倪雪華,龍湘云,聶 紅,陳文斌,劉清河
(中國(guó)石化 石油化工科學(xué)研究院,北京100083)
硫化溫度是決定加氫催化劑硫化效率的關(guān)鍵因素之一,有關(guān)硫化溫度對(duì)加氫催化劑硫化行為和催化性能的研究時(shí)見(jiàn)報(bào)道。Okamato等[1-3]以 H2S為硫化劑研究了硫化溫度對(duì)CoMo/SiO2和CoW/SiO2催化劑催化性能的影響,發(fā)現(xiàn)這2種催化劑均存在最佳硫化溫度。他們認(rèn)為,一方面,高溫能夠阻礙Co9S8的形成,有利于活性中心由TypeⅠ變?yōu)門ypeⅡ,從而提高HDS活性;另一方面,高溫硫化會(huì)減少邊緣活性位數(shù)量,不利于催化活性的提高,兩方面的作用導(dǎo)致了最佳硫化溫度的出現(xiàn)。對(duì)于NiW 催 化 劑,Van der Vlies等[4-5]的 研 究 表 明,W—O鍵的強(qiáng)度強(qiáng)于Mo—O鍵,使得W氧化物需要更高的硫化溫度才能轉(zhuǎn)變?yōu)閃硫化物,而W硫化度是影響催化劑活性的關(guān)鍵因素[6-8]。與CoMo系催化劑相似,NiW系催化劑同樣存在最佳硫化溫度[9-10]。筆者認(rèn)為,NiW系催化劑上Ni的存在物種有在催化劑表面高度分散的NiO物種、Ni-W混合氧化物和載體內(nèi)部具有尖晶石結(jié)構(gòu)的NiAl2O43種。隨著硫化溫度的提高,一方面,Ni物種的硫化度以及WS2的結(jié)晶度提高,均有利于催化活性的提高;另一方面,WS2晶粒在873K時(shí)[9]開(kāi)始出現(xiàn)少量燒結(jié),表面的Ni物種進(jìn)入載體Al2O3中的四面體空隙內(nèi)部,形成NiAl2O4尖晶石,使其活性降低。因此NiW系催化劑的硫化溫度應(yīng)控制在適宜的范圍。
盡管有關(guān)硫化溫度對(duì)催化劑性能的影響有較多報(bào)道,但這些研究主要以不含有機(jī)絡(luò)合劑的加氫催化劑為考察對(duì)象,而對(duì)于含有絡(luò)合劑的加氫催化劑,尤其是高壓硫化條件下的研究報(bào)道則較為少見(jiàn)。對(duì)于硫化溫度對(duì)絡(luò)合類催化劑性能的影響,此前曾報(bào)道了檸檬酸對(duì)NiW/Al2O3催化劑硫化行為的影響[11],但考察的硫化溫度局限于473~633K范圍,而對(duì)更高硫化溫度下催化劑的硫化行為還未進(jìn)行研究,因而難以確定最佳硫化溫度。本研究中,筆者考察了含檸檬酸的NiW/Al2O3催化劑在4.0MPa氫分壓下、523~723K硫化溫度范圍內(nèi)的硫化行為和加氫脫硫活性,旨在從更寬的溫度范圍和一定的硫化壓力下,揭示硫化溫度影響含檸檬酸NiW/Al2O3催化劑催化活性的作用本質(zhì),同時(shí)確定獲得最佳脫硫性能的硫化溫度。
硝酸鎳、環(huán)己烷,分析純,北京益利精細(xì)化學(xué)品有限公司產(chǎn)品;偏鎢酸銨,工業(yè)級(jí),株洲鉆石鎢制品有限公司產(chǎn)品;檸檬酸,食品級(jí),齊茂催化劑有限公司產(chǎn)品;正癸烷,分析純,天津科密歐化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品;4,6-二甲基二苯并噻吩,分析純,J&K Chemical產(chǎn)品;十氫萘,分析純,北京化工廠產(chǎn)品。
采用孔飽和浸漬法,以Ni-W-檸檬酸溶液(偏鎢酸銨、硝酸鎳和檸檬酸以一定比例混合的水溶液)浸漬工業(yè)氧化鋁載體,393K干燥,制得含檸檬酸的NiW/Al2O3催化劑,以NiWCA表示,其中,檸檬酸與Ni的摩爾比為1。同樣,以Ni-W溶液(偏鎢酸銨和硝酸鎳以一定比例混合的水溶液)浸漬工業(yè)氧化鋁載體,393K干燥后再于723K活化,制得NiW/Al2O3催化劑,以NiW表示。所制備的催化劑中,NiO和WO3的負(fù)載量均分別為3.1%和20.1%。
在高壓微型反應(yīng)器加氫試驗(yàn)裝置中進(jìn)行催化劑的硫化和評(píng)價(jià)其對(duì)4,6-DMDBT的催化脫硫活性。在反應(yīng)管恒溫區(qū)內(nèi)裝填1g 40~60目的催化劑,其余部分裝填40~60目處理過(guò)的石英砂,催化劑與石英砂中間用耐高溫的玻璃布隔開(kāi)。以含5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)CS2的環(huán)己烷作為硫化油,流速0.4mL/min,在4.0MPa分壓、流速400mL/min的氫氣流下原位硫化4h,硫化溫度分別為523、573、623、673和723K。硫化結(jié)束,在N2保護(hù)下,將硫化態(tài)催化劑倒入環(huán)己烷中封存。
將40~60目的催化劑樣品約0.15g和處理過(guò)的40~60目的石英砂1g均勻混合,置于反應(yīng)器恒溫段內(nèi),其余部分裝填石英砂。采用上述相同方法進(jìn)行硫化,硫化結(jié)束,保持同樣氫氣流速和壓力,切換反應(yīng)油,流速保持0.2mL/min。反應(yīng)油為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45%4,6-DMDBT和等量十氫萘的正癸烷溶液。反應(yīng)在553K下穩(wěn)定3h后取樣分析,然后將溫度分別降至533和523K穩(wěn)定1h后取樣分析。從反應(yīng)器流出的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)水冷卻,在高壓分離器中定期收集液體產(chǎn)物,采用Agilent 7860系列氣相色譜儀分析其組成。
在測(cè)定原料和產(chǎn)物中4,6-DMDBT的含量時(shí),以十氫萘為內(nèi)標(biāo)物,計(jì)算4,6-DMDBT的轉(zhuǎn)化率(x)、反應(yīng)產(chǎn)物中組分i的選擇性(si)、脫硫反應(yīng)總活性(AT)、直接脫硫活性(ADDS)和加氫脫硫活性(AHYD)[11]。4,6-DMDBT 加氫脫硫反應(yīng)有直接脫硫(DDS)和加氫脫硫(HYD)2條主要路徑。DDS路徑中,含硫化合物分子中的C—S鍵直接斷裂而使S脫除,產(chǎn)物為二甲基聯(lián)苯(DMBiPh);HYD路徑中,含硫化合物分子中與S相鄰的苯環(huán)先被加氫,之后再發(fā)生C—S鍵斷裂,產(chǎn)物為二甲基環(huán)己基苯(DMCHB)和二甲基聯(lián)環(huán)己烷(DMBCH);加氫未脫硫(HN)的產(chǎn)物為六氫-4,6-二甲基二苯并噻吩[11]。
4,6-DMDBT加氫脫硫反應(yīng)為擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng),由此可以據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算4,6-DMDBT加氫脫硫反應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)和反應(yīng)的表觀活化能,見(jiàn)式(1)~(3)。
式(1)~(3)中,τ為空速,mol/(kg·s);x為轉(zhuǎn)化率,%;k為4,6-DMDBT加氫脫硫反應(yīng)速率常數(shù),mol/(kg·s);Ea為4,6-DMDBT加氫脫硫反應(yīng)活化能,kJ/mol;R為氣體常數(shù);T為反應(yīng)溫度,K;C為常數(shù);m為催化劑的質(zhì)量,kg;F0為單位時(shí)間內(nèi)原料的流速,mol/s。
采用Thermo Scientific公司ESCALab 250型X射線光電子能譜儀對(duì)催化劑樣品進(jìn)行XPS表征。激發(fā)源為單色化的AlKαX射線,功率約300W,分析室的基礎(chǔ)真空約為3×10-7Pa,以C1s峰(284.6eV)進(jìn)行能量校正。
采用FEI公司Tecnai G2F20S-TWIN高分辨透射電鏡對(duì)催化劑樣品進(jìn)行HRTEM表征。加速電壓200kV。統(tǒng)計(jì)計(jì)算500個(gè)以上層狀晶粒的長(zhǎng)度和層數(shù),得到晶粒的尺寸分布。根據(jù)公式(4)和(5)計(jì)算WS2晶粒的平均長(zhǎng)度)和平均堆疊層數(shù)()。
式(4)、(5)中,i為照片數(shù);n為每張照片上的WS2晶粒數(shù)量;L為每張照片上WS2晶粒的平均長(zhǎng)度;N為每張照片上WS2晶粒的平均堆疊層數(shù)。
2.1.1 對(duì)催化活性的影響
圖1為 NiWCA 和 NiW 催 化 劑 催 化4,6-DMDBT加氫脫硫反應(yīng)總活性(AT)隨其硫化溫度(T′)的變化,加氫脫硫反應(yīng)溫度553K。由圖1可知,2種催化劑催化4,6-DMDBT加氫脫硫反應(yīng)的AT隨其T′的變化規(guī)律相同。隨著T′的升高,2種催化劑的AT均提高;623K以后,AT的增速減緩,673K時(shí)出現(xiàn)峰值;繼續(xù)升高至723K時(shí),AT出現(xiàn)不同程度的回落,與高曉東[12]對(duì)于NiW催化劑的研究結(jié)果一致。由圖1還可看到,在所有T′下,絡(luò)合方法制備的NiWCA催化劑的AT均高于常規(guī)方法制備的NiW催化劑,表明檸檬酸的存在有利于提高催化劑的反應(yīng)活性,與聶紅等[11]和Rinaldi等[13]的研究結(jié)果一致。
圖1 NiWCA和NiW催化劑催化4,6-DMDBT的加氫脫硫總活性(AT)隨硫化溫度(T′)的變化Fig.1 Hydrodesulfurization activity(AT)of NiWCA and NiW catalysts for 4,6-DMDBT vs their sulfuration temperature(T′)
2.1.2 對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物選擇性的影響
表1給出了NiWCA和NiW催化劑催化4,6-DMDBT加氫脫硫反應(yīng)產(chǎn)物選擇性(sHYD)和直接脫硫產(chǎn)物選擇性(sDDS)隨其硫化溫度(T′)的變化。從表1可知,對(duì)于NiWCA催化劑,隨著T′的升高,sHYD不斷增加,而sDDS和加氫未脫硫產(chǎn)物HN選擇性(sHN)不斷降低;當(dāng)T′由623K升至673K時(shí),sHYD、sDDS和sHN均變化不大;當(dāng)T′進(jìn)一步升高至723K時(shí),sHYD降低,而sDDS和sHN相應(yīng)增加;sDDS和sHN與sHYD基本呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì),而sHYD的變化趨勢(shì)則與AT的變化趨勢(shì)相一致。對(duì)于NiW催化劑,隨其T′的升高,sHYD和sDDS的變化趨勢(shì)與NiWA一致。在所有T′下含檸檬酸催化劑的sHYD均略高于不含檸檬酸催化劑的sHYD,表明檸檬酸的存在不影響4,6-DMDBT產(chǎn)物選擇性的變化規(guī)律,但可以略提高sHYD。
表1 不同硫化溫度(T′)下NiWCA和NiW催化劑催化4,6-DMDBT加氫脫硫、直接脫硫和加氫未脫硫產(chǎn)物的選擇性(sHYD、sDDS和sHN)Table 1 sHYD,sDDSand sHNof 4,6-DMDBT over NiWCA and NiW catalysts sulfided at various sulfuration temperatures(T′)
2.1.3 對(duì)反應(yīng)活化能的影響
根據(jù)Arrhenius方程,以溫度的倒數(shù)1/T為橫坐標(biāo),反應(yīng)速率常數(shù)k的對(duì)數(shù)lnk為縱坐標(biāo)作圖,求得不同T′下4,6-DMDBT加氫脫硫反應(yīng)的活化能Ea和指前因子A。在4.0MPa氫分壓下,523~723K硫化的NiWCA和NiW催化劑催化4,6-DMDBT加氫脫硫反應(yīng)的活化能數(shù)據(jù)列于表2。由表2可以看出,對(duì)于NiWCA催化劑,623K是一個(gè)關(guān)鍵性的硫化溫度。采用該溫度硫化NiWCA催化劑時(shí)4,6-DMDBT加氫脫硫反應(yīng)的活化能Ea顯著高于采用523和573K硫化時(shí)的Ea,硫化溫度超過(guò)623K后,Ea的變化明顯趨緩。上述Ea隨催化劑硫化溫度的變化規(guī)律顯示,與523和573K硫化的催化劑相比,623K的硫化更完全,催化劑上活性中心種類的主要存在形式發(fā)生了改變。低于623K硫化時(shí),催化劑中形成的主要是活性較低的TypeⅠ類活性中心,623K及更高溫度下硫化,則主要形成本征活性更高的TypeⅡ類活性中心[14]。NiW催化劑催化4,6-DMDBT加氫脫硫反應(yīng)的Ea變化規(guī)律與采用NiWCA催化劑時(shí)的Ea較為一致,但在623~723K硫化溫度范圍內(nèi),NiW 催化劑的Ea在85~88kJ/mol范圍,小于 NiWCA 催化劑的Ea(90~96kJ/mol)。
由表2還可看到,采用較低硫化溫度(<623K)的催化劑,4,6-DMDBT加氫脫硫反應(yīng)的HYD途徑反應(yīng)活化能低于DDS;而采用較高硫化溫度(≥623K)的催化劑,HYD的反應(yīng)活化能則高于DDS。前者與Kim等[15]在NiMo和CoMo體系低4,6-DMDBT轉(zhuǎn)化率下(<50%)得到的結(jié)果一致,后者則與李丁建一[16]在NiMoP體系高4,6-DMDBT轉(zhuǎn)化率(>50%)下得到的結(jié)果一致。這種HYD和DDS途徑反應(yīng)活化能的相對(duì)變化也在一定程度上反映了硫化溫度對(duì)催化劑活性相的影響,即低溫硫化時(shí)生成的Type I類活性中心與高溫硫化時(shí)生成的Type II類活性中心對(duì)HYD途徑和DDS途徑的促進(jìn)作用程度可能存在差異。
在Arrhenius方程中,指前因子A與催化劑的活性中心數(shù)相關(guān),指前因子A值越大,則活性中心數(shù)量越多[17]。表2數(shù)據(jù)顯示,對(duì)于NiWCA催化劑,隨著硫化溫度的升高,指前因子A增大,623K時(shí)A出現(xiàn)突躍,之后小幅上升,在673K時(shí)達(dá)到最大值;硫化溫度進(jìn)一步升高至723K時(shí),指前因子數(shù)值變小。指前因子的變化與催化劑的活性變化趨勢(shì)高度一致(見(jiàn)圖1)。以上結(jié)果表明,催化劑活性中心的大量形成主要發(fā)生在573~623K的硫化溫度區(qū)間,硫化溫度高于623K之后,活性中心數(shù)量增長(zhǎng)明顯趨緩,在673K時(shí)活性中心數(shù)量達(dá)到頂峰。723K硫化時(shí)催化劑的活性、加氫脫硫反應(yīng)活化能和指前因子均同步降低,可能是過(guò)高的硫化溫度導(dǎo)致金屬硫化物聚集所致。值得注意的是,在高于573K下硫化的NiWCA的A值均高于相同硫化溫度NiW催化劑的A值,表明檸檬酸的加入有利于增加催化劑上的活性中心數(shù)量。
表2 不同硫化溫度(T′)下NiWCA和NiW催化劑催化4,6-DMDBT加氫脫硫反應(yīng)的表觀活化能(Ea)和指前因子(A)Table 2 Active energies(Ea)and pre-exponential factors(A)of 4,6-DMDBT hydrodesulfurization reactions over NiWCA and NiW catalysts sulfided at various sulfuration temperatures(T′)
2.2.1 XPS分析
對(duì)不同硫化溫度下2種催化劑的W4fXPS譜進(jìn)行擬合[18],結(jié)果示于圖2。采用文獻(xiàn)[18]的方法對(duì)W4f進(jìn)行分峰擬合。523K硫化的硫化態(tài)NiWCA催化劑在結(jié)合能為35.7和37.9eV出現(xiàn)明顯的雙峰,歸屬于氧化態(tài)的 W6+物種[19-20];在32.3和34.4eV處的雙峰對(duì)應(yīng)于硫化態(tài)的 W4+物種[21];隨著硫化溫度的升高,W4+物種的特征峰不斷增強(qiáng),而W6+物種的特征峰逐漸減弱,表明更多的WO3被硫化為WS2物種。NiW催化劑W4f譜變化規(guī)律與NiWCA一致,即隨著硫化溫度的升高WS2物種的特征峰不斷增強(qiáng),而WO3的特征峰逐漸減弱。
圖2 不同硫化溫度(T′)下NiWCA和NiW催化劑的W4fXPS譜Fig.2 W4fXPS profiles of NiWCA and NiW catalysts sulfided at various sulfuration temperatures(T′)
為了定量表征催化劑上活性金屬的硫化度隨溫度的變化規(guī)律和檸檬酸對(duì)金屬硫化度的影響,在分峰擬合中統(tǒng)計(jì)了 W4+在所有 W物種中所占的百分?jǐn)?shù),以其表示W(wǎng)物種的硫化度,結(jié)果繪于圖3。由圖3可知,對(duì)于2種催化劑,活性金屬W硫化度隨硫化溫度的變化規(guī)律與催化活性和W硫化度均隨硫化溫度的變化規(guī)律基本一致。在523~623K硫化溫度范圍內(nèi),催化劑脫硫催化活性和W硫化度均隨硫化溫度的升高快速上升,高于623K之后,活性和W硫化度增長(zhǎng)速率均明顯放緩。硫化過(guò)程中,Ni原子占據(jù)WS2邊角位置形成的Ni-W-S相結(jié)構(gòu)是加氫脫硫的主要活性相[11,22]。硫化度越高,意味著生成的WS2微晶數(shù)量越多,相應(yīng)地生成Ni-W-S活性相的概率也越高。圖3結(jié)果表明,含檸檬酸的催化劑W物種的硫化度明顯高于不含檸檬酸的催化劑,與前述評(píng)價(jià)結(jié)果一致。檸檬酸能削弱載體與活性金屬之間的相互作用,改善活性組分在載體上的分散狀態(tài),從而促進(jìn)活性金屬的硫化[23]。這是檸檬酸能提高催化劑催化活性的重要原因。
圖3 不同硫化溫度(T′)下NiWCA和NiW催化劑上W物種的硫化度Fig.3 W sulfuration degree of NiWCA and NiW catalysts sulfided at various sulfuration temperatures(T′)(1)NiWCA;(2)NiW
2.2.2 HRTEM 分析
不同溫度硫化的NiWCA和NiW催化劑的HRTEM照片如圖4所示。
從圖4可以看出,隨著硫化溫度的升高,NiWCA和NiW催化劑中 WS2微晶[23]的數(shù)量不斷增加,與前述XPS分析結(jié)果相一致。523K硫化的2種催化劑中均存在納米尺寸的斑點(diǎn)狀顆粒相,被認(rèn)為是未結(jié)晶的W硫化物或硫氧化物顆粒[1,8];隨著硫化溫度的升高,斑點(diǎn)狀顆粒相消失,條紋相增多,顯示W(wǎng)物種的晶化程度提高。對(duì)于723K硫化的催化劑,可以觀察到WS2微晶堆疊層數(shù)明顯增加,尺寸明顯增大。由圖4還發(fā)現(xiàn),在相同硫化溫度下,NiWCA催化劑的WS2微晶數(shù)量均多于NiW,表明檸檬酸的存在有利于促進(jìn)W金屬的硫化,也與XPS得到的結(jié)果一致。
圖4 不同溫度硫化(T′)的NiWCA和NiW催化劑高分辨透射電鏡照片F(xiàn)ig.4 HRTEM images of NiWCA and NiW catalysts sulfided at various sulfuration temperatures(T′)
為了定量比較不同硫化溫度下WS2片晶的形貌特征,隨機(jī)選取催化劑上的不同部位,拍攝高分辨透射電鏡照片20張,對(duì)這20張HRTEM照片的條紋長(zhǎng)度和堆疊層數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),并計(jì)算其平均長(zhǎng)度和平均堆疊層數(shù),結(jié)果列于表3。
從表3可以看出,隨著硫化溫度的升高,NiWCA和NiW催化劑中WS2微晶的和總體上均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。Van der Meer等[10]和Okamoto等[1]在其研究中也發(fā)現(xiàn)了高溫硫化時(shí)催化劑中金屬硫化物長(zhǎng)大的類似現(xiàn)象。NiWCA催化劑的WS2平均堆疊層數(shù)高于NiW,同時(shí)WS2晶粒平均長(zhǎng)度也略大,是由于檸檬酸存在下金屬-載體之間的相互作用減弱,在促進(jìn)W金屬硫化的同時(shí),也導(dǎo)致傾向于形成尺寸和堆疊層數(shù)較高的WS2微晶。WS2晶粒變長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致其邊角位置減少,而堆疊層數(shù)增加又有利于TypeⅡ類活性相的形成,兩個(gè)因素在對(duì)催化劑活性的影響方面在一定程度上具有抵消效應(yīng)。
表3 不同硫化溫度(T′)下硫化態(tài)NiWCA和NiW催化劑中WS2晶粒的平均長(zhǎng)度)和平均堆疊層數(shù)Table 3 Average slab length)and average stacking number)of WS2particles in sulfided NiWCA and NiW catalysts at various sulfuration temperatures(T′)
表3 不同硫化溫度(T′)下硫化態(tài)NiWCA和NiW催化劑中WS2晶粒的平均長(zhǎng)度)和平均堆疊層數(shù)Table 3 Average slab length)and average stacking number)of WS2particles in sulfided NiWCA and NiW catalysts at various sulfuration temperatures(T′)
T′/K L/nm N NiWCA NiW NiWCA NiW 523 2.89 2.74 1.30 1.27 573 3.25 3.02 1.66 1.54 623 4.39 3.91 2.26 1.72 673 4.75 4.23 2.27 1.79 723 4.91 4.30 2.31 1.82
(1)在所考察的實(shí)驗(yàn)條件下,含檸檬酸的NiWCA催化劑和無(wú)檸檬酸的NiW催化劑最佳硫化溫度均出現(xiàn)在673K左右。硫化溫度對(duì)于2類催化劑的影響表現(xiàn)出基本相似的規(guī)律。硫化溫度升高,一方面導(dǎo)致W物種硫化度增加,生成的WS2微晶數(shù)量增多,另一方面使WS2晶粒尺寸變大。在相對(duì)較低的溫度范圍(523~623K)內(nèi),硫化溫度升高,W物種硫化度和催化劑活性均快速提高,二者的變化具有一致性,W物種硫化度是影響催化劑活性的主導(dǎo)因素;在相對(duì)較高的溫度范圍內(nèi)(623~723K),硫化溫度升高,W物種硫化度緩慢增長(zhǎng),WS2晶粒尺寸增大帶來(lái)的負(fù)面因素逐漸顯著,催化劑活性同時(shí)受到上述兩方面因素的雙重影響。
(2)含檸檬酸的NiWCA催化劑的加氫脫硫活性明顯高于無(wú)檸檬酸的NiW催化劑。檸檬酸的存在一方面提高了W物種的硫化度,有利于生成更多的活性中心;另一方面也導(dǎo)致生成較大的WS2微晶,不利于活性相的形成。前者對(duì)于催化劑活性的提高具有關(guān)鍵性的意義。
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