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研究生: 王志銘
論文名稱: 以TiO2-ZrO2為主的觸媒進行正庚烷的轉化反應研究
指導教授: 王奕凱
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 化學工程學系
Department of Chemical Engineering
論文出版年: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
論文頁數: 82
中文關鍵詞: 二氧化鈦-二氧化鋯混合金屬氧化物
外文關鍵詞: TiO2-ZrO2
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  • 本研究旨在研究,以TiO2-ZrO2混合金屬氧化物為主的觸媒,在小型高壓反應系統中,進行正庚烷轉化反應的研究。期望能找到好的反應條件,或透過不同的改質方法,來了解正庚烷的裂解反應、重組反應、異構化反應及脫氫環化反應。
    首先製備出不同比例的TiO2-ZrO2混合金屬氧化物,以總酸、鹼量及表面積最大的TiO2/ZrO2=1/1觸媒來進行轉化反應研究。在以未擔載金屬的觸媒進行不同條件反應後,發現在以氫氣載流,反應溫度為525 ℃,反應壓力為100 psi.、WHSV為2 1/hr,H2/H.C.=3時,可以得到較好的初始轉化率。可是未擔載金屬的觸媒會一直衰退。
    在含浸不同量的Pt後,以相同條件反應,卻得到類似的反應結果,並且降低了觸媒本身的氫化能力。此即為強金屬擔體作用力(SMSI)的影響,使得含浸上的Pt失去原本的功能。並且由於SMSI的效應,導致觸媒結構改變,造成成對的酸-鹼性加脫氫活性點消失。
    相對於含浸法,本文藉由混合Pt/SiO2與TiO2/ZrO2=1/1的粉末所製成的觸媒,其分離且鄰近的兩種活性基(金屬點及成對的酸-鹼活性點),可以去除在擔載Pt時,所產生的SMSI效應。而得到較高之反應活性。並且有較高之脫氫環化產物(甲苯)選擇率及脫氫或異構化產物 (C7的烯類或其異構化產物) 選擇率。並且藉由不同的混合方法,當混合效果較好(混合粉末再壓錠)時,Pt/SiO2可更有效的抑制積碳的形成,而減少觸媒的衰退。此外,藉由降低反應溫度525 ℃→500 ℃,雖然其轉化率會降低10 %,但是並沒有降低太多的甲苯選擇率,並且可以增加C7產物的量與減少裂解產物的量。


    目錄 第一章、緒論..………………………………………………………...…1. 1.1 研究緣起..………………………………………………….….1. 1.2 研究方向及目標..………………………………………….….2. 第二章、文獻回顧..…………………………………………………...…3. 2.1 觸媒重組反應..…………………………………………….….3. 2.1.1 觸媒重組之化學反應..………………………………...4. 2.1.2 觸媒重組反應之觸媒..…………………………….......5. 2.2 混合金屬氧化物觸媒..……………………………………......6. 2.2.1 混和金屬氧化物的酸-鹼性質..…………….………….7. 2.2.2 TiO2、ZrO2和TiO2-ZrO2 金屬氧化物..…………… 8. 2.3 強金屬擔體作用力..………………………………………....11. 第三章 觸媒製備與實驗設備..………………………………….……14. 3.1 觸媒的製備..…………………………………………………14. 3.1.1 TiO2-ZrO2與TiO2-ZrO2-V2O5的製備 ………...……14. 3.1.2 Pt / TiO2- ZrO2與Pt / TiO2-ZrO2-V2O5的製備….…..15. 3.2 觸媒的特性分析..…………………………………….……...15. 3.2.1 X-射線繞射分析..………………………………..….15. 3.2.2 表面積測定..……………………………………….…15. 3.2.3 總酸量及總鹼量測定..…………………………….…16. 3.3 觸媒活性測試..………………………………………………17. 3.3.1 實驗裝置..……………………………………….……17. 3.4 數據分析..……………………………………………….…..19. 3.4.1 產物分析..……………………………………………19. 3.4.2 名詞解釋及定義..………………………………….…22. 第四章、實驗結果與討論..………………..………………………….23. 4.1 觸媒的特性分析..……………………………………………23. 4.1.1 X-射線繞射分析….……………………………….…..23. 4.1.2 表面積測定..……………………………………….…25. 4.1.3 總酸量及總鹼量測定..……………………………….26. 4.2 不同條件之熱裂解反應..……………………………………28. 4.2.1 改變不同反應溫度…………...………………………28. 4.2.2. 改變反應壓力及載流氣體…………………………..29. 4.3 TiO2/ZrO2=1/1活性測試……………………….………......31. 4.3.1. 不同反應溫度及不同載流氣體………………..……31. 4.3.2. TiO2/ZrO2=1/1長時間之活性測試…………………..37. (1).氫氣載流,壓力:100 psi.;溫度:525℃…………37. (2).氮氣載流,壓力:100 psi. ;溫度:525℃.…..…...40. (3).氫氣載流,壓力:20 psi.;溫度:525 ℃…….…...43. (4).氮氣載流,壓力:20 psi.;溫度:525 ℃…………46. (5).比較上列四種反應條件……………………….....49. 4.4 TiO2 / ZrO2 = 1 / 1含浸擔載不同量Pt後,進行活性測試51. 4.4.1. 0.1wt%Pt/(TiO2/ZrO2=1/1)……………………...….…51. 4.4.2. 0.3wt%Pt/(TiO2/ZrO2=1/1):…….…...…………….....54. 4.5 TiO2/ZrO2=1/1混合不同量Pt/SiO2後,進行活性測試…….57. 4.5.1. 0.1 wt% Pt/SiO2與0.3 wt% Pt/SiO2活性測試……….57. 4.5.2. 混合(Pt/SiO2)/(TiO2/ZrO2=1/1),總Pt量為0.3wt%....60. 4.5.3 比較不同反應溫度,改變反應溫度525 ℃→500 ℃...67. 4.6 綜合比較……………………………………………………..71. 4.6.1.比較混合Pt/SiO2與TiO2/ZrO2=1/1前後…………..…71. 4.6.2.比較含浸擔載Pt及物理混合Pt/SiO2的觸媒活性.….74. 第五章、結論……………..……………..…………………...…………78. 第六章、參考文獻…………………………………………………..…80. 圖目錄 圖2.1 SMSI的來源………………………………………….……….13. 圖3.1 反應裝置圖……………………………………………………14. 圖3.2 液體產物GC圖譜…………………………………….………20. 圖3.3 氣體產物GC圖譜………………………………………….…21. 圖4.1 不同組成的TiO2-ZrO2之XRD圖譜…………………..…….24. 圖4.2 不同比例的TiO2-ZrO2之表面積……………………….…….27. 圖4.3 不同組成的TiO2-ZrO2之總酸鹼量………………………..…27. 圖4.4 氫氣載流下,TiO2/ZrO2=1/1的轉化率及甲苯產率 溫度:525 ℃;壓力:100 psi………………………….…….39. 圖4.5 氫氣載流下,TiO2/ZrO2=1/1的C2/C2=值和C3/C3=值 溫度:525 ℃;壓力:100 psi…………………………….…..39 圖4.6 氮氣載流下,TiO2/ZrO2=1/1的轉化率及甲苯產率 溫度:525 ℃;壓力:100 psi………………………………..42. 圖4.7 氮氣載流下,TiO2/ZrO2=1/1的C2/C2=值和C3/C3=值 溫度:525 ℃;壓力:100 psi……………………………….42. 圖4.8 氫氣載流下,TiO2/ZrO2=1/1的轉化率及甲苯產率 溫度:525 ℃;壓力:20 psi……………………………….45. 圖4.9 氫氣載流下,TiO2/ZrO2=1/1的C2/C2=值和C3/C3=值 溫度:525 ℃;壓力:20 psi……………………………….45. 圖4.10 氮氣載流下,TiO2/ZrO2=1/1的轉化率及甲苯產率 溫度:525 ℃;壓力:100 psi………………………..………..48. 圖4.11 氮氣載流下,TiO2/ZrO2=1/1的C2/C2=值和C3/C3=值 溫度:525 ℃;壓力:20 psi……………………………...……48. 圖4.12 比較H2 100 psi.;N2 100 psi;H2 20psi.;N2 100 psi. 四種條件下的轉化率變化。溫度:525 ℃…………..…..…..49. 圖4.13 比較H2 100 psi.;N2 100 psi;H2 20psi.;N2 100 psi. 四種條件下的甲苯選擇率變化。溫度:525 ℃…………......50. 圖4.14 氫氣載流下,0.1 % Pt/(TiO2/ZrO2=1/1)的轉化率及甲苯產率 溫度:525 ℃;壓力:100 psi………………………….……..53. 圖4.15 氫氣載流下,0.1 % Pt/(TiO2/ZrO2=1/1)的C2/C2=和C3/C3=值 溫度:525 ℃;壓力:100 psi………………………….……..53. 圖4.16 氫氣載流下,0.3 % Pt/TiO2/ZrO2=1/1的轉化率及甲苯產率 溫度:525 ℃;壓力:100 psi……………………….…….….56. 圖4.17 氫氣載流下,0.3 % Pt/(TiO2/ZrO2=1/1)的C2/C2=和C3/C3=值 溫度:525 ℃;壓力:100 psi…………………………….…..56. 圖4.18 氫氣載流下,0.3 wt% Pt/SiO2 1 g與0.1 wt% Pt/SiO2 3g 的轉化率…………………………………………………….59. 圖4.19 氫氣載流下,0.3 wt% Pt/SiO2 1 g與0.1 wt% Pt/SiO2 3g 的甲苯選擇率……………………………………………….59. 圖4.20 總量為0.3 wt% Pt,三種混合方式的 (Pt/SiO2)/(TiO2/ZrO2=1/1)的轉化率變化…………………...65. 圖4.21 總量為0.3 wt% Pt,三種混合方式的 (Pt/SiO2)/(TiO2/ZrO2=1/1)的甲苯產率變化………………...65. 圖4.22 總量為0.3 wt% Pt,三種混合方式的 (Pt/SiO2)/(TiO2/ZrO2=1/1)的甲苯選擇率變化……………...66. 圖4.23 總量為0.3 wt% Pt,三種混合方式的 (Pt/SiO2)/(TiO2/ZrO2=1/1)的C2/C2=值變化……………..….66. 圖4.24 觸媒為1g 0.3wt%Pt/SiO2 + 3g TiO2/ZrO2=1/1, 不同反應溫度的轉化率比較……………………………….69. 圖4.25 觸媒為1g 0.3wt%Pt/SiO2 + 3g TiO2/ZrO2=1/1, 不同反應溫度的C7產物選擇率……………………………69. 圖4.26 觸媒為1g 0.3wt%Pt/SiO2 + 3g TiO2/ZrO2=1/1, 不同反應溫度的甲苯產率………………………………… 70. 圖4.27 觸媒為1g 0.3wt%Pt/SiO2 + 3g TiO2/ZrO2=1/1, 不同反應溫度的甲苯選擇率……………………………….70. 圖4.28 比較Ti/Zr=1/1 3g與0.3%Pt/SiO2 1g混合前後 的轉化率變化……………………………………………….72. 圖4.29 比較Ti/Zr=1/1 3g與0.3%Pt/SiO2 1g混合前後 的甲苯產率變化…………………………………………….72. 圖4.30 比較Ti/Zr=1/1 3g與0.3%Pt/SiO2 1g混合前後 的甲苯選擇變化…………………………………………….73. 圖4.31 比較含浸擔載Pt及物理混合Pt/SiO2的轉化率變化….……74. 圖4.32 比較含浸擔載Pt及物理混合Pt/SiO2的甲苯選擇率變化….75. 圖4.33 比較含浸擔載Pt及物理混合Pt/SiO2的C2選擇率變化……77. 圖4.34 比較含浸擔載Pt及物理混合Pt/SiO2的C2/C2=值變化…….77. 表目錄 表3.1 GC分析條件………………………………………….……….19. 表4.1 不同比例的TiO2-ZrO2之表面積…………………..……..…..25. 表4.2 不同比例的TiO2-ZrO2之總酸鹼量………………..…………26. 表4.3 氫氣載流下,不同溫度時,熱裂解反應情形………………28. 表4.4 不同載流氣體,不同壓力時,熱裂解反應情形……………29. 表4.5 氫氣載流下,不同反應溫度下之TiO2/ZrO2=1/1活性測試.....33. 表4.6 氮氣載流下,不同反應溫度下之TiO2/ZrO2=1/1活性測試….35. 表4.7 氫、氮氣載流下,不同反應溫度之TiO2/ZrO2=1/1選擇率…36. 表4.8 氫氣載流下,TiO2/ZrO2=1/1活性測試 溫度:525 ℃;壓力:100 psi…………………………………..38. 表4.9 TiO2/ZrO2=1/1活性測試,氫氣載流下的選擇率, 溫度:525 ℃;壓力:100 psi…………………………………38. 表4.10 氮氣載流下,TiO2/ZrO2=1/1活性測試 溫度:525 ℃;壓力:100 psi…………………………………41. 表4.11 TiO2/ZrO2=1/1活性測試,氮氣載流下的選擇率, 溫度:525 ℃;壓力:100 psi……………………...………….41. 表4.12 氫氣載流下,TiO2/ZrO2=1/1活性測試 溫度:525 ℃;壓力:20 psi……………………………..……44. 表4.13 TiO2/ZrO2=1/1活性測試,氫氣載流下的選擇率, 溫度:525 ℃;壓力:20 psi…………………………………..44. 表4.14 氮氣載流下,TiO2/ZrO2=1/1活性測試 溫度:525 ℃;壓力:20 psi…………………………………..47. 表4.15 TiO2/ZrO2=1/1活性測試,氮氣載流下的選擇率, 溫度:525 ℃;壓力:20 psi…………………………………..47. 表4.16 氫氣載流下,0.1 % Pt / (TiO2/ZrO2=1/1)活性測試…………52. 表4.17 0.1 % Pt/(TiO2/ZrO2=1/1)活性測試,氫氣載流下的選擇率..52. 表4.18 氫氣載流下,0.3 % Pt / (TiO2/ZrO2=1/1)活性測試…………55. 表4.19 0.3 % Pt/(TiO2/ZrO2=1/1)活性測試,氫氣載流下的選擇率..55. 表4.20 氫氣載流下,0.1 % Pt/SiO2 3g活性測試…………………....58. 表4.21 氫氣載流下,0.3 % Pt/SiO2 1g活性測試……………………58. 表4.22 氫氣載流下,總量為0.3 wt% Pt,混合粉末 (0.1 wt%Pt/SiO2 3g)/(TiO2/ZrO2=1/1 3g)活性測試…..…….62. 表4.23 氫氣載流下,總量為0.3 wt% Pt,混合粉末 (0.1 wt% Pt/SiO2 3g)/(TiO2/ZrO2=1/1 3g)的選擇率……..…62. 表4.24 氫氣載流下,總量為0.3 wt% Pt,混合粉末 (0.3 wt% Pt/SiO2 1g)/(TiO2/ZrO2=1/1 3g)活性測試………..63. 表4.25 氫氣載流下,總量為0.3 wt% Pt,混合粉末 (0.3 wt% Pt/SiO2 1g)/(TiO2/ZrO2=1/1 3g)的選擇率……..…63. 表4.26 氫氣載流下,總量為0.3 wt% Pt,混合顆粒 (0.3 wt% Pt/SiO2 1g)/(TiO2/ZrO2=1/1 3g)活性測試…..……64. 表4.27 氫氣載流下,總量為0.3 wt% Pt,混合顆粒 (0.1 wt% Pt/SiO2 1g)/(TiO2/ZrO2=1/1 3g)的選擇率…..……64. 表4.28 反應溫度500℃時,混合粉末 (0.3 wt% Pt/SiO2 1g)/(TiO2/ZrO2=1/1 3g)活性測試…….….68. 表4.29 反應溫度500℃時,混合粉末 (0.1 wt% Pt/SiO2 1g)/(TiO2/ZrO2=1/1 3g)的選擇率………..68.

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