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轻质烷烃异构化是生产清洁汽油的重要手段之一,异构化催化剂的研究和开发尤为重要。目前工业应用的烷烃异构化催化剂主要有氯化物处理的Pt-Al2O3低温型催化剂和负载贵金属的分子筛中温型催化剂。前者的优点是低温下具有较高催化活性,但其对原料要求苛刻,且需补充氯化物维持活性,设备腐蚀严重。分子筛型催化剂则需在较高温度下操作,受烷烃异构化热力学平衡限制,产品辛烷值不高。WO3/ZrO2类固体酸具有较强的酸性、较好的热稳定性,对烷烃异构化反应具有较好的催化性能,具有较好的应用前景。本文主要研究了改性WO3/ZrO2固体酸在正己烷异构化反应中的应用,得到了一种在较低温度下具有较高活性、稳定性和再生性能的催化剂。
本文通过浸渍法制备了WO3/ZrO2固体酸,并对其进行了Ga改性研究,采用等体积浸渍法分别制备了Pt/Ga2O3/WO3/ZrO2、Pd/Ga2O3/WO3/ZrO2和Pt-Re/Ga2O3/WO3/ZrO2催化剂。通过XRD、BET、H2-TPR、H2-TPD和NH3-TPD等技术对催化剂进行了表征,考察了W含量、Ga含量和贵金属负载量等对催化剂晶相、比表面积、酸性、氧化还原性、氢吸附性能及催化剂正己烷异构化反应的性能影响。结果表明,当W含量为15%,Ga含量为1.0%时,ZrO2主要以有利于酸结构形成的四方相存在,WO3在ZrO2表面接近单层分散。引入Ga降低了催化剂的还原温度,促进了ZrO2表面WOx物种的部分还原,同时增强了催化剂的酸性和氢吸附性能。引入Ga显著改善了WO3/ZrO2催化剂对正已烷异构化反应的催化性能,主要是由于Ga的引入抑制了ZrO2四方晶相向单斜晶相转化,有利于改善WOx物种在ZrO2表面的分散,抑制表面WO3聚集长大。另外,Ga的引入还改变了催化剂的酸性、氧化还原性和氢吸附性能,稳定了烷烃异构中间体碳正离子,有利于正构烷烃生成异构烷烃,提高目标产物选择性。负载贵金属后,进一步改善了WOx物种的部分还原,该催化剂表现为典型的双功能催化剂。在Pt/Ga2O3/WO3/ZrO2上,在205℃,1MPa,VHSV=1.0 h-1,n(H2)/n(n-hexane)=2反应条件下,正己烷异构化率和2,2-DMB选择性分别达到85.5%和23.5%。与Pt系列催化剂相比,Pd系列催化剂上也具有了良好的正己烷异构化率,但2,2-DMB选择性相对较低。
对催化剂的稳定性和再生性能进行了初步的研究,结果表明,Pt/Ga2O3/WO3/ZrO2催化剂在较低的反应温度下具有了良好的活性、稳定性和再生性能,反应开始6h,正己烷异构化率达到86.0%,2,2-DMB的选择性为24.6%,该催化剂连续反应近1500 h后,正己烷异构化率仍然>85.5%,2,2-DMB选择性>23.5%。对加速失活后的催化剂经过再生,连续反应300 h,其正己烷异构化率保持在85.5%,2,2-DMB选择性为23.5%,活性基本恢复到了新鲜催化剂的水平。