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沸石基微-介孔复合催化剂用于沥青减粘改质过程的研究

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摘要

1 文献综述

1.1 加拿大油砂沥青的性质

1.2 加拿大油砂沥青的开采

1.3 加拿大油砂沥青的改质工艺

1.3.1 热减粘裂化(Thermal Visbreaking)

1.3.2 延迟焦化(Delayed coking)

1.3.3 引入氢气和催化剂的初一次级改质混合过程

1.3.4 使用廉价催化剂的浆态床反应过程

1.3.5 次级改质过程

1.4 天然沸石在沥青改质中的应用

1.4.1 沸石的结构和活性

1.4.2 催化裂化的反应机理

1.4.3 斜发沸石作为催化裂化催化剂

1.5 介子L材料

1.5.1 介孔材料的制各方法

1.5.2 介孔催化剂合成机理

1.5.3 介孔材料的应用

1.6 本文研究目的、研究思路与文章组织

1.6.1 研究目的与思路

1.6.2 研究内容

1.6.3 论文结构

2 实验部分

2.1 实验药品

2.2 实验用器材与装置

2.2.1 实验所用器材

2.3 样品的表征与分析

2.3.1 X射线粉末衍射XRD

2.3.2 扫描电镜SEM

2.3.3 透射电镜TEM

2.3.4 热重-差热分析TG-DTA

2.3.5 棒状薄层色谱/氢火焰离子检测器检测法TCD-FID

2.3.6 比表面积以及孔径分布测定BET

2.3.7 运动粘度测定

2.3.8 气相色谱GC

3 微-介孔复合MCM-41催化剂的合成条件的优化

3.1 本章概要

3.2 实验部分

3.2.1 合成机理

3.2.2 样品的制备

3.2.3 样品表征

3.3 合成条件的优化

3.3.1 不同合成温度对合成产物的影响

3.3.2 体系pH值对合成产物的影响

3.3.3 斜发沸石量对合成产物的影响

3.3.4 水热晶化温度与时间对合成产物的影响

3.4 优化条件下合成的微一介孔复合材料的表征

3.4.1 氮气吸附脱附

3.4.2 X射线粉末衍射

3.4.3 SEM与TEM

3.4.4 催化剂焙烧温度的确定

3.5 本章小结

4 微-介孔复合材料在沥青水热减粘改质过程中的应用

4.1 反应机理

4.2 实验部分

4.2.1 实验设计

4.2.2 产品的检测

4.3 实验结果与讨论

4.3.1 SAGD沥青减粘效果

4.3.2 减粘催化改质产物的热重分析

4.4 本章小结

5 油砂减粘能耗核算

5.1 本章概要

5.2 计算所选择工艺

5.3 计算假设

5.4 计算参数

5.5 计算结果

5.6 项目前景

5.7 本章小结

6 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

参考文献

致谢

个人简历

学术成果

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摘要

随着人类社会、经济的不断发展,全世界,尤其是以中国为代表的新兴经济体对石油资源的需求日渐增加。然而,与此同时,传统石油资源却正在日渐枯竭。油砂沥青——作为世界储量最大的一种非传统化石能源之一,吸引着越来越多人的注意力。然而因为油砂沥青粘度高、比重大、硫与氮以及重金属杂质含量高的特性,传统沸石催化剂并不能很好的应用于油砂沥青的初改质(催化减粘)过程中,而以MCM-41为代表的,有着比表面积大、孔道分布均匀、孔径大等众多优点的有序介孔材料的出现,为解决这一难题,提供了一种可能的催化转化途径。
  本论文的主要研究内容是通过以水热稳定性好,酸性强的斜发沸石(Clinoptilolite)为铝源,在合适的条件下,合成出一种新型的具有Clin/MCM-41微-介孔复合结构的催化剂,从而能够更好的应用于油砂沥青的减粘改质过程中。
  论文首先介绍了目前油砂工业的发展现状、油砂沥青催化改质的机理以及天然沸石的催化性质,接着对有序介孔材料的性质、合成方法以及在相关领域的应用做了简要说明,并对本实验所采用的以天然沸石为原料合成有序微介孔复合Clin/MCM-41的制备方法进行了可行性分析。
  在实验部分,本论文首先采用单因素实验,在不同合成条件下制得的多系列的微-介复合材料,接着运用TEM、SEM、XRD、BET比表面积等分析技术对样品进行表征,从而找出最合适的合成路线,并初步分析条件改变对材料结构所产生影响的机理。经过比对,发现在反应温度为30℃、加入1g天然沸石原料、pH=10、120℃晶化温度、48小时晶化时间的条件下,所得到的微-介孔复合Clin/MCM-41催化剂具有较大的比表面积、规整的介孔分布,并且制备过程相对合理、经济。
  接着在本实验中,作者将在优化条件下所合成的微-介复合催化剂用于加拿大SAGD沥青的催化减粘改质反应。研究发现:在310℃,30min,低温水热催化裂化的条件下,该新型微-介孔复合催化剂在减粘方面的表现,比传统改性催化剂有了很大的提升(减粘率达到81%,比同条件下改性沸石高30%)。同时,以微-介复合材料为催化剂,生成物中饱和烃的含量更高,产物柴油馏分也高于传统改性沸石。为了进一步检验催化剂的水热裂化活性,本实验还以正十二烷为原料,在305~350℃的范围内进行了水热裂化,并分析了产物组分。
  最后,本论文还对整个改质过程,进行了初步的工艺过程能耗核算,结果显示利用微介孔复合分子筛为催化剂的油砂沥青改质工艺的能量的消耗比传统的露天开采+溶剂抽提工艺+改质工艺低30%以上。

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