全 文 :第7卷第4期
2009年7月
生 物 加 工 过 程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
Vol.7No.4
July2009
doi:10.3969/j.issn.1762-3678.2009.04.003
收稿日期:2008-09-22
基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2006AA020101)
作者简介:史晓星(1984—),女,江苏扬州人,硕士研究生,研究方向:生物乙醇脱水制乙烯;崔 群(联系人),教授,Email:cuiqun@njut.edu.cn
乙醇催化脱水制乙烯反应条件及飞温现象
史晓星1,杜旭东1,崔 群1,王海燕1,黄 和2
(1.南京工业大学 化学化工学院,南京 210009;
2.南京工业大学 生物与制药工程学院,南京 210009)
摘 要:以HZSM 5分子筛为乙醇脱水催化剂,考察了催化剂的硅铝摩尔比和反应工艺条件对乙醇转化率及生成
乙烯选择性的影响,分析了反应初期的飞温现象,用X射线衍射(XRD)、环境扫描电镜(SEM)和热分析(TGDTA)
对其催化剂进行了表征。结果表明:硅铝摩尔比为50∶1的HZSM 5催化乙醇脱水制乙烯反应在温度300℃、液体
质量空速7h-1时,乙醇转化率大于998%,乙烯选择性达991%。HZSM 5催化乙醇脱水反应初期的飞温过程生
成的聚合物堵塞和覆盖部分催化剂孔道,导致催化剂活性下降和乙烯选择性显著降低,适当降低进料温度可有效
控制飞温现象发生。
关键词:乙醇;脱水;乙烯;分子筛
中图分类号:TQ426;TQ22121 文献标志码:A 文章编号:1672-3678(2009)04-0014-06
Operationalconditionsandrunawayphenomenonof
dehydrationofethanolintoethylene
SHIXiaoxing1,DUXudong1,CUIQun1,WANGHaiyan1,HUANGHe2
(1.ColegeofChemistryandChemicalEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China;
2.ColegeofBiotechnologyandPharmaceuticalEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China)
Abstract:TheinfluencesofSi/Alratioandreactionparametersontheethanolconversionandtheethyl
eneselectivityoverHZSM5zeolitewerediscussed.Therunawayphenomenonintheinitialprocesswas
analyzed.ThecatalystwascharacterizedbyXraydifraction,scanelectronmicroscopy,andthermal
analysis.Theethanolconversionexceeded998% andtheethyleneselectivityreached991% underthe
operationalconditionsofSi/Alratio50,reactiontemperature300℃,andspacevelocity7h-1.Resin
ousmaterialsformedandblockedporesofHZSM5zeoliteasaresultoftherunawayphenomenoninthe
initialprocess,andincureddeclineoftheactivity.Decreasingthefeedingtemperaturewasefectivein
avoidingtherunawayphenomenon.
Keywords:ethanol;dehydration;ethylene;zeolite
乙烯是一种重要的有机化工原料,主要通过石
油裂解得到。随着能源危机日趋严重,对于替代石
油的可再生资源开发利用成为研究热点。生物乙
醇脱水制乙烯工艺原料来源广泛,且可利用可再生
资源,受到广泛关注[1-3],尤其是现代生物工程技术
的迅速发展使生物乙烯低成本生产成为可能[4-5]。
乙醇脱水制乙烯反应中催化剂起关键作用。目前
工业上普遍使用活性 Al2O3催化剂,实验研究较多
的催化剂是 ZSM 5分子筛。其中,活性Al2O3反应
温度较高(约320~450℃)、空速偏低、能耗较大;
ZSM 5具有反应温度相对较低和空速较大等优点,
但存在着初期活性高,易发生飞温、析炭现象,影响
催化剂寿命及生产稳定性,尚未大规模推广使用。
文献[6-10]研究通过改性 ZSM 5的方法降低反
应温度,使催化剂适用于温和条件下生物乙醇脱水
制乙烯反应。然而,关于 ZSM 5催化剂初始反应
易发生的飞温现象的研究报道较少。
本文着重分析 HZSM 5反应初期的飞温现象
产生的原因,对飞温前后催化剂进行表征,测定发
生飞温时气、液相产物成分变化,研究抑制飞温现
象发生的措施,为HZSM 5催化乙醇脱水制乙烯工
艺的工业化提供基础。
1 实验部分
1.1 主要试剂和原料
HZSM 5,南开大学催化剂厂;无水乙醇(质量
分数997%),南京宁试化学试剂有限公司;乙醛溶
液(质量分数400%)、正丙醇(质量分数990%),
上海凌峰化学试剂有限公司;无水乙醚(质量分数
997%),国药集团化学试剂有限公司。
1.2 乙醇脱水制乙烯催化反应评价实验
乙醇脱水制乙烯催化反应在自制的常压固定床
反应器(12×600)上进行,实验装置如图1所示。
1—微注射泵;2—气瓶;3—汽化室;
4—固定床反应器;5—冷阱装置
图1 乙醇脱水制乙烯催化反应装置
Fig.1 Schematicdiagramofexperimentalapparatusfor
dehydrationofethanolintoethylene
反应器内装填4g催化剂(20~40目)及一定量
的石英砂。反应原料液经 WZR 50F2型微量注射
泵进入汽化器,汽化后进入反应器,反应产生的气
体经冷阱冷却分离得到气、液相产物。
1.3 产物分析
反应产物采用 SP 6890型气相色谱仪进行分
析。用氢火焰检测器和 HP PLOT/Al2O3毛细管柱
分析气相产物,采用面积归一法定量计算;柱室采
用程序升温,C1~C4(甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、玩丙
烷、丙烯、异丁烷、正丁烷、丙二烯、乙炔、反丁烯 2、
正丁烯、异丁烯、顺丁烯 2、异戊烷、正戊烷、1,2 丁
二烯、1,3 丁二烯、丙炔、乙烯基乙炔)定性定量分
析,飞温时产生的部分低聚物定量分析。用氢火焰
检测器和SE 30毛细管柱分析液相产物,采用内标
法定量分析计算,用正丙醇作内标物;乙醇、乙醚、
乙醛、乙二醇、苯、甲苯、二甲苯定性定量分析,C5~
C6、其他芳烃定量分析。色谱分析精度10-5。
1.4 催化剂结构表征
用 D8ADVANCE型 X射线衍射仪、QUAN
TA200型环境扫描电镜以及WCT 1型微机差热天
平对催化剂结构进行分析。
2 结果与讨论
2.1 HZSM 5的硅铝摩尔比对脱水反应性能影响
为了选取合适硅铝摩尔比的HZSM 5催化剂,
本研究在相同的进料质量浓度(无水乙醇)和液体
质量空速为4h-1条件下,测定不同硅铝摩尔比的
HZSM 5催化乙醇脱水制乙烯反应温度与乙醇转
化率、乙烯选择性和收率的关系,结果如表1所示。
由表1可知,在本实验条件下,硅铝摩尔比对乙
醇催化脱水制乙烯反应转化率的影响不明显,在
265~320℃的反应温度范围内反应转化率均大于
99%。硅铝摩尔比对乙烯选择性影响显著,随着硅
铝摩尔比增加,HZSM 5催化反应选择性增加,硅
铝摩尔比为50∶1的HZSM 5在300℃反应温度条
件下,乙烯选择性和收率分别为达到 9908%和
9896%。这是因为硅铝摩尔比增加,HZSM 5的酸
量及酸强度降低,且强酸中心比弱酸中心递减显著,
导致反应产物在强酸中心的聚合反应减少,选择性提
高,该实验结果与文献[11]一致,因此,以下研究是以
硅铝摩尔比为50∶1的HZSM 5为催化剂。
51 第4期 史晓星等:乙醇催化脱水制乙烯反应条件及飞温现象
表1 不同硅铝摩尔比的HZSM 5催化性能比较
Table1 CatalyticpropertiesoftheHZSM5with
diferentSi/Alratio
温度/
℃
硅铝摩
尔比值
乙醇转
化率/%
乙烯选
择率/%
乙烯收
率/%
265
25 9975 5975 5965
38 9955 9494 9451
50 9930 9795 9726
280
25 9985 6715 6705
38 9957 9782 9740
50 9985 9794 9780
290
25 9989 5414 5408
38 9973 9855 9828
50 998 9836 9816
300
25 9992 2192 2190
38 9992 9648 9641
50 9990 9908 9896
320
25 9995 1920 1919
38 9995 9239 9235
50 9991 9448 9440
2.2 反应温度对催化性能的影响
在01MPa、液体质量空速(以下简称空速)为
4h-1的条件下,测定反应温度对乙醇(997%)催化
脱水制乙烯反应性能的影响,结果如图2所示。
图2 温度与乙醇转化率、乙烯选择性的关系
Fig.2 Ethanolconversionandethyleneselectivityat
diferenttemperatures
由图2可知:随着反应温度升高,转化率逐渐上
升;乙烯选择性呈现先上升后下降的趋势,300℃时
达到最大值9907%。这是因为乙醇脱水制乙烯是
强吸热反应,升高温度对反应有利;但在较高温度
条件下,生成的乙烯易在催化剂的强酸位发生反应
生成高碳烃,导致乙烯选择性下降。本实验条件
下,较适宜的反应温度为300℃。
2.3 空速对催化性能的影响
在反应温度为300℃条件下,用无水乙醇为原
料,考察空速对催化性能的影响,结果如图3所示。
图3 空速与乙醇转化率、乙烯选择性的关系
Fig.3 Ethanolconversionandethyleneselectivity
atdiferentWHSV
由图3可见:空速变化对转化率影响不明显;乙
烯选择性随着空速的增加显著上升,当空速为7h-1
时,达到最大值991%,但当空速大于7h-1时乙烯
选择性逐渐下降。这是因为空速过低,反应物与催
化剂的接触时间较长,易导致乙烯在催化剂表面聚
合,导致乙烯选择性下降;高空速使得反应物与催
化剂接触时间过短,导致反应不完全。
2.4 原料配比对催化性能的影响
在反应温度为300℃、空速为7h-1的条件下,
考察不同乙醇水溶液质量分数对催化性能的影响,
结果如图4所示。
图4 原料质量分数与乙醇转化率、乙烯选择的关系
Fig.4 Ethanolconversionandethyleneselectivityat
diferentfeedconcentrations
由图4可见:进料浓度对转化率影响不明显;乙
烯选择性随进料浓度变化显著。进料中乙醇质量分
数为10%时,乙烯选择性仅为4186%;乙醇质量分
数增加到997%时,乙烯选择性达到991%。这是
由于水作为脱水反应的产物,抑制脱水反应的进行。
61 生 物 加 工 过 程 第7卷
2.5 飞温现象分析
在HZSM 5催化剂使用初期易发生飞温现象,
会对反应转化率、选择性及催化剂使用寿命均会造
成不良影响。为此,本研究对实验中捕捉到的飞温
现象进行研究。
图5、图6分别是正常反应及发生飞温现象的
反应产物(气、液两相)的气相色谱分析图。由图5、
图6可见:在正常反应情况下,气相产物以乙烯为
主,副产微量的乙烷、丙烷、丙烯等低碳烃;液相产
物组成较少,主要是微量的乙醛、乙醚以及未反应
的乙醇。而在飞温情况下气相产物中乙烯含量大
幅降低,成分复杂,C3、C4含量大幅提高,高碳烃含
量显著增加;液相冷凝液水相上层出现一层绿色油
状物,产物组成显著增加,出现了较多的聚合物。
图5 正常反应下产物气相色谱图
Fig.5 Gaschromatographicanalysisdiagramsundernormalconditions
图6 有飞温现象发生时产物气相色谱图
Fig.6 Gaschromatographicanalysisdiagramsunderrunawayconditions
这是由于新鲜催化剂表面存在较多的强酸中
心,在较高温度下乙醇脱水产物乙烯容易在催化剂
的强酸部位上发生齐聚和芳构化反应;该反应过程
放出大量热量,导致催化床层温度急剧上升。生成
的聚合物会覆盖催化剂的表面或堵塞孔道,导致催
化剂暂时性失活,乙烯选择性大幅度降低。研究发
现,当催化床层温度控制在250℃以上时均有飞温
现象发生(5~15min反应温度上升20~50℃,之后
缓慢下降,25~50min降至控制温度以下)。本实验
控制催化床层温度为230℃,乙醇预热至150℃进
料,反应温度在控制温度以下稳定后,升高控制温
度以便提高反应温度。通过以上方法,HZSM 5催
化剂使用初期未发生飞温现象。
2.6 催化剂结构表征
采用X射线衍射(XRD)、环境扫描电镜(SEM)
和热分析(TG DTA)等方法分别对新鲜催化剂
HZSM 5(1)、正常反应后的催化剂HZSM 5(2)
及发生飞温现象反应后的催化剂HZSM 5(3)(15
min反应温度由300℃升至350℃,之后缓慢下降)
的结构进行了表征。
2.6.1 X射线衍射(XRD)分析晶相
图7是上述3种催化剂的 XRD图。由图7可
见,3种催化剂都具有 ZSM 5(H型)的特征峰,说
明正常反应后和经过飞温反应后的催化剂的物相
未发生变化;但有飞温现象发生的反应后催化剂的
相对峰强度发生明显变化,低角度的峰强度相对降
71 第4期 史晓星等:乙醇催化脱水制乙烯反应条件及飞温现象
低,催化剂的活性位减少。
图7 不同条件下HZSM 5催化剂的XRD图
Fig.7 XRDpaternsofdiferentHZSM5catalysts
2.6.2 环境扫描电镜(SEM)分析形貌
图8是上述3种HZSM 5催化剂的扫描电镜
图。由图8可知,发生飞温后的催化剂的晶粒表面
出现粘结物。这是由于飞温情况下产生了高聚物
粘结在催化剂表面。
2.6.3 热分析(TG DTA)
图9~10是反应前和飞温后催化剂的热分析结
果。由图9可见,未反应的催化剂在65~275℃范
围内质量损失5%,在图10中出现对应吸热峰,主
要是失去水分及表面吸附的微量杂质所致。飞温
现象后催化剂在 65~166℃范围内质量损失
265%,在图10中出现对应吸热峰,主要是失去水
分所致;在166~333℃范围内质量损失187%,这
主要是一些是低聚物分解并放出热量;在 333~
550℃范围内质量损失471%,主要是高温下高聚
物分解并放出大量热量,从而在图10对应温度下出
现了放热峰。
图8 不同条件下HZSM 5催化剂的SEM图
Fig.8 SEM paternsofdiferentHZSM5catalysts
图9 不同条件下HZSM 5催化剂的TG图
Fig.9 TGpaternsofdrferentHZSM5catalysts
3 结 论
HZSM 5催化乙醇脱水制乙烯反应初期易发
生的飞温过程,会产生大量的聚合物覆盖催化剂表
面堵塞孔道,导致催化剂活性降低;适当降低进料
图10 不同条件下HZSM 5催化剂的DTA图
Fig.10 DTApaternsofdiferentHZSM5catalysts
温度和调节空速的方法,可避免飞温现象发生。硅
铝摩尔比为50∶1的HZSM 5分子筛催化乙醇脱水
制乙烯反应较适宜的工艺条件:无水乙醇进料,反
应温度300℃,质量空速7h-1,反应的转化率大于
998%,乙烯选择性达991%。
81 生 物 加 工 过 程 第7卷
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203207.
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(文伟河)
91 第4期 史晓星等:乙醇催化脱水制乙烯反应条件及飞温现象