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甲醇制烯烃(MTO)研究新进展

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 刘红星等:甲醇制烯烃(MTO)研究新进展 49 刘红星卜。谢在库 ,张成芳 ,陈庆龄 (1、华东理工大学化工工艺所274信箱,上海200237;2、上海石油化工研究院,上海201208) 摘要:综述了SAP(Y34分子筛上进行的MTO反应机理、反应动力学和反应过程中的积炭研究。MTO反应机理可 以分成三步:在分子筛表面生成甲氧基、形成第一个C—C键、生成C3、 。反应动力学较有代表性的是Bos等…提出的 涉及积炭反应的l2反应模型。反应过程中的积炭包括积炭生成机理、积炭对MTO反应的影响、延缓积炭的方法、积炭 动力学模型、烧炭再生等内容。 关键词:MTO;甲醇制烯烃;SAPO一34分子筛;积炭 中图分类号:0643.3 文献标识码:A 文章编号:1001.9219(2002)03—49—07 0前言 低碳烯烃中乙烯、丙烯是现代化学工业的基 本有机原料,其需求量将越来越大。制取乙烯、丙 烯的传统路线是通过石脑油裂解生产,这种路线 UOP/Hydro—MTO示范装置,以流化床为核心 设备,改性的SAPO一34分子筛(UOP MTO一100) 为催化剂,生产负荷0.75t甲醇/d,连续平稳运转 90多天取得了良好的结果,甲醇转化率保持 100%,乙烯和丙烯的收率达80%以上【 .1 。 SAP()'34分子筛催化甲醇制烯烃反应正处 于工业化的前夕。本文对SAP()-34分子筛上的 的缺点是过分依赖石油。对于石油而言,短时期 内有价格上涨、供应不稳定的问题;长时期有资源 储藏量有限,从而产生“石油危机”的问题 一3。 MTO的反应机理、反应动力学、反应积炭等方面 最新的研究成果进行综述。 天然气经由甲醇制乙烯、丙烯等低碳烯烃 (Methanol—to-Olefin,简称MTO)是最有希望替代 石脑油路线制烯烃的工艺 3。我国的天然气资 源丰富,年产量不断增加,为MTO提供了坚实的 原料基础。由天然气制甲醇(经由合成气)的工艺 已经具备相当高的技术水准,以甲醇制低碳烯烃 (MTO)是该替代路线的关键环节。 1984年,UCC开发了SAP()-n系列分子 筛 一3,其中SAPO一34已被公认为MTO的最佳 催化剂。SAPO-34具有8元环构成的椭球形笼 和三维孔道结构,孔口直径为0.43~0.50nm。这 1 MTo反应机理 MTO反应过程可以分为3步:在分子筛表面 生成甲氧基,生成第一个C—C键和生成C^及 。 1.1形成表面甲氧基 稳定的表面甲氧基是分子筛催化反应中的重 要中间体【¨ 。在较高的温度(400℃)下,表面 甲氧基活性很强,易于参加反应 5 3。MTO反应 过程中,甲醇脱掉一分子水生成二甲醚,甲醇/-- 种分子筛的小孔结构、中等酸性及良好的水热稳 定性是其具有良好的MTO催化性能的原因所 在[7,8 3。 国内的大连化物所,国外的UOP、Norsk Hy— 甲醚迅速形成平衡混合物【”3。甲醇/--甲醚分子 与SAPO-34分子筛上酸性位作用生成甲氧基,而 且可能有两种甲氧基生成[18,19 3。 第一种由甲醇/--甲醚分子和B酸位作用生 成,这种甲氧基在MTO反应过程中生成第一个 C—C键时起关键作用;第二种是甲醇/--甲醚分 子与端羟基作用生成,在MTO反应过程中可能 不起作用。甲氧基的形成过程如图l所示,两种 甲氧基的结构如图2所示。 dro、Mobil等公司对SAPO-34分子筛进行了很多 研究。UOP和Norsk Hydro已经建立了一套 修改稿日期:2002—05—08;作者简介:刘红星(1976一),男, 硕士;*通讯联系人:e-mail:lhx.1hx@21cn.corn。 维普资讯 http://www.cqvip.com 天然气化工 2002年第27卷 CH3OI-h H I 。_\si /O\ A1 S 3OH Fig.1 Formati//on of urface metho ̄l groups on the SAPO-34[14,15] l 熏O  / I >◇< =l\ ><O 叫●o 一. 图2 SAFe34分子筛上的两种甲氧基 Fig.2 Two types of methoxy groups on SAPO-34 , 1.2生成第一个C—C键 和Rake机理等[ 。。。以Oxium ylide机理为例:甲 甲氧基生成后,如何生成第一个C—C键,众 ~ 氧基中一个C—H质子化生成C—H ,与甲醇分 说纷纭,相关机理有20余种之多。但基本上可以 子中一OH作用形成氢键,然后生成乙基氧铺进 归为以下几类:Oxium ylide机理、Carbene机理、 而生成第一个C—C键,详细过程如图3所示。 Carbocationic机理、自由基机理、Carbon pool机理 H H I H I P/0\/6 A1— +\‘Si  I 一 +H2C:CH2 /6\AP。/o\s \A。/ +H2O 图3表面甲氧基和甲醇作用生成第一个C—C键的过程【2I】 Fig.3 Formation ofthef'wstC—C bond via a concerted reaction ofthe surface methoxy group with a methanol molecule[2I】 1.3 、c4的生成过程 没有C5以上的产物。 、C4的生成有以下5种 SAPO-34分子筛催化MTO反应时,产物分 路线: 布较简单,以 ~C4特别是乙烯、丙烯为主,几乎 路线1122,23]: 。舯\\H一 \P 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 刘红星等:甲醇制烯烃(MT0)研究新进展 51 oxy SAPO一34] \ 把曲一on alkane methylty ated SAPO-)-34+ 34 methano + ll————— ’a  alkene/ale kane H ‘ l CH2CH3 I CH2CH2CH2CH3 .l l A。/ \一i Si l A 眦m \Si /  Ali Si 彳l m /早\cH: P/CI H3 。c i I m / I 。_: 6 。 2)\SP/占 人s\Si 毛\A/i 酣 hy 订 -J 出一 “邮-l=早 “i。 -l=H P/。\A。/0\S P/。\A。/ +H2C=。\A。/6\Si -cH2 H2CcH-cH3 +=++H2O H,。++H2O H,。aseousH3CcH=cH-cH g+ucts pr0d+H2O十H2u ‘ fCH2)n; ===昔 C3H6 1【 ‘Carbon pool’=(CH2) 代表一种分子筛上 的被吸附物,该种物质与普通积炭有很多相似之 处。有可能‘Carbon pool’所含的H比(CH2) 要 少,因而用(CH ) ,0<n<2表示更加恰当一些。 该种机理表达了一种平行反应的思想,从第一个 ~hy—ns 2 SAPO一34分子筛上的MTO反应 动力学 Bos等…介绍了一种包括l0个一级反应和2 个二级反应的动力学模型(图4),该模型强调了 积炭对SAP().34分子筛的活性和选择性的影响, 并把积炭的影响包括进了动力学方程。该模型与 Dahl和Kolboe[ 一。 ]所提出的Carbon pool机理 一C—C键到C3、C4甚至积炭都来源于一种被称为 ‘Carbon pool’的中间产物[ —0¨。 上述5种生成C3和C4的路线还存在争议, 没有定论哪一种是肯定正确的。其中Carbon pool机理避免了复杂的中间产物,被较多地应用 于反应动力学和失活动力学研究当中。 致,可以较好地描述实验结果。其动力学方程 如式(1)~(7)所示。 维普资讯 http://www.cqvip.com 52 天然气化工 2002年第27卷 methanol 21 me ̄ane 一 一4—5一 A=XA/(1+Kwxw) (12) 式中,r代表反应产物生成速率;k表示速率常 数;下标与图5中反应序号对应。 A为(甲醇+ 二甲醚)的干基质量分数;XA为(甲醇+二甲醚) 的湿基质量分数,xw为反应体系中水(来源于反 l2 应生成水和用于稀释甲醇的水)的湿基质量分数; Kw为常数。研究者认为,水起到有效延缓结焦 的作用,对反应速率的影响是不可忽略的。 methanol+dimethy 1 ether r8 k8xc3一pXM ̄oHP (2) 图5 yub0等[ 】所简化的反应模型 r9 k9xc3 P (3) №・5 SimpliF ̄d reacti0fl IIl0deI 铆Hbo rl0 ktox%一P (4) 3 MTO反应过程中催化剂积炭 ?¨z 惫 z cc|3  MdDH :【0)?  著的特征是催化剂易于积炭失活SAP ̄34分子筛催化MTO反应时,一个显 。Wolf等[33 认 ki(c) k ̄e一 。 i 1,12 (7) 为积炭是单环和多环芳烃以脂肪族链或环烷链相 式中,r代表反应速率;k表示速率常数;下 连接的多种烃类混合物的总称,其组成随反应体 标与图4中反应序号对应。P为反应压力; 为 系、催化剂、反应条件的差异而有所不同。Ag y一 反应物的摩尔分率;c为结焦重量分离,ai为模型 o[34 和Campe1o【35 等认为,MTO反应中SAPO一34 常数。由式(7)知,各反应的动力学常数与结焦含 分子筛上的积炭主要是石蜡基产物,但亦有多环 量幂指数相关,反应速率对结焦非常敏感。 芳香烃的存在。 最近,Gayubo 以图4所示的反应模型为出 3.1积炭生成机理 发点,去除反应较慢的反应,考虑了反应体系中水 SAP ̄34分子筛上的MTO反应积炭生成机 的影响,对Bos等…提出的动力学模型进行了改 理大致有两种说法。Camp 1o[35]等认为,积炭来 进,得到的反应模型如图5所示,动力学方程如式 源于孔道中的烯烃齐聚,烯烃低聚物与较强酸性 (8)~(12)所示。 位强烈作用,产生的积炭堵塞催化剂孔道,导致催 rc! =klXA (8) 化剂失活。Chen等[36]则认为,积炭的生成取决 r c3 =k2xA (9) 于一种吸附于催化剂表面的中间体。他们将积炭 =: zA (10) 生成过程如图6所示,这种积炭机理与Dahl和 r(c5+parafins)=患4 A Lll】 Olefins //Me imemyleIher—_+[InIemediates】Coke 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 刘红星等:甲醇制烯烃(MT0)研究新进展 M1、0反应中催化剂积炭。 3.4积炭动力学模型 最近,Chen等[36]提出了两种积炭动力学模 3.2积炭对MT0反应的影响 积炭可以从两方面影响催化剂的活性:一是 积炭覆盖催化剂的活性位导致失活;另一是积炭 堵塞催化剂的孔道,使得反应物无法扩散到达活 性位或者产物无法扩散出催化剂孔道。MT0反 应过程中,催化剂活性对积炭非常敏感,随积炭量 型。第一种是改进的Voorhies模型,该模型将积 炭含量与每克催化剂上累计反应生成的链烃量关 联。通过该模型可以计算平均积炭选择性和平均 催化剂生成烯烃的能力。但是这种模型忽略了结 焦反应本身,所能提供的有关积炭反应机理方面 的信息很少;而且由于链烃生成量是积炭量的函 数,因而这种模型较难应用于反应器设计。 的增加,反应速率迅速下降(可参考式(7))。 Chen等【37]将积炭分成活性积炭(其实质是 一种分子筛表面的中间体)和惰性积炭两种情况。 活性积炭来源于氧化物(甲醇和二甲醚),对生成 烯烃有促进作用;惰性积炭则来源于烯烃聚合,只 起降低催化剂活性的作用。从反应开始,烯烃产 率随着积炭量和反应时间的增加而增加,这时候 活性积炭起主要作用;经历了一个最大值后,烯烃 较为令人满意的是第二种模型。此模型所对 应的积炭机理如图6所示。模型中考虑了失活对 烯烃生成反应以及积炭反应的影响,能够较满意 地描述实验现象。 3.5烧炭再生情况 产率逐渐下降,惰性积炭起控制作用。c4 /c3 的比值随积炭量的增加而增加,与积炭的性质无 关。 梁涓等【 8_研究发现,在反应温度450℃, WHSV=6.9h~,,z(CH3OH)/n(H20)=20:80的 甲醇在MT0反应过程中首先生成二甲醚, 反应条件下,以SAPO-34分子筛作为催化剂,经 55次烧炭再生后,催化剂的性能保持不变:甲醇 转化率100%;C2 ~C4 的选择性91.7%,其中 C2 的选择性56.6%。另外,前言中提及的 UOP/Hydro示范,连续运转9O多天,反复烧炭再 进而生成低碳烯烃等产物。二甲醚主要在分子筛 内部孔道系统中生成,其扩散对烯烃的生成非常 重要。在反应初始阶段,积炭使二甲醚扩散速率 下降,导致低碳烯烃特别是乙烯的生成增加[38]。 但是当积炭量达到一定程度使甲醇扩散受到严重 限制时,分子筛内部孔道系统将没有足够的空间 用以生成烯烃,此时催化剂已基本失活[39,40]。 积炭不仅会使MTO反应本征选择性发生变 化,而且使形状选择性发生变化。积炭是一种过 滤态形状选择性反应。分子筛孔道内部的积炭引 发过渡形状选择作用,因为生成乙烯的过滤态中 间产物具有较小的分子直径,积炭促进了乙烯的 生成[4Il。 3.3延缓积炭的方法 生,SAP()-34分子筛催化剂的性能仍然保持稳定 如初[9,1 ol。 4 MTO催化反应评述 我国拥有丰富的天然气资源。目前已经在 25个省市自治区及海域发现天然气气田150多 个,总储量约38万亿m3,最终可探明储量9~12 万亿m3。另外我国还在积极引进周边国家的天 Aguayo等 J研究发现,以SAPO一34分子筛 为催化剂,在350 ̄450"C之间进行MTO反应时, 然气资源。丰富而且低附加值的天然气资源为 MTO提供了坚实的原料基础。据悉,我国有几 家企业正在考虑建设以天然气为原料的3O万t/a 乙烯装置[49 J。 UOP曾经对天然气为原料经合成气、甲醇制 乙烯的过程和石脑油裂解制乙烯过程进行技术经 在甲醇中加入水有利于降低积炭速率;改变操作 条件,如提高空时和反应温度以有利于水的生成 亦可以降低积炭速率。其原因是,水可以与积炭 济分析比较【50]。以5O万t/a乙烯为基准,他们 母体竞争催化剂活性位,或者起到一种将分子筛 上的L酸位转化为B酸位的作用。 另外,有报道称在SAPO一34分子筛中引入金 属元素Ni制成Ni—SAPO-34分子筛[42-45]或者对 SAPO一34分子筛进行水热处理[46,47],亦可以延缓 的结果表明,前一种路线的投资回报率远高于后 者。当然,随石油价格的波动,这两种路线的差距 大小也会有所波动。 由天然气经由合成气制备甲醇的工艺已经相 当成熟,单套生成能力为80~100万t/a的装置 维普资讯 http://www.cqvip.com 天然气化工 2002年第27卷 已经实现工业化生产。目前包括丹麦托普索 ¨ olefin ocnversion[J].Appl Catal,1990,64:31—40. 在内的多家国外公司已开发了单套装置生产能力 [8]Xu Y,Maddox P J and Couves J W.The Synthesis of 达5000~lO000t/d的大型甲醇生产技术,即将工 SAP()_34 and G)sAP()_34 from a triethylamine ̄hy— 业化的这些技术可大幅度降低甲醇装置投资和生 drofluoric acid—water ssytme[J].J Chem SOc Faraday 产成本。MTO催化反应的研究是天然气替代路 Trails,1990,86(2):425—429. 线的关键所在。国外一些著名的大石油公司和化 [9] Vora BV,Marker T L,Barger P T,et a1.Economic route for natural Gas conversion to ethylene and ProPy— 学公司如UOP、Norsk Hydro、Mobil、BASF、 lene[J].Stud Surf Sci aCtla,1997,107:87—98. Exxon等,国内以大连化物所为代表都投入力量 [10] Vora BV,Lentz R A,et a1.world petrcohem.ocnfer— 对MTO催化反应进行了长期的研究。 ence[M].CMAI,Houston,TX,Petorchem Review, 1995年11月,UOP/Hydro的南非第4次国 Dewitt&Co,Houston,1996.2. 际天然气转化会议上,首次公布了他们联合开发 [儿] Salvador P,Kladnig W.Surface raectivity of zoelites 的天然气经由合成气制甲醇然后制烯烃过程,并 type hydrogen—Y and sodiurn-Y with methanol[J].J 称该过程已可以实现年产50万吨乙烯的工业化 Chem OSc Faraday Ttans l,1977,73:1153一l168. 生产,可从UOP/Hydro获得建厂许可iiEl 。 [12] Ono Y,Mori T J.Mechanism of methanol conversion MTO催化反应工艺正处在工业化的门槛之 into hydrocarbons over ZSM一5 zeolite[J].J Chem 上。在我国开发MTO工艺,关键地方有两处: OSc Faraday Transl,1981,77:2209—2221. (1)改性SAP()-34分子筛催化剂的开发,重点是 [13] Novakova J,Kupelkova L,et a1.Primary raection steps in the methanol—to-olefin transformation on zeO— 开发出乙烯收率高,抗积炭能力强,耐磨损的催化 lites[J].J Catal,1987,108:208—213. 剂;(2)适用MTO的流化床工艺的开发。解决这 【l4 J Forseter T R and Howe R F.In situ FTIR studise of 两个瓶颈问题后,我国的MTO催化反应工艺将 methanol and dimethyl ether in ZSM一5[J]J.Am 有望走向工业化。 ChemOSc,1987,109:5076—5082. 参考文献 [15]Kupelkova L,Novakova J,et a1.Reactivity of surface specise on zeolites in methanol conversion[J].J [1]BosA N R,Tromp PJ J and Akse H N.Conversion of Catal_,1990,124:441—450, methanol to lower olefins,Kinetic modeling,reactor [16]Hutchings G J,Hunter R,et a1.The conversion of simulation,and selection[J],Ind Eng Chem Res, methanol and other o-compounds to hydrocarbons 1995,34(儿):3808—3816. over zeolite O[J].J Catal,1994,147:177—185. 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New advances on MT0 reaction studies LIUHong-xing ,XIEZai—ku ,ZHANGCheng-fang’,CHEN@'ng-ling (1.Research Institute fo Chemical Technology,East China Univesrity fo Science nad Technolog P.O.Box 274, Shanghai 200237,China;2.Sshanghai Research Institute fo Petrochemical Technology,Shanghai 201208,China) A review is presented on various aspects of studise onⅣ【1、C)reaction over SAPo一34.The contents of this article include MTO reaction mechanism。Kinetics。coke deposition studise and comments on MTO tech— nology development.There are three steps in MTO raection:formation of methoxyl groups on the surface of SAPCL34,formation of the first C—C bond and formation of G and c4.The 12一reaction Kinetics model proposed by Bos et al【l j bear representative signification.The review of coke deposition studies include for. mation mechanism,the effect on MTO reaction,the methods for deferring coke deposition,the Kinetics model of coke deposition formation and regeneration by burning coke etc. Keyword:MTO;methanol tO olefins;SA_ ̄)-34 molceular sieve;coke deposition 由尿素和甲醇生产碳酸二甲酯 产的氨能有效回收利用时。 Catalytic Distillation Technologies公司发现 新型的铁基F—T合成催化剂 当以二甲基二甲氧基锡为催化剂同时以三甘醇二 美国烃技术公司(HTI)已获得了两项用于将 甲醚为溶剂时,可以从甲醇和尿素以十分高的产 合成气转化为液体燃料的铁基 T合成催化剂 率生产碳酸二甲酯(EP 1112120)。该工艺在蒸 的专利。铁比另一常用的F—T催化剂钴廉价得 馏反应器中实施特别有效。转化率98.3%时,选 多,但传统的铁粉催化剂会因破碎为细粉而难于 择性可达98.2%。当尿素价格较低时(如85美 从产品中分离。HTI的骨架铁催化剂强度较高, 元/t),该工艺会具有很强的竞争能力,特别是副 分离较容易。 

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