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燃油中的硫化物在加氢脱硫催化剂活性组分及载体上的吸附模拟研究

作　者: 林东强
导　师: 奚红霞
学　校: 华南理工大学
专　业: 化学工程
关键词: 燃油加氢脱硫硫化物加氢脱硫催化剂加氢脱硫催化剂载体密度泛函理论巨正则蒙特卡罗
分类号: TE621
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着我国经济社会发展,燃油的使用量急剧增加,燃油中含硫物燃烧所带来的危害也日益引起人们关注,并且环境法规规定的硫含量标准也越来越低,因此燃油的深度脱硫是我国炼化企业急需解决的问题。目前,加氢脱硫技术仍然是我国燃油脱硫的主流技术,因此深入研究加氢脱硫催化剂活性相及催化剂载体的脱硫机制,对于开发新型、高效加氢脱硫催化剂,提升加氢脱硫技术显得尤为重要。燃油中的硫化物在催化剂活性相表面的吸附过程是加氢脱硫催化反应前的重要一步,对各种硫化物在典型加氢脱硫催化剂活性相MoS₂表面上的吸附行为的微观理论研究,有助于我们理解硫化物与加氢脱硫催化剂之间相互作用的本质以及了解催化剂活性相的微观结构及活性位,为加氢脱硫催化剂活性金属组分的筛选提供有益的理论指导。同时对分子直径大小不同的硫化物在加氢脱硫催化剂载体上的吸附研究,可以了解催化剂载体对不同硫化物的吸附选择性,从而为吸附脱硫吸附剂以及加氢脱硫催化剂载体的选择提供理论指导。本文以Mo₁₀S₁₈团簇作为加氢脱硫催化剂活性相的微观结构模型,运用密度泛函理论方法研究了燃油中硫化氢（H₂S）、硫醇（CH₃SH）、硫醚（CH₃SCH₃）以及杂环硫化物噻吩（T）、苯并噻吩（BT）、二苯并噻吩（DBT）、4,6二甲基-二苯并噻吩（4,6-DMDBT）等七种噻吩类和非噻吩类硫化物在Mo₁₀S₁₈团簇（100）面Mo边上的吸附。计算结果表明:两类硫化物在Mo₁₀S₁₈团簇（100）面Mo边上均有稳定的吸附构型。同种吸附构型,噻吩类含硫物吸附能大于非噻吩类含硫物;对于噻吩类硫化物,其平行构型吸附能大于垂直吸附构型。这是因为平行吸附时,含大π键的噻吩类含硫分子以π键（η5）平面方式吸附在Mo边上面,比S-Mo（η1）垂直方式具有更强的吸附力。同时计算表明噻吩和H₂在二硫化钼Mo边上的吸附要比其在二硫化钼S边稳定得多,表明加氢脱硫催化剂的活性位为二硫化钼的金属Mo边。在MoS₂催化剂上Mo边上噻吩类硫化物具有稳定的平行和垂直吸附构型,存在加氢脱硫路径脱硫（HYD）和直接脱硫路径（DDS）,硫醚（CH₃SCH₃）和硫醇（CH₃SH）只有稳定的垂直吸附构型,表明在二硫化钼Mo边以脱硫反应以直接脱硫路径（DDS）为主。本文计算了硫化物（噻吩,4,6-DMDBT）在过渡金属助剂原子掺杂的Mo9MeS18上Mo边上的吸附行为,其中过渡金属原子Me分别为Fe、Co、Ni、Cu。计算结果表明:添加不同助剂原子的MoS₂的HDS活性与含硫物在掺杂后催化剂活性相表面的吸附能力有关,考察硫化物在掺杂助剂原子的催化剂活性相表面金属Mo边上的吸附能力对其HDS活性影响要综合考虑其在助剂原子Me以及相邻Mo原子上的吸附。本文运用巨正则蒙特卡罗（GCMC）方法研究了噻吩、4,6-DMDBT在微孔分子筛MFI、MOR以及中微双孔分子筛SBA-15上的物理吸附。计算结果表明:不同分子筛由于其孔径不同,对燃油中的硫化物吸附具有选择性。对噻吩的吸附能力:低压条件下,MFI,MOR远大于SBA-15,噻吩更易吸附于比其分子直径略大的微孔,吸附在低压下达到饱和;SBA-15由于具有大量中孔,而中孔在低压下吸附噻吩能力弱,在高压下,SBA-15的吸附能力则迅速上升,远大于微孔分子筛MFI和MOR,这时,吸附属于多层吸附,继续升高压力,发生毛细管凝聚现象;但对4,6-DMDBT的吸附,由于MOR和MFI的微孔孔径小于4,6-DMDBT的分子直径,吸附能力为SBA-15远大于MOR和MFI（MFI对4,6-DMDBT的吸附几乎为0）。升温对硫化物在分子筛中的吸附不利,用Ag离子和Cu离子改性的SBA-15分子筛吸附噻吩能力均显著提高,且Ag离子改性SBA-15分子筛吸附噻吩量略高于其用Cu离子改性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-30
  1.1 引言  12-19
    1.1.1 燃油中硫化物的危害及深度脱硫的意义  12-13
    1.1.2 燃油中硫化物的种类和分布及HDS 反应活性  13-14
    1.1.3 燃油脱硫技术简介  14-16
    1.1.4 加氢脱硫催化剂及其载体简介  16-19
  1.2 量子化学计算方法在燃油脱硫机理研究中的应用  19-25
    1.2.1 H_2或硫化物在催化剂表面或金属表面的吸附与解离  19-22
    1.2.2 载体与催化剂活性组分的相互作用  22-24
    1.2.3 活性位及加氢脱硫反应历程  24-25
    1.2.4 助剂金属原子在催化剂活性相中的作用  25
  1.3 分子模拟技术在燃油脱硫机理研究中的应用  25-27
  1.4 论文研究思路  27-28
  1.5 论文研究内容  28-30
第二章模拟理论及计算方法  30-43
  2.1 分子模拟方法简介  30-33
    2.1.1 分子模拟技术概述  30-32
    2.1.2 分子力场简介  32-33
  2.2 密度泛函理论简介  33-38
    2.2.1 薛定谔方程及三个近似  34-35
    2.2.2 Hohenberg-Kohn 及Kohn-Sham 方程  35-37
    2.2.3 相关能泛函  37-38
  2.3 计算软件  38-39
    2.3.1 Materials Studio 简介  38-39
    2.3.2 DM01~3模块简介  39
    2.3.3 Sorption 模块简介  39
  2.4 簇模型及计算方法  39-43
    2.4.1 MoS_2簇模型  39-41
    2.4.2 计算方法  41-43
第三章 H_2 和硫化物在加氢脱硫催化剂活性组分上吸附的量子化学计算  43-54
  引言  43
  3.1 计算模型和方法  43
  3.2 硫化物在硫化钼团簇Mo 边上的吸附  43-49
    3.2.1 吸附能及结构参数分析  44-47
    3.2.2 Mulliken 电荷布居分析  47-49
  3.3 H_2和噻吩在Mo_(10)S_(18)团簇Mo 边及S 边吸附选择性研究  49-52
  3.4 本章小结  52-54
第四章硫化物在过渡金属原子掺杂加氢脱硫催化剂活性组分上吸附的量子化学计算  54-61
  引言  54-55
  4.1 计算模型和方法  55
  4.2 助剂原子对催化剂团簇结构的影响  55-57
    4.2.1 添加助剂原子后Mo_9MeS_(18)结构和能量变化  55-56
    4.2.2 添加助剂原子后Mo_9MeS_(18)结构的Mulliken 原子电荷布居  56-57
  4.3 硫化物在过渡金属原子掺杂硫化钼团簇Mo 边上的吸附  57-59
    4.3.1 噻吩在过渡金属原子掺杂硫化钼团簇Mo 边上吸附能分析  57-58
    4.3.2 噻吩在掺杂硫化钼团簇Mo 边上吸附的Mulliken 电荷布居  58-59
  4.4 本章小结  59-61
第五章硫化物在加氢脱硫催化剂载体上吸附的蒙特卡罗模拟  61-76
  引言  61
  5.1 计算模型和方法  61-64
    5.1.1 计算模型  61-63
    5.1.2 计算方法  63-64
    5.1.3 模型及力场验证  64
  5.2 硫化物在三种分子筛上的吸附分布和吸附等温线  64-73
    5.2.1 吸附等温线  64-66
    5.2.2 硫化物在分子筛中的吸附分布  66-71
    5.2.3 温度对吸附的影响  71-73
  5.3 噻吩在金属阳离子改性SBA-15 分子筛上吸附  73-74
  5.4 本章小结  74-76
结论  76-78
参考文献  78-86
攻读硕士学位期间取得的研究成果  86-87
致谢  87-88
附件  88

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