3的強(qiáng)酸量顯著減少,具有適宜的中強(qiáng)酸量及B/L值,使其在保持較高正十二烷轉(zhuǎn)化率的情況下具有較高的中油選擇性。
圖5 氟硅酸銨改性前后β分子篩催化劑的加氫裂化性能Fig.5 Hydrocracking performances of the β zeolite catalysts before and after the (NH4)2SiF6modification.
氟硅酸銨改性前后β分子篩催化劑上正十二烷加氫裂化產(chǎn)物主要為C4~8烴,其組分分布見圖6。以C6為對稱軸觀察發(fā)現(xiàn),CFβ-3催化劑比其他催化劑的加氫裂化產(chǎn)物分布對稱性更好,說明其酸度適宜,更適合于加氫裂化反應(yīng),在該催化劑作用下正十二烷主要以一次裂化為主。
圖6 氟硅酸銨改性前后β分子篩催化劑上正十二烷加氫裂化產(chǎn)物中C4~8組分的分布Fig.6 Distribution of C4-8in the n-dodecane hydrocracking products on the β zeolite catalysts before and after the (NH4)2SiF6modification. Reaction conditions referred to Fig.5.
1) 氟硅酸銨改性可使β分子篩有效脫鋁并調(diào)節(jié)其酸性,隨氟硅酸銨含量的增大,脫鋁程度加深,酸量減小,B/L值先增大后減??;當(dāng)氟硅酸銨含量較低時,β分子篩的相對結(jié)晶度和孔體積變化不大,比表面積提高;當(dāng)氟硅酸銨含量較高時,β分子篩的相對結(jié)晶度、比表面積和孔體積逐漸降低。
2) 隨氟硅酸銨含量的增大,改性后的β分子篩制備的催化劑對正十二烷加氫裂化反應(yīng)的活性逐漸降低,正十二烷轉(zhuǎn)化率降低,中油選擇性提高。其中Fβ-3的強(qiáng)酸量顯著減小,具有適宜的中強(qiáng)酸量及B/L值,因此所制備的CFβ-3催化劑在保持較高正十二烷轉(zhuǎn)化率的情況下具有較高的中油選擇性,中油收率最高。在320 ℃、4.0 MPa、液態(tài)空速2 h-1、V(H2)∶V(正十二烷)=800、反應(yīng)時間5 h的條件下,中油收率達(dá)到56%。
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(編輯 安 靜)
Effects of (NH4)2SiF6Modification on the Performance of β Zeolite
Jia Jinxu1,2,Li Mingxiao1,2,Sun Xiaoyan1,F(xiàn)an Hongfei1,Wang Hao1,2
(1. SINOPEC Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals,F(xiàn)ushun Liaoning 113001,China;2. College of Chemistry,Chemical Engineering and Environmental Engineering,Liaoning Shihua University,F(xiàn)ushun Liaoning 113001,China)
(NH4)2SiF6-modified β zeolites were prepared by treating β zeolite with (NH4)2SiF6solution with different content and characterized by means of XRD,N2-adsorption,NH3-TPD,Py-FTIR,27Al MAS NMR and SEM. And then bifunctional hydrocracking catalysts(NiW/β-Al2O3) were prepared from the (NH4)2SiF6-modified β zeolites. Their catalytic performances for n-dodecane hydrocracking were investigated in a microreactor. The results showed that the hydrocracking catalysts had higher hydrocracking activity and selectivity to middle distillates(C4-8hydrocarbons) than β zeolite. When the content of (NH4)2SiF6was 3.34%(w),the performances of the catalyst CFβ-3 was the best. The yield of middle distillates was 56% under the reaction conditions of 320 ℃,4.0 MPa,LHSV 2 h-1,V(H2)∶V(n-dodecane) 800 and 5 h.
ammonium silicofluoride;β zeolite;hydrocracking catalyst
1000 - 8144(2014)03 - 0269 - 06
TE 624.91
A
2013 - 09 - 24;[修改稿日期]2013 - 12 - 06。
賈進(jìn)許(1988—),男,河南省禹州市人,碩士生,電話 18242331583,電郵 jiajinxu1988@163.com。聯(lián)系人:樊宏飛,電話 024 - 56389539,電郵 fanhongfei.fshy@sinopec.com。