拟薄水铝石对加氢异构化催化剂性能的影响
张芳, 王勇利, 吕宏安, 何观伟*
西安元创化工科技股份有限公司,陕西 西安 710061
通讯联系人:何观伟,1966年生,男,高级工程师,从事工业催化技术研究开发工作。

作者简介:张 芳,1990年生,女,内蒙古自治区乌兰察布盟人,硕士,助理工程师,研究方向为工业催化。

摘要

研究3种不同孔结构的拟薄水铝石粉体对加氢异构化催化剂物化性质和蜡加氢异构化反应性能的影响,采用XRD、BET、FT-IR和NH3-TPD表征拟薄水铝石和由其制备的加氢异构化催化剂的物化性能,并在固定床反应器上评价催化剂的异构化性能。结果表明,3种拟薄水铝石的物相相同,以羟基峰强度和胶溶能力较强的拟薄水铝石制备的异构化催化剂比表面积和孔容最大、酸性最弱、蜡加氢异构化性能最佳,所得润滑油基础油凝点<-30 ℃,黏度指数>180,满足高品质润滑油基础油的要求。

关键词: 催化剂工程; 拟薄水铝石; 加氢异构化催化剂
中图分类号:TQ426.6;TE626.3    文献标志码:A    文章编号:1008-1143(2017)05-0045-04
Effects of pseudoboehmite on catalytic behaviors of hydroisomerization catalyst
Zhang Fang, Wang Yongli, Lü Hongan, He Guanwei*
Xi’an Origin Chemical Technologies Co.,Ltd.,Xi’an 710061,China
Abstract

The effects of three types of pseudoboehmite with different pore structure on the physicochemical properties and wax catalytic hydroisomerization behaviors of the isomerization catalyst were investigated in this paper.The physicochemical properties of the pseudoboehmite and corresponding catalysts were characterized by XRD,BET,FT-IR and NH3-TPD.The behaviors of the catalysts were tested in a fixed bed reactor.The results showed that the three types of pseudoboehmite had the same phase.The catalyst prepared from the pseudoboehmite with stronger hydroxyl peak strength and solubility possessed the largest specific surface area and pore volume,the weakest acidity,and the best performance for wax hydroisomerization,producing lubricant base oil with pour point of lower than -30 ℃ and viscosity index of over 180,which met the requirement of high quality lubricant base oil.

Keyword: catalyst engineering; pseudoboehmite; hydroisomerization catalyst

随着现代工业的发展和环保压力的增大, 对高品质润滑油的需求增加。与老三套传统工艺相比, 生产低凝点、高黏度指数的API Ⅱ +和Ⅲ 类润滑油基础油的异构脱蜡技术具有显著优势。异构脱蜡技术的核心在于催化剂, 开发高活性、高选择性和高稳定性的加氢异构化催化剂成为研究热点[1, 2, 3]。一维直孔道十元环TON型分子筛具有优异的择形效应, 在长链烷烃加氢异构化反应中应用广泛。工业催化剂组成中除分子筛和活性金属外, 在成型时常常加入酸化拟薄水铝石黏结剂, 一方面可提高催化剂的机械强度和耐磨性能, 另一方面可作为载体调变催化剂的孔结构和酸性。在催化剂制备过程中黏结剂经过高压挤出和高温焙烧, 与分子筛发生交互作用而影响催化剂活性[4]。这些研究主要集中在甲醇制烯烃反应[5]、催化裂化反应[6, 7]、丙烷脱氢反应[8]和液化气芳烃化反应[9]等。

本文分析3种拟薄水铝石的物化性质, 表征采用3种拟薄水铝石制得的加氢异构化催化剂的孔结构和酸性质, 并以54#蜡为原料, 评价加氢异构化催化剂的性能。

1 实验部分
1.1 实验原料

3种工业级拟薄水铝石粉体分别标记为PB-1、PB-2和PB-3。将其置于马弗炉550 ℃焙烧4 h, 制得的样品标记为A-1、A-2和A-3。

实验用分子筛为工业级一维直孔道十元环TON型分子筛, 原料蜡为工业级熔点(54~56) ℃的54#蜡, 主要组分构成见图1。

图 1 原料54#蜡的碳数分布Figure 1 Carbon number distribution of 54# wax

由图1可以看出, 原料的正构烷烃总质量分数达80%以上, 适合作为评价催化剂加氢异构化性能的模型化合物。

1.2 催化剂制备

按一定质量比称取分子筛粉和拟薄水铝石粉, 研磨均匀, 逐滴加入质量分数3%稀硝酸溶液, 混匀, 挤条成型, 120 ℃干燥2 h, 550 ℃焙烧4 h, 粉碎, 筛分出颗粒尺寸(20~40)目的载体。

以一定浓度的H2PtCl6溶液为浸渍液, 采用等体积浸渍法将Pt负载到已制备好的载体上, 干燥焙烧后, 得到加氢异构化催化剂。添加不同拟薄水铝石PB-1、PB-2和PB-3制备的催化剂分别标记为CB-1、CB-2和CB-3。

1.3 催化剂表征

采用荷兰帕纳科公司X’ Pert Powder X射线衍射仪进行XRD表征, Cu靶, 工作电压60 kV, 工作电流55 mA, 扫描范围10° ~80° 。

采用美国康塔仪器公司Autosorb IC型自动吸附分析仪分析比表面积和孔结构, 样品经200 ℃脱气处理后, 液氮温度下进行N2吸附-脱附实验, BET法计算比表面积, BJH法计算孔径。

采用美国布鲁克· 道尔顿公司傅里叶变换红外光谱仪进行表面羟基分析, KBr压片, N2流速60 mL· min-1, 350 ℃处理2 h。

采用美国麦克仪器公司AutoChem Ⅱ 2920型全自动化学吸附分析仪分析表面酸强度, 样品在室温下吸附NH3至饱和, 再用流速50 mL· min-1的高纯N2吹扫至无NH3脱附, 以10 ℃· min-1升温至600 ℃, TCD检测脱附的NH3

1.4 催化剂性能评价

加氢异构化催化剂采用中型固定床反应器进行评价, 催化剂装填量100 mL, 评价前在H2流速30 L· h-1和温度450 ℃还原2 h。反应条件:280 ℃, 6.0 MPa, 氢油体积比600, 体积空速1.0 h-1, 进料6 h。反应稳定后, 切换至取样罐, 反应6 h后, 从罐中取出液体产物。采用OT-V石油产品自动蒸馏仪对液体切割, 得到润滑油基础油馏分, 在ISQ气质联用仪上对基础油馏分进行异构化率分析。

2 结果与讨论
2.1 拟薄水铝石物化性能

拟薄水铝石及其焙烧所得氧化铝的XRD图如图2所示。由图2可以看出, PB-1、PB-2和PB-3在14.5° 、28.2° 、38.3° 和49.0° 均出现AlOOH特征衍射峰, 没有出现明显的三水铝石杂相, 均为合格品, 能够用于制备加氢异构化催化剂。45.8° 和67.0° 出现与文献[10]相同的γ -Al2O3特征衍射峰, 表明3种拟薄水铝石经550 ℃焙烧后的物相均为纯γ -Al2O3

图 2 拟薄水铝石及其焙烧所得样品的XRD图Figure 2 XRD patterns of pseudoboehmite and calcined alumina samples

拟薄水铝石的FT-IR谱图如图3所示。

图 3 拟薄水铝石的FT-IR谱图Figure 3 FT-IR spectra of pseudoboehmite

由图3可见, PB-3在3 303 cm-1和3 088 cm-1处出现两个峰即有两种类型的羟基, PB-1和PB-2在3 435 cm-1处存在一个微弱的羟基峰。拟薄水铝石微晶表面羟基峰强度越强, 越有利于胶溶。测得PB-3胶溶指数为24.63%, PB-2为13.14%, 与红外光谱表面羟基强弱分析结果一致。

2.2 加氢异构化催化剂物化性能

TON型分子筛和催化剂的比表面积、孔体积和酸强度分布见表1

表 1 TON型分子筛和催化剂的比表面积、孔体积和酸强度分布 Table 1 Specific surface area, pore volume and distribution of acid strength of TON molecular sieve and the catalysts

表1可以看出, 催化剂CB-3的比表面积和孔容最大。造成催化剂结构差异的原因有:(1) 拟薄水铝石焙烧后氧化铝孔结构的差异; (2) 氧化铝和骨架外的氧化硅发生反应, 造成载体的微粒大小和堆积方式发生不同程度的变化; (3) 分子筛骨架坍塌导致孔互相交错连接[8]。由表1还可以看出, CB-3的弱酸量与CB-1和CB-2催化剂相差不多, 中强酸量多于CB-1和CB-2, 强酸量低于CB-1和CB-2, 表明CB-3催化剂酸性弱于CB-1和CB-2。

图4为TON型分子筛和催化剂的NH3-TPD谱图。

图 4 TON型分子筛和加氢异构化催化剂的NH3-TPD谱图Figure 4 NH3-TPD profiles of TON molecular sieve and hydroisomerization catalysts

由图4可见, TON型分子筛和3种催化剂均有两个氨脱附峰, (150~250) ℃脱附峰对应弱酸中心, (350~450) ℃脱附峰对应强酸中心。对比低温和高温氨脱附峰面积可以看出, 一方面低温脱附峰面积较高温大, TON型分子筛和3种催化剂均呈弱酸性; 另一方面催化剂的酸性强于TON型分子筛, 可能部分可溶性Al在高温焙烧过程中迁移进入分子筛骨架中导致催化剂酸强度增大[8]

3种催化剂上54#蜡的加氢异构化性能评价结果如表2所示。由表2可以看出, 3种催化剂的总液体收率均较高, CB-3催化剂上基础油收率、凝点和异构化率指标最好, 但产品黏度指数略差。因为弱酸性有利于异构化反应, 可避免过多二次裂化反应的发生, 而强酸性有利于裂化反应。因此, 对于长链烷烃加氢异构化反应, 选择大孔容拟薄水铝石PB-3作为黏结剂最佳, 一方面, 大孔容有利于大分子化合物向催化剂颗粒内部扩散, 高比表面积有利于活性金属的分散[8]; 另一方面, 弱酸性有利于异构化而避免裂化[2]

表 2 加氢异构化催化剂性能评价结果 Table 2 Evaluation results of hydroisomerization catalysts
3 结 论

(1) 3种拟薄水铝石的物相相同, 但羟基峰强度强弱和胶溶能力不同。

(2) 采用不同孔结构的拟薄水铝石以相同配方制备的3种催化剂, 其孔结构和酸强度分布不同, 以羟基峰强度和胶溶能力较强的拟薄水铝石制备的异构化催化剂比表面积和孔容最大, 酸性最弱, 具有良好的异构化活性, 所得产品基础油凝点、黏度指数和异构化率等性能指标均满足高品质润滑油基础油的要求。

The authors have declared that no competing interests exist.

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