高穩定性分子篩的催化裂化性能研究

張蔚琳，周靈萍，楊 雪，張杰瀟，沙 昊，袁 帥，許明德，田輝平

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

催化裂化是石油煉制過程中的重要工藝，貢獻了我國汽油池中70%以上的汽油。催化裂化催化劑在催化裂化過程中有著至關重要的作用，其技術進步是催化裂化技術升級換代的基石[1-2]。以Y分子篩為主要活性組元的催化裂化催化劑具有較高的催化活性和選擇性，使其在催化裂化中得到廣泛的應用[3-6]。但是，由于原料油的質量日益變差使得催化劑容易失活，轉化率降低及汽油等有價值產品收率降低，因此，要求催化裂化催化劑的重要活性組元Y分子篩必須具有更高的活性穩定性。對Y分子篩進行超穩改性是提高其活性穩定性的重要方法。制備超穩Y分子篩的方法主要有水熱法、化學法及氣相法[7-11]，但是，目前工業上采用的僅有水熱法和化學法兩種，氣相法自20世紀80年代報道以來由于其主要原料SiCl4的強腐蝕性使其一直難以實現工業化生產。中國石化石油化工科學研究院(簡稱石科院)開發了新的氣相法生產高穩定性分子篩的工業裝置及生產工藝，在國際上首次實現了氣相超穩分子篩連續長周期穩定工業生產[12]，解決了30多年來氣相超穩化難以實現工業化的國際難題，促進了煉油技術的進步，并且設計開發并工業生產出高穩定性分子篩系列產品(HSZ分子篩)。所開發的高穩定性分子篩HSZ具有結晶度高、比表面積大以及熱穩定性及水熱穩定性高的特點[12]。

本課題以氣相法工業生產的不同晶胞大小的HSZ分子篩作為活性組元，中試制備了催化裂化催化劑，并通過固定床自動微反活性評定儀和ACE固定流化床微反裝置(簡稱ACE微反裝置)對其催化裂化性能進行評價。

1 實 驗

1.1 原料及試劑

蘇州高嶺土，Al2O3質量分數不小于37%，Fe2O3質量分數不大于0.8%，Na2O質量分數不大于0.2%，SiO2(石英砂)質量分數不大于3.5%，由中國高嶺土有限公司生產；擬薄水鋁石，孔體積不小于0.30 mL/g，比表面積不小于250 m2/g，Na2O質量分數不大于0.3%，膠溶指數不小于92%，β-三水雜晶質量分數不大于5.0%，相對結晶度不小于60%，由中鋁山西新材料有限公司生產；鋁溶膠，Al2O3質量分數為21%～23%，n(Al)/n(Cl)=1.1～1.3，由中國石化催化劑有限公司齊魯分公司生產；脫陽離子水，pH=2.8～5.0，Na+質量濃度不大于1 mg/L，Fe2+、Fe3+質量濃度不大于1 mg/L，由中國石化催化劑有限公司齊魯分公司生產；鹽酸，化學純，由金嶺化工有限公司生產。

1.2 催化劑的制備

分別用氣相法工業制備的高穩定性的分子篩HSZ-3，HSZ-4，HSZ-5作為活性組分，采用高嶺土為基質，采用鋁溶膠和擬薄水鋁石為黏結劑，噴霧干燥后得到催化裂化催化劑微球樣品，然后將催化劑樣品在350 ℃焙燒2 h，再用脫陽離子水洗滌2次，并在125 ℃烘干5 h后，得到催化劑樣品，編號依次為HSZC-3，HSZC-4，HSZC-5。為了比較起見，以水熱法制備了分別與高穩定性分子篩HSZ-3，HSZ-4，HSZ-5的超穩程度及稀土含量相當的3種分子篩，采用相同的催化劑配方及處理方式，以這3種分子篩為活性組分中試制備催化裂化催化劑，作為催化劑活性評價的對比劑，編號依次為BSC-3，BSC-4，BSC-5。

1.3 催化劑的物化性能表征

采用日本理學電機工業株式會社生產的3271E型X射線熒光光譜(XRF)儀測定催化劑的化學組成；采用Micromeritics公司生產的ASAP2400吸附儀利用靜態低溫氮吸附容量法測定催化劑的比表面積；利用滴水法測定催化劑的孔體積；采用石科院制造的流化磨損指數測定儀測定催化劑的磨損指數。

1.4 催化劑的催化裂化性能評價

利用石科院開發的WFS-1D固定床自動微反活性評定儀評價催化劑的微反活性指數，原料油為大港直餾輕柴油(餾程范圍為239～351 ℃)，催化劑裝填質量為5 g，反應溫度為460 ℃，質量空速為16 h-1。采用美國KTI公司研發的ACE微反裝置評價催化劑的催化裂化性能，原料油為武混三，催化劑裝填質量為9 g，反應溫度為500 ℃，劑油質量比在3～9范圍內調節，反應前先用高純N2吹掃，升溫到設定的反應溫度500 ℃后恒溫30 min，然后進原料油并計時，反應完成后用N2吹掃20 min。采用美國惠普公司生產的HP6890型氣相色譜儀(FID檢測器)分析液相產物組成；采用多維氣相色譜全分析法分析氣相產物組成；采用傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)儀分析產物中的焦炭。原料油性質及詳細評價方法參見文獻[13]。

2 結果與討論

2.1 催化劑的物理化學性質

所制備的催化劑的物理化學性質如表1所示。由表1可以看出：所制備的6種催化劑的Na2O含量均較低，質量分數均小于0.12%；6種催化劑的磨損指數及堆密度基本相當；HSZC系列催化劑的比表面積低于BSC系列催化劑的比表面積；HSZC-4及HSZC-5的孔體積較小，小于0.40 mL/g，HSZC-3，BSC-3，BSC-4，BSC-5的孔體積較大，其中BSC-4的孔體積最大，為0.43 mL/g。

表1 催化劑的物理化學性質

2.2 催化劑的微反活性

采用WFS-1D固定床自動微反活性評定儀對催化劑HSZC-3，HSZC-4，HSZC-5，BSC-3，BSC-4，BSC-5進行微反活性評價，評價前先將催化劑分別進行800 ℃、100%水蒸氣老化8 h或17 h的預處理。6種催化劑經過不同老化時間處理后的微反活性指數(MA)列于表2。從表2可以看出：與 BSC-3相比，HSZC-3老化8 h、17 h后的MA分別高3個單位和5個單位；與BSC-4相比，HSZC-4老化8 h、17 h后的MA分別高2個單位和11個單位；HSZC-5老化8 h后的MA與BSC-5的相同，而HSZC-5老化17 h后的MA比BSC-5的高9個單位。以上結果表明，以氣相法高穩定性分子篩為活性組元的HSZC系列催化劑老化17 h后的MA明顯高于以水熱法制備的分子篩為活性組元的BSC系列催化劑，說明以高穩定性分子篩為活性組元的HSZC系列催化劑具有較高的水熱穩定性。

表2 催化劑的微反活性指數

2.3 HSZC-3催化劑的ACE評價

采用ACE微反裝置分別對HSZC-3及BSC-3進行評價試驗，結果列于表3。從表3可以看出：在催化劑均經過800 ℃、100%水蒸氣8 h老化處理后，在劑油質量比均為5.0的條件下，與BSC-3相比，HSZC-3作用下的重油轉化率由67.70%提高到68.55%，提高了1.26%，汽油收率由47.27%提高到48.70%，提高了3.03%，輕質油收率由66.36%提高到68.01%，提高了2.49%，總液體收率由79.56%提高到80.66%，提高了1.38%，油漿產率由13.21%降低到12.14%，降低了8.10%，焦炭選擇性相同；在催化劑均經過800 ℃、100%水蒸氣17 h老化處理后，在劑油質量比均為8.0的條件下，與對比劑BSC-3相比，催化劑HSZC-3作用下的反應轉化率由66.80%提高到70.82%，提高了6.02%，汽油收率由43.79%提高到49.04%，提高了11.99%，輕質油收率由63.13%增加到67.74%，增加了7.30%，總液體收率由78.13%增加到81.44%，增加了4.24%，油漿產率由13.86%降低到10.48%，降低了24.39%，焦炭選擇性由9.65%下降到9.31%，下降了3.52%。以上結果表明，與BSC-3相比，以氣相法高穩定性分子篩HSZ-3為活性組元的HSZC-3的活性穩定性好，重油轉化能力較強，汽油、輕質油及總液體收率高，焦炭選擇性好。

表3 HSZC-3及BSC-3催化劑的ACE評價結果

2.4 HSZC-4催化劑的ACE評價

采用ACE微反裝置分別對HSZC-4及BSC-4進行評價試驗，結果列于表4。從表4可以看出:在催化劑均經過800 ℃、100%水蒸氣8 h老化處理后，在劑油質量比均為3.0的條件下，與BSC-4相比，HSZC-4作用下的反應轉化率由62.95%提高到70.55%，提高了12.07%，汽油收率由43.82%提高到48.90%，提高了11.59%，輕質油收率由64.55%提高到67.45%，提高了4.49%，總液體收率由77.02%提高到81.74%，提高了6.13%，油漿產率由16.32%降低到10.90%，降低了33.21%，焦炭選擇性由8.47%降低到8.40%，降低了0.83%；在催化劑均經過800 ℃、100%水蒸氣17 h老化處理后，在劑油質量比均為5.9的條件下，與BSC-4相比，HSZC-4作用下的反應轉化率由68.55%提高到76.54%，提高了11.66%，汽油收率由47.37%提高到51.10%，提高了7.84%，輕質油收率由66.77%增加到66.98%，增加了0.31%，總液體收率由80.66%提高到84.00%，提高了4.14%，油漿產率由12.05%降低到7.58%，降低了37.10%，焦炭選擇性由8.69%提高到8.99%，提高了3.45%。以上結果表明，與BSC-4相比，以氣相法高穩定性分子篩HSZ-4為活性組元的催化劑HSZC-4的活性穩定性好，重油轉化能力較強，汽油、輕質油及總液體收率高，焦炭選擇性相當。

表4 HSZC-4及BSC-4催化劑的ACE評價結果

2.5 HSZC-5催化劑的ACE評價

采用ACE微反裝置將催化劑HSZC-5與BSC-5分別經過800 ℃、100%水蒸氣17 h苛刻條件老化處理后的反應性能進行詳細地對比評價，每個催化劑評價試驗時均采用4個劑油比，進一步分析考察以氣相法高穩定性分子篩為活性組元的催化劑和以水熱法分子篩為活性組元的對比劑的重油轉化能力、焦炭選擇性及其產品分布的差異。

2.5.1 重油轉化能力HSZC-5與BSC-5作用下的反應轉化率隨劑油比的變化如圖1所示，油漿產率隨反應轉化率的變化如圖2所示。從圖1可以看出：隨著劑油比的增加，HSZC-5與BSC-5作用下的轉化率均顯著增加；相同劑油比下，HSZC-5作用下的轉化率始終明顯高于BSC-5。從圖2可以看出：隨著轉化率的增加，HSZC-5與BSC-5作用下的油漿產率均顯著降低；相同轉化率下，HSZC-5與BSC-5作用下的油漿產率相當。綜合而言，與BSC-5相比，HSZC-5具有較強的重油轉化能力。

圖1 轉化率隨劑油質量比的變化■—HSZC-5； ●—BSC-5。圖2～圖10同

圖2 油漿產率隨轉化率的變化

2.5.2 產品分布對HSZC-5與BSC-5作用下的催化裂化產品分布進行詳細的比較，產品的干氣、液化氣、汽油、柴油、輕油及總液體的產率隨轉化率的變化如圖3～圖8所示。

圖3 干氣產率隨轉化率的變化

從圖3可以看出：在所考察的試驗條件范圍內，隨著轉化率的增加，兩種催化劑作用下的干氣產率均呈逐漸增加的趨勢；當轉化率較低時，相同轉化率下HSZC-5作用下的干氣產率低于BSC-5；當轉化率較高時，相同轉化率下HSZC-5作用下的干氣產率略高于BSC-5；總的來看，二者作用下具有相當的干氣產率。

從圖4可以看出：在所考察的試驗條件范圍內，隨著轉化率的增加，兩種催化劑作用下的液化氣收率均明顯增加；相同轉化率下，HSZC-5作用下的液化氣收率略低于BSC-5。

圖5 汽油收率隨轉化率的變化

從圖5可以看出：在所考察的試驗條件范圍內，隨著轉化率的增加，兩種催化劑作用下的汽油收率均明顯增加；相同轉化率下，HSZC-5作用下的汽油收率始終明顯高于BSC-5。

圖6 柴油收率隨轉化率的變化

從圖6可以看出：在所考察的試驗條件范圍內，隨著轉化率的增加，兩種催化劑作用下的柴油收率均明顯下降；相同轉化率下，HSZC-5作用下的柴油收率與BSC-5始終比較接近。

圖7 輕質油收率隨轉化率的變化

從圖7可以看出：在所考察的試驗條件范圍內，隨著轉化率的增加，兩種催化劑作用下的輕質油收率均呈先增加后略有下降的趨勢；相同轉化率下，HSZC-5作用下的輕質油收率明顯高于BSC-5，表明與BSC-5相比，HSZC-5催化劑具有較高的輕質油轉化能力。

圖8 總液體收率隨轉化率的變化

從圖8可以看出：在所考察的試驗條件范圍內，隨著轉化率的增加，兩種催化劑作用下的總液體收率均明顯增加；相同的轉化率下，HSZC-5作用下的總液體收率高于BSC-5。

2.5.3 焦炭選擇性考察對HSZC-5與BSC-5催化劑的焦炭選擇性進行比較考察，兩種催化劑作用下的焦炭產率隨轉化率的變化如圖9所示，焦炭產率隨油漿產率的變化如圖10所示。

圖9 焦炭產率隨轉化率的變化

圖10 焦炭產率隨油漿產率的變化

從圖9可以看出：在所考察的試驗條件范圍內，隨著轉化率的增加，兩種催化劑作用下的焦炭產率均逐漸增加；相同轉化率下，HSZC-5作用下的焦炭產率始終明顯低于BSC-5。從圖10可以看出：在所考察的試驗條件范圍內，隨著油漿產率的增加，催化劑的焦炭產率均逐漸降低；相同油漿產率下，HSZC-5作用下的焦炭產率始終明顯低于BSC-5。由上可見，與BSC-5相比，HSZC-5具有較好的焦炭選擇性。

3 結 論

分別以氣相超穩法工業生產的高穩定性分子篩系列產品HSZ-3，HSZ-4，HSZ-5為活性組元經中試制備HSZC系列催化裂化催化劑，并通過固定床自動微反活性評定儀及ACE微反裝置對其催化裂化性能進行了考察。結果表明，與以水熱法分子篩為活性組元的BSC系列對比劑相比，HSZC系列催化劑有較高的水熱穩定性、較高的活性穩定性、較強的重油轉化能力，其作用下的汽油、輕質油及總液體收率高，焦炭選擇性好。