摘 要

乙烯是一种重要的石油化工基础原料之一。目前，乙烯主要通过裂解石油制备的，裂解过程中容易产生乙烷等副产物。此外炼厂干气装置的尾气中包含大量的乙烯和乙烷，因此有效地分离乙烯乙烷具有重要的研究意义。微孔SSZ-13分子筛是一种菱沸石CHA构型的沸石分子筛，孔道直径约为0.38 nm，因其具有良好的水热稳定性、耐酸耐碱等优势，被广泛应用于气体分离领域。

本文采用二次水热合成方法成功地在管状的α-Al2O3的载体上制备出膜层连续致密且只有4 μm薄的SSZ-13分子筛膜，通过扫瞄电镜和X-射线特征衍射等分析手段，对合成的分子筛膜的形貌以及晶体结构进行了一系列的表征。同时对制备的SSZ-13分子筛膜，我们通过单组份气体分离装置考察了不同温度和压力条件下单组份气体的渗透行为，包括CO₂、CH₄、C₂H₄和C₂H₆。实验表明，制备的SSZ-13分子筛膜具有较高的C₂H₄渗透速率。在室温25度时，C₂H₄的渗透速率为1.7×10^-8 mol m^-2 s^-1 Pa^-1，C₂H₄/C₂H₆的分离选择性达6。

关键词：SSZ-13分子筛膜；二次水热合成；C₂H₄/C₂H₆分离

Study on Separation of Ethylene/Ethane Mixtures by Zeolite Membrane

Abstract

Ethylene is one of the most important basic petrochemical raw materials. At present, ethylene is mainly produced by cracking petroleum, however, ethane and other by-products are easily generated during the cracking process. In addition, the tail gas of the refinery dry gas plant contains a large amount of ethylene and ethane, so it is necessary to take some measures to separate ethylene and ethane effectively. Microporous SSZ-13 molecular sieve is a kind of zeolite, which belongs to CHA type code. Its pore diameter is about 0.38 nm. SSZ-13 zeolite membrane is widely used in gas separation due to its good hydrothermal stability, acid and alkali resistance.

In this paper, the continuous and compact SSZ-13 membranes were prepared on the outside surface of tubular α-Al₂O₃ support by seeded secondary growth method. The SSZ-13 membrane had thickness of 4 μm. In addition, SSZ-13 zeolite membranes were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) to analysis the morphology and crystal structure. Single-gas permeation for CO₂, CH₄, C₂H₄ and C₂H₆ through SSZ-13 zeolite membrane as function of pressure drop and temperature were measured. The results showed that the SSZ-13 membrane has higher C₂H₄ permeance in the single gas separation experiment. The best membrane had a C₂H₄ permeance of 1.7×10^-8 mol m^-2 s^-1 Pa^-1 and C₂H₄/C₂H₆ selectivity of 6.

Key words: SSZ-13 zeolite membrane; Secondary hydrothermal synthesis; C₂H₄/C₂H₆ separation

目 录

摘 要 II

Abstract III

第一章 绪论 1

1.1背景 1

1.2 乙烯分离技术 1

1.2.1 深冷分离法 1

1.2.2 吸收分离法 2

1.2.3 吸附分离法 2

1.2.4 水合物分离 3

1.2.5 膜分离法 3

1.3 SSZ-13分子筛 3

1.3.1 分子筛膜的介绍 3

1.3.2 SSZ-13的发展历史 4

1.3.3 SSZ-13的制备方法 5

1.3.4 SSZ-13分子筛的应用 6

1.4本论文的选题意义和主要内容 6

第二章 实验与表征 8

2.1实验部分 8

2.1.1 主要仪器 8

2.1.2 化学试剂 8

2.1.3 SSZ-13分子筛的制备 8

2.2 表征方法 9

2.2.1 气体膜分离装置 9

2.2.2 物理表征 10

第三章 实验结果与讨论 11

3.1 SSZ-13 分子筛的表征与分析 11

3.2 SSZ-13 分子筛膜的表征与分析 11

3.3 与其他膜对比 15

第四章 结论与展望 16

参考文献 17

致 谢 19

第一章 绪论

1.1背景

乙烯是石油化工的基本有机原料之一，它推动着国民经济的发展，同时乙烯的产量是衡量一个国家化工行业发展水平的一个重要指标。它被广泛的应用于各行各业中。在工业上主要用于生产聚乙烯、氯乙烯及聚氯乙烯等；在农业方面，乙烯具有促进果实成熟，增加植物对病虫害的抗性的作用，是最常用的植物激素之一。在医学方面，常被用作麻醉剂^[1]。然而，随着人们日益增长的物质需要，乙烯供应面临着较大的敞口。如何扩大生产，加强含乙烯有机气体的回收利用，已摆在化工工作者的面前。

乙烯的产生最初是由乙醇脱水产生的。由于乙醇生产大量消耗粮食，加之乙醇生产乙烯的路线不合理。产量低等原因，乙烯的工业化生产一直比较受限。20世纪40年代，美孚以炼厂气为原料，开创了世界上第一个石化时代^[2]。在目前的乙烯生产工艺中，乙烷作为原料成本最低。在天然气资源丰富的地区，很多天然气里的乙烷，丙烷被用来裂解制造性价比高的乙烯。

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