цеолитсодержащие катализаторы

ЦЕОЛИТСОДЕРЖАЩИЕ КАТАЛИЗАТОРЫ (цеолитные катализаторы)

гетерогенные многофазные катализаторы на основе цеолитов; один из видов катализаторов процессов нефтепереработки.

Представляют собой кристаллич. цеолиты, включенные в матрицу. Цеолиты, входящие в состав Ц. к., имеют вид каркаса, построенного из бесконечной одно-, двух- или трехмерной сетки тетраэдров SiO4 и А1О4, связанных общими атомами О, и пронизанного полостями и каналами. Матрица Ц. к. может состоять из Al2O3, SiO2, глины или аморфного алюмосиликата (иногда из смеси этих веществ); в ней распределен и закреплен кристаллич. цеолит. Матрица выполняет роль связующего для механически непрочного цеолита, поглощает тепло и тем самым предохраняет цеолит от локальных перегревов и термич. разрушения, проявляет синергетич. эффект в отношении активности цеолитов, их устойчивости к отравлению каталитич. ядами и т. п.

В составе пром. Ц. к. используют цеолиты (табл.) с определенными характеристиками.

ЦЕОЛИТЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЦЕОЛИТСОДЕРЖАЩИХ КАТАЛИЗАТОРОВ

таблица в процессе добавления

* 1Д, 2Д и ЗД — соотв. одно-, двух- и трехмерные структуры.

Активность и стабильность Ц. к. определяется гл. обр. соотношением атомов Si/Al в кристаллич. каркасе цеолита, размерами и строением полостей и каналов цеолита и матрицы, а также наличием в цеолите или матрице катионов, отличных от щелочных и щел.-зем. металлов [напр., РЗЭ в цеолите (т. наз. РЗЭ-форма цеолита), элементы VI и VIII групп в цеолите и матрице], или отсутствием катионов (напр., декатионированная Н-форма цеолита).

Различают моно- и бифункциональные Ц. к. Монофункциональные катализаторы содержат кислотные бренстедовские (протоны, связанные с каркасными атомами О) и льюисовские центры (катионы щелочных металлов или трех-координир. атомы А1, находящиеся в местах с дефицитом кислорода или местах расположения катионов):

цеолитсодержащие катализаторы

Каталитич. действие таких Ц. к. связано с их способностью образовывать карбониевые ионы, поэтому они способны ускорять реакции крекинга, изомеризации и диспропорционирования алкилароматич. углеводородов, переноса водорода и др.

Бифункциональные Ц. к. помимо кислотных центров содержат катионы металлов VI и VIII групп, заряд которых компенсирует избыточный отрицат. заряд в каркасе цеолита. Наличие таких катионов определяет способность Ц. к. ускорять окислительно-восстановит. реакции. В связи с этим на бифункциональных Ц. к. протекают два типа реакций: на кислотных центрах происходят реакции, характерные для монофункциональных катализаторов; на катионах металлов — реакции гидрирования — дегидрирования (напр., гидрогенолиз, гидрокрекинг, синтез углеводородов из метанола). Направление и селективность реакций определяются соотношением количества кислотных центров и количеством введенного в катализатор катиона металла.

В каждом из перечисленных в табл. типов Ц. к. можно выделить подтипы с определенным мол.-ситовым эффектом. Такой эффект Ц. к. обусловлен соразмерностью каналов и полостей цеолитов с молекулами реагентов или продуктов реакции. Например, в случае селективного крекинга и гидрокрекинга н-парафинов на узко- и среднепористых цеолитах с размерами пор 0,3–0,6 нм соразмерность молекул исходных углеводородов с порами катализатора способствует их доступу к активным центрам. В случае несоразмерности молекул продуктов реакции с порами катализатора их диффузия с активных центров затруднена, что приводит к образованию значит. количеств кокса на поверхности катализатора.

Получают Ц. к., как правило, сухим смешением или со-осаждением составляющих катализатор компонентов матрицы и цеолита. Исключение составляет хим. способ "in situ", по которому сначала получают матрицу, а затем в каналах ее пор выращивают цеолит.

Синтез цеолитов осуществляют кристаллизацией в гидротермальных условиях реакц. смеси, содержащей Na2O, A12O3, SiO2 и H2O, или нагреванием гелей, образующихся при смешении раствора NaAlO2 и золя H4SiO4. Состав смеси и условия синтеза определяют структуру цеолита. Получаемая обычно Na-форма цеолита может подвергаться далее ионному обмену с разл. катионами, структурному модифицированию и т. п.

Матрицу Ц. к. готовят на основе гидроксида Al, золя H4SiO4 или смеси растворов NaOH с каолином. Условия получения (температура, pH раствора, время, а также количество вводимых соед.) определяют пористость структуры матрицы, ее каталитич., связующие и др. свойства. После смешения компонентов матрицы с цеолитом из полученной массы (суспензии, пасты и др.) разл. способами формуют частицы (микросферы, таблетки и т. п.) с определенным распределением по размеру; после этого проводят термич. обработку (сушку и/или прокаливание). При необходимости полученный Ц. к. подвергают дальнейшему модифицированию.

Осн. пром. применение Ц. к.:

1) Каталитический крекинг тяжелых нефтяных фракций для производства высокооктановых бензинов.

Процесс проводят при температурах 470–540 °C и давлении до 0,4 МПа на монофункциональных Ц. к., содержащих цеолиты в Н- или РЗЭ-форме, с разл. соотношением атомов Si/Al (содержание цеолита в Ц. к. 50–60% по массе). Для повышения октанового числа бензина и выхода сжиженных нефтяных газов в катализатор вводят также цеолит типа ZSM-5 (5–10% по массе), обеспечивающий селективный крекинг н-парафинов. Его матрица содержит каолин, Al2O3 и синтетич. аморфный алюмосиликат.

2) Гидрокрекинг тяжелых нефтяных фракций для производства бензина, реактивного и дизельного топлива.

Процесс проводят при температурах 300–400 °C и давлении 10–20 МПа на бифункциональных Ц. к. на основе цеолита типа Y в Н- и РЗЭ-форме с разл. соотношением атомов Si/Al; гидрирующую функцию выполняют металлы Pt-группы или оксиды Ni(Co) и Mo, введенные в матрицу в количестве до 10% по массе.

3) Производство смазочных, изоляционных масел и гидравлич. жидкостей из нефти.

Процесс проводят при 350–400 °C и давлении до 4 МПа в присутствии бифункционального Ц. к., содержащего до 60–70% по массе цеолита ZSM-5, морденита, эрионита или оффретита (в Н- или катионной форме), металлы Pt-группы или Ni(Co), Mo(W) в количестве 10% по массе.

4) Гидроизомеризация бензиновых фракций для производства высокооктановых компонентов моторных топлив.

Изомеризацию низкооктановых углеводородов (н-пентана, н-гексана) проводят при 220–300 °C и давлении 2–3 МПа на бифункциональных Ц. к. типа морденкта или типа Y (содержание 60–70% по массе) с нанесенными металлами Pt-группы.

5) Повышение октанового числа риформинг-бензинов и про-из-во сжиженного нефтяного газа (селектоформинг).

Процесс проводят при 350–450 °C и давлении до 3 МПа на бифункциональных Ц. к. на основе цеолита эрионита (содержание 60–70% по массе) в Ni- или РЗЭ-форме. Такой Ц. к. обладает селективным эффектом в отношении н-парафинов.

Др. процессы с использованием Ц. к.: изомеризация и диспропорционирование ароматических углеводородов, производство этилбензола, бензина из метанола, ароматических углеводородов из пропана и бутана.

Лит.: Крекинг нефтяных фракций на цеолитсодержащих катализаторах, М., 1982; Якобс П. А., Карбоний-ионная активность цеолитов, пер. с англ., М., 1983; Радченко Е. Д., Нефедов Б. К., Алиев P. P., Промышленные катализаторы гидрогенизационных процессов нефтепереработки, М., 1987; Перспективные процессы и катализаторы нефтепереработки и нефтехимии, Сб. науч. тр. ГрозНИИ, М., 1990.

О. В. Крюков

Источник: Химическая энциклопедия на Gufo.me