催化裂化催化剂.ppt
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1、2023/9/21,页岩油化工厂催化裂化技术讲座,1,催化裂化工艺-催化裂化催化剂 大家知道催化剂是通过改变反应历程,降低反应的活化能,从而提高反应速度,另外催化剂还有选择性,它可以促进目的产物反应速度的提高。催化剂的作用是促进化学反应,从而提高反应氢的处理量。催化剂还能对产品的产率分布及质量的好坏起重要作用。例如:在450500及常压的条件下,从热力学的角度来判断,烃类可以进行分解、芳构化、异构化、氢转移等反应,但是有些反应如异构化、氢转移等反应速度很慢,在工业上是没有实际意义的。裂化催化剂不仅提高了分解、芳构化等反应的速度,而且提高了异构化、氢转移等反应的速度,从而使催化裂化装置的生产能力
2、不仅比热裂化装置的生产能力大,而且所得的汽油的辛烷值也高,安定性好。,2023/9/21,页岩油化工厂催化裂化技术讲座,2,根据阿累尼乌斯公式:由式可见,在一定的反应温度下,活化能越低,反应速度就越高。下面我们里比较热裂化反应和催化裂化反应。,2023/9/21,页岩油化工厂催化裂化技术讲座,3,一、催化裂化催化剂的组成和结构 工业上广泛使用的裂化催化剂可分为两大类:一类是无定型的硅酸铝,其中包括天然活性白土、合成普通(低铝)硅酸铝。另一类是结晶型硅酸铝,又称分子筛催化剂。1、天然白土催化剂 白土催化剂是经过酸化处理的天然白土也叫活性白土。它的主要成分是氧化铝和氧化硅,还有杂质,不经过处理的白
3、土是没有活性的。酸化:是用烯硫酸溶解其所含杂质,再经水洗除去,最后进行干燥和焙烧得到活性白土。天然白土催化剂制造成本低,但活性、稳定性均较差,现在作为催化裂化已经被淘汰。但是它们应用在其它的工艺中,例如精制。,2023/9/21,页岩油化工厂催化裂化技术讲座,4,2、无定型硅酸铝催化剂 1958年我国开始生产小球状93-5毫米 合成硅酸铝催化剂,用于移动床。1965年开始生产微球状920-100微米 合成硅酸铝。高铝低铝催化剂和合成方法 硅酸铝的主要成分是氧化硅和氧化铝,依铝含量的不同,合成硅酸铝又分为低铝和高铝。低铝硅酸铝含Al2O3 10-13%高铝硅酸铝含Al2O3 25%合成的方法是:
4、由Na2SiO3 俗称水玻璃 Al2(SO4)3,溶液按一定比例配 合生成凝胶,再经过水洗,过滤,成型,干燥,活化等步骤制成。,2023/9/21,页岩油化工厂催化裂化技术讲座,5,无定型硅铝的结构 无定型硅铝催化剂具有很多不规则的微孔,它的密度大约是1克/厘米3,而孔体积达40.7cm3/g。这些微孔的直径大小不均,一般平均孔径为40-70埃(A),1(A)=1亿分之一厘米,由于这种孔结构,硅酸铝催化剂具有很大的内表面积,新鲜催化剂的比表面积500-700米2/克。催化剂的老化 催化剂的表面是化学反应的场所。在生产过程中,由于高温及水蒸气的作用,小孔径的微孔遭到破坏,平均孔径增大而比表面积减
5、小,这种现象叫老化,2023/9/21,页岩油化工厂催化裂化技术讲座,6,硅酸铝催化剂的酸性 在催化剂的表面,Al,O,Si组成AL:O:Si的结构(b)。由于AL:O键趋向正电荷较强Si,使Al带有正电性,即为非质子酸。在有少量的水存在在时,由于AL原子带正电性使水分子离解为H+与OH-,其中OH-与带正电的性的Al结合,而则H+在Al原子附近呈游离状态,此即质子酸。(如a),2023/9/21,页岩油化工厂催化裂化技术讲座,7,硅酸铝催化剂的活性与它的酸性有关,我们可以通过测定它的酸性来评定它的活性。质子酸和非质子酸形成的酸性中心就是硅酸铝催化剂的活性来源,如为碳离子反应提供一个H+。,2
6、023/9/21,页岩油化工厂催化裂化技术讲座,8,2、结晶型硅酸铝催化剂(分子筛催化剂)分子筛催化剂是六十年代发展起来的一种新型催化剂,它在催化裂化中的应用是催化裂化技术的一次革命性的进步。工业分子筛催化剂 一般是含515%的分子筛,其余是担体,工业上的担体有天然活性白土,合成低铝活高铝催化剂。分子筛是一种具有晶格结构的硅酸铝酸盐,亦称沸石。分子筛的特点是稳定均一的孔结构。按其组成和结构的不同可以分为A型、X型和Y型及丝光沸石。,2023/9/21,页岩油化工厂催化裂化技术讲座,9,工业分子筛催化剂的类型,2023/9/21,页岩油化工厂催化裂化技术讲座,10,目前工业上用作催化剂的主要是X
7、型和Y型两种分子筛。这两种分子筛的晶体结构是相同的,差别主要是其中的硅铝原子比不同。,2023/9/21,页岩油化工厂催化裂化技术讲座,11,分子筛催化剂的结构 每个单元晶胞结构,每个单元晶胞由八个削角八面体构成,削角八面体的每个顶端是Si或Al原子,其间由氧原子相连接。由八个削角八面体围成的空洞称为“八面沸石笼”。它是催化反应进行的主要场所。其体积为820埃。进入八面沸石笼的主要通道是由十二员环组成,其平均直径为0.80.9nm。钠离子的位置有多处。人工合成的分子筛是含钠离子的分子筛。这种分子筛没有催化活性,分子筛中的钠离子可以用离子交换的方式与其他阳离子置换。用多价阳离子交换置换后的Y型分
8、子筛有很高活性,目前工业上使用的催化裂化分子筛有以下四种Y型分子筛。,2023/9/21,页岩油化工厂催化裂化技术讲座,12,以稀土金属离子(如镧等)置换得的稀土Y,因为稀土元素可用RE符号表示,故可以简写为REY型分子筛。以氢离子置换得的HY分子筛。置换的方法是先以NH+置换Na+,然后加热除去NH+即剩下H+。兼用氢离子和稀土金属离子置换得的REHY型分子筛。由HY分子筛经脱铝得到更高硅铝比的超稳Y型分子筛。分子筛是一种多孔性物质,具有很大的内表面,新鲜催化剂的比表面积一般在600800m2/g.分子筛是晶体结构,孔的排列规则,孔径比较均匀,孔径的大小为分子筛数量级,在孔内能容纳分子。例如
9、八面沸石笼,在25时能容纳28个分子的异辛烷,5.4个分子苯。,2023/9/21,页岩油化工厂催化裂化技术讲座,13,研究结果表明,分子筛催化剂的表面也是有酸性,由质子酸和非质子酸形成的酸性中心速度比无定型硅酸铝的大得多。分子筛的单位面积上的酸性中心数目约为硅酸铝的一百多倍,这个数据可以解释为什么分子筛催化剂活性比硅酸铝高100多倍。研究工作表明,当用某些单体烃的裂化速度来比较时,某些分子筛的催化活性硅酸铝竟高出百倍。分子筛催化剂的酸性来源 与硅酸铝一样,分子筛催化剂的表面也具有酸性,这种表面酸性也是由质子酸和非质子酸引起的。,2023/9/21,页岩油化工厂催化裂化技术讲座,14,另外一种
10、解释:分子筛催化剂的活性来源于它的静电场,在分子筛晶体结构中,存在着带正电的阳离子和带负电硅氧四面体,也就是说存在着静电场,因此能使吸附的反应物分子起极化作用,从而促进吸附的反应物分子反应。从实验来检验,这两种观点都解释一些现象,还都不够完善。分子筛催化剂担体的作用 前面说到,工业用的分子筛催化剂,不是纯的分子筛,其中仅含10%15%的分子筛,其余是担体和粘合剂。担体除了起稀释作用外,有其它的作用。,2023/9/21,页岩油化工厂催化裂化技术讲座,15,担体的有如下作用:在离子交换时,分子筛中的钠不可能被完全置换掉,而钠的存在会影响分子筛的稳定性,担体可以容纳分子筛中的未除去的钠,从而提高分
11、子筛的稳定性。担体可以作为一个宏大的吸热体,起到热量贮存和传递的作用。担体不仅起稀释作用,而且能使分子筛分散得更好,使分子筛发挥更大的作用。担体可增强催化剂的耐磨程度。分子筛价格较高,使用单体可以降低催化剂的成本。对重油催化裂化,由于分子筛的孔径较小,而大分子难以进入分,2023/9/21,页岩油化工厂催化裂化技术讲座,16,子筛的微孔,而担体的可以使大分子在其表面裂化,生成较小的分子再进入分子筛的微孔中进行反应。担体还能容纳进料中易结焦的物质,如沥青、对分子筛起到一定的保护作用。二、裂化催化剂的使用性能 1、密度 由于裂化催化剂是微球状多孔物质,故其密度有三种表示方法。真实密度 颗粒骨架本身
12、具有的密度,即颗粒的质量与骨架实体所占体积之比,又叫骨架密度,一般是22.2g/cm3。颗粒密度 把微孔体积计算在内的单个颗粒的密度,一般是0.91.2 g/cm3。,2023/9/21,页岩油化工厂催化裂化技术讲座,17,堆积密度 催化剂堆积时包括微孔体积和颗粒间空隙体积的密度,一般在0.50.8 g/cm3,它有三种测定方法。松动状态 催化剂装入量筒内经摇动,待催化剂刚刚全部落下时,立即读取的体积,所计算的密度。沉降状态 上述量筒中的催化剂静置两分钟后,由读取的体积计算的密度。密实状态 将量筒中的催化剂在桌子上振动数次至体积不变时,由读取的体积计算的密度。,2023/9/21,页岩油化工厂
13、催化裂化技术讲座,18,催化剂的堆积密度常用于计量催化剂的体积重量,催化剂的颗 粒密度对催化剂的流化性能有重要的影响。,例如:低铝催化剂的密度,2023/9/21,页岩油化工厂催化裂化技术讲座,19,2、活性、稳定性(1)活性:是指催化剂促进化学反应的能力。(2)活性的测量方法:活性在实验室一般用微反活性法(MAT)测定。在微型反应器中放置5.0g待测催化剂,采用标准原料,(一般为轻柴油),在反应温度460重量空速为6h-1,剂油比为3.2的反应条件下进行反应70s,所得反应物中的(204汽油+气体+焦炭)的质量占总进料的百分数,即为该催化剂的微反活性。,2023/9/21,页岩油化工厂催化裂
14、化技术讲座,20,稳定性 它是指催化剂在使用条件下保持活性的能力。在生产过程中,催化剂反复进行反应和再生,由于高温和水蒸气的作用使催化剂表面的结构发生变化破坏,活性会下降。稳定性的评价方法 通常情况在一定条件下(如常压,800用水蒸气处理4小时)使新鲜催化剂老化,然后再测定其活性并与新鲜催化剂比较来评价催化剂的稳定性。稳定性 老化活性下降小。,2023/9/21,页岩油化工厂催化裂化技术讲座,21,催化剂的平衡活性 新鲜催化剂在开始投用的一段时间内,活性急剧下降,待下降到一定程度后则缓慢下降,因此初活性不能真实反映实际的生产情况。在生产中会损失一部分催化剂(跑损)并需要定期补充一定量的新鲜催化
15、剂,因此在生产装置中的催化剂活性可能保持一个稳定的水平上,此时的活性为平衡催化剂活性。与催化剂的稳定性有关 平衡催化剂活性 与催化剂补充量有关。,2023/9/21,页岩油化工厂催化裂化技术讲座,22,3、选择性 选择性是表示催化剂增加目的产品和减少副产品的选择反应的能力。表示法 对催化裂化主要产物是汽油,如果气体和焦炭的产率高,则汽油的产率会降低。催化裂化常以汽油产率/转化率及焦炭产率/转化率来表示。重金属污染对选择性的影响 当催化剂受重金属污染后,其选择性会变差表现在气体中的H2含量增大。裂化气中的H2/CH4比值不仅反映了金属污染的重度,也反映催化剂选择性的变化。分子筛催化剂的选择性 分
16、子筛催化剂的选择性优于硅酸铝,据某些装置的数据来看,与硅酸铝催化剂相比,当焦炭产率相同时,使用分子筛催化剂可以提高汽油产率约1520%。,2023/9/21,页岩油化工厂催化裂化技术讲座,23,4、筛分组成、机械强度催化剂在反应器,再生器和循环管中都处于流化状态。为了保证良好的流化状态,要求催化剂有适当的筛分组成。筛分组成:不同颗粒直径催化剂的组成。,微球硅酸铝催化剂的组成,2023/9/21,页岩油化工厂催化裂化技术讲座,24,由于在流化床中催化剂之间催化剂与器壁之间的激烈碰撞,使大颗粒粉碎,所以在平衡催化剂中80微粒的成分比新鲜催化剂少,同时由于细粉不易被旋风分离器回收而损失,使平衡催化剂
17、中的细粉含量下降。根据实际生产经验,适当的细粉(40)含量可以改善流化质量,降低催化剂损耗,提高再生效率。一般平衡催化剂中40细粉的含量以1020%为宜。细粉过高会增加催化剂的损失量。一般再生烟气带出的催化剂中,70.5%是20的,28.6%是2040的,即损失的催化剂大部分是细粉。,2023/9/21,页岩油化工厂催化裂化技术讲座,25,机械强度 为了避免在生产过程中催化剂过度粉碎以保证良好的流化质量和减少损耗,要求催化剂有一定的机械强度。评价机械强度的方法:抗磨指数:将一定量的催化剂放在特定的仪器中,用高速气流冲击4小时后,所生成的细粉在15的重量占试样中15催化剂重量的百分数即为磨损指数
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