FCC催化剂传质性能与孔结构和酸性的关联性探究

doi:10.12422/j.issn.1006-396X.2024.03.008

石油化工高等学校学报 ›› 2024, Vol. 37 ›› Issue (3): 58-65.DOI: 10.12422/j.issn.1006-396X.2024.03.008

FCC催化剂传质性能与孔结构和酸性的关联性探究

王焕¹^,²(), 熊晓云³, 郑云锋³, 孙祥博², 关慧敏², 李强², 宋丽娟¹^,²()

^1.中国石油大学(华东) 化学工程学院，山东青岛 266000
^2.辽宁石油化工大学石油化工学院，辽宁抚顺 113001
^3.中国石油石油化工研究院兰州化工研究中心，甘肃兰州 730060

收稿日期:2023-12-20 修回日期:2024-04-20 出版日期:2024-06-25 发布日期:2024-06-18
通讯作者: 宋丽娟
作者简介:王焕（1986-），女，博士研究生，实验师，从事分子筛传质过程方面的研究；E-mail：whgryx@163.com。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(U20A20120);“兴辽英才计划”项目(XLYC2203165);中国石油天然气股份有限公司科技专项外协项目(KYWX-22-002)

Study on the Correlation between Mass Transfer Performance and Pore Structure and Acidity of FCC Catalysts

Huan WANG¹^,²(), Xiaoyun XIONG³, Yunfeng ZHENG³, Xiangbo SUN², Huimin GUAN², Qiang LI², Lijuan SONG¹^,²()

^1.School of Chemical Engineering，China University of Petroleum（East China），Qingdao Shandong 266000，China
^2.School of Petrochemical Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China
^3.PetroChina Lanzhou Petrochemical Research Center，China Petroleum Petrochemical Research Institute，Lanzhou Gansu 730060，China

Received:2023-12-20 Revised:2024-04-20 Published:2024-06-25 Online:2024-06-18
Contact: Lijuan SONG

摘要/Abstract

摘要：

为研究流化催化裂化（FCC）催化剂的传质性能与其孔结构和酸性的关联性，制备了3种具有不同孔结构和酸性的半合成FCC催化剂（CAT1、CAT2、CAT3），并对催化剂的孔结构和酸性进行了系统表征；选用萘、菲、吖啶作为探针分子，测试客体分子在催化剂上的吸附穿透性能，并考察了其传质性能；采用超分辨成像技术，对催化剂上酸中心转化能力进行了可视化分析。结果表明，通过选择合适的探针分子，可实现FCC催化剂对大分子的吸附行为差异性的有效辨析；FCC催化剂上大分子的传质性能取决于催化剂的孔结构和表面酸性；使用新型大孔基质材料可优化FCC催化剂的传质性能，提升FCC催化剂中Y分子筛上酸中心的转化能力。研究结果可为FCC催化剂传质构效关系的研究提供有效方案，并且可为高效FCC催化剂的设计提供理论指导。

关键词: FCC催化剂, 传质, 介孔, 穿透曲线, 酸性

Abstract:

In order to study the correlation between the mass transfer performance of fluid catalytic cracking (FCC) catalysts and their pore structure and acidity,three semi synthetic FCC catalyst samples(CAT1,CAT2,CAT3) with different pore structure and acidity were prepared.Naphthalene,phenanthrene and acridine were selected as probe molecules to test the adsorption penetration performance of the guest molecules on the catalysts and to investigate their mass transfer performance.The ability of acid center conversion on catalysts was visualized and analyzed using super-resolution imaging technology.The results show that effective discrimination of the differential adsorption behavior of FCC catalysts for macromolecules can be achieved by selecting suitable probe molecules.The mass transfer performance of macromolecules on FCC catalysts depends on the pore structure and surface acidity of the catalysts.The use of novel macroporous matrix materials optimizes the mass transfer performance of FCC catalysts and enhances the acid on Y molecular sieves in FCC catalysts centers in FCC catalysts.The work can provide an effective solution for studying the mass transfer structure-activity relationship of FCC catalysts,and also provide theoretical guidance for the design of efficient FCC catalysts.

Key words: FCC catalysts, Mass transfer, Mesoporous, Breakthrough curve, Acidity

中图分类号:

TQ021.4

王焕, 熊晓云, 郑云锋, 孙祥博, 关慧敏, 李强, 宋丽娟. FCC催化剂传质性能与孔结构和酸性的关联性探究[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(3): 58-65.

Huan WANG, Xiaoyun XIONG, Yunfeng ZHENG, Xiangbo SUN, Huimin GUAN, Qiang LI, Lijuan SONG. Study on the Correlation between Mass Transfer Performance and Pore Structure and Acidity of FCC Catalysts[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2024, 37(3): 58-65.

图/表 11

图1 3种FCC催化剂的N2吸附-脱附等温线和介孔孔径分布曲线

Fig.1 N2 adsorption-desorption isotherms and mesoporous pore size distribution of three FCC catalysts

表1 3种FCC催化剂的织构性质参数

Table 1 Property parameters of three FCC catalysts

催化剂

比表面积/

（m²·g^-1）

微孔面积/

（m²·g^-1）

介孔面积/

（m²·g^-1）

总孔体积/

（cm³·g^-1）

微孔体积/

（cm³·g^-1）

介孔体积/

（cm³·g^-1）

图2 3种FCC催化剂的NH3-TPD谱图

Fig.2 NH3-TPD spectra of three catalyst samples

表2 3种FCC催化剂的酸量分布

Table 2 Acid content distribution of three FCC catalysts

催化剂

弱酸量/（mmol·g^-1）

中强酸量/

（mmol·g^-1）

强酸量/

（mmol·g^-1）

图3 3种FCC催化剂上萘的吸附穿透曲线

Fig.3 The absorption breakthrough curves of naphthalene on three catalyst samples

图4 3种催化剂上菲的吸附穿透曲线

Fig.4 The absorption breakthrough curves of phenanthrene on three catalyst samples

图5 3种FCC催化剂上吖啶的吸附穿透曲线

Fig.5 The absorption breakthrough curves of acridine on three catalyst samples

表3 3种FCC催化剂上萘、菲、吖啶的吸附穿透时间和饱和时间

Table 3 The breakthrough and saturation adsorption time of naphthalene, phenanthrene, and acridine on three FCC catalysts

探针分子	穿透时间/min			饱和时间/min
探针分子	CAT1	CAT2	CAT3	CAT1	CAT2	CAT3
萘	10.0	10.0	6.1	46.5	40.0	28.3
菲	10.4	10.3	6.7	51.7	42.1	31.5
吖啶	37.1	35.1	11.2	162.9	114.6	74.7

表4 萘、菲、吖啶在3种FCC催化剂上的吸附速率常数

Table 4 The adsorption rate constants of naphthalene, phenanthrene, and acridine on three FCC catalysts

探针分子	K_CAT1/min^-1	K_CAT2/min^-1	K_CAT3/min^-1
萘	0.324 3	0.406 9	0.591 1
菲	0.291 9	0.398 7	0.544 5
吖啶	0.092 7	0.126 9	0.232 2

图6 3种催化剂上对甲氧基苯乙烯发生低聚反应的荧光显微成像图

Fig. 6 Fluorescence microscopic imaging of oligomerization of p-methoxystyrene on three catalyst samples

图7 3种催化剂上对甲氧基苯乙烯发生低聚反应生成聚合物的发光分子数

Fig.7 The number of oligomerization of p-methoxystyrene probe molecules on three catalyst samples

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