[发明专利]激光表面催化丁烷裂解制乙烯

说明书

本发明属于激光表面化学。

乙烯是石油化工的基本原料。目前世界各国乙烯的生产几乎都是石油裂解法，根据各国的资源和市场供应情况采用不同的石油馏分作为裂解原料。如美国主要以天然气（含大量乙烷和丙烷）为原料，西欧和日本主要以石脑油为原料，中国则主要以液态馏分或炼厂气为原料。管式炉裂解法是目前世界上大规模生产乙烯的主要方法，火焰裂解法在用重质油同时生产乙烯、乙炔方面有较多的应用，催化裂解法在用炼厂气生产乙烯方面有一定的进展。上述方法和技术的共同缺点是反应温度高（700-900℃），产物乙烯选择性低（30-40%），生产装置复杂，能耗大和产品成本高等。本发明一激光表面催化丁烷裂解制乙烯的方法和技术，可应用于石油炼厂气丁烷催化裂解生产乙烯，经联机检索，未查出与本发明相同或相关的专利及非专利文献报导。

本发明的目的是创立新的、反应条件温和、产物乙烯选择性高、由丁烷裂解制取乙烯的方法和技术-激光表面催化丁烷裂解制乙烯。

本发明根据物质间振动能V-V传递的基本原理，将固体表面对气体分子的选择吸附作用和激光对化学物质中化学键的选择激发作用结合起来，组合成新的激光表面化学反应方法和技术-激光表面催化丁烷裂解制乙烯。

本发明以薄片状Al₂O₃-SiO₂复合材料为固体表面，它是以比表面积为250-350m²/g的SiO₂为载体，用等体积浸渍法负载5-10%（以Al/Si原子比计）的AlCl₃水溶液后，再用1∶1氨水与之反应30-60分钟，经过滤、洗涤除净Cl^-离子，100-120℃条件下干燥4-6小时，300-500℃条件下煅烧2-4小时，研细后压制成0.2～0.5mm厚的薄片等过程制备的。这种材料的表面O-Al-O键能有效吸附丁烷分子中的中间C-C键，而当用一定频率的激光激发表面O-Al-O键时，其能量可借助振动能V-V传递过程有效地传递给吸附在其上的丁烷分子并使其中间C-C键活化而发生化学反应;由于振动频率的差别，受激O-Al-O键的能量向其周围（包括体相）O-Si-O键的传递损失很少。

本发明所用激光光源为脉冲可调频CO₂激光器。我们发现，激光表面反应常用的气体分子激发、吸附态分子激发、固体表面键激发等三种激发模式中，以固体表面键激发对这一反应体系最为有效;激光频率的选择、激光能量密量的大小、激光脉冲间隔时间的长短等因素对激光能量利用率有着显著的影响。依据固体表面材料、丁烷分子和吸附态丁烷分子的红外光谱特性，本发明采用固体表面键激发模式，激光波长为9-10μm，激光能量密度为0.5-1.2J/cm²激光脉冲间隔时间为1-4秒。

本发明所用激光表面反应器为透射-反射式反应器，薄片状固体表面材料置于反应器中的薄片支撑盒内，激光从Ge透射镜进入反应器，反应器壁用可全反射激光的抛光铜面镜构成，这种反应器的光能利用率大于90%。我们发现，反应物及产物浓度、温度及压力条件等对这一反应体系的激光能量利用率的影响很小。本发明采用室温（25℃）及常压（1大气压）条件下反应;反应原料气为丁烷-氮气混合气，其中丁烷含量（体积%）为5-50%;丁烷转化率可依激光激发次数而定，当激发400-800次时，丁烷转化率可达30%以上;反应产物为乙烯、乙烷、丙烯及丙烷，其中乙烯选择性大于66%。

应用本发明提供的方法和技术与工业用鲁姆斯SRT裂解炉的丁烷裂解性能指标对比如上：

（表见文后）

本发明的实施例如下：