轻烃催化裂解高性能催化剂的结构设计及构效关系

石脑油催化裂解制低碳烯烃替代现行的蒸气热裂解已成为石化行业实施节能减排的焦点之一。项目结合国家重大需求，基于轻质烃类催化裂解制低碳烯烃反应特征新认识，设计多级结构的分子筛，尤其是创新地构建微孔-超微孔新颖结构的多级结构分子筛，研究催化剂结构特征与烃类催化裂解性能的构效关系，揭示烃类催化裂解关键催化剂的扩散行为，解决催化剂寿命难题。结合传统分析手段，利用先进的同步辐射小角X散射（SAXS）技术探索多级结构分子筛催化剂的表征方法。通过对不同模式制备的分子筛多级结构构效关系的对比研究，探讨分子筛结构特征（分形特征）对催化性能的影响规律；揭示分子筛结构与积炭行为的关系；在分子水平上认识催化作用机理和积炭失活机制。本项目进一步拓展我国同步辐射SAXS技术在多尺度纳米分子筛中的应用，发展和完善同步辐射SAXS对分子筛结构表征的理论和分析方法，使石脑油催化裂解这一重要过程的催化剂的研究提升到新高度

催化裂解工艺替代其传统的蒸气热裂解过程，可获得更高的低碳烯烃收率，并达到降低能耗、提高产率，减少CO2排放等目的。另外，催化裂解工艺对乙烯、丙烯的选择性高，尤其是高丙烯收率提高了装置的经济灵活性。因此，这一技术将实现石化工业最大规模的节能减排，带来巨大的经济效益和社会效益。.目前，催化裂解工艺技术的开发在国内外均处于初级阶段，催化裂解催化剂的开发是该工艺关键核心，催化剂结构的设计对轻质烃裂解活性、产物选择性及工艺条件具有重要的影响。项目设计多级结构的分子筛，尤其是创新地构建微孔-超微孔新颖结构的多级结构分子筛，研究催化剂结构特征与烃类催化裂解性能的构效关系，揭示烃类催化裂解关键催化剂的反应规律和扩散行为。.轻质烃的催化裂解一般认为是正碳离子和自由基两种反应机理共同作用的结果。另外，烃类的催化裂解机理存在单分子机理和双分子机理，这两种裂解机制直接影响着低碳烯烃的乙烯、丙烯的选择性。因此分子筛的拓扑结构及孔道、孔腔的尺寸烃类分子的烯烃选择性有重要的关系。本研究集中上述科学问题探讨催化剂结构及其催化性能的构效关系为轻烃催化裂解催化剂的设计和工艺开发奠定基础。主要工作进展如下：.1．分子筛拓扑结构对轻烃催化裂解性能的影响.EU-1分子筛是一维十元环孔道和具有十二元环侧袋的硅铝分子筛；选择一维孔道结构的ZSM-48分子筛以及催化裂解反应中常用的二维十元环交叉孔道的ZSM-5分子筛为对比，进一步研究了EU-1分子筛的催化裂解性能。在丙烯选择性方面，ZSM-48分子筛具有最高的丙烯选择性，EU-1分子筛居中，二维十元环交叉孔道的ZSM-5分子筛最低。结合与酸性质相关的催化活性，在正己烷催化裂解反应中，EU-1分子筛具有最高的丙烯收率。.2. ZSM-5分子筛形貌和孔结构的调控及催化裂解性能：合成了纳米薄层ZSM-5分子筛，并对正己烷催化裂解性能评价。纳米薄层ZSM-5分子筛的活性随着硅铝比的升高有所降低，在625 ℃时从99.1 wt.% 降到了82.4 wt.%，但是丙烯选择性从20.8 wt.%升高到35.3 wt.%。.3. 多级孔道ZSM-5分子筛合成.弱酸性的含氟介质合成体系中通过沸石纳米晶自组装合成了一类具有微孔-超微孔-介孔复合的多级孔ZSM-5分子筛，并对其进行了系列的表征，获得了超微孔结构的ZSM-5分子筛。