于善青,嚴加松,田輝平,龍 軍
(中國石化 石油化工科學(xué)研究院,北京 100083)
碳四烯烴主要包括1-丁烯、2-丁烯(反-2-丁烯和順-2-丁烯)、異丁烯和1,3-丁二烯(催化裂化所得碳四烯烴中幾乎沒有1,3-丁二烯)。在燃料利用方面,正丁烯(1-丁烯和2-丁烯)主要用于生產(chǎn)烷基化汽油,烷基化汽油具有低蒸氣壓、無硫、無烯烴、無芳烴、高辛烷值的特點,是一種理想的汽油調(diào)和組分[1-2];異丁烯主要用于生產(chǎn)甲基叔丁基醚(MTBE),MTBE可作為含氧型高辛烷值汽油添加劑。但從長遠看,由于世界范圍內(nèi)MTBE的應(yīng)用越來越多地受到環(huán)保限制,MTBE的生產(chǎn)和應(yīng)用前景會受到影響,而將異丁烯二聚為異辛烯再加氫生成異辛烷的工藝近年來發(fā)展很快[3-4]。
隨著國內(nèi)車用汽油質(zhì)量標準的不斷升級,清潔汽油標準向著低硫、低烯烴、低芳烴以及高辛烷值方向發(fā)展,我國將從2019年開始全面執(zhí)行國Ⅵ汽油標準,烷基化汽油作為清潔的高辛烷值汽油調(diào)和組分,用量將迅速增長。因此,作為烷基化裝置的重要原料,碳四烯烴的需求量也將逐漸增加。由于催化裂化裝置增產(chǎn)碳四烯烴技術(shù)具有投資少、成本低的優(yōu)勢,不少公司試圖從催化裂化過程獲取更大量的烷基化原料[5-10]。
本文對催化裂化過程中碳四烯烴的生成和轉(zhuǎn)化化學(xué)進行了探討,提出提高碳四烯烴選擇性的主要途徑,并對催化裂化產(chǎn)物中碳四烯烴的分布進行了分析,為進一步開發(fā)高碳四烯烴選擇性的裂化催化劑提供依據(jù)。
催化裂化原料油主要由烷烴、環(huán)烷烴和芳烴組成,在固體催化劑上原料油經(jīng)過裂化反應(yīng)生成烯烴,烯烴可進行一系列的裂化、氫轉(zhuǎn)移、異構(gòu)化等反應(yīng)。催化裂化過程中碳四烯烴的生成反應(yīng)路徑見圖1。由圖1可見,在催化裂化反應(yīng)初始階段,原料油中的烷烴分子在催化劑B酸中心上質(zhì)子化生成非經(jīng)典碳正離子[11-13],非經(jīng)典碳正離子按照Haag-Dessau單分子裂化機理進行裂化反應(yīng),有兩種方式:一是斷裂生成小分子烯烴,自身仍然是非經(jīng)典碳正離子,直至生成經(jīng)典碳正離子和小分子烷烴或氫氣;二是直接生成經(jīng)典碳正離子和小分子烷烴或氫氣。
圖1 催化裂化過程碳四烯烴的生成反應(yīng)途徑Fig.1 Reaction route of butylenes in catalytic cracking.
隨著反應(yīng)的進行,催化反應(yīng)主要以經(jīng)典碳正離子為主,可發(fā)生β位斷裂、異構(gòu)化、與大分子烷烴發(fā)生負氫離子轉(zhuǎn)移生成新碳正離子,還可與烯烴進行疊合反應(yīng)生成更大的碳正離子。其中,β位斷裂反應(yīng)主要生成丙烯。異構(gòu)化反應(yīng)主要有3種:負氫離子的遷移,涉及一個中間過渡狀態(tài)的形成,負氫離子在兩個相鄰碳之間形成橋鍵,形成質(zhì)子環(huán)丙烷結(jié)構(gòu),具有較低的能量,通常1,2遷移反應(yīng)是最主要的轉(zhuǎn)移反應(yīng),負氫離子的轉(zhuǎn)移速度比烷基快;在烷基的遷移中,甲基的遷移比較容易,烷基遷移后更趨于生成穩(wěn)定性更高的叔碳正離子;主鏈上碳正離子的骨架重排,涉及一個環(huán)狀的非經(jīng)典碳正離子中間體,也稱為質(zhì)子化環(huán)丙烷碳正離子,它可生成支鏈度高的異構(gòu)烷烴和烯烴。經(jīng)典碳正離子與大分子烷烴發(fā)生負氫離子轉(zhuǎn)移生成新碳正離子。
由圖1可知,催化裂化過程中碳四烯烴的生成主要來自兩個方面:1)原料中烴類大分子經(jīng)單分子裂化反應(yīng)或雙分子裂化反應(yīng)生成的活性中間體進行裂化生成碳四烯烴;2)裂化產(chǎn)物中的小分子烯烴(C5~12)可進行二次裂化反應(yīng)生成丁烯。前者在反應(yīng)初始階段,原料中的烷烴分子在催化劑B酸中心上質(zhì)子化生成非經(jīng)典碳正離子,然后按照Haag-Dessau單分子裂化,生成丁烯;在反應(yīng)傳遞階段,生成的大分子仲碳正離子(末端連接乙基)經(jīng)β位斷裂,可生成正丁烯;生成的大分子叔碳正離子(連接兩個甲基)經(jīng)β位斷裂,可生成異丁烯;也可以經(jīng)過雙分子反應(yīng)生成新的碳正離子,然后裂化生成丁烯。進一步分析可知,經(jīng)典碳正離子直接進行異構(gòu)化反應(yīng),然后再進行β位斷裂,而不是直接進行β位斷裂反應(yīng),有利于多產(chǎn)碳四烯烴、提高催化裂化產(chǎn)物中碳四烯烴的選擇性。
提高裂化產(chǎn)物中小分子烯烴的含量,有利于為多產(chǎn)碳四烯烴提供充足的潛在組分,因此對催化裂化過程中小分子烯烴(C5~8)轉(zhuǎn)化為碳四烯烴的反應(yīng)進行了分析。1-戊烯在催化裂化催化劑上發(fā)生的反應(yīng)主要是異構(gòu)化反應(yīng),包括雙鍵異構(gòu)和骨架異構(gòu),還有少量的氫轉(zhuǎn)移反應(yīng),基本不發(fā)生裂化反應(yīng)[14],1-戊烯的異構(gòu)化過程主要是單分子裂化過程[15-16]。由此可見,在催化裂化過程中1-戊烯對增產(chǎn)碳四烯烴幾乎沒有貢獻。
1-己烯在10%(w)超穩(wěn)Y 型(USY)分子篩催化劑上的裂化產(chǎn)物分布表明[17-18],1-己烯主要通過單分子路徑發(fā)生異構(gòu)化反應(yīng),一種是雙鍵異構(gòu),另一種是骨架異構(gòu),產(chǎn)物大部分為同碳數(shù)的烯烴,基本不發(fā)生裂化反應(yīng)。在反應(yīng)溫度為400 ℃時,1-己烯轉(zhuǎn)化率達80%以上,C5及C5以下烴的產(chǎn)率非常低,隨著反應(yīng)溫度的升高,轉(zhuǎn)化率明顯下降,這是因為1-己烯主要發(fā)生異構(gòu)化反應(yīng),由于異構(gòu)化反應(yīng)是放熱反應(yīng),高溫對反應(yīng)不利,同時又沒有裂化反應(yīng)發(fā)生,故高溫下己烯的轉(zhuǎn)化率反而下降。1-己烯在ZSM-5催化劑上的裂化產(chǎn)物分布表明[19],1-己烯的裂化產(chǎn)物中丙烯、正丁烯、異丁烯的比例為42∶3∶1,丙烯的產(chǎn)率最高。由此可見,催化裂化條件下己烯主要發(fā)生異構(gòu)化和裂化反應(yīng),有利于增產(chǎn)丙烯,對增產(chǎn)碳四烯烴的貢獻不大。
1-庚烯在10%(w)USY分子篩催化劑上表現(xiàn)出較高的轉(zhuǎn)化率。低溫條件下產(chǎn)物以1-庚烯的異構(gòu)烯烴為主,當反應(yīng)溫度高于500 ℃時,主要生成丙烯和丁烯。表明在較低溫度下1-庚烯參與氫轉(zhuǎn)移和異構(gòu)化反應(yīng)所占比例較大,在較高溫度下裂化反應(yīng)占主導(dǎo)地位[14]。1-庚烯在ZSM-5催化劑上的裂化產(chǎn)物分布表明,裂化產(chǎn)物主要以丙烯和丁烯為主,丙烯與丁烯的比值約為1,其中異丁烯占總丁烯的比例較高,約為74.2%[19]。由此可見,較高反應(yīng)溫度有利于庚烯發(fā)生裂化反應(yīng),對增產(chǎn)丁烯和異丁烯有利。
1-辛烯在510 ℃下ZSM-5分子篩催化劑上的裂化產(chǎn)物分布表明,丙烯和戊烯的選擇性超過了丁烯的選擇性,總丁烯中異丁烯所占比例僅為44%。主要原因在于,辛烯碳正離子在異構(gòu)化成2,4,4-三甲基-2-戊烯碳正離子之前已經(jīng)發(fā)生了裂化反應(yīng)。隨著碳原子數(shù)的增加,烯烴的裂化反應(yīng)速率逐漸增大,而骨架異構(gòu)化速率幾乎不變,且ZSM-5分子篩的孔道結(jié)構(gòu)也限制了2,4,4-三甲基-2-戊烯碳正離子的形成。1-辛烯在USY分子篩上的裂化產(chǎn)物分布與在ZSM-5分子篩上的基本相同[19-20]。由此可見,辛烯主要發(fā)生裂化反應(yīng),裂化產(chǎn)物以丙烯、丁烯、戊烯為主,丁烯與丙烯的比值大于1,有利于提高丁烯的選擇性,但異丁烯占總丁烯的比例低于庚烯。
通過分析單體烯烴的裂化反應(yīng)發(fā)現(xiàn),低碳烯烴(C5和C6)的催化裂化反應(yīng)對提高碳四烯烴的產(chǎn)率和選擇性貢獻不大;強化高碳烯烴進行充足的異構(gòu)化反應(yīng),再進行裂化反應(yīng),可以提高碳四烯烴的選擇性,提高丁烯與丙烯產(chǎn)率的比值。
催化裂化過程生成的碳四烯烴可以進一步發(fā)生反應(yīng),碳四烯烴的轉(zhuǎn)化反應(yīng)主要有4類:裂化反應(yīng)、異構(gòu)反應(yīng)、二聚反應(yīng)及二聚物的裂化反應(yīng)和氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)。碳四烯烴在催化裂化條件下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)路徑見圖2。
圖2 催化裂化過程中碳四烯烴的轉(zhuǎn)化反應(yīng)路徑Fig.2 Conversion route of butylenes in catalytic cracking.
丁烯在催化劑表面質(zhì)子化生成仲碳離子,仲碳離子本身發(fā)生β位斷裂生成甲烷的速度以及通過質(zhì)子轉(zhuǎn)移生成伯碳離子的過程都很慢,所以丁烯很難通過單分子裂化反應(yīng)生成諸如乙烯和丙烯等小分子烯烴[21-22]。1-丁烯的雙鍵異構(gòu)反應(yīng)主要通過吸附在分子篩表面的丁烯中C==C與分子篩表面—OH發(fā)生質(zhì)子化,生成具有π型結(jié)構(gòu)的過渡態(tài),同時分子篩上與過渡態(tài)相鄰的氧原子從碳原子上得到一個氫原子,使催化劑的活性中心恢復(fù),并生成2-丁烯。1-丁烯的骨架異構(gòu)化主要通過三個步驟進行:吸附在分子篩表面的1-丁烯發(fā)生質(zhì)子化形成仲烷氧基過渡態(tài);仲烷氧基過渡態(tài)形成帶支鏈的伯烷氧基過渡態(tài);伯烷氧基過渡態(tài)發(fā)生分解生成異丁烯[23]。丁烯的二聚反應(yīng)遵循雙分子反應(yīng)機理:丁烯先發(fā)生二聚反應(yīng)生成辛烯;辛烯可進一步發(fā)生二次反應(yīng)(如通過裂化反應(yīng)生成丙烯和丁烯等小分子烯烴;通過異構(gòu)化反應(yīng)生成帶支鏈的辛烯;通過氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)生成辛烷;通過環(huán)化反應(yīng)生成環(huán)烷烴;通過芳構(gòu)化反應(yīng)生成芳烴;與烯烴聚合生成更大分子的烯烴,甚至生成焦炭)。
由此可見,為了提高催化裂化過程中碳四烯烴的產(chǎn)率,需要抑制丁烯的雙分子反應(yīng),即抑制丁烯的二聚和氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)。
2016年部分煉廠催化裂化裝置中液化氣烯烴產(chǎn)物分布見圖3~6。由圖3~6可看出,液化氣中丙烯和丁烯的質(zhì)量分數(shù)分別為30%~40%和15%~35%,丙烯和丁烯的質(zhì)量收率(對原料)分別為4%~7%和2.5%~5.5%。
圖3 2016年部分煉廠催化裂化裝置液化氣中丙烯的質(zhì)量分數(shù)Fig.3 Mass fraction of propylene in LPG of some FCC units in 2016.LPG:liquefied petroleum gas;FCC:fluid catalytic cracking.
圖4 2016年部分煉廠催化裂化裝置液化氣中丁烯的質(zhì)量分數(shù)Fig.4 Mass fraction of butylene in LPG of some FCC units in 2016.
以某煉廠催化裂化裝置為例,簡要分析產(chǎn)物中碳四烯烴的分布規(guī)律。該煉廠催化裂化裝置設(shè)計加工能力為2 Mt/a,反應(yīng)器和再生器為高低并列式布置,原料油主要由常壓渣油和蠟油構(gòu)成,原料油密度(20 ℃)為900~910 kg/m3、殘?zhí)恐禐?.5%~4.5%、原料油重金屬含量較高。催化裂化產(chǎn)物中烯烴的分布見圖7~10。從圖7~10可看出,液化氣產(chǎn)率為15%~20%(w),液化氣中丙烯質(zhì)量分數(shù)為35%~45%,丁烯質(zhì)量分數(shù)為16%~25%,丙烯產(chǎn)率為5.5%~7.5%(w),丁烯產(chǎn)率2.7%~5.0%(w),丙烯與丁烯的產(chǎn)率比為1.5~2.2。丁烯的各異構(gòu)體質(zhì)量分數(shù)分別為:異丁烯28%~34%,1-丁烯25%~30%,反-2-丁烯25%~29%,順-2-丁烯15%~18%,2-丁烯40%~50%。
圖5 2016年部分煉廠催化裂化產(chǎn)物中丙烯的產(chǎn)率Fig.5 Propylene yield of some FCC units in 2016.
圖6 2016年部分煉廠催化裂化產(chǎn)物中丁烯的產(chǎn)率Fig.6 Butylene yield of some FCC units in 2016.
一般而言,催化裂化裝置中液化氣中丁烯質(zhì)量分數(shù)為15%~25%,丙烯與丁烯的產(chǎn)率比為0.8~2.5,在丁烯各異構(gòu)體中,2-丁烯的質(zhì)量分數(shù)最高,約占45%;1-丁烯的質(zhì)量分數(shù)略高于異丁烯,分別約為30%和25%。
在催化裂化過程中,各丁烯異構(gòu)體之間存在熱力學(xué)平衡分布[24],見表1。
圖7 某煉廠催化裂化產(chǎn)物中液化氣的收率Fig.7 LPG yield in a refinery FCC unit.
圖8 某煉廠催化裂化裝置液化氣中丙烯和丁烯的質(zhì)量分數(shù)Fig.8 Mass fraction of propylene and butylene in LPG of a refinery FCC unit.
圖9 某煉廠催化裂化產(chǎn)物中丙烯和丁烯的收率Fig.9 Propylene and butylene yields of a refinery FCC unit.
圖10 某煉廠催化裂化裝置的丁烯中各異構(gòu)體的質(zhì)量分數(shù)Fig.10 Mass fraction of isomers in butylene of a refinery FCC unit.
表1 丁烯的熱力學(xué)平衡組成Table 1 Thermodynamic equilibrium composition of butylene
由表1可看出,在同一溫度下,丁烯異構(gòu)體中異丁烯的摩爾分數(shù)最高,反-2-丁烯次之,1-丁烯最低。隨著溫度的升高,正丁烯(1-丁烯、2-丁烯)的摩爾分數(shù)逐漸增加,異丁烯的摩爾分數(shù)逐漸降低。在催化裂化反應(yīng)溫度(500~540℃)下,異丁烯、反-2-丁烯、順-2-丁烯和1-丁烯的摩爾分數(shù)分別約為45%,24%,16%,15%。而實際催化裂化產(chǎn)物中異丁烯的摩爾分數(shù)低于45%,1-丁烯的摩爾分數(shù)大于15%,2-丁烯的摩爾分數(shù)接近熱力學(xué)平衡值。原因可能如下:1)碳四烯烴分子之間存在相互轉(zhuǎn)化,1-丁烯更易通過雙鍵異構(gòu)生成2-丁烯,而1-丁烯和2-丁烯通過骨架異構(gòu)轉(zhuǎn)化為異丁烯的過程相對較慢;2)催化裂化生成的異丁烯容易發(fā)生雙分子氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)生成異丁烷。因此,降低催化裂化過程中的氫轉(zhuǎn)移反應(yīng),不僅能提高總烯烴產(chǎn)率,而且能提高異構(gòu)烯烴所占比例。
催化裂化催化劑直接影響到反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化和產(chǎn)物的分布,在催化裂化過程中具有重要的作用。由于分子篩催化劑具有較強的活性和選擇性,研究者對其進行了深入的研究。
Y型分子篩是催化裂化催化劑的主要活性組元,由六方柱籠、方鈉石籠(又稱β籠)和超籠組成,由于六方柱籠和方鈉石籠的動力學(xué)直徑只有0.26 nm,除水分子外,包括N2、O2及所有有機物分子的動力學(xué)直徑均大于0.26 nm,不能進入六方柱籠和方鈉石籠,因此只有超籠(動力學(xué)直徑0.81 nm)中的酸中心對有機分子的吸附、活化和反應(yīng)是可利用的。常規(guī)Y 型分子篩經(jīng)各種方法抽鋁和/或補硅后,得到 USY分子篩。USY分子篩的骨架鋁數(shù)量減少,晶胞常數(shù)減小,酸中心之間的距離加大,酸強度提高,酸密度降低,不利于雙分子的氫轉(zhuǎn)移反應(yīng),相對有利于裂化反應(yīng),裂化反應(yīng)與氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)之比提高,所以與稀土改性Y型分子篩相比,USY分子篩的汽油辛烷值高、干氣和焦炭產(chǎn)率低、碳四烯烴的選擇性高[25-26]。在USY分子篩中引人稀土,能夠增加USY的活性,但烯烴選擇性受到一定的損失。這主要是因為,稀土離子的存在增加了B酸中心數(shù),并使分子篩晶胞常數(shù)不易減小。通常,無稀土USY分子篩具有較低的氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)活性和較高的碳四烯烴選擇性,高稀土常規(guī)Y型分子篩具有高的氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)活性及低的碳四烯烴選擇性。所以,高碳四烯烴選擇性催化劑是氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)性能低的催化劑,這類催化劑含有USY分子篩和低的稀土含量,并具有較低的平衡晶胞常數(shù)[27-29]。
ZSM-5分子篩是催化裂化催化劑的主要擇型分子篩,與Y型分子篩相比,HZSM-5分子篩對相對分子質(zhì)量較小的烴類分子有顯著的選擇作用,與Y型分子篩復(fù)合使用,可提高汽油辛烷值和/或增產(chǎn)低碳烯烴[30-32]。ZSM-5分子篩具有十元環(huán)構(gòu)成的兩個交叉孔道,只有分子截面有效直徑小于0.58 nm的分子能自由通過,較大的分子難通過。ZSM-5分子篩的氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)能力很低,并且它還能選擇性裂化低辛烷值的C5~12鏈烷烴,生成以丙烯和碳四烯烴為主的液化氣,所以ZSM-5分子篩可以用于催化裂化催化劑中提高碳四烯烴的產(chǎn)率,同時提高丙烯產(chǎn)率和汽油辛烷值。
β 分子篩具有三維十二元環(huán)孔道結(jié)構(gòu),是由四元環(huán)、五元環(huán)和六元環(huán)連接而成,平均孔徑0.65 nm,介于Y型分子篩和ZSM-5分子篩之間。許多研究結(jié)果表明[33-35],在催化裂化催化劑中添加β分子篩可明顯提高低碳烯烴產(chǎn)率,且相對于ZSM-5分子篩催化劑更有利于提高碳四烯烴的收率。
催化劑的活性組分固然重要,但基質(zhì)的作用也不容忽視。一般認為,催化劑基質(zhì)應(yīng)具有較大的孔徑、適宜的活性和良好的水熱穩(wěn)定性,以使催化劑能經(jīng)受苛刻的水熱操作條件并對重質(zhì)原料油進行預(yù)裂化。
綜上所述,增產(chǎn)碳四烯烴是催化裂化催化劑各種功能組分相互匹配和協(xié)同作用,在增強對重油大分子裂化能力的同時,提高低碳烯烴產(chǎn)率,尤其是提高碳四烯烴的選擇性。增產(chǎn)碳四烯烴催化裂化催化劑需要具有以下特點:1)增強催化裂化過程中碳正離子的異構(gòu)化反應(yīng),平衡異構(gòu)化反應(yīng)和裂化反應(yīng)的選擇性,控制氫轉(zhuǎn)移反應(yīng);2)使用大孔高活性基質(zhì),提高重油大分子的預(yù)裂化能力和催化劑的抗重金屬污染能力;3)使用多種活性組分,Y型分子篩和β分子篩的結(jié)合有利于重質(zhì)油餾分的裂化,提高液化氣和汽油產(chǎn)率,為多產(chǎn)碳四烯烴提供更多的潛在組分,β分子篩和ZSM-5分子篩的結(jié)合,可進一步提高液化氣中碳四烯烴的選擇性。
催化裂化過程中碳四烯烴的生成主要來自兩個方面:一是原料中烴類大分子經(jīng)單分子裂化反應(yīng)或雙分子裂化反應(yīng)生成的活性中間體進行裂化的產(chǎn)物;二是裂化反應(yīng)中形成的低碳數(shù)烯烴進行二次反應(yīng)的產(chǎn)物。催化裂化過程中生成的碳四烯烴可進一步發(fā)生裂化反應(yīng)、異構(gòu)反應(yīng)、二聚反應(yīng)和氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)。促進催化裂化碳正離子直接進行異構(gòu)化反應(yīng),然后再進行β位斷裂反應(yīng),同時抑制二聚反應(yīng)和氫轉(zhuǎn)移反應(yīng),有利于提高催化裂化產(chǎn)物中碳四烯烴的產(chǎn)率和選擇性。
通過催化裂化方法生產(chǎn)碳四烯烴是目前解決碳四烯烴供求不足的重要途徑,必須開發(fā)新型催化裂化催化劑以及催化裂化工藝,優(yōu)化催化裂化反應(yīng),達到多產(chǎn)碳四烯烴的目的。