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二氧化碳气氛下乙苯催化脱氢研究

作　者: 叶兴南
导　师: 高滋
学　校: 复旦大学
专　业: 物理化学
关键词: 二氧化碳乙苯脱氢苯乙烯水滑石前躯体氧化铬氧化铝二氧化硅载体浸渍法共沉淀法溶胶-凝胶法复合氧化物过渡金属氧化物助剂 Pd
分类号: TQ241
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

苯乙烯是一种重要的基本有机化工原料，广泛应用于生产塑料、树脂和橡胶等。目前，全球苯乙烯年生产能力在2500万吨以上，其中90％以上采用乙苯催化脱氢法生产，该工艺能耗过高、平衡转化率低，寻找新的脱氢工艺很有必要。由于氧气气氛下的乙苯脱氢具有能耗低，不受平衡转化率限制等特点，自从二十世纪七十年代发现某些形态的碳对乙苯氧化脱氢表现出良好的催化活性以来，科研工作者对此倾注了极大的热情。然而，该新工艺对苯乙烯选择性较差，大量的副产物困扰着它成功应用于工业实践。CO₂气氛下进行乙苯脱氢，能耗低，平衡转化率高，是近年来的研究热点之一。在催化剂的制备、反应条件的选择和CO₂的作用机理等方面前人已做了不少工作，已经认识到该新工艺有可能代替传统的水蒸气气氛下的乙苯脱氢工艺，但尚未找到合适的催化剂。我们在催化材料的选择和合成方法的比较等方面做了一系列工作，提高了对CO₂在不同催化剂上的活化和反应规律的认识，为后续的研究工作提供了基础知识。主要的研究内容如下： 1．以NaOH和Na_CO₃为沉淀剂，采用共沉淀法合成了Mg：Fe=2：1～4：1（mol／mol）的Mg／Fe类水滑石化合物，通过焙烧这些类水滑石前驱体制备了比表面较高和活性物种高度均匀分散的Mg／Fe系催化剂，它们对CO₂气氛下的乙苯脱氢表现出良好的脱氢活性，其中823 K焙烧的Mg／Fe（2／1）催化剂在773 K的乙苯转化率和苯乙烯选择性分别为35.6％和99.5％。当催化剂的焙烧温度高于1073K时，由于MgFe₂O₄尖晶石结构进一步完善和强化，导致催化剂的比表面和脱氢活性剧烈下降。在Mg／Fe类水滑石中添加适量的Al³⁺依然可以保持水滑石结构，焙烧后制备的Mg／Al／Fe催化剂具有更高的比表面和更好的反应稳定性。进一步在Mg／Al／Fe催化剂中加入Ni²⁺、Co²⁺和Zn²⁺可以显著改善催化剂的脱氢活性。Mg／Zn／Al／Fe（3／3／1／2）催化剂表现出最高的催化活性。当反应温度为773 K时，乙苯转化率高达53.8％，对苯乙烯的选择性为96.7％。反应开始时，产物中CO的量与苯乙烯的量基本一致，但随着反应的进行，CO的量减少了44％，这说明进行CO₂氧化脱氢的同时在某种程度上有简单脱氢伴随发生。酸碱性测定发现，Mg／Fe催化剂中添加Zn²⁺和Al³⁺后，催化剂表面形成丰富的强酸位和中等数量的复旦大学博士学位论文摘要碱性位，有利于乙苯脱氢反应的进行‘，TPR研究显示，M叭e催化剂中加入zn2+和A13+后氧化铁物种的还原被抑制，有利于维持催化剂的脱氢活性。再生处理后，Mg/A 1/2可Fe催化剂的脱氢活性能够基本恢复。 2.选择CrZO3作为活性组分，以A12O:和510:为载体，用浸渍法制备了负载型CrZO3催化剂。用共沉淀法和溶胶一凝胶法制备了Cr一Al和C卜Si复合氧化物催化剂。CrZO3在A12O3载体上的分散闭值接近单层分散理论值，达到21 .3 wt.%，而CrZO3在510:上的分散阂值远远低于单层分散理论值。Cr从1负载型催化剂的脱氢活性比Cr/Si催化剂高得多，乙苯最高转化率分别为57.5%和22.7%，相应的苯乙烯选择性为99.0%和99.6%，但C卜Si复合氧化物催化剂却比Cr一Al催化剂具有更高的催化活性，乙苯最高转化率分别为56.0%和45.8%，相应的苯乙烯选择性为98.8%和99.5%，说明制备方法对催化剂的活性有较大影响。催化剂表现出最高脱氢活性时CrZO:含量都在分散闭值附近，说明催化剂表面分散相的CrZO3比晶相CrZO3具有更高的乙苯催化活性，催化剂在COZ气氛下的乙苯脱氢活性取决于分散相CrZO3的含量。向反应体系中引入少量COZ，无论是20%Cr/AI催化剂还是20%Cr-Si，乙苯转化率都有明显提高。提高反应温度或者延长接触时间，乙苯转化率都提高，但是对苯乙烯的选择性则有所降低。XPS和TPR的研究结果揭示，在空气气氛下高温焙烧后的催化剂中同时存在cr6+和cr3+物种，催化剂的脱氢活性与反应前催化剂中Cr6+含量呈正相关，说明高氧化态的c:物种可能具有较高的脱氢活性，或者为反应提供了高活性的活性位前驱体。 3.在第二部分工作的基础上，研究了在负载型Cr/AI催化剂中添加助剂和少量贵金属Pd对其脱氢活性的影响。在20%Cr/AI催化剂中添加5%的CeOZ、Co3O4、MoO3、MnOZ、VZO;和ZnO等助剂后，各组分均能在A12O3载体上高度分散。助剂对催化剂活性的影响不同，加入CeO:和VZOS能有效改善催化剂的活性，加入Co3O4、MoO3、MnO:和zn。〕对催化剂的脱氢活性有抑制作用。5%CeOZ/20%Cr/AI催化剂具有最高的催化活性，乙苯转化率和苯乙烯选择性分别为67.4%和98.9%，明显高于20%cr/AI催化剂，催化剂中c护十含量的增加可能是活性提高的主要原因。进一步添加少量贵金属’Pd，可有效改善催化剂的脱氢活性，0.4%Pd/5%Ce02/20%Cr/AI催化剂上的乙苯转化率和苯乙烯选择性分别为74.6%和98.6%。Pd的促进作用可能来自三个方面:（l）促使催化剂中的cr6+;复旦大学博士学位论文摘要容易还原为cr3+;（2）加速逆水煤气反应的进行，促使反应平衡右移;（3）促进CO:分子与催化剂的氧空位反应，补充催化剂的晶格氧，维持乙苯的氧化脱氢循环。及O改性和H:预还原导致催化剂的乙苯脱氢活性降低。催化剂的失活?

全文目录

中文摘要  3-6
Abstract  6-9
目录  9-12
第一章绪论  12-29
  1.1 苯乙烯的市场分析和供给需求情况  12-13
  1.2 苯乙烯的工业生产方法  13-15
  1.3 氧气气氛下乙苯氧化脱氢制取苯乙烯  15
  1.4 二氧化碳气氛下的乙苯氧化脱氢  15-20
    1.4.1 二氧化碳气氛下乙苯催化脱氢的优点  15-16
    1.4.2 二氧化碳气氛下使用传统工业催化剂的研究结果  16
    1.4.3 催化剂的研究情况  16-19
      1.4.3.1 Na_2O促进的Al_2O_3催化剂  16
      1.4.3.2 负载型氧化铁催化剂  16-17
      1.4.3.3 负载型氧化铬和氧化铈催化剂  17-18
      1.4.3.4 负载型氧化钒催化剂  18
      1.4.3.5 二氧化锆催化剂  18
      1.4.3.6 通过焙烧类水滑石前驱体制备乙苯脱氢催化剂  18-19
      1.4.3.7 其它催化剂  19
    1.4.4 反应条件的影响  19-20
      1.4.4.1 接触时间的影响  19
      1.4.4.2 二氧化碳分压的影响  19-20
      1.4.4.3 反应温度的影响  20
      1.4.4.4 预处理的影响  20
  1.5 乙苯脱氢机理  20-24
    1.5.1 乙苯简单脱氢机理  20-21
    1.5.2 氧气气氛乙苯氧化脱氢机理  21-22
    1.5.3 CO_2气氛乙苯脱氢的催化活性中心和CO_2作用机理研究进展  22-24
  1.6 本论文研究的出发点和主要工作内容  24-25
  参考文献  25-29
第二章实验部分  29-33
  2.1 表征方法  29-31
    2.1.1 X射线粉末衍射(XRD)  29
    2.1.2 X射线光电子能谱表面分析(XPS)  29
    2.1.3 比表面测定(BET)  29-30
    2.1.4 二氧化碳程序升温脱附(CO_2-TPD)  30
    2.1.5 氨程序升温脱附(NH_3-TPD)  30
    2.1.6 程序升温还原(TPR)  30-31
  2.2 催化剂活性测试  31-33
    2.2.1 反应装置  31
    2.2.2 催化剂预处理  31
    2.2.3 催化反应  31-33
第三章以水滑石为前驱体制备Mg／Fe系催化剂及其在CO_2气氛下乙苯脱氢行为的研究  33-47
  3.1 引言  33-34
  3.2 催化剂的制备  34
  3.3 结果与讨论  34-44
    3.3.1 XRD结果  34-37
    3.3.2 催化性能  37-42
    3.3.3 催化剂的表面酸碱性  42-43
    3.3.4 TPR研究  43-44
  3.4 小结  44-45
  参考文献  45-47
第四章 CO_2气氛下Cr_2O_3催化剂上乙苯脱氢行为的研究  47-66
  4.1 引言  47
  4.2 催化剂的制备  47-48
  4.3 实验结果  48-61
    4.3.1 CO_2气氛的乙苯脱氢性能  48-53
      4.3.1.1 载体和负载量的影响  48-50
      4.3.1.2 反应条件对催化活性的影响  50-53
    4.3.2 Cr_2O_3在催化剂上的分散情况  53-57
    4.3.3 XPS和TPR研究  57-61
  4.4 讨论  61-63
  4.5 小结  63-64
  参考文献  64-66
第五章添加助剂和贵金属Pd对Cr_2O_3／Al_2O_3催化剂乙苯脱氢性能的影响  66-80
  5.1 引言  66
  5.2 催化剂的制备  66-67
  5.3 结果与讨论  67-77
    5.3.1 XRD结果  67-68
    5.3.2 催化剂的乙苯脱氢性能  68-75
    5.3.3 TPR研究  75-77
  5.4 小结  77-78
  参考文献  78-80
论文发表情况  80-81
致谢  81-82

二氧化碳气氛下乙苯催化脱氢研究

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