富B酸復合材料的制備及其在重油FCC催化劑中的應用

袁程遠，譚爭國，潘志爽，張海濤

(中國石油蘭州化工研究中心，蘭州 730060)

富B酸復合材料的制備及其在重油FCC催化劑中的應用

袁程遠，譚爭國，潘志爽，張海濤

(中國石油蘭州化工研究中心，蘭州 730060)

以偏鋁酸鈉抽提高嶺土產生的硅為硅源、偏鋁酸鈉為鋁源、十六烷基三甲基溴化銨為模板劑，利用模板組裝原理在高嶺土結構中原位構筑了有序介孔硅鋁結構單元，制備了富B酸有序介孔硅鋁高嶺土復合材料；采用XRD、N2吸附-脫附和吡啶吸附紅外光譜對所制備復合材料進行表征。結果表明，制備復合材料比表面積可達253 m2g，孔體積可達 0.43 cm3g，具有豐富的表面B酸中心；作為基質材料，所制備復合材料不但顯著提高了催化裂化催化劑的重油轉化能力，并顯著改善了裂化產品的選擇性，可使轉化率提高3.19百分點，同時使汽油和總液體收率分別提高2.95和2.47百分點，重油和焦炭收率分別下降2.12和0.41百分點。

有序介孔 B酸 高嶺土 復合材料 催化裂化

流化催化裂化(FCC)是重要的原油二次加工手段，而FCC催化劑的性能起關鍵性作用[1-2]。特別是近年來隨著原油重質化日益加劇，對FCC催化劑的性能要求越來越高[3-4]。通常，FCC催化劑主要由分子篩和基質兩部分構成，其中分子篩是主要的活性組分。然而，對于重油催化裂化，不僅要求催化劑具備良好的分子篩活性，還要求催化劑基質組分具有大比表面積、大孔體積和良好的表面酸性，以有利于重油大分子擴散傳質和預裂化過程，達到提高FCC催化劑重油轉化能力和改善裂化產品選擇性的目的[5]。高嶺土是目前FCC催化劑制備中最為常用的基質材料，然而由于其缺乏必要的孔道結構，使其比表面積和孔體積不夠理想，同時缺乏表面酸性中心尤其是催化裂化需要的B酸中心，這使得高嶺土作為基質材料難以滿足當前重油催化裂化對FCC催化劑的需求[6]。因此，如何制備具有大比表面積、大孔體積和良好表面酸性的改性高嶺土材料成為人們關注的熱點問題[7-10]。有序介孔硅鋁材料是一類具有大比表面積、大孔體積和良好表面酸性的無機多孔材料，這些特性使其可望作為理想的基質材料用于FCC催化劑的制備[11]。基于此，本研究采用原位合成的方法制備富B酸有序介孔硅鋁高嶺土復合材料，并作為基質材料制備高性能重油FCC催化劑。

1 實 驗

1.1 原料與試劑

REUSY分子篩、高嶺土、鋁溶膠、擬薄水鋁石均由中國石油蘭州石化公司催化劑廠提供，工業品；十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、偏鋁酸鈉、氯化銨均為市售商品試劑，分析純。

以偏鋁酸鈉抽提高嶺土產生的硅為硅源，同時偏鋁酸鈉本身作為鋁源，通過模板組裝原理在高嶺土結構中原位構筑介孔硅鋁結構單元，制備富B酸有序介孔硅鋁高嶺土復合材料。首先將高嶺土于800 ℃焙燒2 h，然后將適量焙燒后高嶺土、偏鋁酸鈉、模板劑CTAB和去離子水混合、打漿，所得漿液于85 ℃攪拌反應3 h，將所得漿液置于密閉高壓釜內于100 ℃靜置晶化48 h，過濾、洗滌、干燥、焙燒。最后將所得固體樣品與濃度為1.0 molL的NH4Cl溶液混合，于85 ℃進行交換1 h，結束后過濾、洗滌、干燥，上述交換過程重復2次即得富B酸有序介孔硅鋁高嶺土復合材料。

1.3 FCC催化劑的制備

1.3.1傳統FCC催化劑的制備將計量的REUSY分子篩(預先經800 ℃、100%水蒸氣條件下老化6 h)、鋁溶膠、酸化擬薄水鋁石、高嶺土、去離子水混合均勻后噴霧干燥成型，然后經過焙燒、水洗、干燥后即得傳統FCC催化劑，記為CAT-old。

1.3.2新型FCC催化劑的制備將計量的REUSY分子篩(預先經800 ℃、100%水蒸氣條件下老化6 h)、鋁溶膠、酸化擬薄水鋁石、富B酸有序介孔硅鋁高嶺土復合材料、去離子水混合均勻后噴霧干燥成型，然后經過焙燒、水洗、干燥后即得新型FCC催化劑，記為CAT-new。

1.4 樣品表征與評價方法

1.4.1樣品表征采用日本Rigaku公司生產的Dmax-2200 PC型X射線衍射(XRD)儀分析試樣的物相。樣品的N2吸附-脫附表征在Micromeritics公司生產的ASAP3000型自動物理吸附儀上進行。樣品的紅外光譜在Bruker TENSOR27上進行。

1.4.2評價方法在微型流化催化裂化反應裝置上評價催化劑的重油催化裂化反應性能，反應溫度為530 ℃，催化劑原料油質量比為5。

2 結果與討論

2.1 表征結果

小角XRD是有序介孔材料的重要表征手段，在小角度范圍內(0.5°～5°)出現相應的特征衍射峰被認為是有序介孔材料的特征之一[12]。圖1為所制備富B酸有序介孔硅鋁高嶺土復合材料和傳統高嶺土的小角XRD圖譜。從圖1(a)可以看出，所制備的富B酸有序介孔硅鋁高嶺土復合材料在2θ為1.3°附近顯現了一個清晰的特征衍射峰，表明樣品含有有序介孔結構單元[13]。從圖1(a)中插圖可以看出，樣品在大角度范圍內顯現了高嶺土的特征衍射峰。由圖1(b)可以看出，傳統高嶺土在小角度范圍內并未出現有序介孔材料的特征衍射峰，而只在大角度范圍內出現了高嶺土的特征衍射峰(圖1(b)中插圖)。上述XRD結果說明所制備富B酸有序介孔硅鋁高嶺土復合材料為有序介孔材料和高嶺土兩種結構單元構成的復合材料，而傳統高嶺土材料只具有單一的高嶺土結構單元，不具有有序介孔結構單元。

圖1 富B酸有序介孔硅鋁高嶺土復合材料和高嶺土的XRD圖譜

圖2 富B酸有序介孔硅鋁高嶺土復合材料和高嶺土的N2吸附-脫附曲線

由N2吸附-脫附結果計算不同樣品的孔結構性質見表1。從表1可以看出，與傳統基質材料高嶺土相比，富B酸有序介孔硅鋁高嶺土復合材料具有更大的比表面積和孔體積，分別可達253 m2g和0.43 mLg。因此，當富B酸有序介孔硅鋁高嶺土復合材料用作FCC催化劑基質材料時顯著提高了所制備FCC催化劑CAT-new的比表面積和孔體積，這十分有利于重油催化裂化過程。

表1 不同樣品的孔結構性質

由于固體表面L酸或B酸中心與堿性吡啶探針分子結合會產生相應的紅外特征吸收峰[15]，采用吡啶吸附紅外光譜對不同樣品進行了酸性表征，結果見圖3。由圖3(a)可見，所制備富B酸有序介孔硅鋁高嶺土復合材料分別在1 450 cm-1和1 540 cm-1處各出現1個紅外特征吸收峰，分別對應于L酸中心和B酸中心特征吸收峰[16]，表明樣品表面不但具有L酸中心還具有豐富的B酸中心，該B酸中心主要來自于有序介孔硅鋁結構單元[17]。由圖3(b)可以看出，傳統高嶺土材料只在1 450 cm-1處出現1個L酸中心特征吸收峰，表明傳統高嶺土材料只具有L酸中心而不具有B酸中心。

圖3 富B酸有序介孔硅鋁高嶺土復合材料和高嶺土吡啶吸附紅外光譜

2.2 重油催化裂化評價結果

CAT-old和CAT-new催化劑樣品的重油催化裂化評價結果見表2。從表2可以看出，相對于傳統催化裂化催化劑CAT-old，得益于富B酸有序介孔硅鋁高嶺土復合材料大比表面、大孔體積以及豐富表面B酸中心的特性，以該材料為基質材料的新型催化裂化催化劑CAT-new的重油催化裂化性能得到顯著提升，在重油和焦炭產率顯著下降的同時，轉化率、汽油收率和總液體收率分別提高3.19，2.95，2.47 百分點，重油和焦炭收率分別下降2.12和0.41百分點。

表2 催化劑的重油催化裂化反應性能

3 結 論

(1) 以偏鋁酸鈉抽提高嶺土產生的硅為硅源，同時偏鋁酸鈉本身作為鋁源，通過CTAB模板組裝在高嶺土結構當中原位構筑了有序介孔硅鋁結構單元，制備了富B酸有序介孔硅鋁高嶺土復合材料。

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PREPARATIONOFCOMPOSITEMATERIALRICHINBRONSTEDACIDANDITSAPPLICATIONINRFCCCATALYST

Yuan Chengyuan， Tan Zhengguo， Pan Zhishuang， Zhang Haitao

(LanzhouPetrochemicalResearchCenter，PetroChina，Lanzhou730060)

Ordered mesoporous silica-aluminakaolin composite rich in Bronsted acid was prepared in situ within kaolin clay by template assembly method，using the silica extracted from kaolin by NaAlO2as a silica source，NaAlO2as aluminum source，CTAB as template.The composite materials were characterized by XRD，N2adsorption and pyridine adsorption FT-IR.Characterization results indicate that the surface area and pore volume of obtained composite material is up to 253 m2g and 0.43 mLg，respectively with abundant surface B acid sites.Heavy oil cracking results confirm the significant improvement in conversion and selectivity of the FCC catalyst using the composite material as matrix.The yield of gasoline and total liquid increases by 2.95 and 2.47 percentage points，respectively and the conversion rises by 3.19 percentage points，while the heavy oil and coke decreases by 2.12 and 0.41 percentage points，respectively.

ordered mesoporous； Br?nsted acid； kaolin； composite material； catalytic cracking

2016-11-02;修改稿收到日期： 2017-03-03。

袁程遠，博士，工程師，主要從事催化裂化催化劑的研究開發工作。

袁程遠，E-mail：yuanchengyuan@petrochina.com.cn。

中國石油天然氣股份有限公司科技管理部資助項目(2016B-2005)。