多级孔ZSM-5催化剂上吸热碳氢燃料的催化裂解

The utilization of the onboard endothermic hydrocarbon fuels is an efficient strategy in handling the thermal management problems of the advanced aircrafts. In this process, the most important and fundamental requirements are to promote the endothermic cracking of the fuel, enhance the reaction selectivity and simultaneously minimize the coke deposition under supercritical conditions. In this project, with the aim of enhancing the conversion of the feedstock and inhibiting the secondary reactions of the products, hierarchical porous ZSM-5 catalysts with meso/micro pore systems will be prepared via alkali-treatment and elemental modification. The influences of the pore architecture, composition, and the framework stability of the catalysts on the catalytic performances will be investigated in detail. With the aid of evaluation condition designing, the kinetics and mechanism of the reaction, as well as the intrinsic principle of the coke formation and extraction, will also be clarified. The implementation of this project is expected to enrich academic accumulations on the investigations of supercritical catalytic cracking of endothermic fuels, and provide theoretical basis for the development of highly effective catalysts in the process.

采用吸热碳氢燃料对高温部件进行主动冷却是解决高速飞行器热管理难题的有效手段，提高燃料在超临界条件下的催化裂解活性、吸热反应选择性并最大限度地减少积炭是该过程面临的重要基础问题。本项目拟使用碱处理和元素改性等方法制备多级孔ZSM-5分子筛催化剂，利用其介孔微孔贯通的孔道结构降低原料及产物的传质阻力，提高原料转化率、抑制产物的二次反应，提高燃料催化裂解综合性能；系统研究催化剂多级孔道结构、组成及结构稳定性对催化裂解性能的影响规律，结合反应条件的调变，深入认识反应动力学、反应机理以及积炭的化学原理。本项目将在吸热碳氢燃料超临界催化裂解反应规律研究方面形成一定的学术积累，并为该过程中高性能催化剂的研制提供理论依据。

现代高性能飞行器对机载燃料的主动冷却性能提出了很高的要求，碳氢燃料催化吸热裂解是解决该问题的重要途径，因此关于该反应过程及其催化剂的研究具有重要的理论意义和应用价值。本项目从分子筛催化剂的结构、酸性等基本特性设计出发，提出了以改性多级孔ZSM-5为基础的高性能催化剂探索及其催化反应原理的研究思路。首先考察了Y、Beta、ZSM-5、SAPO-34等催化剂上模型燃料正癸烷的催化裂解性能，确定了以ZSM-5为基础材料的催化剂体系。以HZSM-5为基础，对其进行了较细致的碱处理研究，得到了实验条件影响介孔及酸性的基本规律。对HZSM-5以及多级孔ZSM-5进行了P、F、K、Mg等多种元素改性，对其物化性质进行了表征，得到了优化的改性方法及催化反应规律。磷改性是调节分子筛酸性的重要方法，而氟改性对分子筛的结构和酸性均有独特的影响。以碱处理和磷改性为基本方法，制备了几种介孔量不同但酸量接近的催化剂，以正癸烷、异辛烷、十氢萘、JP-10等不同分子大小的模型烃类为主要原料，对催化剂进行了性能评价，形成了孔道结构调变对不同结构燃料裂解性能的影响规律。在以上工作基础上，对碳氢燃料催化裂解总包反应规律及主要分支反应的动力学及热力学基本属性进行了探讨，初步得到了框架性反应机理，对催化剂设计具有指导意义。根据以上研究结果，发展了多相-均相组合催化促进燃料吸热裂解性能的研究思路，在较大空速模拟实验中也取得了良好的催化效果。根据多级孔及元素改性分子筛催化剂的研究思路，将相关原理扩展至多级孔酸性材料催化生物质转化的反应中，也取得了良好的催化效果，加深了对相关过程原理的认识。本项目研究取得了良好的工作进展，相关结果和结论为进一步优化碳氢燃料吸热裂解催化剂及催化过程提供了理论和实验借鉴。