Эксперты доказали важность цеолитных катализаторов в области химии посредством множества экспериментов.
Превращение метанола в олефины (МТО) является одной из наиболее важных реакций в химии C1 и оказалось наиболее успешным не нефтехимическим промышленным способом производства легких олефинов.
Даляньский институт химической физики (DICP) Китайской академии наук занимается исследованием и разработкой реакции МТО уже сорок лет. В 2009 году технология MTO Dalian (DMTO), первое в мире устройство MTO, была завершена и введена в эксплуатацию в Китае. С 2010 года Dalian Chemical продолжает разрабатывать процессы DMTO третьего поколения (DMTO-II и DMTO-III) за счет более эффективных технологических инноваций. Поэтому МТО стал одним из важных маршрутов производства этилена и пропилена в Китае.
Полное знание динамической многомасштабной диффузии и реакционных процессов имеет решающее значение для селективного катализа формы цеолита и крайне необходимо в академических кругах и промышленности, особенно для конверсии MTO с цеолитным катализом. До сих пор диффузия и реакция МТО и ДТО (диметилового эфира в олефины) обычно рассматривались отдельно и фокусировались на одном масштабе. Динамический автокатализ МТО дополнительно усложняет реакцию и диффузию в реакции МТО. Раскрытие эффектов динамического взаимодействия диффузии и реакции в материалах цеолитных катализаторов MTO, зависящих от времени, в различных масштабах является сложной, но обязательной задачей.
Многомасштабная технология динамических перекрестных помех цеолитовых катализаторов в реакции метанола с олефинами
В исследовании, недавно опубликованном в National Science Review, исследовательская группа под руководством профессора LIU Zhongmin и WEI Yingxu (от Национальной инженерной лаборатории метанола до олефинов, DICP, CAS) выявила динамическое многомасштабное поведение и механизм перекрестных помех среди материалов, зависящих от времени. , влияние на диффузию и реакцию конверсии метанола и диметилового эфира, катализируемую SAPO-34.
Они сообщили, что динамика реакций DTO (относительно MTO) четко регулируется перекрестными помехами диффузии-реакции-материала, даже когда они проводятся в одном и том же синтетическом цеолитном материале, и это очень близко к механизмам углеводородного пула. С одной стороны, материал SAPO-34 полостного типа динамически эволюционирует во времени от начала до затухания автокаталитической реакции МТО за счет модификации замкнутой органики. С другой стороны, зависящие от времени материалы, в свою очередь, вызывают катализ посредством динамического развития диффузии и реакций. Это зависящее от времени динамическое перекрестное взаимодействие между материалами и реакциями происходит от накипи слоя катализатора до шкалы кристалла катализатора и полости CHA.
Поведение и механизм многомасштабных перекрестных помех возникают из-за селективности по форме реагента материалов цеолитных катализаторов, когда продолжается динамическая реакция MTO и DTO. По сравнению с метанолом, массоперенос ДМЭ ограничен на цеолитной добавке SAPO-34, поскольку ее высокий энергетический барьер поверхностной проницаемости и внутригранулярной диффузии препятствует проникновению ДМЭ через внешнюю поверхность и внутриполостному прыжку. Ограниченный массоперенос ДМЭ удлиняет зону действия ДТО на слой катализатора, но также приводит к более низкому локальному химическому потенциалу реагентов, что приводит к умеренной кинетике реакции и более тяжелому коксованию в локальном микроокружении катализатора.
Эти перекрестные помехи диффузионно-реакционного материала, возникающие в полости CHA в микроскопическом масштабе, вызывают перекрестные помехи в нескольких масштабах: (i) внутренняя часть кристалла катализатора все еще доступна для значительной части ДМЭ на более поздней стадии реакции, поддержание высокой производительности ДМЭ и (ii) в конечном итоге привести к относительно мягкой и гомогенной схеме реакции и дезактивации, а также к более высокой эффективности использования катализатора.
Напротив, конверсия метанола представляет собой послойную гетерогенную реакцию и режим дезактивации, в то время как высокий локальный химический потенциал метанола заставляет усиленную реакцию и дезактивацию концентрироваться снаружи кристалла катализатора, становясь основной эффективной областью. Особенность реакции ДТО, представленная в данном случае умеренно развитой кинетикой реакции и подавленным отложением кокса, предполагает возможность реализации длительной эксплуатации процесса ДТО с неподвижным слоем.
Цеолитовые катализаторы не только воплощают реакционную особенность гетерогенного катализа, но также обеспечивают усиленную, умеренную или подавленную локальную кинетику реакции за счет особой каталитической микросреды, что приводит к многомасштабной диффузии и гетерогенным реакциям, тем самым обеспечивая эффективный и селективный по форме катализ. Для конкретных динамических реакций, катализируемых цеолитными материалами, достижение оптимальной пространственно-временной синергии материалов, диффузии и реакций является наиболее важным ключом к оптимизации обработки катализатора и продолжает развиваться.