丁烯烷基化固体酸催化剂再生方法的研究进展

综述了固体酸烷基化催化剂的失活原因和失活形式,总结了异丁烷/丁烯烷基化固体酸催化剂的再生方法研究进展,包含金属临氢再生、超临界流体再生、氧化煅烧再生等.对比了各类再生方法的再生效果,发现这些再生方法都可以在一定条件下将催化剂再生至不同程度,但还存在着操作条件过于严苛,成本过高等问题阻碍其工业化.因而探索操作简单、低成本且高效的再生方法将是未来研究的重点和挑战.     

固体超强酸在异丁烷/丁烯烷基化反应中的再生研究

催化剂再生对于固体酸异丁烷／丁烯烷基化反应是必需的．虽然Broensted-Lewis共轭固体超强酸在温和条件下即对异丁烷／丁烯烷基化反应有良好的反应活性，但它仍象其它所有固体酸催化剂一样，面临着失活的问题．最主要的失活原因是积炭前身物生成并在催化剂表面的沉积，导致催化剂表面活性中心被覆盖．据此进行的再生方法研究集中在消除这些积炭前身物，本文中选择使用的是洗涤再生法，结果表明该方法对于该固体超强酸的再生在一定程度上是有效的。     

二氧化硅负载杂多酸对异丁烷与丁烯烷基化的催化作用Ⅱ.反应机理和催化剂失活的量子化学研究

 以杂多酸为催化剂,应用量子化学计算方法,从分子结构和微观角度研究了异丁烷与丁烯的多相催化反应过程及催化剂失活的原因,比较了液体酸和固体酸催化烷基化反应的差别. 结果表明,固体酸催化剂的失活问题不可避免,因而不可能长时期运转,必须配合催化剂的再生工艺才有可能实现工业化应用. 液体酸的酸中心强度较均匀,有利于催化烷基化反应,开发无毒无污染的新型液体酸烷基化催化剂也是一个良好的努力方向.     

二氧化硅负载杂多酸对异丁烷与丁烯烷基化的催化作用Ⅰ.催化剂的制备、表征和失活

 采用浸渍法制备了二氧化硅负载的磷钨酸催化剂,系统考察了催化剂的比表面积、结晶水、结构特征和酸性等物化性质. 将在不同条件下制备的不同结构的杂多酸催化剂用于异丁烷与丁烯烷基化反应,考察了催化剂活性组分、制备方法和反应条件对催化剂性能的影响,分析了催化剂的失活过程和失活机理. 结果表明,当负载量不大于50%时,磷钨酸以单分子层形式均匀分散于载体表面,催化剂表面存在大量的强B酸中心,不存在L酸中心; 经160 ℃活化后的催化剂具有最大的酸量和最强的酸性; 催化剂对烷基化反应具有较高的初活性,但随着反应的进行催化剂迅速失活; 反应产物的组成与催化剂失活程度密切相关,反应初期产物以烷烃为主,之后产物则以烯烃为主; 催化剂的失活原因为积碳.     

催化噻吩类硫化物与烯烃烷基化硫转移反应的固体酸催化剂的失活机理

 催化裂化(FCC)汽油中的硫化物多以噻吩类硫化物的形式存在,而且相对集中在沸程较高的馏分中. 通过固体酸催化剂催化噻吩类硫化物与烯烃的烷基化反应生成多烷基噻吩,可较大程度地提高其沸点,再经精馏将硫化物转移至FCC汽油的重馏分中,从而达到脱硫目的. 考察了AlCl3-CT175树脂催化剂催化模型硫化物如噻吩、2-甲基噻吩及2-乙基噻吩与异丁烯的烷基化反应性能,采用GC-FPD和GC-MS技术研究了AlCl3-CT175树脂催化剂的失活机理. 结果表明,原料中的二烯烃杂质在固体酸催化剂作用下发生聚合反应结焦,覆盖在催化剂表面,堵塞孔道,从而导致催化剂失活.     

碳基磺酸化固体酸材料的制备及其催化性能

以蔗糖为原料,浓硫酸为磺酸化试剂制备了碳基磺酸化固体酸材料,考察了其催化对苯二酚烷基化和乙酸乙酯水解反应的性能.结果表明,该催化剂对这两个反应都具有较高的催化活性.在150℃反应4 h后,对苯二酚转化率和2-叔丁基对苯二酚收率分别达到了91%和60%,在60℃反应12 h,乙酸乙酯达到了平衡转化率94%,但催化剂稳定性较差,尤其在对苯二酚烷基化反应中失活严重,重复使用一次后,催化剂活性下降超过30%.详细考察了反应温度和溶剂对催化剂稳定性的影响,结果表明,该固体酸在低温的水相或非极性溶剂中较为稳定.通过酸碱滴定、红外光谱和紫外可见光谱等表征手段,对催化剂的失活原因进行了探讨,初步认定催化剂的失活是由于表面磺酸基团在反应过程中脱落所致.催化剂活性可以通过再磺酸化得到恢复.     

固体酸催化烷基化反应中微量氟化氢反应助剂的作用 Ⅰ.助剂对反应的促进效应

 研究了负载型杂多酸催化剂20%H3PW12O40/SiO2催化的异丁烷与丁烯的烷基化反应. 发现当在反应物料中加入0.0192%(质量分数)含强电负性元素F的反应助剂HF后,在超临界烷基化反应条件下（137 ℃和5.0 MPa）,反应产物烷基化汽油中C8烷烃的含量和目的产物三甲基戊烷的收率均大幅度提高,三甲基戊烷与二甲基己烷的摩尔比值提高了一倍以上. 这是一个重要和有趣的实验现象,它说明微量HF反应助剂可大幅度提高固体酸催化剂对烷基化反应的选择性. 我们把微量反应助剂在固体酸催化烷基化反应中的这种特殊作用称为对烷基化反应的促进效应,这种促进效应已经在我们实验室中被反复证实.     

不同条件下苯与丙烯烷基化反应的催化剂失活研究

对不同条件下苯与丙烯烷基化反应Hβ催化剂的寿命、失活催化剂的积炭量和积炭性质进行了研究。在5.7MPa下，随反应温度变化，反应介质在反应过程中所经历的相态变化不同，导致催化剂的寿命、失活催化剂的积炭量和积炭的性质也存在着较大差异。300℃时，反应介质处于接近于体系临界点的超临界相或高压液相状态，催化剂寿命最长，积炭量大。失活催化剂积炭的元素分析及TPO-MS表征结果发现，积炭的碳氢比与反应温度有关，温度越高，碳氢比越高；而积炭的脱炭温度与反应时间（催化剂寿命）相关，催化剂寿命越长，相应的脱炭温度也越高。     

固体超强酸催化的异丁烷/丁烯烷基化反应中结焦前身物的作用

在以BrØnsted-Lewis共轭固体超强酸为催化剂的异丁烷与丁烯的烷基化反应中, 发现一些烃类聚集在催化剂的表面. 这些烃类, 也称为结焦前身物, 是导致催化剂失活的原因, 但在其导致催化剂失活之前, 即在反应的初始阶段, 这些烃类却起着反应中间体的作用. 这种反应中间体的存在是有利于异丁烷与烯烃之间的烷基化反应的, 增加产品中的TMP含量和TMP/DMH的比, 并讨论上述现象.     

原位液相催化氮烷基化法反应

以胺和醇为原料,在Ni-Sn/Al2O3催化下液相合成氮烷基胺类化合物。反应工艺为连续式反应,醇既是烷基化试剂,又是供氢体和溶剂。考察了180 ℃下不同的胺与各类醇在Ni-Sn/Al2O3催化作用下的氮烷基化反应。研究表明该烷基化反应具有普遍的适用性,多数胺与甲醇、乙醇、正丁醇反应,具有较高的氮烷基化总产率。一些胺与醇反应产率甚至在99%以上。本文作了催化剂稳定性测试,并通过XRD和TEM对催化剂进行了表征,分析了催化剂失活的原因。研究表明,该催化剂具有很高的稳定性可保持高活性超过480 h,Lewis酸中心是氮烷基化反应的活性中心,随着反应进行,Lewis酸中心转化为Brφnested酸中心,致使催化剂活性降低。     

Isobutane Alkylation with Butenes and the Oligomerization of C<Subscript>4</Subscript> Olefins in Supercritical Reagents

The competing reactions of isobutane alkylation with butenes and butene oligomerization under supercritical and ordinary gas-liquid conditions are studied over a variety of catalysts: sulfated zirconia, titania-supported heteropolyacids and tungstia, and chlorinated aluminum-platinum catalyst. Both reactions proceed rapidly, showing no substantial decrease in catalytic activity, under supercritical conditions at 140–165° C and 40–45 atm. By contrast, alkylation and oligomerization in the liquid phase and particularly in the gas phase are accompanied by a rapid deactivation of the catalyst. Passing from ordinary gas-liquid conditions to supercritical conditions dramatically accelerates the reaction and the regeneration of the deactivated catalyst. Reaction selectivity depends significantly on the isobutane/olefins (butenes) (I/Ol) ratio in the initial mixture. At I/Ol = 14, isobutane alkylation with butenes is the main reaction pathway, which results in the complete conversion of the butenes to C₈ alkylation products. The yield of saturated isoalkanes is as high as 70%. Reducing the I/Ol ratio to 0.5 results in the domination of butenes over alkylation.     

Isobutane alkylation over solid acid catalysts under supercritical conditions

Solid catalyzed isobutane alkylation has been investigated for decades, but it has not yet been applied in any commercial uses because of the rapid deactivation of the catalyst. Here, the alkylation reaction has been studied under supercritical conditions using metal-promoted and unpromoted sulfated zirconia as catalysts. The catalytic activity at the supercritical condition of 5.0 MPa, 423K was significantly higher than at lower reaction pressure conditions and the deactivation rate was clearly reduced, independent on the catalyst. Iron- and manganese-promoted sulfated zirconia (SFMZ) showed higher activities under all conditions than unpromoted sulfated zirconia (SZ).     

烷基膦酸促进负载磷钨酸催化异丁烷/丁烯烷基化反应

异丁烷/丁烯烷基化是生产高辛烷值汽油的重要反应,目前主要采用液体强酸为催化剂,而固体催化剂用于该反应的性能均不理想。我们设计合成出十六烷基膦酸(HDPA)修饰的氧化硅负载型磷钨酸纳米多级结构催化剂(HDPA-HPW/SiO2),其结构与悬铃木果实相似。通过X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、透射电子显微镜镜(TEM)、氮气吸附-脱附、异丁烷吸附-脱附等对该催化剂进行了表征,并使用固定床微型反应器评价了其对异丁烷/丁烯烷基化反应的催化性能。结果表明,HDPA的外围修饰增强了催化剂对烃类反应物的吸附,减少了烯烃聚合副反应和催化剂表面积碳的产生,提高了高辛烷值产物的选择性,延长了催化剂的寿命。     

CuCl对Et3NHCl/AlCl3离子液体催化性能的影响

 用CuCl对Et3NHCl/AlCl3离子液体进行改性,并考察了其对异丁烷-丁烯烷基化反应的催化性能. 结果表明,烷基化油的收率达到178%,C8组分的含量达到85%,辛烷值(RON)达到94.8. 通过结构组成及电荷分布分析可知,在CuCl改性的Et3NHCl/AlCl3离子液体中形成了新的配位结构AlCl4CuCl-,它作为更好的碳正离子受体,在反应过程中可降低碳正离子的浓度,进而降低烯烃的聚合程度,抑制较长碳链烷烃的生成,改善烷基化油的组成.     

柠檬酸改性Hβ分子筛上的苯与丙烯烷基化反应

研究了柠檬酸改性对Hβ分子筛上苯与丙烯烷基化反应性能的影响。通过比较分析改性前后催化剂寿命、二异丙苯选择性及其异构体组成分布等的变化。结果表明，二异丙苯的选择性及各异构体的分布与催化剂的酸密度和酸强度有关；较高酸密度和酸强度有利于烷基转移反应的进行，但却加快了催化剂的失活。柠檬酸改性处理可调节Hβ分子筛的酸密度和酸强度，改善苯烷基化的催化反应性能。经0.50mol/L的柠檬酸处理后，Hβ催化剂的寿命比原来延长30%，正丙苯的质量分数减少90%。     

Lewis酸对杂多酸催化异丁烷/丁烯烷基化反应的作用Ⅰ.SbCl5的修饰作用

考察了SbCl5对杂多酸 (HPA)催化i C4 H10 /C4 H8烷基化反应的修饰作用 ,用Hammett指示剂测定了SbCl5/HPA催化剂的酸强度 .结果表明 ,经SbCl5修饰的HPA的酸强度有所提高 ,SbCl5的加入量、反应温度及反应时间对烷基化油收率及产物分布均有不同的影响 .     

Alkylation of isobutane with C<Subscript>4</Subscript> olefins under conventional and supercritical conditions

The solid acid alkylation of isobutane with butylenes on the ultrastable zeolite Y is studied in the temperature range from 120 to 150°C and in a pressure range of 20–120 atm. The catalyst service life becomes longer on passing from the conventional (liquid- and gas-phase) conditions of alkylation to supercritical conditions. The maximum period of complete butylene conversion at 150°C and 120 atm is 3.5 h. The composition of the reaction products is determined by the phase state of the reaction mixture, the reaction time, and the conversion of the C₄ olefins. When the alkylation is carried out under supercritical conditions, the C₈ hydrocarbon selectivity varies between 30 and 40%. Thermoanalytical data suggest that the surface of the spent catalyst contains carbon deposits indicating the formation of oligomeric and cyclic structures.     

Pt-SO42-/ZrO2固体超强酸上异丁烷与丁烯烷基化反应

由异丁烷和1-丁烯烷基化合成高辛烷值汽油虽已被广泛用于工业生产,但由于液体酸催化剂存在许多缺点,寻找固体酸催化剂——分子筛、磺酸树脂及固体超强酸已受到国内外学者的广泛重视。对超强酸的研究多集中在SO_4~(2-)/氧化物催化剂上,此类催化剂的酸强度高、热稳定性好、制备简单,对异丁烷、1-丁烯烷基化具有较高的反应活性,但存在着积炭、寿命