氢转移反应在烯烃转化中的作用探讨
许 友 好
(石油化工科学研究院,北京 !"""#$)
摘要 以催化裂化汽油为原料在不同类型的催化剂上进行了催化转化试验,探讨了不同类型
的氢转移反应在烯烃转化中的作用。结果表明,烯烃在硅铝比较高的分子筛催化剂上或在较高的
反应温度下或在较低的空速下进行氢转移反应,可以生成较多的芳烃;反之,烯烃在硅铝比较低的
分子筛催化剂上或在较低的反应温度下或在较高的空速下进行氢转移反应,可以生成较多的异构
烷烃。
关键词:氢转移 烯烃 催化剂 硅铝比
! 前 言
氢转移反应是分子筛催化裂化特征反应之
一[!],对氢转移反应机理的研究一直在进行中,这
是因为氢转移反应在催化裂化反应中起着双重作
用,一方面饱和产品中烯烃,终止裂化反应,保留较
多的高相对分子质量的产物,即增加汽油和柴油的
产率,降低干气产率,并且产品质量得到改善,但同
时导致焦炭的形成。到目前为止,对双分子氢转移
反应机理清晰地理解和定量化仍较为困难,如何实
现双分子氢转移反应起到饱和产品中的烯烃和终
止裂化反应作用,同时焦炭的产率不大幅度增加或
尽可能地降低产品中的烯烃,生产异构烷烃仍是目
前需要解决的问题。本文探索不同的工艺条件和
催化剂类型对烯烃转化中的氢转移反应,以达到生
产不同的目的产品。
" 实 验
" #! 试验方法
试验内容分成三个部分,一是研究典型的催化
裂化汽油在不同类型的催化剂上的反应情况;二是
研究典型的催化裂化汽油在同一类型催化剂的再
生剂和待生剂上的反应情况;三是研究典型的催化
裂化汽油在不同的工艺条件下的反应结果。选用
催化裂化汽油的目的是为了简化原料油的复杂性,
部分排除裂化反应的影响,主要研究汽油中的烯烃
及环烷烃的氢转移反应,试验所用的汽油 % 和 &
性质列于表 !;选用含有不同类型的分子筛作为活
性组元的催化剂 ’()*!、+%,*!、-’.*/、01*2$ 和
’+’*!,以考察不同类型的分子筛对烯烃氢转移反
应的影响,其性质列于表 2;选用 01*2$ 再生催化
剂和 01*2$ 待生催化剂(炭含量为 ! 3 24,微反活
性为 5!),以考察催化剂上炭含量对氢转移反应的
影响;考察了反应温度和反应时间对烯烃氢转移反
应的影响。试验是在小型固定流化床反应器上进
行的。
表 ! 试验所用汽油的性质
项 目 % &
密度(2" 6)7 89·:; $ /<$ 3" /2/ 3!
辛烷值
!"# =! 3$ =2 3!
$"# /= 35 /= 3#
!(硫)7!9·9
; ! 2"" 2 "$535
!(氮)7!9·9
; ! $" !5! 3$
!(碳)7 4 #>3#" #> 35<
!(氢)7 4 !$3"$ !$ 32>
馏程 7 6
!"4 >$ 5=
5"4 !"> !"<
="4 !/> !>>
终馏点 !=5 2""
族组成 7 4
烷烃 2= 3> 2$ 3!
正构烷烃 53$ 5 3"
异构烷烃 2< 3$ !# 3!
环烷烃 #3$ / 35
烯烃 $/ 3# 5" 3/
芳烃 2< 3$ !# 3/
收稿日期:2""!*"$*2!;修改稿收到日期:2""!*">*"<。
作者简介:许友好,高级工程师,!=#/年毕业于华东理工大学
工程系,获硕士学位。主要从事催化裂化工艺的研究。
石 油 炼 制 与 化 工
2""2年 !月 )?@+A0?B. )+A’?CC(D, %DE )?@+A’F?.(’%0C 第 $$卷第 !期
万方数据
表 ! 不同类型催化剂的性质
项 目 !"!#$ %’( )!*#+ ",-#$ !./#$
分子筛类型 "01 "0231 231
"01 4
231 4
)"/
"0231 4
)"/
!(,5’6()7 8 ’9 :; ;$ :’ <; :’ <; := <> :=
!("0’6()7 8 ( :? ’ :? ? :? $ := $ :?
3@ 7 ,5 ’ :? ; :? 9 :; = :? $’ :?
! "! 试验结果
! "! " # 不同类型的催化剂 汽油原料 , 在
!./#$,",-#$,)!*#+ 和 !"!#$ 催化剂上的反应结
果列于表 (。从表 (可以看出,汽油原料 , 在催化
剂上转化为焦炭产率的顺序为:!"!#$ A )!*#+ A
",-#$ A !./#$;汽 油 收 率 的 顺 序 为:!./#$ A
",-#$ A )!*#+(!"!#$);产品汽油中的异构烷烃的
顺序为:!"!#$ A )!*#+ A ",-#$ A !./#$;烯烃和芳
烃的顺序为:!./#$ A ",-#$ A )!*#+ A !"!#$。
表 $ 汽油原料 %在不同类型催化剂上的反应结果
项 目 !"!#$ )!*#+ ",-#$ !./#$
产物分布 7 8
干气 ? :<9 ? :(> ? :(( ? :;9
液化气 $ :== ’ :;> ? :>+ $ :(?
汽油 ==:<; == :<; >$ :+? >’ :9;
轻柴油 ( :=; ( :=+ < :$= ( :$>
重油 ? :?; ? :=? ? :(? ? :??
焦炭 ; :’9 ( :=( ’ :<; ’ :’;
损失 ? :?; ? :?+ ? :?+ ? :?;
合计 $??:?? $?? :?? $?? :?? $?? :??
汽油组成 7 8
正构烷烃 > :(+ + :?? > :’? = :==
异构烷烃 <’:=; (= :;< (( :=> (? :>$
烯烃 = :$? $9 :9= $9 :+’ $> :+9
环烷烃 $$:>’ > :=( $$ :<’ $$ :’’
芳烃 ’+:+9 ’+ :>; ’= :++ ’> :’(
! "! " ! 不同炭含量的催化剂 汽油原料 B 在
%’(再生剂和 %’(待生剂上的反应结果列于表
<。从表 <可以看出,在相同的汽油收率下,在再生
剂上生成焦炭的产率较高,生成产品汽油中的芳烃
含量较低,而异构烷烃含量较高;在相同的操作条
件下,在再生剂上生成焦炭的产率仍较高,产品汽
油的产率及其烯烃含量则低得多,而异构烷烃含量
较高。
! " ! " $ 不同操作条件 汽油原料B在不同的反
表 & 汽油原料 ’ 在 ()*!$再生催化剂
和待生催化剂上的反应结果
项 目
汽油收率相当
再生剂 待生剂
操作条件相同
再生剂 待生剂
产物分布 7 8
干气 ?:(; ? :<; ? :(; ? :$;
液化气 ;:?+ 9 :(9 ; :?+ $ :==
汽油 =+:9; =+ :<( =+ :9; >’ :?=
轻柴油 (:;9 ( :=’ ( :;9 ( :>(
重油 ?:++ ? :’$ ? :++ ? :??
焦炭 ’:;? $ :;? ’ :;? $ :+;
损失 ?:$? ? :’( ? :$? ? :’$
合计 $??:?? $?? :?? $?? :?? $?? :??
汽油组成 7 8
正构烷烃 ;:(> ; :;> ; :(> ; :$<
异构烷烃 (+:’; (( :$? (+ :’; (’ :;$
烯烃 ’9:9? ’9 :<9 ’9 :9? (( :>9
环烷烃 $?:<= = :$? $? :<= = :?<
芳烃 ’?:’= ’9 :+; ’? :’= ’? :(;
应温度或不同的空速下反应结果列于表 ;。从表 ;
可以看出,在较高的反应温度下,汽油收率较低,焦
炭产率较高,汽油组成中的芳烃含量远高于较低反
应温度的汽油组成中的芳烃含量,烯烃含量远低于
较低反应温度的汽油组成中的烯烃,但烯烃转化为
异构烷烃远低于较低的反应温度;在较低的空速
下,汽油收率较低,而焦炭产率较高,汽油组成中的
芳烃含量高于较高空速的汽油组成中的芳烃含量,
烯烃含量低于较高空速的汽油组成中的烯烃含量,
虽然烯烃转化为异构烷烃略低于较高的空速,但烯
烃转化为芳烃高于较高的空速,总体上说,在较低
的空速下,烯烃转化为异构烷烃和芳烃好于较高的
空速。
$ 试验结果分析
$ "# 氢转移反应机理和作用
通过双分子氢转移反应,烯烃转化为异构烷烃
和芳烃,芳烃有可能继续释放负氢,饱和其它烯烃
分子,生成更多烷烃,而自身变成多环芳烃,甚至是
焦炭。以生成芳烃脱附或不脱附为界,将氢转移反
应分为下列两类氢转移反应。
氢转移反应类型![’]:
(!!C’! 4 !"C’ !" (!!C’! 4 ’ 4 !"C’" D 9
烯烃 环烷烃(烯烃) 烷烃 芳烃
>(第 $期 许友好 :氢转移反应在烯烃转化中的作用探讨
万方数据
Administrator
高亮
氢转移反应类型![!]:
"!#$! !
吸收负氢
"!#$! % $
烯烃 烷烃
表 ! 汽油原料 "在不同的操作条件下的反应结果
项 目 &’($!
反应温度 ) * !++ ,-+ ,++
空速 ) . / 0 0+ 0+ - 0+
产物分布 ) 1
干气 +203 + 2,, + 2,4 + 2!+
液化气 025+ , 2,$ , 265 , 2-!
汽油 34 2,0 35 20- 36 200 33 2!$
轻柴油 -230 , 2,+ ! 24! ! 26,
重油 +265 0 206 + 23+ + 263
焦炭 024! ! 2+, $ 25$ $ 20,
损失 +2!0 + 2!3 + 2$4 + 204
汽油组成 ) 1
芳烃 $+ 2,0 $, 266 $$ 26! $0 2+6
烯烃 !$ 235 $5 2$, $- 25! $3 263
烷烃 !3 2,, !3 2+4 ,! 2-4 ,0 2$,
正构烷烃 -2!4 5 204 - 2,! - 2!,
异构烷烃 !! 2+- !0 24+ !3 205 !- 24+
环烷烃 32!+ 0+ 23$ 3 2+- 3 240
烯烃减少幅度(相对汽油
原料 7)) 1 $02! $3 20 $3 2, $- 2!
芳烃增加幅度 0" ) 1 $+24 $0 26 $0 2- $0 2$
芳烃增加幅度 $# ) 1 / +2,4 ! 2+6 0 2$! / +20!
芳烃的选择性$ ) 1 / $2! 0+ 24 , 2! / + 2-
异构烷烃增加幅度 0% ) 1 $+2$ $0 2+ $+ 23 $+ 2-
异构烷烃增加幅度 $& ) 1 0$ 23- 0+ 24 06 2$5 0- 2,
异构烷烃的选择性’ ) 1 5+2! !3 23 5+ 23 5+ 24
芳烃加异构烷烃的选择性 ) 1 -32+ ,4 26 5- 20 5+ 2,
" 芳烃增加幅度 0定义为:汽油原料中的芳烃不参与反应情
况下,因部分汽油转化而造成芳烃含量的增加。
# 芳烃增加幅度 $定义为:汽油原料中的烯烃参与氢转移反
应而造成芳烃含量的增加。
$ 芳烃选择性定义为:0++ 8芳烃增加幅度 $ )烯烃减少幅度。
% 异构烷烃增加幅度 0定义为:在汽油原料中的异构烷烃不
参与反应情况下,因部分汽油转化而造成异构烷烃含量的增加。
& 异构烷烃增加幅度 $定义为:汽油原料中的烯烃参与氢转
移反应而造成异构烷烃含量的增加。
’ 异构烷烃选择性定义为:0++ 8异构烷烃增加幅度 $ )烯烃减
少幅度。
烯烃转化需要生成烷烃和芳烃,最好进行氢转
移反应类型(,抑制氢转移反应类型!;反之,烯烃
转化需要生成更多的烷烃,最好进行氢转移反应类
型!,抑制氢转移反应类型(。
# $% 试验结果分析
汽油烯烃在不同类型催化剂上的反应结果表
明:汽油烯烃在 "9"(0 催化剂上转化为焦炭产率
最高,汽油收率最低,产品汽油中的异构烷烃最高,
而烯烃和芳烃最低,反之,汽油烯烃在 ":;(0 催化
剂上转化为焦炭产率最低,汽油收率最高,产品汽
油中的异构烷烃最低,而烯烃和芳烃最高。依据该
试验结果和上述的氢转移反应机理,可以得出如下
结论:烯烃在分子筛硅铝比较低的催化剂上,发生
类型!的氢转移反应要高于分子筛硅铝比较高的
催化剂,反之,烯烃在分子筛硅铝比较高的催化剂
上,发生类型(的氢转移反应要高于分子筛硅铝比
较低的催化剂。这是因为烯烃在酸中心上质子化
形成正碳离子,随之与供氢分子(如环烷烃或烯烃)
发生氢转移反应生成烷烃并脱附,最后缺氢的供氢
分子脱附或继续作为供氢分子,其中质子化的烯烃
与供氢分子(如环烷烃或烯烃)发生氢转移反应是
控制步骤,其步骤与酸密度和反应物浓度有关,随
着酸密度增加,质子化的烯烃浓度也增加,与气相
烯烃或环烷烃或周围的弱酸上正碳离子发生叠合
反应可能性增加,随之氢转移反应的可能性增大。
催化剂的酸密度与分子筛骨架硅铝比有关,低硅铝
比的分子筛催化剂不仅具有较高的酸密度,而且对
烯烃吸附能力增加,导致氢转移反应速度增加,生
成的缺氢的分子难以脱附并继续释放负氢,饱和其
它烯烃分子,而自身直到生成焦炭;而高硅铝比的
分子筛催化剂具有较低的酸密度,导致氢转移反应
速度减弱,生成的缺氢分子在一定条件下能够脱
附,生成较多的芳烃和较少的焦炭。
对于含有部分较小孔道尺寸分子筛的 9<=(0
和 ":;(0催化剂,更加减少双分子和多分子叠合反
应可能性,随之氢转移反应的可能性也减少,造成
生成产品汽油中芳烃和烯烃含量较高,生成焦炭的
+, 石 油 炼 制 与 化 工 $++$年 第 !!卷
万方数据
Administrator
高亮
Administrator
高亮
Administrator
高亮
Administrator
高亮
Administrator
高亮
产率较低。
汽油烯烃在 !"#$%再生催化剂和待生催化剂
上的反应结果表明,相对于再生催化剂,汽油烯烃
在待生催化剂上转化,在相同的汽油收率下,焦炭
产率较低,产品汽油中的异构烷烃含量较低,而芳
烃含量较高;在相同的操作条件下,汽油收率较高,
气体产率和焦炭产率较低,产品汽油中的异构烷烃
含量较低,而烯烃含量较高。依据该试验结果和上
述的氢转移反应机理,可以得出如下结论,烯烃在
再生催化剂上,发生类型!的氢转移反应要高于待
生催化剂,并且存在一定的裂化反应。烯烃在再生
催化剂和待生催化剂上所发生的氢转移反应的差
异可能是由于再生催化剂具有较高的酸密度和酸
强度,而待生催化剂具有较低的酸密度和酸强度。
氢转移反应不仅与酸密度有关,而且与酸强度有
关。高强度的酸有利于烃类的吸附和裂化反应而
不利于烃类脱附,一旦烃类在较强的酸性位上形成
正碳离子,就难以脱附,此时该正碳离子与气相烯
烃或环烷烃或周围的弱酸上正碳离子发生叠合反
应并伴有类型!的氢转移反应和裂化反应,抑制伴
有脱附的类型"的氢转移反应;弱酸有利于脱附而
不利于吸附和裂化反应,弱酸上的正碳离子与气相
烯烃或环烷烃发生有利于类型"的氢转移反应。
汽油烯烃在不同反应条件下的反应结果表明,
烯烃在较高的反应温度下发生类型"的氢转移反
应要高于较低的反应温度;烯烃在较低的空速下发
生类型"的氢转移反应要高于较高的空速。反应
条件对氢转移反应的影响可以通过氢转移反应热
力学数据来确定,从氢转移反应热力学数据可以看
出:氢转移反应是放热反应,降低反应温度对氢转
移反应有利,氢转移反应热力学平衡常数较大,几
乎不受热力学限制;氢转移反应动力学对氢转移反
应影响分为吸附、反应和脱附,除催化剂对吸附、反
应和脱附影响外,反应温度、反应时间和反应压力
也对烯烃吸附、反应和产物脱附产生影响。降低反
应温度,对烯烃吸附有利而对反应不利,对产物脱
附不利,有利于类型!的氢转移反应;反应时间对
烯烃吸附、反应和产物脱附影响与催化剂活性位酸
强度和密度有关,随着反应时间的增加,部分烯烃
被吸附在催化剂的强酸中心上,导致催化剂酸强度
和酸密度下降,从而有利于类型"的氢转移反应发
生。
通过上述分析,可以选择适宜反应条件和催化
剂来实现烯烃分子进行不同类型的氢转移反应,从
而饱和烯烃分子,同时焦炭的产率不大幅度增加或
尽可能地将烯烃转化为异构烷烃。
! 结 论
汽油烯烃在不同的催化剂上和不同的反应条
件下转化,产品分布和生成产品汽油中的组分存在
较大的差异。利用氢转移反应机理对反应结果进
行分析,提出两类不同类型氢转移反应在烯烃转化
中的作用和实现不同类型氢转移反应所需要的反
应条件。烯烃在硅铝比较高的分子筛催化剂上或
在较高的反应温度下或在较低的空速下转化,可以
生成较多的芳烃,氢转移反应类型"对烯烃转化影
响较大;烯烃在硅铝比较低的分子筛催化剂上或在
较低的反应温度下或在较高的空速下转化,可以生
成较多的异构烷烃,氢转移反应类型!对烯烃转化
影响较大。
参 考 文 献
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B.+,:R(. .(+8BE7,: 7, 7F(RE, 87,<(.:E7, P(.( :BA1E(1/ 0B P+: 87,8FA1(1 B5+B 7F(RE,: P(.( 87,<(.B(1 E,B7 *7.( E:7O+.+RRE,:
B5.7A35 5M1.73(, B.+,:R(. .(+8BE7, A,1(. F7P(. .(+8BE7, B(*O(.+BA.( 7. +B 5E35(. :O+8( <(F78EBM 7. 7<(. + 8+B+FM:B PEB5
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5E35(. .(+8BE7, B(*O(.+BA.( 7. +B F7P(. :O+8( <(F78EBM 7. 7<(. + 8+B+FM:B PEB5 5E35(. HE S GF 9+BE7 /
9:; <=6>4:5M1.73(, B.+,:R(.;7F(RE,;8+B+FM:B;:EFE8+ +FA*E,+ .+BE7
&I第 &期 许友好 /氢转移反应在烯烃转化中的作用探讨
万方数据
Administrator
高亮
Administrator
高亮
氢转移反应在烯烃转化中的作用探讨
作者: 许友好
作者单位: 石油化工科学研究院,北京,100083
刊名: 石油炼制与化工
英文刊名: PETROLEUM PROCESSING AND PETROCHEMICALS
年,卷(期): 2002,33(1)
被引用次数: 38次
参考文献(3条)
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2.Venuto P B;Hamilton L A;Landis P S 查看详情[外文期刊] 1966(05)
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